城市轨道交通主变电所负荷过程实测分析
广州地铁集团有限公司、广州地铁设计研究院有限公司、西南交通大学电气工程学院的研究人员刘兰、王洪杰等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，主变电所在城市轨道交通供电系统中占据着举足轻重的地位，为了掌握其负荷特征，评估其供电能力及可靠性，指导主变压器容量设计，本文以已运营线路主变电所的负荷过程测试数据进行统计。
统计显示高峰小时主变电所主变压器的负荷率大多在37%～53%之间，负载率在11%～48%之间；同时通过模拟主变电所仅有一段进线供电的负荷情况，表明单段供电时主变压器负荷率在41%～48%之间，负载率在50%～95%之间，主变电所两台变压器的同时系数约等于1。测试结果表明，被测试主变电所供电可靠性较高，且部分主变电所因为运营时期较短，其仍有较大裕量供电能力。
城市轨道交通用电负荷是城市电网的一类重要负荷，其牵引负荷为一级负荷，动力照明负荷大部分为一级负荷和二级负荷，因此为了保证城市轨道交通线路正常运营，采用安全可靠性高且经济合理的供电方式显得至关重要[1]。
目前，城市轨道交通供电系统主要采用110/35kV两级电压、集中供电方式[2]，并且设置了专用主变电所，两回路110kV高压交流电源由电网引入，通过主变压器降压为35kV或10kV电压向各个车站的牵引变电所和降压变电所供电[3-4]。
主变电所在城市轨道交通供电系统中占据着举足轻重的地位，因此有必要对其负荷过程以及供电能力和可靠性进行评估，并给出提高可靠性的方法措施。文献[5]通过仿真计算方法对配电网进行可靠性评估。
文献[6-8]给出了提高配电网可靠性的方法措施。本文通过对地铁主变电所110kV侧的进线负荷进行实测分析，得到主变电所的负荷过程；为了评估主变电所的供电能力，对其容量设计提供建议。
本文基于实测数据，模拟主变电所仅有一段进线供电时，计算仅有单台主变压器工作时的供电能力，并给出相应的建议。
1 主变电所容量设计依据
为了保证城市轨道交通供电的可靠性，一条线路通常至少设置两座主变电所，每座主变电所由两路互相独立的外部电源供电，主变电所内部设置2台相同型号的主变压器互为备用[9]，城市轨道供电系统如图1所示。主变压器通常采用双绕组变压器或三相三绕组有载调压变压器。主变压器容量应满足“N1准则”[10]，即当供电系统中的某个设备发生故障时，列车可以继续安全运行。
正常运行时，各变压器只用承担其所供区域内的全部牵引负荷和动力照明的供电。当发生故障时，应满足如下条件：①当一台主变压器发生故障时，分段断路器合闸，另一台主变压器应能满足该供电区域高峰小时牵引负荷和动力及照明一、二级负荷的供电；②当一座变电所因故解列时，环网联络开关合闸，剩余主变电所应能承担全线的动力和照明一、二级负荷及牵引负荷。
图1 城市轨道供电系统图
在运营的初期和近期，主变长期运行在轻载工况，负荷率较低，造成了主变容量的浪费，同时产生了大量的空载损耗，增加了城市轨道交通的运营成本。为了选择主变的容量：①应根据该线路的初、近、远期的发车密度，得到不同时期的牵引负荷；②考虑车站动力照明负荷，得到不同时期的照明负荷；③经过技术与经济的考量，确定主变压器容量和更换时间节点[11]。然而实际运营过程中，主变电所负载率普遍低于设计预期，主变电所更换时间节点应根据实际负载率综合评估。
2 负荷分析
通过在城市轨道主变电所两路110kV进线的二次侧回路安装Fluke电流钳和电压探头，同步采集两路进线的电流与电压，可以监测城市轨道主变电所的负荷过程。本文通过对地铁的负荷测试，积累了大量的主变电所实测数据，这对分析主变电所的负荷过程提供了大量的数据作为依据。
主变压器的典型负荷过程曲线如图2所示，对主变电所全日的负荷过程统计见表1，对主变电所高峰小时的负荷过程统计见表2，对主变电所高峰小时的负载率与负荷率统计见表3。
负荷率指在统计期间内的平均负荷与最大负荷之比的百分数，其反映了负荷整体波动及冲击水平；负载率指在统计期间内的变压器实际功率与额定容量的比值，其代表实际负荷对变压器的利用率，反映了变压器当前供电可靠性及供电能力水平。计算如式（1）—式（2）所示。
图2 主变压器的典型负荷过程曲线
表1 主变电所全日的负荷过程统计
表2 主变电所高峰小时的负荷过程统计
表3 主变电所高峰小时的负载率与负荷率统计
由表1、表2可知，地铁主变电所一般设置35kV集中式无功补偿装置，主变电所进线110kV电缆的容性无功经过主变压器由35kV集中无功补偿装置吸收，从而提高了PCC的功率因数，避免地铁运营公司遭受功率因数罚款。
但是这种补偿方式也会占用主变部分安装容量，尤其当110kV进线电缆较长时，B变电所1号变压器进线电缆较长，无功功率远大于有功功率，因此无功功率占用了主变压器大部分的容量。
B主变电所2号变压器由于110kV进线电缆很短，未设置35kV集中无功补偿装置。由表3可知，高峰小时主变压器的负荷率大多在37%～53%之间，差别不大，这说明城市轨道的负荷过程具有一样的分布特性；主变压器的负载率在11%～48%之间，差别较大，这与主变压器的设计与安装容量以及该条线路的客流量、行车密度有关，设计较早的主变压器安装容量一般较小，客流量也超过其近期规划。
但是从总体来看，地铁单台主变的负载率都偏低，这可能是因为容量设计时考虑到了远期载客能力，主变容量设计普遍偏大造成的，对短期内载客能力不会有明显提升的线路，可以考虑先安装小容量主变，再根据载客需求适时更换主变，或者考虑初始阶段由一台主变同时带两路供电区间的负荷，当载客需求增大时再恢复正常的供电模式。
通过对以上实测数据的分析，结合主变压器的安装容量，发现C主变电所、D主变电所与E主变电所两台主变压器的负载率较大，可能会影响主变电所的供电可靠性，因此下文对其供电能力及可靠性进行分析与判断。
3 供电能力及可靠性分析
由于主变压器容量应能应满足如下条件：当一台主变压器发生故障时，另一台主变压器应能满足该供电区域高峰小时牵引负荷和动力及照明一、二级负荷的供电；当一座变电所因故解列时，剩余主变电所应能承担全线的动力和照明一、二级负荷及牵引负荷。
因此需要检验一台主变压器带两台主变压器供电区间的供电能力，通过对主变压器110kV的Ⅰ段、Ⅱ段同步进行测试，模拟仅有一段进线供电时的负荷情况，将Ⅰ段、Ⅱ段负荷按照有功功率和无功功率叠加，并计算视在功率，计算如式（3）至式（5）所示，即
式中，Pt、Qt、St为仅有一段进线供电时，t时刻主所的有功功率、无功功率和视在功率。P1t、Q1t为实测1号主变压器t时刻的有功功率和无功功率。P2t、Q2t为实测2号主变压器t时刻的有功功率和无功功率。
测试期间均正常供电，没有切除降压所的三级负荷。C、D与E主变电所仅有一台主变压器工作时，其高峰小时视在功率之和的统计值见表4。
根据以上实测结果，模拟主变电所仅有一段进线供电时，3个主变电所负荷率在41%～48%之间，负荷率差别不大；负载率在50%～95%之间，D主变电所的负载率最大。D主变电所进线视在功率最大值为53360kVA（Ⅰ、Ⅱ段最高负荷的同步出现有一定随机性），高峰小时视在功率均方根值约23547kVA，此时主变负载率在94.19%左右。高峰小时阶段，主变压器的负载率在额定安装容量以上的时间约持续966s，占高峰小时的26.83%。
表4 高峰小时单台主变压器工作视在功率统计
主变压器负荷同时系数是电力系统负荷预测工作中的重要参数，体现每台主变压器负荷最大值同时出现的概率，同时系数会对城市配电网的规模以及高压电缆的选型带来影响。同样，同时系数的计算对城市轨道主变压器的容量配置也有很大的参考价值。需要系数法是计算负荷大小的方法之一，其原理如式（6）所示：
式中，Pe为主变压器额定容量，Kt为需要系数，Kn为同时系数，P为计算负荷。由此可以看出，同时系数的计算对主变压器的容量选择具有很大的参考价值。对上述3个主变电所测试期间的同时系数统计见表5。
表5 主变电所同时系数
由表5可得，以3个主变电所两台主变压器的同时系数均约为1，表明城市轨道交通主变电所考虑“N1”运行需求进行主变压器容量设计选型时,其计算容量需求时直接求和两段负荷提资数据即可，同时高峰小时均方根负载率不足95%，但约27%高峰小时时间是超过100%的，则表明主变电所负荷是有冲击性特征的，设计中应结合主变压器的过负载能力适当考虑安装容量。
本文介绍了城市轨道主变电所主变压器容量设计依据，通过对已运营线路主变电所负荷过程实测数据进行分析，评估了其供电能力及可靠性，主要得到以下结论：
1）城市轨道主变压器高峰小时的负荷率大多在37%～53%之间，差别不大，这说明城市轨道主变电所负荷的整体波动及冲击水平具有较大的相似性。
2）从总体来看，地铁单台主变的负载率都偏低，这可能是因为容量设计时考虑到了远期载客能力，主变容量设计普遍偏大造成的，对短期内载客能力不会有明显提升的线路，可以考虑先安装小容量主变，再根据载客需求适时更换主变；或者考虑初始阶段由一台主变同时带两路供电区间的负荷，当载客需求增大时再恢复正常的供电模式。
3）本文通过模拟仅有一段进线供电时的负荷情况，在运营阶段的高峰小时，假设一台主变压器发生故障时，另一台主变压器带两段负荷的情况，得到已运营线路主变压器C、D、E的负载率分别为63.77%、94.19%、50.57%，主变电所的供电可靠性较高，可以较长时间由一段主变压器带两段负荷正常工作。
4）主变压器容量选型和同时系数，需用系数有很大关系，通过模拟计算得到主变电所的同时系数接近1。这反应在考虑“N1”运行需求时，每台主变压器负荷最大值同时出现的概率为1，因此建设时期，主变压器容量设计选型时应考虑此值，避免主变压器的容量选取偏小。
5）主变电所无功补偿装置的功率需穿越主变压器对外部电源进线电缆容性无功进行补偿，所以在建设阶段，无功补偿装置容量选择需统筹考虑主变压器35kV侧负荷无功需求及外部电源进线情况，避免无功补偿容量设置不足造成罚款，降低运营成本。