錢清泉，高仕斌，何正友，陳奇志，吳積欽

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

中國高速鐵路牽引供電關(guān)鍵技術(shù)

錢清泉，高仕斌，何正友，陳奇志，吳積欽

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

本文結(jié)合中國高鐵建設(shè)和運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)，從高速鐵路牽引供電不同層面，系統(tǒng)地介紹了高鐵牽引供電系統(tǒng)的一系列關(guān)鍵技術(shù)。同時，就目前牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了新型供電技術(shù)、主動運(yùn)營維護(hù)、節(jié)能與效能提升、檢測監(jiān)測等新技術(shù)，可為中國高鐵牽引供電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供指導(dǎo)。

高速鐵路；牽引供電系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

1　前言

近年來，高速鐵路在中國取得了快速的發(fā)展。截至2014年9月，中國已投運(yùn)高鐵里程達(dá)到11132km，占世界高速鐵路運(yùn)營里程的一半。中國高速鐵路的發(fā)展，特別是我國僅用幾年的時間就超過了發(fā)達(dá)國家?guī)资旮咚勹F路里程的總和，這進(jìn)一步證明了中國高速鐵路綜合技術(shù)自身的優(yōu)越性。在牽引供電系統(tǒng)方面[1]，中國經(jīng)過多年運(yùn)營，已經(jīng)形成自己的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系，部分領(lǐng)域還處于領(lǐng)先地位，但隨著高速電氣化鐵路和客運(yùn)專線供電管理標(biāo)準(zhǔn)的提高，對供電設(shè)備安全、可靠性也提出更高要求，就目前中國電氣化鐵路電氣設(shè)備管理方式來說，要滿足其標(biāo)準(zhǔn)要求，將花費(fèi)大量的運(yùn)行維護(hù)成本。如何確保高速度、大規(guī)模、大功率、高密度的牽引供電系統(tǒng)高效、安全、可靠性運(yùn)行，是中國高速鐵路快速發(fā)展的迫切問題。

隨著高速鐵路在中國的發(fā)展應(yīng)用，中國在高速鐵路供變電技術(shù)、弓網(wǎng)關(guān)系、綜合自動化、供電安全檢測監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)取得了突出的成果。目前中國的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足高速運(yùn)行中的弓網(wǎng)關(guān)系，最小行車間隔可達(dá)3 min，最大編組為16輛，行車組織實(shí)現(xiàn)了“高速度、高密度、重負(fù)荷”行車編組；高速列車功率需求最高功率可達(dá)24 MW，恒功率持續(xù)時間長；大量采用交直交傳動系統(tǒng)，動車組諧波含量少，頻譜較寬，功率因數(shù)高。高鐵牽引負(fù)荷的特殊性和牽引網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，給牽引供電系統(tǒng)的服役安全和可靠性帶來了新的課題，系統(tǒng)地梳理和研究適合于高速鐵路的牽引供電基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)是迫切需要的?；诖?，本文從牽引供電系統(tǒng)的供變電技術(shù)、保護(hù)監(jiān)控技術(shù)、弓網(wǎng)關(guān)系、供電檢測監(jiān)測等部分和一系列新技術(shù)等方面，分析了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)最新理論技術(shù)，給出了適合中國的高鐵牽引供電系統(tǒng)理論體系。

2　高速鐵路牽引供電系統(tǒng)概述

中國高速鐵路主要由三相220 kV電網(wǎng)供電（西北330 kV，特殊地區(qū)110 kV）。牽引變壓器將三相電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閮上?×27.5 kV分別為左右供電臂供電，自耦變壓器（AT）的兩個接頭分別接：接觸線27.5 kV，正饋線-27.5 kV，而中性線接地并與鋼軌相連。由于牽引網(wǎng)采用全并聯(lián)AT供電方式，沿線平均10～15 km需要設(shè)置一臺AT于AT所和分區(qū)所。在復(fù)線2×27.5 kV供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在AT所和分區(qū)所，橫連線將上下行同類線路進(jìn)行并聯(lián)連接。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　高速鐵路牽引供電系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic diagram of high-speed railway traction power supply system

2.1全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)（見圖2）廣泛應(yīng)用于高速鐵路中，全并聯(lián)AT網(wǎng)是在復(fù)線AT網(wǎng)的基礎(chǔ)上將上、下行線路在AT處通過橫連線進(jìn)行并聯(lián)連接，上下行共用自耦變壓器。即在原有AT供電方式中，將所有AT所處的上下行接觸網(wǎng)、正饋線和鋼軌并聯(lián)連接，并在變電所出口處，上下行線路采用同一饋線供電。

圖2　全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)示意圖Fig.2　Schematic diagram of all parallel AT power supply system

圖2為全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的電流分布特性，沿線上的AT將經(jīng)過鋼軌的電流平均分為四部分到上下行正饋線和接觸網(wǎng)。正饋線和接觸網(wǎng)在電氣上具有較強(qiáng)的對稱性，因此上行線路和下行線路的電流分布也較為相似。全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的電流分布可以進(jìn)一步降低線路中的電流、電壓損失和通信線路的電磁干擾。其供電性能優(yōu)于單線AT供電系統(tǒng)和復(fù)線AT供電系統(tǒng)，提高了牽引網(wǎng)的傳輸線路長度，可以減少線路中的牽引變電所的數(shù)量。因此，全并聯(lián)AT供電方式廣泛應(yīng)用于中國高速鐵路。

2.2高速鐵路牽引變電所關(guān)鍵設(shè)備

高速鐵路牽引變電所中最為重要的關(guān)鍵設(shè)備是牽引變壓器[2]。目前中國高鐵主要采用的主變壓器接線型式有單相V/x接線、中點(diǎn)抽出式Scott接線。下面分別分析兩種變壓接線和工作原理。

2.2.1單相V/x接線牽引變壓器

V/x變壓器包含兩個單相三繞組的變壓器，分別為左右AT牽引網(wǎng)（供電臂）供電。二次側(cè)繞組中性點(diǎn)抽出并接地，使得兩個繞組電壓為±27.5 kV，分別與T母線和F母線相連，形成AT供電方式，省去了牽引變電所出口處的AT。V/x變壓器具有較高的容量利用率和簡單的接線方式，因此在中國高鐵牽引變電所中應(yīng)用最為廣泛。圖3給出了V/x牽引變壓器的電路示意圖及α供電臂的等效電路圖。

圖3　V/x牽引變壓器電路模型示意圖Fig.3　Schematic diagram of the circuit model of V/x traction transformer

2.2.2中性點(diǎn)抽出式Scott牽引變壓器

中性點(diǎn)抽出式Scott變壓器的二次側(cè)與V/x變壓器相似，均從二次側(cè)中性點(diǎn)抽出并接地，同時提供±27.5 kV的電壓分別為T線、F線。220 kV中性點(diǎn)抽出式Scott變壓器在國際上首次應(yīng)用于杭甬客專的上虞北牽引變電所。Scott變壓器是一種應(yīng)用較為廣泛的平衡變壓器，可有效地降低牽引供電系統(tǒng)對外部電網(wǎng)的功率不平衡等電能質(zhì)量問題。其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　Scott變壓器接線與等效模型示意圖Fig.4　Schematic diagram of the circuit model of Scott traction transformer

3　弓網(wǎng)關(guān)系理論

受電弓與接觸網(wǎng)在材料組合、電氣和機(jī)械的耦合聯(lián)系所組成的系統(tǒng)（以下稱弓網(wǎng)系統(tǒng)）是高速列車獲取電能的唯一方式。弓網(wǎng)相互作用決定了列車受電的可靠性和電能品質(zhì)，這依賴于受電弓和接觸網(wǎng)的設(shè)計方案及大量參數(shù)的選取。弓網(wǎng)系統(tǒng)[3]的電接觸性能、動態(tài)性能、材料接口及幾何相互作用是弓與網(wǎng)相互作用的重要內(nèi)容，也是限制列車實(shí)現(xiàn)更高速度的重要因素。

3.1弓網(wǎng)電接觸性能

弓網(wǎng)接觸區(qū)域在微觀上總是凸凹不平的，在集流過程中只有少數(shù)的“點(diǎn)（或小的接觸面）”發(fā)生了接觸。這些實(shí)際接觸的“點(diǎn)”是受電弓與接觸網(wǎng)之間聯(lián)系的紐帶，通常稱這些發(fā)生接觸的“點(diǎn)”為“導(dǎo)電斑點(diǎn)”。導(dǎo)電斑點(diǎn)承載著列車所需的電流，也導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸電阻的產(chǎn)生。

弓網(wǎng)之間的靜態(tài)接觸電阻可由式（1）給出

式（1）中：Rc為接觸電阻，Ω；ρ1、ρ2分別為滑板與接觸線材料電阻率，Ωmm2/mm；F為滑板與接觸線間的接觸力，N；H為滑板與接觸線中較軟材料的接觸硬度，N/mm2。

根據(jù)電位—溫度理論，弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的靜態(tài)接觸溫升與通過接觸點(diǎn)的電流、接觸電阻有以下函數(shù)關(guān)系

式（2）中：θ為弓網(wǎng)接觸點(diǎn)超出接觸區(qū)的溫度（溫升）；U為接觸壓降，V（U=IR）；I為通過接觸點(diǎn)的電流，A；k為滑板與接觸線材料的熱導(dǎo)率與電阻率乘積的平均值。

溫升是限制停車狀態(tài)時弓網(wǎng)系統(tǒng)集電能力的重要因素，其與弓網(wǎng)材料組合、弓網(wǎng)接觸力大小等密切相關(guān)。當(dāng)弓網(wǎng)系統(tǒng)材料及載流量確定后，靜態(tài)接觸溫升與弓網(wǎng)接觸力成反比?；瑒舆^程中，接觸力過大，會帶來無法接受的機(jī)械磨耗和抬升；接觸力過小或?yàn)榱?，電氣損耗增加，并會產(chǎn)生電弧。電弧能維持弓網(wǎng)系統(tǒng)的電氣接觸，卻會帶來噪聲與電磁干擾。接觸力成為評估弓網(wǎng)接觸質(zhì)量的重要指標(biāo)，而接觸力的動態(tài)范圍是由弓網(wǎng)動態(tài)性能決定的。

3.2弓網(wǎng)動態(tài)性能

接觸力是影響弓網(wǎng)接觸質(zhì)量的主要因素之一，接觸力除了受電弓的靜態(tài)抬升力外，還有運(yùn)行中氣流作用產(chǎn)生的空氣動力，以及弓網(wǎng)動態(tài)相互作用產(chǎn)生的慣性力。弓網(wǎng)接觸力的表達(dá)式為

式（3）中：Fe為接觸力；Fs為受電弓靜態(tài)抬升力；kV2為空氣動力，與速度的平方成正比，系數(shù)k與受電弓參數(shù)有關(guān)；Mta表示弓網(wǎng)動態(tài)相互作用產(chǎn)生的慣性力，Mt為受電弓的歸算質(zhì)量，a為接觸線處受電弓的振動加速度；Fm為受電弓鉸接處的摩擦力。為使弓網(wǎng)接觸力控制在合理的范圍內(nèi)，需對高速弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計和匹配。

國外高速接觸網(wǎng)懸掛類型基本上可歸為三類：以日本為代表的復(fù)鏈型懸掛、以法國為代表的簡單鏈型懸掛和以德國為代表的彈性鏈型懸掛。由于列車運(yùn)行速度的提高，弓網(wǎng)之間振動加劇，接觸線抬升量波動增大。結(jié)合三種接觸網(wǎng)懸掛類型特性和中國高鐵受電弓的特征，中國接觸網(wǎng)主要以簡單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛為主，目前對于200～350 km/h速度段內(nèi)二者均能滿足列車高速受流的要求。為改善受電弓的動態(tài)跟隨特性，減少離線和拉弧，達(dá)到良好的跟隨性，主動控制受電弓的使用改善了弓網(wǎng)間的動態(tài)匹配特性。主動控制受電弓能快速響應(yīng)高度變化和振動，有效控制弓網(wǎng)接觸力的動態(tài)范圍，也能將接觸線的抬升量控制在允許范圍內(nèi)。

3.3弓網(wǎng)材料接口

弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流量及運(yùn)行壽命很大程度上依賴于滑板與接觸線的材料組合。高速列車運(yùn)行速度提高，要求提高接觸網(wǎng)的彈性均勻度及波動傳播速度，這就要求增大接觸線的抗拉應(yīng)力。為滿足這一需要，時速超過300 km/h的接觸網(wǎng)要求選用高抗拉應(yīng)力的接觸線，銅鎂合金接觸線為其中的典型代表，但銅鎂合金接觸線導(dǎo)電性能卻相當(dāng)于同等截面銅銀合金接觸線的60%。

在現(xiàn)行滑板材料中，碳素材料密度最小，碳滑板已被證明特別適用于銅及銅合金接觸線。碳滑板導(dǎo)電性能差，機(jī)械強(qiáng)度低，但其質(zhì)量輕、自潤滑性能好，能滿足高速弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)需要和延長接觸線使用壽命的要求：導(dǎo)電性能雖差，但其耐弧性能得到了提高。使用碳滑板時，接觸溫升對接觸線的熱侵蝕不容忽視，應(yīng)避免引起接觸線的局部溫度超過允許限度。

3.4弓網(wǎng)相互作用性能評估

表1為弓網(wǎng)接觸質(zhì)量評價表。

表1　弓網(wǎng)接觸質(zhì)量評價表Table 1　Pantograph catenary current collection quality evaluation table

結(jié)合表1可知，可靠傳輸電能是弓網(wǎng)系統(tǒng)的根本目的，弓網(wǎng)接觸力是高速弓網(wǎng)動態(tài)性能的核心參數(shù)。如何控制弓網(wǎng)接觸力的動態(tài)范圍是列車高速受流的關(guān)鍵，弓網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到期望的壽命也是重點(diǎn)考慮的因素。

4　全并聯(lián)AT保護(hù)與故障定位原理

為保障牽引供電系統(tǒng)安全可靠地向動車組供給電能，供電系統(tǒng)的保護(hù)裝置發(fā)揮了極其重要的作用。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，保護(hù)裝置應(yīng)滿足列車運(yùn)行的要求[4]；當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時，保護(hù)裝置應(yīng)有選擇地迅速切除故障。同時，根據(jù)故障后的相關(guān)電流電壓信息，應(yīng)用相關(guān)故障定位算法，實(shí)現(xiàn)故障的精確定位，指導(dǎo)運(yùn)營維護(hù)單位迅速、準(zhǔn)確地找到故障位置，使?fàn)恳到y(tǒng)迅速恢復(fù)供電，減少因停電帶來的損失，保證供電的可靠性。

牽引網(wǎng)中裝設(shè)的保護(hù)大體分為3種：主變壓器保護(hù)，饋線保護(hù)，并聯(lián)電容器組保護(hù)。在全并聯(lián)AT供電方式下，整個牽引網(wǎng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，其故障特性也與常規(guī)鐵路牽引網(wǎng)有很大的不同。高速鐵路主變壓器保護(hù)和并聯(lián)電容器組保護(hù)與常規(guī)相同，故不作詳細(xì)介紹。

4.1牽引網(wǎng)故障隔離過程

從圖5可看出，當(dāng)牽引網(wǎng)任一點(diǎn)發(fā)生故障時（假設(shè)k點(diǎn)故障），從電源到故障點(diǎn)將會有多個故障電流回路。此時，繼電保護(hù)裝置將變電所饋線斷路器1QF、2QF跳開以切除故障。為了將故障隔離在最小范圍，在1QF、2QF跳開后，斷路器3QF、4QF、5QF、6QF也要跳開以將上下行解列。在3QF～6QF跳開后，1QF、2QF的重合閘分別動作，以恢復(fù)非故障線路的供電或消除故障線路上的瞬時電弧故障。

圖5　故障隔離示意圖Fig.5　Schematic diagram of fault isolation

當(dāng)某個變電所電源失效時，相鄰變電所要越過分區(qū)所向其供電。相鄰供電區(qū)間的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行合閘操作將分區(qū)亭相鄰的供電臂接通，由相鄰牽引變電所進(jìn)行臨時供電。

在越區(qū)供電下，供電變電所到分區(qū)所再故障時仍需要跳開變電所饋線上1QF、2QF，而分區(qū)所到失效變電所故障時僅需要跳開分區(qū)所饋線斷路器7QF、8QF，隔離失效變電所供電區(qū)的故障線路，再進(jìn)行重合閘等操作。越區(qū)供電提高了牽引網(wǎng)供電的持續(xù)可靠性，避免了因故障引起供電的中斷。但越區(qū)供電增加了供電變電所的負(fù)擔(dān)，勢必會進(jìn)一步地降低線路的供電能力，應(yīng)及時排除故障恢復(fù)失效變電所的供電。

牽引網(wǎng)故障隔離的主要任務(wù)是在故障發(fā)生時能迅速跳開變電所出口斷路器，將上、下行解列從而減少故障范圍。變電所出口斷路器重合閘操作，可以排除60%～90%的瞬時性故障。在發(fā)生永久性故障時能快速定位故障點(diǎn)，及時隔離，將事故范圍降到最低。

4.2牽引網(wǎng)饋線保護(hù)

根據(jù)運(yùn)營統(tǒng)計，牽引網(wǎng)饋線故障中絕大多數(shù)是發(fā)生線路短路故障。由于AT網(wǎng)電流與電壓的非線性關(guān)系，饋線保護(hù)以距離保護(hù)為主保護(hù)，并以電流速斷保護(hù)作為距離保護(hù)的輔助保護(hù)。為消除饋線斷線接地故障，可增設(shè)電流增量保護(hù)。本文重點(diǎn)介紹下自適應(yīng)阻抗保護(hù)。

高速牽引網(wǎng)大量勵磁涌電流以及再生制動電流反向流動，使傳統(tǒng)的距離保護(hù)易誤動或者拒動。自適應(yīng)阻抗保護(hù)（見圖6）可根據(jù)電流中諧波含量的變化自動調(diào)節(jié)測量阻抗和阻抗元件動作邊界達(dá)到可靠的動作。這種保護(hù)較傳統(tǒng)阻抗保護(hù)在牽引網(wǎng)中的應(yīng)用更為可靠。

圖6　自適應(yīng)阻抗繼電器動作特性Fig.6　Schematic diagram of adaptive impedance relay characteristic

定義綜合諧波含量為

式（4）中：I1、I2、I3、I5、I7分別為測量電流中的基波、二、三、五、七次諧波電流。

如圖6新的動作特性表達(dá)式為

由于高速鐵路負(fù)荷綜合諧波含量較小，阻抗元件的動作邊界的收縮范圍不大，其抗拒動的辦法可采用二次諧波制動的四邊形距離保護(hù)。如抗拒動e-f區(qū)域，邊界的整定應(yīng)滿足高速鐵路的實(shí)際需要。

在牽引網(wǎng)正常供電與越區(qū)供電時，上下行的保護(hù)配置是不一樣的。因此，對正常供電和越區(qū)供電時分別配置了不同的保護(hù)功能元件，方案如表2、表3所示。

表2　正常供電時饋線保護(hù)配置方案Table 2　Normal power supply feeder protection configuration scheme

表3　越區(qū)供電情況下饋線保護(hù)方案Table 3　Trans regional power supply feeder protection configuration scheme

此外，以供電臂為單元的協(xié)同保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)變電所、AT所、分區(qū)所分散協(xié)同保護(hù)控制策略，從而解決繼電保護(hù)選擇性與快速性的矛盾，實(shí)現(xiàn)了牽引網(wǎng)故障區(qū)段的快速隔離和供電恢復(fù)，詳細(xì)策略如圖7所示。

4.3故障測距

當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生瞬時性故障，應(yīng)盡快消除隱患，防止發(fā)展成為永久性故障；當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生永久性故障后，應(yīng)盡快找到故障點(diǎn)排除故障和恢復(fù)供電。因此，全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)的故障點(diǎn)定位是維護(hù)牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要技術(shù)措施。

當(dāng)牽引網(wǎng)運(yùn)行時發(fā)生故障，其故障阻抗為鞍形曲線，只能采用AT中性點(diǎn)吸上電流比等原理測距。而在重合閘重合于故障時，牽引網(wǎng)為直供狀態(tài)，此時的故障阻抗與故障距離成單調(diào)對應(yīng)關(guān)系，可以采用電抗法測距。以下對AT中性點(diǎn)吸上電流比測距原理做簡要介紹（見圖8）。

圖7　全并聯(lián)AT網(wǎng)協(xié)同保護(hù)原理Fig.7　Schematic diagram of all parallel AT network collaborative protection principle

圖8　AT中性點(diǎn)吸上電流比測距原理圖Fig.8　Schematic diagram of AT neutral current ratios ranging principle

在圖8中假設(shè)AT為理想變壓器、鋼軌對地全絕緣，且沿線路阻抗參數(shù)均勻分布。則當(dāng)故障發(fā)生在第k至第k+1個AT之間時，有

式（6）中：lk為第k個AT距變電所的距離，km；Ik、Ik+1為第k個和第k+1個AT中性點(diǎn)吸上電流，A；D為第k至第k+1個AT間距，km。

考慮AT漏抗及鋼軌對地泄漏，式（6）可以寫成

式（7）中：Q1、Q2為與AT之間的距離大小、鋼軌漏導(dǎo)、AT漏抗、饋線長短、鋼軌連接導(dǎo)電情況等因素有關(guān)的系數(shù)，一般取值為0.05～0.1。

AT中性點(diǎn)吸上電流比測距法在全并聯(lián)AT網(wǎng)保護(hù)中發(fā)揮更重要的作用，對T-R、F-R短路故障有很好的測量效果，但由于其不能對天窗運(yùn)行和發(fā)生T-F故障進(jìn)行測距，有一定的局限性，但仍能滿足工程需要。

5　高速鐵路綜合監(jiān)控（SCADA）技術(shù)

高速鐵路四大核心系統(tǒng)之一的供電系統(tǒng)為高速動車組提供動力電源，為通信信號等運(yùn)行控制系統(tǒng)提供工作電源，是高速鐵路安全可靠運(yùn)行必不可少的支撐系統(tǒng)。高速鐵路綜合SCADA系統(tǒng)[5]包括：設(shè)置在鐵路沿線供電站點(diǎn)中的被控站系統(tǒng)、設(shè)置在各個鐵路局的調(diào)度系統(tǒng)，以及連接被控站和調(diào)度系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)三大部分，是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)、智能分析決策技術(shù)、自動控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和傳感測量技術(shù)高度集成，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對全國范圍內(nèi)高速鐵路供電設(shè)備運(yùn)行工況的自動數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制等基本功能，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的故障分析與輔助決策、供電運(yùn)行調(diào)度指揮、與高鐵其他運(yùn)行控制系統(tǒng)的協(xié)同互動等高級功能。

高鐵供電綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括調(diào)度系統(tǒng)和被控站系統(tǒng)，如圖9所示。調(diào)度系統(tǒng)部署于鐵道部調(diào)度中心和各鐵路局區(qū)域調(diào)度所，實(shí)現(xiàn)高鐵供電系統(tǒng)的調(diào)度指揮、監(jiān)視控制、故障診斷及可靠性評估；被控站系統(tǒng)含牽引變電所自動化、電力變/配電所自動化及遠(yuǎn)程終端（RTU）等技術(shù)裝備，安裝于牽引變電所、AT所、分區(qū)所、電力變/配電所、箱式變電所，實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)的保護(hù)、控制、監(jiān)測、故障測距等功能。

圖9　高速鐵路供電自動化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.9　System structure of high-speed railway power supply automation system

傳統(tǒng)鐵路供電綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成度低、規(guī)模小、監(jiān)控面窄、功能簡單，國外系統(tǒng)不滿足中國的調(diào)度模式和功能需求，二者都難以適應(yīng)中國高鐵供電系統(tǒng)面臨的監(jiān)控容量“大”、處理信息“多”、響應(yīng)速度“快”和可靠性要求“高”的巨大挑戰(zhàn)?；诖?，從理論上發(fā)展了供電綜合監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度計算、保護(hù)控制與可靠性分析等理論；建立了“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一平臺”（簡稱“四統(tǒng)一”）的技術(shù)體系；突破系列關(guān)鍵技術(shù)，研制了高鐵供電綜合監(jiān)控成套技術(shù)裝備。依據(jù)上述技術(shù)路線，建立了全國統(tǒng)一的高速鐵路綜合SCADA系統(tǒng)體系架構(gòu)，其外部接口示意如圖10所示。

高速鐵路牽引供電SCADA技術(shù)的應(yīng)用，提高了牽引供電的整體功能和管理水平。牽引供電SCADA系統(tǒng)在高速鐵路牽引供電行業(yè)的應(yīng)用是向著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、通用、可靠的方向發(fā)展。應(yīng)該說，采用具有高可靠性、功能強(qiáng)大且自動化程度相當(dāng)高的牽引變電所SCADA系統(tǒng)，將是國內(nèi)高速鐵路自動化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

6　高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)

高速鐵路的快速發(fā)展和運(yùn)營品質(zhì)的需求，對于牽引供電系統(tǒng)供電設(shè)備的安全運(yùn)行提出了更高的要求。為確保高速鐵路動車組[6]運(yùn)營秩序，提高動車組的供電安全性、可靠性，構(gòu)建高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）。其目的是對高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行全方位、全覆蓋的綜合檢測監(jiān)測，主要功能包括對高速接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)和弓網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的檢測，對接觸網(wǎng)懸掛、腕臂結(jié)構(gòu)、附屬線索和零部件的檢測，對接觸網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時檢測，對動車組受電弓滑板狀態(tài)及接觸網(wǎng)特殊斷面和地點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)測，對接觸網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和供電設(shè)備參數(shù)的實(shí)時在線檢測等。

6.1系統(tǒng)總體組成

6C系統(tǒng)（見圖11）包括高速弓網(wǎng)綜合檢測裝置、接觸網(wǎng)安全巡檢裝置、車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測裝置、接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置、受電弓滑板監(jiān)測裝置、接觸網(wǎng)及供電設(shè)備地面監(jiān)測裝置。

圖10　高速鐵路綜合SCADA系統(tǒng)體系外部接口示意圖Fig.10　Schematic diagram of high speed railway comprehensive SCADA system external interface

圖11　6C系統(tǒng)Fig.11　6C system

6C系統(tǒng)是建成對牽引供電和接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行全面檢測與監(jiān)測的綜合系統(tǒng)，為高速鐵路供電設(shè)備的安全運(yùn)行、運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的綜合分析、設(shè)備的維修提供技術(shù)依據(jù)。6C系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖12所示。

6.1.1高速弓網(wǎng)綜合檢測裝置（CPCM）

高速弓網(wǎng)綜合檢測裝置為在綜合檢測列車安裝的車載式接觸網(wǎng)檢測設(shè)備，隨著綜合檢測列車在高速鐵路上巡回檢測運(yùn)行，對高速鐵路接觸網(wǎng)的參數(shù)和狀態(tài)、高速弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行綜合性檢測。

圖12　6C系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.12　The overall framework of 6C system

6.1.2接觸網(wǎng)安全巡檢裝置（CCVM）

接觸網(wǎng)安全巡檢裝置為在運(yùn)營動車組上臨時安裝的檢測設(shè)備，對接觸網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測，統(tǒng)計分析接觸懸掛部件技術(shù)狀態(tài)，指導(dǎo)接觸網(wǎng)狀態(tài)維修。

6.1.3車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測裝置（CCLM）

在運(yùn)營的動車組加裝車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測裝置，隨著運(yùn)營動車組的運(yùn)行監(jiān)測接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)狀態(tài)的全覆蓋、全天候的動態(tài)檢測。

6.1.4接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置（CCHM）

接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置安裝在接觸網(wǎng)作業(yè)車或?qū)Ｓ密囕v上，周期性地對接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的零部件及接觸網(wǎng)幾何參數(shù)，特別是腕臂區(qū)域的零部件進(jìn)行高分辨率成像檢測，在檢測數(shù)據(jù)的自動識別與分析的基礎(chǔ)上，形成維修建議，指導(dǎo)接觸網(wǎng)檢修。

6.1.5受電弓滑板監(jiān)測裝置（CPVM）

在高速鐵路的車站、動車組出入庫區(qū)域、車站咽喉區(qū)加裝受電弓滑板監(jiān)測裝置，監(jiān)測動車組受電弓滑板的技術(shù)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)營動車組受電弓滑板的異常狀態(tài)，指導(dǎo)故障消缺，確保接觸網(wǎng)和受電弓的運(yùn)行狀態(tài)良好。

6.1.6接觸網(wǎng)及供電設(shè)備地面監(jiān)測裝置（CCGM）

接觸網(wǎng)及供電設(shè)備地面監(jiān)測裝置為在接觸網(wǎng)特殊斷面（如定位點(diǎn)、隧道出入口）及牽引變電所設(shè)置的監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測接觸網(wǎng)張力、振動、抬升量、線索溫度、補(bǔ)償位移；供電設(shè)備的絕緣狀態(tài)、電纜頭溫度等參數(shù)，指導(dǎo)接觸網(wǎng)及供電設(shè)備的維修。

6.2系統(tǒng)功能

6C系統(tǒng)的主要功能是對高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行全方位、全覆蓋的綜合檢測監(jiān)測，主要包括對高速接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)和弓網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的等速檢測（C1裝置）、在運(yùn)營的動車組上對接觸網(wǎng)的懸掛部分進(jìn)行周期性圖像采集和分析（C2裝置）、在運(yùn)營的動車組上對接觸網(wǎng)參數(shù)及技術(shù)狀態(tài)的在線檢測（C3裝置）、對接觸網(wǎng)懸掛、腕臂結(jié)構(gòu)、附屬線索和零部件的高清圖像檢測（C4裝置）、對動車組受電弓滑板狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測（C5裝置）、對接觸網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和供電設(shè)備參數(shù)的實(shí)時在線檢測（C6裝置）。

在前期各種檢測設(shè)備運(yùn)行基礎(chǔ)上，通過完善功能、技術(shù)集成，形成完整的系統(tǒng)性、平臺化的6C系統(tǒng)。

6C系統(tǒng)中的中央處理平臺對各裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)集中、信息共享，并通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行綜合分析。各裝置必須遵照統(tǒng)一的6C系統(tǒng)通信協(xié)議，及其定義的幀格式和數(shù)據(jù)編碼，與中央處理平臺通信。

6C系統(tǒng)具備的系統(tǒng)功能包括：檢測監(jiān)測功能、綜合診斷功能、數(shù)據(jù)存儲功能、視頻顯示功能和數(shù)據(jù)通信功能。

6.3數(shù)據(jù)中心與網(wǎng)路通道

在國家鐵路局建立高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)處理中心，在地方各鐵路局建立數(shù)據(jù)處理中心，為整個高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)處理、信息展示、數(shù)據(jù)交換的平臺，完成對高速鐵路供電設(shè)備綜合檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中存貯和統(tǒng)計、數(shù)據(jù)融合和挖掘、預(yù)測預(yù)警，以及應(yīng)急指揮等功能，為調(diào)度管理及供電運(yùn)營維護(hù)人員提供維修、搶修的作業(yè)依據(jù)。

在國家鐵路局、地方各鐵路局、各基層站段及車間設(shè)立用戶終端，供電系統(tǒng)管理、檢修人員通過終端上傳與下載瀏覽各類檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，以滿足不同供電部門對設(shè)備進(jìn)行管理維修的需求。

7　需要進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

為了滿足“高速度、大功率、高密度、高可靠性”的運(yùn)行要求，高速和重載鐵路牽引供電系統(tǒng)應(yīng)具有高效率和高可靠性、節(jié)約供電資源、降低運(yùn)營成本、消除供電死區(qū)、提高列車通過能力等特點(diǎn)，有必要開展高速鐵路新型的牽引供電技術(shù)、牽引供電系統(tǒng)弓網(wǎng)匹配與供電智能化技術(shù)、牽引供電系統(tǒng)主動運(yùn)維技術(shù)、牽引供電綜合節(jié)能與效能提升技術(shù)以及更大規(guī)模的牽引供電綜合監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)工作。

7.1電氣化鐵路同相供電技術(shù)

采用同相供電技術(shù)，可取消電分相環(huán)節(jié)，使機(jī)車平滑連續(xù)受流，從而保證了高速重載列車安全可靠運(yùn)行。同相供電系統(tǒng)[7]是指線路上不同變電所供電的區(qū)段接觸網(wǎng)電壓相位相同、線路上無電分相環(huán)節(jié)的牽引供電方式。同相供電包括基于既有牽引變壓器的技術(shù)方案和貫通供電兩種，圖13為基于YN，vd平衡變壓器實(shí)現(xiàn)同相供電技術(shù)。

圖13　同相供電系統(tǒng)示意圖Fig.13　Schematic diagram of cophase traction power supply system

7.2弓網(wǎng)理論及匹配關(guān)系

在持續(xù)350 km/h及以上高速鐵路弓網(wǎng)中，接觸網(wǎng)材料參數(shù)確定并在簡單鏈型或彈性鏈型懸掛形式下，受電弓能否有良好的跟隨特性，即能否可靠的受流、減摩耐磨性、抑制離線電弧和對環(huán)境的適應(yīng)性，這也是在350 km/h及以上高速鐵路弓網(wǎng)匹配中要解決的關(guān)鍵問題。

7.3牽引供電系統(tǒng)的智能化（智能供電系統(tǒng)）

確保高速列車運(yùn)行安全，全面了解掌握高速列車運(yùn)行的狀態(tài)，及時對高速列車運(yùn)行情況進(jìn)行判斷以做出安全決策，也就是高速列車應(yīng)該具有自我狀態(tài)感知、自我診斷和主動預(yù)警、主動修復(fù)的功能。因此下一代高速列車發(fā)展方向應(yīng)該將從提升運(yùn)營速度轉(zhuǎn)向朝著實(shí)現(xiàn)高速列車智能化的方向發(fā)展。

7.4牽引網(wǎng)及供電設(shè)備的安全性、可靠性

在大規(guī)模高速鐵路供電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)下，由于其功能的復(fù)雜化，使用設(shè)備急劇增多以及設(shè)備間的相互協(xié)調(diào)問題，這就需要建立一個協(xié)調(diào)、可靠、安全的牽引供電系統(tǒng)，牽引網(wǎng)及其設(shè)備的安全性、可靠性評估體系急需進(jìn)一步完善適應(yīng)高速鐵路的發(fā)展。

7.5超大規(guī)模SCADA系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前高速鐵路分布廣、擴(kuò)展空間巨大、控制點(diǎn)海量、設(shè)備種類繁多，如何能夠有效地監(jiān)控到每一個監(jiān)視點(diǎn)，并根據(jù)監(jiān)控所獲得的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析監(jiān)視高速鐵路供電系統(tǒng)的狀態(tài)和進(jìn)行故障診斷，是需要利用超大規(guī)模SCADA系統(tǒng)技術(shù)來解決這一現(xiàn)實(shí)問題。

7.6牽引供電新型節(jié)能技術(shù)

隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，現(xiàn)有電氣化軌道交通運(yùn)行中能量損耗較大，因此，利用新能源技術(shù)、電力電子技術(shù)、新型再生制動儲能與能量管理技術(shù)、節(jié)能變壓器技術(shù)，研究高速鐵路牽引供電綜合節(jié)能與效能提升技術(shù)，構(gòu)筑適用于新型多源系統(tǒng)的電能質(zhì)量綜合監(jiān)控與治理系統(tǒng)，進(jìn)而開發(fā)牽引供電系統(tǒng)綜合能量監(jiān)控系統(tǒng)與智能能量管理系統(tǒng)，對系統(tǒng)能量進(jìn)行全面的優(yōu)化管理，達(dá)到綜合節(jié)能與效能提升的目標(biāo)，具有非常重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

上述大量新技術(shù)的應(yīng)用會給高速鐵路牽引供電的發(fā)展注入新的活力，新型同相供電技術(shù)，智能化牽引供電等技術(shù)的應(yīng)用將提高高速鐵路牽引供電的運(yùn)行可靠性。目前西南交通大學(xué)已經(jīng)開始了更高速度的試驗(yàn)平臺建設(shè)和關(guān)鍵技術(shù)研究。

8　結(jié)語

高速鐵路牽引供電關(guān)鍵技術(shù)的研究是中國高速鐵路發(fā)展的可靠保障，該技術(shù)體系不僅包括外部電源、弓網(wǎng)、車網(wǎng)間相互作用聯(lián)系機(jī)理，而且包含牽引網(wǎng)對外界的電磁干擾等。本文從牽引供電系統(tǒng)的供變電技術(shù)、弓網(wǎng)受流、保護(hù)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控、供電檢測監(jiān)測等方面進(jìn)行了整理分析，對中國高速鐵路所用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和闡述，并提出了一些急需進(jìn)一步推動發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，可為中國高速鐵路的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)依據(jù)，期望能夠拋磚引玉，引起同仁們的共同關(guān)注。

[1]曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[2]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[3]吳積欽.弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧的產(chǎn)生及其影響[J].電氣化鐵道，2008（2）：27-29.

[4]高仕斌.客運(yùn)專線牽引自動化[M].成都：西南交通大學(xué)出社，2010.

[5]陳奇志.鐵路供電調(diào)度自動化與信息化[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[6]鐵道科學(xué)研究院高速鐵路技術(shù)研究總體組.高速鐵路技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7]李群湛.論新一代牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2014（8）：559-568.

Study of China high-speed railway traction power supply key technology

Qian Qingquan，Gao Shibin，He Zhengyou，Chen Qizhi，Wu Jiqin
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The theoretical analysis and key technologies for high-speed railway（HSR）TPSS are needed to be studied.Firstly，a series of key basic theories and technologies of high-speed railway TPSS are described in this paper.Meanwhile，on the present development situation of traction power supply system，the new technologies are prospect such as the new power supply technology，active operation and maintenance，energy saving and improve the efficiency of energy utilization and the detection and monitoring technology.This will provide guidance for the development and application of China high-speed rail traction power supply technology.

high-speed railway；traction power supply system；key technology

U223

A

1009-1742（2015）04-0009-12

2015-01-05

錢清泉，1936年出生，男，江蘇丹陽市人，中國工程院院士，西南交通大學(xué)教授，長期從事鐵道電氣化與自動化領(lǐng)域的科研與教學(xué)工作