高速铁路电力供电系统的研究

高速铁路电力供电系统的研究摘要：高速铁路作为快捷舒适、超大运量、低碳环保的运输方式已经成为世界铁路发展的重要趋势，是解决客运供需矛盾的重要手段之一。随着京广高铁的投入运营，我国的高铁建设获得了跨越式的发展，为经济社会的发展注入了强大的运输动力。而电力供电系统是高铁的核心组成部分，其为列车提供信号和通信供电，重要性不言而喻。本文首先对高铁电力供电系统进行了概述，然后分析了其系统组成和供电原则，重点介绍了电力远动控制系统的相关要点，最后对应急电源的选择进行了说明。高速铁路电力供电系统为除列车牵引供电以外的所有铁路设施供电，包括铁路沿线信号电源、通信电源等一级负荷和动力照明等二、三级负荷的供电任务。铁路供配电系统是从地方变电站接引两路10kV(35kV)电源，通过铁路变配电所向铁路车站、区间负荷供电，铁路变配电所的间距4060km，个别区段长达8090km。高速铁路区间每隔3km左右有一处负荷点，负荷类型为通信、信号、防灾设备等一级负荷及区间摄像机等二级负荷。从变配电所馈出2条l0kV电力线路，沿铁路敷设向其供电，该电力线路被称为贯通线，一条称一级负荷贯通线，另一条称综合负荷贯通线，贯通线两端的铁路变配电所通过贯通馈线高压开关柜内电压互感器与断路器联锁均能为其供电。(一)系统组成高速铁路电力系统由铁路沿线变配电所、10KV贯通电力线路、低压配电系统及箱式变、室外照明、动力配线、机电设备监控系统、消防自动报警系统、防雷接地等配套电力设施组成。(二)供电原则1、电力供电系统必须满足客运专线安全、可靠供电的要求，并满足免维护、少维修、10kV及以上变配电所无人值守的原则要求。2、为保证各用电设备的可靠安全用电，电力供电系统应保证各级供配电系统的相互匹配，除发生大面积自然灾害( 如地震、战争、电网崩溃等) 或故意损坏外，其可靠性满足每天24h的运输需要( 含“维修天窗”时间) 。3、电力供电系统的主要设备标准为模数化、标准化、免维护、少维修。4、电力供电系统与铁路行车和运输安全密切相关，所有客运专线各个等级负荷的电源均自电力供电系统接引。5、与行车相关的一级负荷或重要负荷至少从供电网络接取2路独立电源。(一)系统介绍高速铁路10kV电力远动系统是利用计算机、网络和通信技术，结合铁路电力系统的实际，对铁路沿线10kV 配电所、车站10/ 变电所及贯通电力线路实现综合自动化监控的系统。该系统能够对高、低电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数等参数进行实时监测，实现电力网络运行状况的动态显示和远程控制，对线路故障性质可以进行自动判断、切除等功能。电力远动系统结构见下图。(二)调度主站硬件系统电力远动调度主站完成调度员人机交互功能，它为调度员执行运行操作提供了所有入口：显示各种监控画面、变配电所接线图、系统配置斟、实时数据和信息、生产报表管理、告警信息、各种曲线，并具有历史数据查询功能;变配电所监控和管理、通信信号电源监控、贯通线分段开关监控等，也是通过工作站的人机交互完成。电力调度主站采用客户/服务器访问方式，能有效地使用网络和各单元的CPU资源，防止功能分布不当而引起通信的“瓶颈”效应。系统采用平衔式双以太网结构，正常情况下双网同时工作，自动动态平衡双网负荷。当某一网络故障时，非故障网络能自动接管系统中所有网络负荷，确保系统正常运行，并实现单网故障情况下系统数据不丢失。(三)通信系统通信系统是电力远动系统的基础，也是电力远动系统的关键组成部分，高速铁路和常速铁路通信网使用光同步数字传输网(SDH)，电力远动系统通道采用基于SDH的数字通道，根据接入SDH传输网的不同方式，电力远动的通道应用有四种模式。1、基于低速异步数字接口的通信SDH网的接入设备能够提供低速同步/异步信号的插板称为数字接口板(DIB)，DIB接入网提供小于64Kbit/s的同步/异步子速率数据，可以直接用作电力远动系统的通信通道。该接入网方案实质上是数字专线的通信方式，具有可靠性高、效率高的优点，缺点是需要运营商提供DIB接口板，传输速率低，当采用Rs-232接口时只能实现点对点通信，当采用Rs-485接口时，可以实现类似Rs-485总线的通信效果。现在铁路电力远动基本不采用该方案。2、基于IP的数字专线接入网采用网桥方案，即在SDH设备外置IP转换器，采用通用网桥/PPP/，连续虚级联技术，占用n×64K/E1专用电路，实现数字业务的接口转换和点对点透传功能，这一方案兼容各种SDH设备，具有专用带宽、天然隔离，但只能用于点对点传输。3、基于路由器方式该方案采用路由器，能提供各节点之间的包交换能力，实现任意点之间的数据交换，网络侧接入能力和扩展能力都得到显著提高;各路由器之问组成一个环形通道，环的一侧故障时，数据可以自动“选径”经过另一侧传输，提高了通信系统的可靠性。缺点是由于采用路由器，需要解读IP包头来决定数据的传输目的，传输速率会有所下降。4、数据网方式高速铁路设置基于SDH的数据网，数据网除能够传输电力远动数据外，还承载综合视频监控系统、动力及环境监控系统等业务，并为办公系统预留网络接入条件。数据网系统采用TCP/IP协议，为用户提供10M/100M和2Mb/S等灵活的接入手段，根据用户不同带宽要求，支持灵活的带宽分割技术，接入层设备能提供16个等级的限速。在专网专用的结构下可提供面向连接的网络层专线服务和交换型数据业务互联服务。由于基于SDH的数据网具有巨大优势，高速铁路电力远动一般采用该网络结构，在高速铁路电力远动的每一被控端向通信专业申请1路2M带宽的TCP/IP网络接口，调度主站申请2路2M带宽的TCP/IP网络接口，通信专业对整个数据网进行监控管理，确保通信通道可靠性。(四)线路故障时的数据分析及故障测距1、数据分析目前，高铁10kV 贯通电力线路相邻所间的供电一般采用接力式供电方式，如下图所示，由甲所供电到乙所，乙所供电到丙所，依次类推。通常情况下，配电所贯通线路采用的保护及自动装置有速断保护、过流保护及失压保护，一次自动重合闸和自动投入装置。由速断保护和过流保护完成对馈出线的保护工作，由失压保护、一次自动重合闸、自动投入装置完成对馈出线供电的恢复功能。当高压电力线路发生故障时，根据线路故障性质及配电所线路保护模块的动作情况，各配电所及开关站数据变化如下：(1)当线路发生瞬时故障时，只有主送所会过流或速断保护动作。此时，无论主送所自动重合闸动作还是备用所自动投入装置动作，均能送电成功，因此从主送所到故障点各开关分别感受到一次过电流，故障点另一侧各开关都没有感受到过电流。(2)主、备所均设有过流、速断保护及相应一次重合闸和备自投功能。当线路发生永久性故障时，主送所过流或速断保护动作，然后备用所产生一次备自投、主送所产生一次自动重合闸动作或备用所先产生一次备自投后再产生一次自动重合闸动作。无论设定的方式如何，在重合或者备自投后必定会后加速跳开。在设置重合闸的一端到故障点各开关必定感受到两次过电流，故障点另一侧各开关只感受到一次过电流。(3)主、备所均设有过流、速断保护，且只在备用所设定了备自投而在主、备所均无重合闸。当线路中某点发生永久性短路，主送所过流或速断保护动作后，备用所备自投动作后必定会后加速跳开。这时线路上各开关都感受到一次过电流，但由于备自投有一定的时间延时，在故障点两端的开关感受到的过电流时刻是不同的。根据以上数据变化分析，在线路故障时，应当采集各开关站高压电流值，并要求带有故障时刻的时标。2、故障测距目前，高速铁路电力贯通线均采用电缆线路，整条线路参数稳定，这就为电力线路的故障测距提供了有利条件：(1)可以通过配电所采集到的短路电流值进行计算，得到短路点至保护处所的线路阻抗，进而根据电缆线路的单位阻抗算出故障距离。(2)贯通线路行波故障测距技术可作为借鉴和使用。行波故障测距是指当线路发生故障时，在故障点产生向线路两端运动的电压、电流行波虚拟电源，通过行波传播速度和行波到达两端的时间，计算故障点的位置。行波传播的速度接近电磁波的速度，其具体速度取决于线路分布参数。行波传输的时间由行波故障测距装置采集计算。高速铁路供电的电源一旦事故中断供电，将会造成重大的政治影响或经济损失，然而电力故障突发性强，往往不以人们的意志为转移，因为无论供电部门管理得再严格，电网设施再先进，断电也在所难免。近年来铁路供电系统的运行实践经验证明，从电力网引接两回路电源进线加备用自投的供电方式，不能满足一级负荷中特别重要负荷对供电可靠性及连续性的要求，有的发生全部停电事故是由内部故障引起，有的是由电力网故障引起，因地区大电力网在主网电压上部是并网的，所以铁路部门无论从电网取几回电源进线，也无法得到严格意义上的两个独立电源。因此，电力网的各种故障，可能引起全部电源进线同时失去电源，造成停电事故。始发站或大型中间站备用容量较大，上下车人员较多，因此宜采用三路10kV系统电源、接触网取电或发电机备用方案，如全线设双回电力贯通线(或贯通线+接触网)，各站特别重要的一级负荷接于电力贯通线的一级负荷变压器，由于变压器电源来自不同配电所，具备三路电源条件，完全满足供电可靠性要求，不另设备用电源设备。如全线不设贯通线，则其它各站备用电源容量较小，应急照明及消防报警则采用EPS作为备用电源。各站通信、信号等电子设备则宜采用UPS或蓄电池作备用电源。电力供电系统是确保调度指挥、信号、通信、旅客服务等系统重要负荷安全、可靠、不间断运行的基础设施，其重要性显而易见。而铁路电力远动技术作为电力供电系统的关键技术，代表着当今铁路电力的发展方向，为铁路电力发展向着自动化、无人化趋势迈进打下了坚实的基础。1周方圆，王卫安.高速铁路对供电质量的影响及治理措施J.大功率变流技术。2赵渊，周念成，谢开贵等.大电力系统可靠性评估的灵敏度分析J.电网技术。3常趁.高速铁路供电电源的选择及应急电源方案的分析J.铁道勘测与设计，