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根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》方針，預(yù)計(jì)2020年，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程將達(dá)到3萬(wàn)km。隨著運(yùn)營(yíng)里程的快速增長(zhǎng)，其能耗問(wèn)題日顯突出。據(jù)鐵路總公司統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)鐵路消耗總電能達(dá)620.33億kW?h，占全國(guó)總用電量的1%~1.5%，是最大的單體負(fù)荷。其中，高速鐵路牽引能耗為208.84億kW?h，占比33.67%。

此外，為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，國(guó)家電網(wǎng)公司要求鐵路部門對(duì)牽引變電站購(gòu)買的電量進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)所需的電量將以直購(gòu)電形式進(jìn)行交易結(jié)算，若預(yù)測(cè)誤差大于10%，國(guó)家電網(wǎng)公司將對(duì)超過(guò)的電量按高于直購(gòu)電價(jià)的價(jià)格進(jìn)行交易結(jié)算，使得電費(fèi)支出增加，運(yùn)營(yíng)成本增大。

因此，研究高鐵牽引變電站牽引負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)其能耗的精確預(yù)測(cè)，可為節(jié)能降耗、牽引供電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行、電能質(zhì)量評(píng)估和牽引變壓器容量校核等提供幫助，具有重要的研究意義。

牽引供電系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于建立準(zhǔn)確的牽引負(fù)荷模型。圍繞牽引負(fù)荷建模方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要開展了三個(gè)方面的研究：①基于仿真軟件的建模方法；②基于牽引計(jì)算的動(dòng)態(tài)建模方法；③基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值建模。

其中，通過(guò)仿真軟件的建模方法基于Simulink 、PSCAD等仿真平臺(tái)，根據(jù)動(dòng)車組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣環(huán)節(jié)搭建了完整的仿真模型。該模型可有效地刻畫牽引負(fù)荷在不同工況下的視在功率、諧波輸出水平等負(fù)荷特性，可用于揭示牽引供電系統(tǒng)諸如能耗影響因素、諧波諧振等規(guī)律性特征。然而，在仿真建模過(guò)程中往往對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，仿真條件比較理想，使得仿真結(jié)果很難與實(shí)際結(jié)果一致。

有學(xué)者結(jié)合牽引計(jì)算基本理論和行車運(yùn)行圖提供的信息，建立了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型，該模型具有較高的仿真精度。然而，在計(jì)算過(guò)程中需要大量的動(dòng)車組和線路等的參數(shù)，造成計(jì)算量大、仿真時(shí)間長(zhǎng)。

隨著測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值建模方法越來(lái)越受到研究者們的青睞。該方法結(jié)合大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用概率統(tǒng)計(jì)和擬合等方法建立了牽引負(fù)荷概率模型。該模型可有效地表征牽引負(fù)荷的概率統(tǒng)計(jì)特性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)能耗的概率評(píng)估。但是不能精確地刻畫牽引負(fù)荷的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性。如何結(jié)合牽引負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地模擬動(dòng)車組在區(qū)間運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)負(fù)荷過(guò)程，有待進(jìn)一步探討。

有學(xué)者探討了基于事件窗的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)（Non-Intrusive Load Monitoring, NILM）方法，通過(guò)提取用電設(shè)備的完整工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各個(gè)用電設(shè)備的負(fù)荷識(shí)別和能耗評(píng)估。類比NILM，牽引負(fù)荷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的實(shí)質(zhì)就是將不同運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)車組負(fù)荷根據(jù)運(yùn)行時(shí)間有機(jī)地疊加起來(lái)。

西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司供電部的研究人員，結(jié)合高速動(dòng)車組在牽引變電站供電區(qū)間的運(yùn)行特性和負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借鑒非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)研究方法，歸納了動(dòng)車組在區(qū)間的典型運(yùn)行過(guò)程。應(yīng)用基于滑動(dòng)窗的事件檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了典型負(fù)荷過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別并建立了典型運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。圖1給出了高鐵牽引變電站負(fù)荷建模的流程。

圖1 牽引動(dòng)態(tài)負(fù)荷建模流程

圖9 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

結(jié)合行車運(yùn)行圖提供的信息，提出了基于行車運(yùn)行圖的高鐵牽引變電站負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，主要得到如下結(jié)論：

• 1）所提出的牽引變電站負(fù)荷預(yù)測(cè)方法能準(zhǔn)確評(píng)估動(dòng)車組在區(qū)間運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性和統(tǒng)計(jì)特性，單列動(dòng)車組的負(fù)荷動(dòng)態(tài)波動(dòng)擬合優(yōu)度高于0.9，能耗統(tǒng)計(jì)誤差為0.57%。還可實(shí)現(xiàn)不同行車運(yùn)行圖下高鐵牽引變電站動(dòng)態(tài)負(fù)荷及耗電量的預(yù)測(cè)。
• 2）所提出的牽引變電站負(fù)荷預(yù)測(cè)方法只需要牽引變電站的測(cè)試數(shù)據(jù)和行車運(yùn)行圖，而無(wú)需潮流計(jì)算等復(fù)雜過(guò)程，具有運(yùn)算量小、評(píng)估速度快等優(yōu)勢(shì)。

在典型負(fù)荷過(guò)程的提取上，借鑒非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的方法，采用了滑動(dòng)窗的事件檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，但在如何利用智能算法實(shí)現(xiàn)典型工況的自適應(yīng)提取方面，還有待進(jìn)一步深入研究。此外，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建模方法的局限在于所建立的模型通用性較差，下一步可結(jié)合線路條件、運(yùn)行工況等，同時(shí)考慮更多的偶發(fā)性因素，建立普適性更強(qiáng)的動(dòng)車組動(dòng)態(tài)模型。

以上研究成果已發(fā)表在2020年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和行車運(yùn)行圖的高鐵牽引變電站負(fù)荷預(yù)測(cè)方法”，作者為魏波、胡海濤、王科、傅祺、何正友。