電鐵牽引負荷運行情況分析范文

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《煉鐵》2017年第4期

摘要:電鐵牽引負荷不同運行情況對電網電能質量產生不同的影響，對于某一具體牽引站，有空載、AB相有一輛車(啟動、運行、制動)、BC相有一輛車(啟動、運行、制動)、CA相有一輛車(啟動、運行、制動)等十種情況，以及各種更為復雜接法導致的更加復雜情況，難以進行分析。因此，文中提出了基于單相模糊C均值聚類(FuzzyC-Means，FCM)的電鐵牽引負荷運行情況對電網運行影響的分析方法。實例分析表明，所建各相負荷不同運行情況對電網電能質量影響的模型是合理而有效的。

關鍵詞:電鐵牽引負荷;單相模糊C均值聚類;電網電能質量

0引言

電氣化鐵路是指采用電力牽引的鐵路，其由于牽引力大、能源消耗小等優點而受到世界各國的廣泛重視［1］。對于電力系統而言，電氣化鐵路和電力機車是一個很大的諧波源，其主要產生三次、五次、七次等諧波電流，通過鐵路沿線的牽引電網流入電力系統，對電力系統供電電能質量產生較為嚴重的負面影響［2－3］。不同的電氣化鐵路負荷運行情況，如空載、啟動、運行、停車，對電網運行影響的區別十分明顯。因此，需要研究電氣化鐵路不同負荷運行情況對電網電能質量的影響，開展有針對性的電能質量管理。每一輛電力機車是由電網三相電中的兩相供電，對于某一具體牽引站，假設同一時刻最多只能一輛車，在V/v牽引變壓器接法下，可能有空載、AB相有一輛車(啟動、運行、制動)、BC相有一輛車(啟動、運行、制動)、CA相有一輛車(啟動、運行、制動)等十種情況，在Scott牽引變壓器接法下，有著更為復雜的情況。如果同時分析電網側三相電能質量，則可能出現的分析結果為ABC空載、AB啟動C空載、BC啟動A空載、CA啟動B空載、AB運行C空載、BC運行A空載、CA運行B空載、AB制動C空載、BC制動A空載、CA制動A空載等多種不同情況下電網電能質量的區別，目前現有的聚類方法難以很好的進行區分。但是，對于某一相，比如電網A相電能質量，只有四種情況:A相空載、A相啟動、A相運行、A相制動。因此，本文將收集到的牽引站電網側電能質量數據拆分為A相數據、B相數據、C相數據，并分別對其進行分析。

不同負荷運行情況實質上是不同的運行工況，本文所研究問題可抽象為多工況聚類分析問題。模糊C均值聚類(FuzzyC-Means，FCM)由于其計算簡單、計算方便，一般用來自動獲得每種工況的建模數據。FCM算法在進行聚類時，需要提供聚類數目，為了能夠自適應地進行聚類，引入Xie-Beni指標來獲得最優聚類數［4］。因此，結合電氣化鐵路牽引負荷的特點，本文提出基于單相FCM的電鐵牽引負荷運行情況對電網運行影響的分析方法，通過電鐵牽引站電網側的全功率因數、電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率以及基波、三、五、七次諧波絕對值作為分析變量，針對牽引站電網側的每一相監控數據，采用FCM方法對其進行訓練，將每一相數據自動分為空載、啟動、運行、制動四個類別，并分析四種運行情況下的電流基波和三、五、七次諧波，得到每一相不同運行情況對電網電能質量的影響。對于新建線路，可以采用本文所提方法，分析其空載、啟動、運行和制動等運行情況下對電網電能質量的影響。

1電鐵牽引負荷電能質量監測系統

電鐵牽引負荷電能質量監測系統如圖1所示，其按照分層分布式結構組建。例如，某一條鐵路跨越多個區域電網，在牽引供電的系統變電站設置監測終端，各監測終端接入相應區域的通信網絡。監測終端的監測數據可送入區域電網服務站，或直接送入上一級電網服務站。

2基于單相C均值聚類分析方法

2．1模糊C均值聚類算法

模糊C均值聚類(FCM)是由Bezdek于1981年提出的，它解決的問題是根據聚類準則函數，將樣本集分為c個聚類。2．2聚類個數的自適應選擇FCM在使用時要事先給定聚類個數，需要一定的先驗知識，限制了其實際應用。為了在聚類時獲得最佳聚類數，需引入聚類有效性評價指標，其中Xie-Beni指標憑借其效果得到了廣泛應用。

2．3單相模糊C均值聚類分析

步驟對于某一具體牽引站，假設同一時刻最多只能一輛車，針對A相電能質量數據，只有四種情況:A相空載、A相啟動、A相運行、A相制動。同理，針對B相和C相數據，也分別只有四種情況。因此，本文將收集到的牽引站電網側電能質量數據拆分為A相數據、B相數據、C相數據，并分別對其采用FCM方法進行聚類分析，得到對應的各類數據和數據特征，即各相空載、啟動、運行和制動情況下的數據特征，并分析其負荷不同運行情況下的電流基波和三、五、七次諧波，得到其對電網電能質量的影響。最后，基于已有模型，分析新建線路在A相、B相、C相空載、啟動、運行和制動情況下對電網A相、B相、C相電能質量的影響。

3電鐵牽引負荷不同運行狀態分析

實例本文采用某電鐵牽引站電網側的監控數據，采集10000組數據，主要包括電流有效值、電壓有效值、全功率因數、有功功率、無功功率、視在功率、電流基波、電流三次諧波、電流五次諧波和電流七次諧波等，形成數據集X，并將數據集X分為A相數據集XA、B相數據集XB、C相數據集XC。首先，針對A相原始數據集XA，采用FCM進行訓練，得到負荷空載、啟動、運行和制動下的特征參數，以及負荷不同運行狀態下的基波和三、五、七次諧波。

4結束語

電鐵牽引負荷不同運行情況對電網電能質量產生不同的影響，本文提出基于單相FCM的電鐵牽引負荷不同運行情況對電網運行影響的分析方法，通過采集電鐵牽引站電網側的全功率因數、電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率以及電流基波、三、五、七次諧波相對值，并將其分為A相數據、B相數據和C相數據，針對牽引站電網側的每一相監控數據，采用FCM方法對其進行訓練，將每一相數據自動分為空載、啟動、運行、制動四個類別，并分析四種運行情況下的電流基波和三、五、七次諧波，得到每一相不同運行情況對電網運行的影響。對于新建線路，可以采用本文所建模型，分析其空載、啟動、運行和制動等運行情況下對電網電能質量的影響。

參考文獻:

［1］曹建猷．電氣化鐵道供電系統［M］．北京:中圍鐵道出版社，1983．

［2］陳民武，宮衍圣，李群湛，等．電氣化鐵路電能質量評估及新型控制方案研究［J］．電力系統保護與控制，2012，40(16):141－147．

［3］劉育權，吳國沛，華煌圣，等．高速鐵路牽引負荷對電力系統的影響研究［J］．電力系統保護與控制，2011，39(18):150－154．

［5］于坤山，周勝軍，王同勛，等．電氣化鐵路供電與電能質量［M］．北京:中國電力出版社，2011．

［6］周勝軍，于坤山，馮滿盈，等．電氣化鐵路供電電能質量測試主要結果分析［J］．電網技術，2009(13):54－57．

作者：田穎1；孫偉卿1；王金浩2；吳玉龍2；李勝文2；杜慧杰2；徐龍2 單位：1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，2.國網山西省電力公司電力科學研究院