城市轨道交通供电系统电能质量分析与预测

城市轨道交通供电系统电能质量分析与预测

张佩春

北京市地铁运营有限公司供电分公司， 北京市，邮编： 100082

摘要：近些年间，各大城市发展速度飞快，城市面积不断扩张，城市人口也不断增加，也就给城市交通带来巨大的压力，提供一个更加便捷并且更加快速的交通方式就成为了一个迫在眉睫的任务。本文针对当前城市轨道交通供电系统之中的电能质量进行了分析和预测，旨在为电能质量治理以及牵引供电的设计提供更加严格的理论基础。

关键词：城市轨道交通；供电系统构成；电能质量分析与预测

前言

随着经济的发展，城市轨道交通已经成为了城市居民日常出行的首选，这既是机遇也是挑战，机遇在于城市轨道交通使用率的提高，代表着城市轨道交通具有着巨大的发展潜力，挑战在于使用人员的增多，明显会导致城市轨道交通的压力增大，这就对城市轨道交通的配电系统提出了更高的要求。城市轨道交通就非常适合应用在当前的城市发展之中，它具有着高效、便捷、迅速等优势，但是随着使用城市轨道交通出行的人数不断增加，城市轨道交通的供电压力也逐渐增大，主要体现在了电能质量之上，因此非常有必要对城市轨道交通之中的电能质量问题进行深入的研究和分析，从而寻找到一个科学并且合理的解决方案。与此同时，对于未来将要建设的城市轨道交通路线，必须要在建设之前，评估建设之后将会对供电网络所造成的影响，对谐波以及电压等参数进行详细的记录，为后期供电系统的设计提供重要的决策以及参考。

1城市轨道交通供电系统的现状

1.1城市轨道交通牵引供电系统建模

城市轨道交通系统由多个部分组成，其中涉及到了多个行业以及领域，专业性极强，交通牵引以及供电系统都是城市轨道交通之中的重要组成部分，对此必须要采用高科技的解决方法来应对所面临的问题，比如计算机技术以及仿真技术等。想要建立起城市轨道交通牵引供电系统的模型，需要具备多个学科的知识，并且要对城市轨道交通有着深刻的理解和认识，从而才能够更好的完成建模工作，当前对于城市轨道交通建模的研究主要包括了两个方向，一个是基于牵引供电计算所进行的数学建模，而另外一个则是基于控制理论所进行的物理建模，尽管它们两种类型在方向上有所不同，但是其都包括了牵引网络、车辆性能以及仿真运行等多个方面。

1.2电能质量时变特性分析方法

在城市轨道交通系统运行的过程中，高压系统以牵引系统将会在多脉波电流之中产生谐波电流，而在牵引系统的运行之中，又会导致出现网侧电压波动，系统的供电电缆在传输电流时，同样也会产生谐波放大等问题，这些问题都有可能导致城市轨道交通的供电系统发生故障。在供电系统的低压部分，也有着辅助设备所引起的谐波以及无功因数等问题，这些辅助设备既包括了照明、调温设备，也包括了附体以及风机等。

1.3电能质量预测方法

针对正在建设或者计划未来建设的城市轨道交通新路线，在建设之前，进行详细的电能质量评估是非常有必要的，尤其对于其中的重要参数，要在评估之后进行准确的记录，进而为后续进行供电系统设计提供良好的数据支持和理论基础。进行电能质量的预测，必须要采用相应的预测算法以及对电能质量的基础信息进行精确的采集，对于电能质量基础信息的采集，要采用一个统一并且科学的采集原则。

在预测算法上，一般会采用ARIMA时间序列算法对电能质量中的有功功率进行评估，并且根据所得数据与所采集的电能质量稳定指标来建立起一个算法模型，进而进行更加精准的预测。在预测过程中，必须要考虑到谐波水平以及谐波阻抗，在预测谐波电流叠加情况下，与公共接入点之中的谐波电压进行合并计算。在新建的城市轨道交通供电系统之中，进行牵引电力的预测是进行预测工作的重要组成部分，必须要严格按照谐波电流的分布特征，并且考虑谐波与基波之间的关系，选择使用蒙特卡洛抽样法对所获得的谐波数据进行研究分析，在一些情况下，不能够通过采集来获得足够的实测数据，此时就要根据已经获得的数据与牵引变电站中的数据来对电能质量进行预测，从而获得较好的实验和分析效果。

利用聚类预测算法来建立起一个城市轨道交通电能质量的概率分布模型，与所获得的采集数据来进行关联对比，同时利用动态弯曲距离算法，对于未来一段时间之内的电力质量数值和历史的电力质量数值来进行匹配研究，在得到一个准确的研究数据之后，再利用蒙特卡洛抽样法，来对电能质量的预测质量进行未来发展趋势的评估。

在某些情况下，供电系统将会出现电压的暂时性降低，对此要结合电压暂时性降低的原因以及检测点周边的环境，来选择挖掘维度，并且对所获得的挖掘维度进行离散化的数据分析处理，进而对所获的分析处理数据进行扫描，在其中的最小值以及最大值之间，利用多维关联的规则来进行逐层的分析和对比，直到所有索淼结束，最后使用CBR算法，来讲未来可能发生的电网情况当做可变条件，将所挖掘的规则进行对比，最终就能够得到一个准确的电压暂降预测结果。

2城市轨道交通供电系统结构及负荷构成

在城市轨道交通的供电系统之中，包括了众多组成部分，其中主要包括了主变电所或者电源开闭所、牵引供电系统、动力以及照明供电系统和杂散电流腐蚀防护系统等。

2.1主变电所或电源开闭所

对于供电系统中的外部供电方案，必须要建立起一个主变电所，为城市轨道交通提供主要供电，具体而言是接受来自于外部的高压电流，并且将其电压降为能够被供电系统所直接使用的电压。在这种外部供电方案之中，必须要设置一个电源开闭所，来向供电区域进行供电，一般情况下，这个电源开闭所并不需要单独进行设立，只需要在牵引变电站之中附带设置即可。

2.2牵引供电系统

在牵引供电系统之中，有牵引变电站以及牵引网两个组成部分，它能够将高压电流经过降压之后，降低为低压电流，从而能够直接提供城市轨道交通系统使用。

2.3动力照明供电系统

在动力与照明供电系统之中，包括了变电所以及配电系统两个组成部分，变电所仍然是发挥了调节电压的作用，将高压电调节为低压电流，然后供给配电系统，为动力以及照明系统提供电能资源。

2.4杂散电流腐蚀防护系统

在直流牵引供电之中，往往会产生一定的杂散电流，为了防止这些杂散电流向外部扩散，从而避免因为杂散电流而导致轨道交通周边的金属发生腐蚀情况，就必须要设置有杂散电流腐蚀防护系统，对杂散电流的情况进行实时的监督。

3城市轨道交通供电系统电能质量的预测

首先，针对于城市轨道交通供电系统的电能质量预测，是建立在供电系统结构以及电能负荷情况的数据之上，利用MATLAB/Simulink平台建立起一个电能自质量的仿真模型，从而能够更加科学、合理的进行预测工作，利用可变的阻抗来动态模拟车辆在运行之中将会导致出现的牵引网络情况的变化。轨道交通车辆在不同的牵引系统和制动系统之中，将会呈现出不同的运行特征，以此为据建立起对应的制动控制系统。根据所建立起的模型，来完成车辆运行的动态仿真，对于城市轨道交通电力质量的情况进行分析。

其次，城市轨道交通供电系统在运行之中，必然会产生谐波电流，这些谐波电流存在一定的特性，对此要进行精准的划分，并且通过HHT以及WPT来提取瞬时参数，基于WPT来处理Hilbert-Huang变换方法，并且对函数和分解成熟进行研究。这种预测方法能够有效的避免传统HHT方法之中的弊端，从而为谐波变化的研究提供了一种科学的想法和思路。

结语

随着城市轨道交通的迅猛发展，其与配电网的互动性日益加强，需要对已运行线路的电能质量问题进行评估，分析电能质量问题产生机理，并建立新建线路电能质量的预测体系，为电力系统供电方案设计提供决策依据。

参考文献

[1]巩超.城市轨道交通供电系统电能质量分析与预测[D].北京交通大学，2015.

[2]苏晓舟.顾保南.孙世超等.2013年中国城市轨道交通运营线路统计和分析[J].城市轨道交通研究.2014.17(1)：1-6