基于实测数据的新建牵引变电所能耗分析与计费优化

基于实测数据的新建牵引变电所能耗分析与计费优化

牛梦宇

(中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023)

摘要：电气化铁路运输具有运量大、成本低等优越性,近年来在我国得到迅速发展,但同时新建线路牵引运量高，负荷重，能耗问题突出。因此，为了实现电气化铁路的高效经济运行，对牵引变电所的牵引能耗进行研究具有重要意义。以某地区新建电气化铁路为例，开展牵引能耗综合测试，基于相关标准，对牵引变电所的运行能耗及反送不计，反送正计，反送反计三种计量方式下功率因数进行了定量分析。针对电气化铁路牵引变电所运行的电费成本，计及两部制电价，选取了最优的牵引变电所电费计量方案,对牵引供电系统优化设计与运营具有重要意义。

关键词：牵引能耗测试；电气化铁路；功率因数；两部制电价；经济运行[]

Energy consumption analysis of traction substation based on measured data and optimal scheme of electricity cost

NIU Mengyu

Abstract: Electrified railway transportation has the advantages of large volume and low cost, and has developed rapidly in China in recent years. At the same time, newly constructed railways have high traction traffic, heavy loads and prominent energy consumption problems. Therefore, in order to achieve efficient and economical operation of railways, it is of great significance to study the traction energy consumption of traction substation. Taking a newly constructed electrified railway as an example, a comprehensive test of traction energy consumption was carried out. Based on relevant standards, the operation energy consumption and power factor in the three measurement modes of returned reactive power is ignored, return reactive power is positive, and return reactive power is counted backward were quantitatively analyzed. Aiming at the electricity cost of heavy-haul railway traction substation operation, taking into account the two-part electricity price, the optimal traction substation electricity cost scheme is selected, which is very important for the design and operation of traction power supply system.

Key words: Traction energy consumption test; Electrified railway; power factor; two-part electricity tariff; economical operation

0引言

随着国民经济的快速发展，对能源和交通的需求日益增长，其中电气化铁路里程更是飞速发展[1,2]，随之带来的电能消耗也急剧增加。截至2019年，中国电气化铁路运营里程已超过13万公里，每天运行车次超过3400对。与之相对应，2019年中国铁路牵引供电系统耗电量约为711亿千万时[3]。

为适应我国铁路货运量增长，提高铁路运输能力，我国在兴建高速铁路客运专线的同时，正在根据大宗货物的流向加快重载铁路的建设，如目前在建的晋豫鲁铁路、蒙西华中铁路以及浩吉铁路等[4,5]。此外，通过对既有线进行扩能改造，以此提高运输效益，改变我国重载铁路功能单一的现状，提升牵引供电品质[6-8]。因此，为了实现铁路的高效、高质和经济运行，对电气化铁路的牵引能耗进行研究具有重要意义[9,10]。

本文以典型新建电气化铁路线路为例，对某牵引变电所进行了牵引能耗综合测试，定量分析了牵引变电所的运行能耗及不同计量方式下功率因数。其中，牵引变电所高压三相进线电压等级为220kV，牵引侧电压等级为2×27.5kV，牵引变电所牵引变压器安装容量为2×25MVA，采用了Vx接线形式，实现AT供电方式。除此之外，针对铁路牵引变电所运行的电费成本，计及两部制电价，选取了最优的牵引变电所电费计量方案。

1牵引变电所牵引能耗综合测试

选择某地区新建牵引变电所进行牵引能耗综合测试。本次测试采用了专业的电能质量监测设备，对牵引变电所内高压进线侧三相电压电流进行检测，测量方式为通过电流钳和电压探头对所内综合自动化系统电能质量屏柜的流互、压互信号进行测量。在额定工作条件下，测量设备应满足中华人民共和国国家标准GB/T 19862-2016的要求，其允许误差限如下：

a) 电压为0.1%；b) 频率为0.01Hz; c) 谐波电压和谐波电流应符合表1的规定。

根据已掌握的线路资料，通过对牵引变电所高压三相侧电压、电流进行24h监测，基于相关功率因数计算方法及电费标准对牵引供电系统能耗和电费进行定量计算和评估。

2 功率因数及电费定量分析

2.1 功率因数

《功率因数调整电费办法》规定：对于160千伏安以上的高压供电工业用户、装有带负荷调整电压装置的高压供电电力用户和3200千伏安及以上的高压供电电力排灌站，应该满足的功率因数标准为0.9；对于电气化铁路，应该满足的功率因数为0.9。

列车在线路上运行时，牵引状态下和再生制动状态下具有不同负荷特性，且再生制动能量将通过牵引变电所反送回电网。计及牵引供电系统无功功率的方向，平均功率因数的计算共有三种不同的计量方式，其计算方法如下：

无功反送不计：

无功反送正计:

无功反送反计：

式中: ——用户平均功率因数

——用户消耗有功电量；

——用户消耗感性无功电量；

——用户发出容性无功电量

2.2 电费计量

我国对大工业用电，实行两部制电价[6]。所谓两部制，一部分为基本电价，是以企业受电容量或用户最大需量为计算依据，也称基本容量电费或最大需量电费，不管企业是否用电，都需要缴纳，与实际用电量无关。其中受电容量指企业变压器容量，最大需量指根据实时监测的最大平均有功功率，一般以每15分钟为时间窗口。

另一部分称为电度电价，根据企业实际用电量，结合相应的用电价格计算，消耗多少电能就需要缴纳相应的电费，与企业变压器容量和用电需量无关。

综上所述，电气化铁路牵引供电系统运行电费计算公式如下：

式中， 表示总的电费成本， 表示电度电费， 表示基本电费，各电费计算方式如下：

公式（5）中， 为电度电价，单位为kWh/元， 为牵引负荷消耗的正向有功功率，单位为kW，为单位时间间隔，单位为h；公式（6）中，为变压器容量，单位为kVA，为容量单价，单位为kVA/元.月，为牵引变电所15min时间窗口内的最大有功需量，单位为kW，为需量单价，单位为kW/元.月。目前用户的基本电费可以在容量电费和最大需量电费之间二选一。

3 实测数据分析

3.1 高压三相进线电压

图1为所测牵引所进线侧三相实测电压曲线。其中，相电压额定值为127kV，其中，A相电压平均值分别为131.72kV，最大值为132.46kV，最小值为130.52kV，电压偏差为+2.73%-+4.28%；B相电压平均值为131.48kV，最大值为132.41kV，最小值为129.48kV，电压偏差为+1.94%-+1.24%；C相电压平均值为132.02kV，最大值为132.81kV，最小值为130.35kV，电压偏差为+2.62%-+1.56%。

图 1 牵引变电所进线侧三相实测电压曲线

Fig. 1 The three-phase measured voltage curve of traction substation

3.2 功率因数

图2-图3分别给出了该牵引变电所一天的负荷分布曲线以及瞬时功率因数曲线。从图2中可以看出，测试期间0:00-4:00线路上无列车运行，线路空载，此时牵引变电所测得有功功率几乎为0，而无功功率约为0.4MVar，这是由于线路空载，接触网对地呈容性，此时线路上会流过较小的容性电流。当机车在线路上运行时，此时正向有功功率超过5MW，负荷最大时超过15MW，同时消耗感性无功，而列车处于再生制动工况时，有功功率经牵引变电所反送回电网，反送的有功功率最大超过5MW，同时反送感性无功。由图2可知电气化铁路牵引负荷具有较强的冲击性，同时具有“源-荷”双重属性。由于当前电气化铁路列车普遍使用交-直-交变流器，采用PWM调制方式，无论牵引还是制动时电压和电流几乎同相位，而图3，也验证了上述特性。当列车处于牵引工况时瞬时功率因数接近于1，当列车处于制动工况时瞬时功率因数接近于-1。表2给出了该牵引变电所负荷24h测试周期内的负荷统计，该天中所内最大有功负荷为15.13MW，小于牵引变压器容量，表明牵引变电所主变容量能够满足牵引负荷功率要求。

图 2 牵引变电所负荷曲线

Fig. 4 Load distribution curve of traction substation

图 3 牵引变电所瞬时功率因数曲线

Fig. 3 Instantaneous Power factor curve of traction substation

表3给出了三种计算方式下的牵引变电所全天平均功率因数。通过计算可以得出，采用无功功率反送不计，该线路功率因数为0.99，返送反计时，线路功率因数为0.92，无功功率反送正计时，该线路功率因数为0.84。当采用反送不计和反送反计时，线路功率因数均高于0.9，满足《功率因数调整电费办法》规定；当采用反送正计时，线路功率因数低于0.9，不符合《功率因数调整电费办法》规定。这是由于当发车密度较小时，容易导致分布电容作用明显，牵引所在较长的时间内向电网反送容性无功，最终导致了反送正计方式下平均功率因数较低，而反送不计时则可以达到较高的功率因数。

4 计费方案优化选取

测试周期内，牵引变电所15min时间窗口的平均有功需量如图4所示。基于24h牵引变电所实测数据，可得测试周期内的牵引变电所总能耗，以及有功最大需量。表4给出了牵引变电所的总能耗以及最大有功需量。

针对牵引变电所运行电费成本问题，计及两部制电价下基本电费和电度电费，取 ，可得牵引变电所运行成本如表5所示。

图 4 牵引变电所平均有功需量

Fig. 4 Demand power curve of traction substation

从表4中可以看出，电气化铁路作为大宗工业用户，每日消耗的电能达到了18MWh，每日的最大需量达到了5.6558MW。从表5中可以看出，针对基本电费的两种计量方式，以每月为计费周期，采用最大需量计费，需缴纳的基本电费为21.49万元，而采用基本容量计费需缴纳的电费为70万元，这是由于测试线路发车密度较小，牵引变电所的最大需量小于牵引变压器安装容量。计及电度电费支出，采用最大需量电费方式相较于容量电费方式总电费可以减少44%以上。因此，该牵引变电所应采用最大需量计费方式。

5 结论

为了实现电气化铁路的高效经济运行，本文对牵引供电系统能耗进行了研究，并选取了某典型线路新建铁路牵引变电所进行综合测试，通过对测试结果分析，采用无功功率反送不计或反送反计时，线路功率因数均达到0.9以上，而采用无功反送正计时，由于发车密度较小，导致分布电容作用明显，牵引所在较长的时间内向电网反送容性无功，该线路功率因数仅为0.84，不符合相关规定。针对电气化铁路运行产生的电费问题，结合两部制电价，选取了最优的电费计量方案，结果表明，在当前的运行条件下，采用最大需量计费方案则费用最低，相关研究对类似线路牵引供电系统运营提供了重要参考。

参 考 文 献

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