2016年8月13日，由北京西開往深圳北站的G79次高鐵發生停電故障，上千人被困在40+℃的車廂內，持續近2小時，不少孩子和老人出現了不適和脫水現象。高鐵安全穩定運行與其電網電能質量密不可分，如何保障高鐵電網電能質量成為了當下討論的熱點。
圖1 2020年地圖規劃圖
到2020年，中國將新建高速鐵路1．6萬公里以上，形成以“四縱四橫”高鐵為主骨架的快速鐵路網，現在高鐵運行時速達到300km/h，提速至350km/h的呼聲也在不斷增強。
高鐵的安全穩定運行與高鐵電網的電能質量密不可分，電能質量問題可以導致電網電力故障和列車電力設備故障。探討高鐵電網電能質量問題對高鐵列車的影響，我們就必須要了解高鐵的供電原理和驅動原理。
高鐵牽引供電系統
圖2 高鐵結構示意圖
高鐵能夠跑起來，依靠的是牽引供電系統給高速列車提供電力。電氣化鐵路的牽引供電方式主要有：BT(吸流變壓器)供電方式、AT（自耦變壓器）供電方式和TR直接供電方式。由于高速鐵路功率大，牽引電流較大，因此一般采用功率輸送能力最強的AT供電方式，典型的
AT供電系統如圖3所示。
圖3 典型的AT供電系統
引供電系統主要由牽引變電站（變電所）、自耦變壓器AT、接觸網T、回饋線F、鐵軌R及高速列車組成。基本原理為：牽引變電站為整個牽引系統提供電源，電流從牽引變電站流出，通過接觸網給高速列出提供電能，然后通過回饋線流回牽引變電站，AT供電方式的工作原理如圖4所示。
圖4 AT工作原理圖
高速鐵路供電是按照“供電段”來進行劃分的，平均數十千米/座。每個變電站伸出兩個供電支，提供不同相的電流。列車經過兩個變電站的“供電段”時，先后通過A1-B1-A2-B2四個供電支。為保證供電安全，每個供電支之間采用電氣絕緣（隔離）的結構設計，因此各供電支之間不會短路。列出從一個供電支運行到另一個供電支是瞬時完成的。供電段示意圖如圖5所示。
圖5 供電段示意圖
高鐵驅動原理
牽引供電系統為高鐵提供電力，高鐵依靠電力來獲得動力，圖6是高鐵的驅動原理示意圖。基本原理為：高速列車通過受電弓與接觸網接觸將高壓交流電取回車內，然后通過變壓器降壓和四象限整流器轉換成直流，在經過逆變器轉換成可調幅調頻的三相交流電，輸入三相異步/同步牽引電機，通過傳動系統帶動車輪運行。
圖6 高鐵驅動原理圖
高鐵電能質量分析
高鐵是一種特殊的大功率單相負荷，對于三相對稱的電力系統來說，高鐵牽引負荷具有波動性、非線性、不對稱性等特點。
1、負荷波動與沖擊
列車在運行中的加速、惰行、制動等因素都會引起牽引變電站負荷的波動，特別是列車從一個供電支變換到另一個供電支時，其瞬間造成的負荷波動和沖擊是非常巨大的，巨大的負荷波動和沖擊會引起電網電壓的異常波動。圖5是高鐵牽引變電站24小時內有功功率變化情況，可以看出高鐵牽引變電站負荷波動和沖擊非常大。
圖7 牽引變電站有功功率曲線
2、非線性
從高鐵的驅動原理可以看出，高鐵采用交-直-交的PWM變流器技術，把工頻交流電經過整流逆變轉變為可調幅調頻的三相交流電為牽引電機供電，這是一個非線性的過程，不可避免的會產生的大量的諧波。此外，整個列車電源還要向車內的空調、照明等非線性負荷供電，這些非線性設備也會產生大量的諧波。
3、不對稱性
高鐵采用單相供電制，且牽引網兩個供電支的負荷不可能保持一致，因此對于三相電網來說，屬于不對稱性負荷，會產生負序電流，造成牽引變電站外接電網三相不平衡。
高鐵電能質量危害
圖8 運行中的高鐵
高鐵在行駛過程中產生的諧波、負序分量以及電壓波動等電能污染，對高鐵電力系統的安全性、可靠性造成了嚴重的影響。高鐵電網電能污染對高鐵電力系統主要有以下影響：
影響電網的安全性和可靠性：高鐵列車運行產生的大量高次諧波通過牽引變壓器注入牽引變電站，引入電力系統，并與系統的“背景負荷”產生的的負序源疊加，使得系統內部電網的3次、5次諧波在諧振時嚴重放大，進而導致電網故障；
影響電力設備的安全穩定運行：高鐵牽引負荷產生的諧波和負序分量會造成設備損壞，減少設備壽命或降低效率，甚至會對計算機、通信、電力系統繼電保護裝置等設備造成工作失誤或性能劣化，可能導致越級跳閘而擴大事故或者導致主變、線路跳閘。
可以看出高鐵電網電能污染不僅影響鐵路自身小局域電網的安全與穩定，也會通過牽引變電站對外部電網造成影響。無論是對自身電網還是對外部電網的影響，最終都會威脅到高鐵運行的安全與穩定。
高鐵電能質量治理
高鐵電力系統的安全性、可靠性決定了高鐵列車運行的安全性和可靠性。因此對高鐵電網電能質量的監測治理就顯得尤為重要了。高鐵的牽引變電站之間是相互獨立的，供電支之間也是相互隔離的，所以對高鐵電網電能質量的監測，就需要對每個供電支進行在線式的監測，然后匯總到后臺主機，進而實現對整個高鐵電網的實時監測。
圖9 高鐵電網
致遠電子的E8300多回路電能質量在線監測裝置，廣泛應用于全國各地各級變電站、電氣化鐵路、高耗能企業電能質量的在線監測。它可以長期在線式監測電網電能的質量，具有諧波與閃邊分析、電能波動與故障錄波、分量測量與電壓不平衡度分析、數據記錄與事件過程記錄等功能。圖10是致遠電子電能質量在線監測裝置應用方案圖。
圖10 電能質量在線裝置應用方案圖
對于監測裝置和后臺主機之間的通信，即可采用有線也可以采用無線3G網絡，通過傳輸網絡將各監測點的數據安全送到PQS子系統，管理人員可通過web遠程查看和管理電能質量系統。