关于高速铁路电力系统的分析与研究


    对于高速铁路电力系统的分析与研究  摘要:提高交通运输工具运行速度是人类一直追求的目标,其与经济、社会发展水平相适应。现代交通运输的发展史在一定意义上就是以提高速度为核心的技术开发史,高速铁路的出现也是社会发展和现代文明的产物。 现在中国是世界上高速铁路发展最快、系统和技术最全、在建规模最大的国家。通过高铁,人们可以享受到了更快速、更舒适的旅行;借助高铁,我们可以更快速、便捷的将物资运输全国,这是科技高速进步的结果,是我们这个时代发展的里程碑,也是中国国力日益强盛的表现。 中国高铁已经成为了国民经济发展的大动脉,实现了“缩地成步”的想象,预示着我国的高铁建设已经获得了飞跃式的成长,同时也为经济社会的高速运转提供强大的运输能力,成为改变地方经济发展的重要助推器。 电力供电系统是高铁运转的核心组成部分,高铁车厢的照明、我们饮用需要的热水、刹车制动乃至充电插座等都需要用电,其为列车提供信号和通信供电,有着至关重要的作用。 这篇文章我分别从高速铁路的发展、电力系统概述说明、电力系统组成和供电原则、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。   关键词:高速铁路 电力 供电系统 一、 高速铁路发展的前世今生 在19世纪,英国工业革命的发展推动了整个交通运输业的变革和发展,蒸汽机的出现及应用为铁路运输业的形成与发展奠定了基础。1909年,在詹天佑的主持下,我国完全依靠自己的技术力量建成了第一条铁路——京张铁路。 新中国成立后,在伟大的中国共产党的领导下,发挥自有优势,努力钻研,我国逐渐建成了具有自主知识产权的机车车辆工厂,开始自制蒸汽机车、内燃机车和电力机车。 进入上世纪90年代以来,中国铁路“买票难、乘车难”的局面日益加剧,同时,随着高速公司和民航运输的迅速民展,铁路在运输市场的占有率急剧下降,运能与运量间的矛盾空前紧张。铁路提速势在必行。以沪宁线“先行号”快速列车开行为标志,广深、京秦等线路相继实现准高速运营。自1996年以来的六次大提速使中国铁路产生了根本性变化,同时也加快了中国铁路高速化的进程。 自“八五”时期起,国内相关科研机构和高等院校就已经与各工厂一起开始了高速动车组关键技术的研究、开发,通过吸收国外先进技术,设计并制造了高速动车组转向架样机。随着提速战略的进行,各工厂技术和制造水平不断进步,在1997年1月5日环线试验中,由SS8-0001机车牵引客车创造了212.6km/h的当时中国铁路速度纪录。随后,这一纪录不断被刷新: 1998年6月24日,SS8-0001机车牵引客车在京广线许昌-小商桥站间试验速度达到239.7km/h;2002年10月10日,“先锋”号动车组在秦沈客运专线山海关-绥中北站间达以292.5km/h;同年11月27日,“中华之星”电动车组在秦沈客运专线山海关-绥中北站间达到321.5km/h。 2004年,国务院批复了《中长期铁路网规划》,确定了我国铁路发展的蓝图,并在2008年对其进行了调整。在2011年正式公布的《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中对国家快速铁路网进行了规划。 中国正式开始发展高速铁路。自2008年中国第一条时速350公里的京津城际铁路开通运营以来,高速铁路在中国迅猛发展。高速铁路以其安全、准时、快速、舒适、占地少、节能、环保等诸多优点,日益显示出其旺盛的生命力。 中国高铁已经成为了国民经济的大动脉,实现了“缩地成步”的想象,预示着我国的高铁建设已经获得了飞跃式的成长,同时也为经济社会的高速运转提供强大的运输能力,成为改变地方经济发展的重要助推器。 目前在世界上拥用自主开发并已成功运用高速动车组的国家有中国、日本、法国、德国和意大利,其共同之处在于列车各部件大量运用高新技术,同时又各具特色,即根据本国的运用条件和传统经验,特别是在转向架构、车体轻量化、流线型外形、列车动力配置及构成形式、电传动及控制技术、列车信息网络等方面都具有各自特点。 随着铁路运输业的发展,中国对铁路建设与高速列车的需求日益增加,从蒸汽机到内燃机,再到电力动车组,它经历了一代又一代人的不懈追求与执着,同时建成了多条贯穿祖国各地的铁路网。 我国建设高速铁路的工期短,施工效率高;建设成本低,标准高;我国高速铁路的安全性能和施工标准远高于欧洲。 2018年6月26日,由中国铁路总公司牵头组织研制、具有完全自主知识产权、达到世界先进水平的中国标准动车组“复兴号”首发;“复兴号”的成功研制生产,标志着我国铁路成套技术装备特已经走在世界先进前列。 二、 高速铁路电力系统介绍 高铁能够跑起来,依靠的是牵引供电系统给高速列车提供电力。从电路角度来看,高铁采取AT(自耦变压器)供电方式;牵引供电为电力系统的一级负荷(德国是例外,德国高铁电网有独立于德国国家电网)。 高速铁路电力供电系统主要由从国家电网接引的高压电源线咱、铁路站段专线10kv及以上变配电所、沿线两路10kv电力贯通线路(一级负荷及综合负荷贯通线)、站场及区间高低压电力线路、10/0.4kv变电所、箱式变电站、室外动力照明、电气设备防雷接地等构成。全线电力远动系统纳入SCADA(监视控制和数据采集系统简称微机远动系统)统一调度。   二、高速铁路电力供电系统的组成、供电原则   (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。 电力设备具备:贯通线路由两端变、配电所供电的互供条年,变、配电所跨所供电的条件,远程监控条件,电气试验设备,快速抢修能力。 电力变、配电所的控制保护测量设备,应纳入远动系统调度管理;箱式变电站应设置远动终端,纳入远动系统。   (二)供电原则   电力供电系统必须满足铁路安全、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。 Ø为保证铁路各用电设备的可靠安全用电,铁路电力系统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)或敀意损坏外,其可靠性满足每天24小时的运输需要(含“维修天窗”时间),并满足以下要求: 1. 当供电网络中的一条外部电源线路停电时,丌能导致一级负荷停电。 2. 当供电网络中的一条供电线路停电时,丌能导致一级负荷停电。 3. 当供电网络中的一台供电设备停止供电时,丌能导致一级负荷停电。 4. 电力供电不铁路行车和运输安全密切相关,各个等级负荷的电源均来自电力供电子系统接引。 5. 不行车相关的一级负荷或重要负荷至少从供电网络接取两路独立电源。 6. 电力供电在遵守国家法规和丌损害铁路部门利益的前提条件下,最大限度地满足接入当地电力系统运营商电网的要求。 7. 电力供电遵循国家强制性标准,认真贯彻执行国家能源政策,因地制宜,保护环境,节约土地,积极采取节能措施,降低电能消耗。   三、电力远动控制系统   (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10/0.4 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。   (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 电力远动系统的通信通道布置在整个系统结构中极为重要,尤其是对于中央控制站以及终端之间的信息交换与传递,作用效果最为明显,也是不可或缺的重要一环。 通信通道的构建主要是为了传输相应的电流、电压以及功率等数据信息,进一步提升相应的应用价值。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。电力远动系统的通信通道有4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,具有安全、高效的优点,缺点是需要借助运营商提供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此种方案。   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   现有的模式,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,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。在这种情况下,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却没有感受到过电流。   (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。无论设定的方式是哪一种,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   我们现有的高速铁路电力贯通线均采用电缆线路,整条线路参数都很稳定,这就为电力线路的故障测距提供了有利的条件:   (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。   四、应急电源的选择   高速铁路供电的电源一旦中断供电,将会造成重大的政治影响或经济损失,后果是不可想象的,但是突发性的故障不是以人的意志为转移的,无论技术水平多么先进,防范多么严密,总有很多无法想象的、突发的状况发生,断电是有可能会发生的情况。为了保障国家财产安全、公民人身安全,必须思考、准备在前,制定全面的应预案。  通过一直以来铁路供电系统的运行实践经验表明,从电力网引接两回路电源进线加备用自投的供电方式,已经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,有时发生的全面停电事故多数是由内部故障引起,有部分是由电力网故障引起。 因为地区大电力网在主网电压上部是并网存在的,所以铁路部门无论从电网采取几回电源进线,也无法做到严格意义上的两个独立电源存在。因此,电力网发生的各种故障,很大可能会引起铁路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。   结语   铁路是我国重要的财产,不容有失。高速铁路已成为我们重要的保障设施,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,是重中之中。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。 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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