電氣化鐵路牽引供電能量調(diào)度及節(jié)能分析

電氣化鐵路牽引供電能量調(diào)度及節(jié)能分

析摘要：為了研究某單線鐵路牽引變電所能耗及電費(fèi)情況，本文根據(jù)實(shí)際運(yùn)行車型入手，提出在相鄰兩牽引變電所之間供電臂末端設(shè)置能量調(diào)度裝置技術(shù)方案。利用OpenTrack和OpenPowerNet軟件建立該線路牽引供電系統(tǒng)模型，在相同供電范圍和行車運(yùn)行組織的情況下，分別對(duì)有無能量調(diào)度裝置的工況進(jìn)行仿真，得到相鄰兩牽引變電所實(shí)際功率曲線，以及各工況下牽引變電所最大需量和節(jié)約電費(fèi)情況，并針對(duì)優(yōu)化牽引供電能量調(diào)度技術(shù)方案提出明確建議。關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；能量調(diào)度裝置；仿真；電費(fèi)中圖分類號(hào)：U223文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出：推動(dòng)鐵路綠色發(fā)展，強(qiáng)化節(jié)能降支、降低電費(fèi)支出，合理電能潮流調(diào)配、再生制動(dòng)能量利用和能耗綜合管理系統(tǒng)研究，進(jìn)一步降低鐵路能耗水平?！?019年鐵總供電部年度工作報(bào)告》指出，在確保供電安全的前提下要求加強(qiáng)節(jié)能降耗，提高降低電費(fèi)支出，提高變電所智能運(yùn)維能力，實(shí)現(xiàn)全過程降本提效。電氣化鐵路作為最重要的、為數(shù)不多的直接接入電網(wǎng)的大宗用戶之一，其電費(fèi)已成為鐵路運(yùn)營(yíng)的主要成本之一。如何實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的高效、節(jié)能節(jié)支，提升電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)效益，已成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。國(guó)家鐵路發(fā)展規(guī)劃和國(guó)鐵集團(tuán)公司多次提出要加快鐵路節(jié)能、節(jié)支新技術(shù)應(yīng)用，促進(jìn)鐵路效益提升口,2]某單線電氣化鐵路由于運(yùn)行密度低、變電所負(fù)荷曲線為間歇制，基本電費(fèi)占比高。特別是線路坡度較大的兩個(gè)相鄰牽引變電所，最大需量電費(fèi)占比更高。如

何實(shí)現(xiàn)降低電費(fèi)支出，合理分配電能潮流、再生制動(dòng)能量利用，進(jìn)一步降低鐵路能耗水平，提升電氣化鐵路的運(yùn)營(yíng)效益，已成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。1鐵路列車運(yùn)行現(xiàn)狀及電費(fèi)情況1.1鐵路列車實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀該鐵路北起六盤水南編組站，與滬昆、內(nèi)昆鐵路銜接，南至盤西線紅果站，與南昆鐵路貫通。運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度160公里，為單線I級(jí)電氣化鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速80公里，通過能力為44對(duì)/日，年運(yùn)輸能力2800萬噸，車站18個(gè)。從2019年9月11日起，該鐵路機(jī)車逐步改為HXD1C型雙機(jī)牽引交流機(jī)車，貨運(yùn)9對(duì)/天（雙機(jī)重聯(lián)），客運(yùn)1對(duì)/天，牽引定數(shù)改為3000噸，在2019年10月上旬全部改完。該鐵路閉塞類型為半自動(dòng)閉塞類型，一個(gè)區(qū)間內(nèi)最多一列車，一個(gè)供電臂最多兩列貨車、發(fā)生過負(fù)荷跳閘的情況大多是供電臂多余兩列貨車的工況；最小行車間隔為20分鐘；1.2實(shí)際電費(fèi)情況該鐵路夾溝站至三家寨段，采用單相工頻交流25kV制，帶回流線的直接供電方式。既有牽引供電設(shè)施情況如下表所示。表1牽引供電設(shè)施既有情況一覽表牽引變電1#變電所2#變電牽引變電1#變電所2#變電所位置所供電臂長(zhǎng)度（km）19.2202319.6牽引變壓器類型平衡牽引變壓器牽引變壓器安裝容量（MVA）2X252X25接觸網(wǎng)懸掛方式全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈形懸掛2019年1#變電所、1#變電所牽引變電所實(shí)際電費(fèi)情況如下表所示。表2牽引變電所電量及電費(fèi)情況1#變電所（容量25000KVA）2#變電所（容量25000KVA）月有功基月月份電量最大需量電量本電費(fèi)單價(jià)有功電量最大需量電量基本電費(fèi)單價(jià)(kWh)(kWh)（萬元）(元/kWh)(kWh)(kWh)（萬元）(元/kWh)112241524530.91308120042.0.8

月6081.6?3520323.2011210791608561.01217130245.0.8月5846.4.3012164586340951608561.81212134447.0.8月636.4.3069926.4068416511634570.81843147151.0.7月5840.1934243.6507515211541530.81735157555.0.8月6967.6.9647129.2160613891422490.81472137248.0.8月6960.8.7754168051715071415490.81561129545.0.7月2640.4.5328243.6348814971526530.81509140849.0.8月7602.4247280281914131671581.01490145350.0.8月6327.2.5120167.6883111281985691.11159155954-0901602.8.4808403.6586月11296416184864.680.99134710418444.864.560.921123270419078.466.771.0125980814889.652.0.9上表可見，自2019年10月更換大功率交流機(jī)車（HXD1C雙機(jī)牽引功率2*7200kw）以來，兩變電所整體最大需量有所增加，1#變電所需量最大平均每月在20M左右，2#變電所最大需量在17M左右。因此，有必要根據(jù)該鐵路的負(fù)荷特點(diǎn)提出節(jié)能節(jié)支系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)該鐵路運(yùn)輸效益提升?？梢姡档驮撹F路的基本電費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電費(fèi)節(jié)支很有必要。2能量調(diào)度裝置能量調(diào)度裝置（EnergyDispatchEquipment，簡(jiǎn)稱EDE）主要由能量調(diào)度管理系統(tǒng)、連接變壓器、交直交變流器、控制保護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成。通過變壓器和直流側(cè)相連的AC-DC-AC變流器，將輕載側(cè)功率向重載側(cè)轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)不同牽引網(wǎng)供電區(qū)間之間的能量調(diào)度，一方面可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量在相鄰變電所之間的實(shí)時(shí)利用，節(jié)省電度電費(fèi)；另一方面可以實(shí)現(xiàn)相鄰變電所之間削峰填谷、降低變電所最大需量，節(jié)約基本電費(fèi)。該裝置并聯(lián)于牽引母線，對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響極小，可靠性高，可適用于既有各種牽引供電系統(tǒng)[3?5]圖2EDE原理示意圖在既有1#和2#牽引變電所之間的末端分相處增加一套能量調(diào)度裝置，可實(shí)現(xiàn)相鄰供電臂有功功率實(shí)時(shí)交換，不僅對(duì)牽引變電所之間功率削峰填谷、降低功率峰值，減少變電所基本電費(fèi)；而且可以充分利用再生制動(dòng)能量，降低從公共電網(wǎng)取流，減少電度電費(fèi)。3牽引供電系統(tǒng)仿真建模3.1仿真目標(biāo)現(xiàn)以某單線鐵路夾溝至三家寨段為例，分別模擬無能量調(diào)度裝置以及在供電臂末端分相處設(shè)置1套能量調(diào)度裝置時(shí)2座牽引變電所最大需量的變化情況。根據(jù)2020年4月列車最大運(yùn)行圖可以看出，運(yùn)量最大時(shí)，夾溝站?三家寨站供電范圍內(nèi)一天內(nèi)共有5列車，分別位于夾溝?玉舍區(qū)間、白雞坡?都格區(qū)間、都格?發(fā)耳區(qū)間、發(fā)耳?營(yíng)街區(qū)間、渡船寨?三家寨區(qū)間。因此，本次仿真按照實(shí)際最嚴(yán)苛情況排車，即供電范圍內(nèi)同時(shí)有5列車運(yùn)行。第1列車由夾溝站出發(fā)，第2列車由白雞坡站出發(fā)，第3列車由都格站出發(fā)，第4列車由發(fā)耳站出發(fā)，第5列車三家寨站出發(fā)。供電結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。IC.MHF"（X二,：-TTTTJ圖3夾溝?三家寨段供電方案及排車示意圖同時(shí)，分別考慮5列車同時(shí)啟動(dòng)（工況一），3列車同時(shí)先啟動(dòng)，2列車同時(shí)2min后啟動(dòng)（工況二），以及5列車均錯(cuò)開啟動(dòng)（工況三）三種不同工況下牽引變電所最大需量的變化情況。根據(jù)以上模擬，尋找該線路機(jī)車經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最佳方式和相應(yīng)的節(jié)能效果數(shù)據(jù)。3.2模型建立現(xiàn)利用OpenTrack和OpenPowerNet軟件針對(duì)該鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，需輸入基礎(chǔ)資料如下：（1）線路、車輛資料根據(jù)全線線路長(zhǎng)度、線路坡度、局部地區(qū)的限速要求、車站數(shù)量和位置等，實(shí)現(xiàn)軌道網(wǎng)絡(luò)化布局；車輛類型、長(zhǎng)度、載重、牽引額定功率、機(jī)車牽引特性曲線、機(jī)車電制動(dòng)特性曲線、最大速度、空氣阻力公式，以建立列車數(shù)據(jù)庫(kù)；（2）牽引供電系統(tǒng)包括供電方式、牽引變電設(shè)施數(shù)量和分布、變壓器容量、牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)等。（3）行車組織根據(jù)實(shí)際行車密度，輸入列車車次、追蹤時(shí)分，搭建行車組織模型，以建立時(shí)刻表數(shù)據(jù)庫(kù)，管理用戶要求的列車離站時(shí)間、最小停站時(shí)間、列車間的銜接關(guān)系和其他仿真過程中的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)⑹4仿真分析為模擬該鐵路1列HXD1C車實(shí)際運(yùn)行功率情況，現(xiàn)對(duì)工況一至工況三進(jìn)行仿真，得到夾溝至三家寨段牽引變電所總實(shí)際運(yùn)行功率，仿真結(jié)果如圖4-圖15所示。

圖6工況一有EDE時(shí)2#變電所總功率分布情況4raas-.ui—Wtaa*.i圖8工況二無EDE時(shí)2#變電所總功率分布情況圖9工況二無EDE時(shí)1#變電所總功率分布情況圖10工況二有EDE時(shí)2#變電所總功率分布情況圖11工況二有EDE時(shí)1#變電所總功率分布情況圖12工況三無EDE時(shí)2#變電所總功率分布情況根據(jù)以上仿真結(jié)果，對(duì)該鐵路夾溝至三家寨段功率指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，牽引能耗效益分析結(jié)果如下表所示。表3牽引能耗效益分析表工況2#牽引變電所平均功率（MW）1#牽引變電所平均功率（MW）總平均功率（MW）電費(fèi)（萬元/年）5列車同時(shí)啟動(dòng)無能量調(diào)度裝置38.3426.7465.082967.65設(shè)置1套能量調(diào)度裝置25.3225.8051.122331.07列車同時(shí)先啟動(dòng)，2列車同時(shí)2min后啟動(dòng)無能量調(diào)度裝置28.9524.6553.602444.16設(shè)置1套能量調(diào)度裝置18.3120.0138.321747.39列車5無能量調(diào)度裝置31.9624.3256.282566.37均錯(cuò)開啟動(dòng)設(shè)置1均錯(cuò)開啟動(dòng)設(shè)置1套能量調(diào)度裝置17.8011811.21.9339.7369由上表可知，在列車運(yùn)行數(shù)量保持不變的情況下，設(shè)置和不設(shè)置能量調(diào)度裝置時(shí)，供電范圍內(nèi)2座牽引變電所的合計(jì)年度電費(fèi)有所不同。若5列車同時(shí)啟動(dòng)，則設(shè)置1套能量調(diào)度裝置可節(jié)省電費(fèi)21.5%；若3列車同時(shí)先啟動(dòng)，2列車同時(shí)2min后啟動(dòng)，則設(shè)置1套能量調(diào)度裝置可節(jié)省電費(fèi)28.5%；若5列車均錯(cuò)開啟動(dòng)，則設(shè)置1套能量調(diào)度裝置可節(jié)省電費(fèi)29.4%。因此，本線設(shè)置能量調(diào)度裝置可以較好地分配相鄰牽引變電所的平均功率，降低最大需量、節(jié)省基本電費(fèi)，預(yù)計(jì)3~5年可收回成本。5結(jié)論通過以上分析可知，本項(xiàng)目通過在兩個(gè)變電所之間的電分相附近安裝EDE裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)變電所之間功率轉(zhuǎn)移利用、改善牽引網(wǎng)功率潮流特性，降低單個(gè)變電所的最大需量電量，為鐵路部門節(jié)能節(jié)支；而且能提高再生制動(dòng)電能的利用率，降低有功電費(fèi)。而且，該裝置可兼顧電壓穩(wěn)定控制，保障機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)我國(guó)電氣化鐵路的經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。同時(shí)，該裝置可以使?fàn)恳冸娝g削峰填谷、提高電網(wǎng)供電的負(fù)荷均衡度，有利于改善電網(wǎng)的負(fù)荷潮流。參考文獻(xiàn)：呂順凱.交流電氣化鐵路再生制動(dòng)能量利用技術(shù)研究[J].電氣化鐵道,2019,(6):5-10.楊嘉琛，楊振龍，董志杰.再生制動(dòng)能量利用技術(shù)在客運(yùn)專線中的應(yīng)用分析[J].電氣化鐵道，20