武廣高速鐵路運行時分和供電系統(tǒng)能力評估

■ 汪自成 王猛 黃足平 李紅梅

汪自成：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，工程師，湖北武漢，430063

王 猛：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，高級工程師，湖北武漢，430063

黃足平：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師，湖北 武漢，430063

李紅梅：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師，湖北 武漢，430063

列車牽引能耗是高速鐵路牽引供電系統(tǒng)設計輸入條件中的一個重要資料。相同線路條件下，牽引能耗資料又與列車運行時分（列車速度）密切相關，不同運行速度列車能耗不一樣。針對武廣高速鐵路，利用OPEN TRACK軟件對運行時分進行模擬仿真，根據(jù)仿真結果利用OpenPowerNet軟件進行牽引供電系統(tǒng)能力評估。

1 OPEN TRACK & OpenPowerNet軟件

OPEN TRACK軟件是一款功能強大的先進運營仿真模擬軟件，廣泛應用于高速鐵路設計和運營管理工作中。OPEN TRACK運營仿真考慮了列車運行動力學特性（車輛質量、列車阻力、旋轉質量、線路坡度、曲線阻力、推進性能和控制、粘附力等）和運營（定線、軌道線路、時刻表、限速、信號特征等）的所有參數(shù)。

OpenPowerNet軟件是一種用作能量預測和分析的工具，用于供電裝置額定功率設定和優(yōu)化，由電網(wǎng)供電計算（PSC）和列車模塊（ATM）兩部分組成。OpenPowerNet軟件計算基礎數(shù)據(jù)是OPEN TRACK軟件輸出數(shù)據(jù)，同時進行電網(wǎng)仿真處理供電系統(tǒng)和接觸網(wǎng)系統(tǒng)電氣參數(shù)（電網(wǎng)和變電所結構、阻抗、效率等）。OPEN TRACK & OpenPowerNet軟件工作關系見圖1。

2 武廣高速鐵路運行時分仿真

2.1 仿真條件

OPEN TRACK運營仿真所需數(shù)據(jù)庫文件見圖2。

武廣高速鐵路運行仿真條件中機車車輛類型為CRH3，下部結構數(shù)據(jù)為施工圖階段各專業(yè)間提供設計數(shù)據(jù)，時刻表為中鐵第四勘察設計院集團有限公司（簡稱鐵四院）行車專業(yè)對武廣高速鐵路編制的運行圖。

2.2 仿真結果

首先根據(jù)給出的列車和下部結構數(shù)據(jù)計算每輛列車的速度概覽圖和運行時間。對兩種情況進行分析，一種是16輛編組CRH3不停站運行情況，另一種是16輛編組CRH3經停站新長沙、新衡陽站的運行情況。兩種情況距離（S）-速度（V）曲線見圖3、圖4。

由圖3可知，兩條速度曲線在某些區(qū)段無法達到或保持350 km/h的最高速度。原因是CRH3型動車組2×8 800 kW功率無法保證動車組持續(xù)350 km/h運行，特別是在縱向坡度較大區(qū)段，最高速度降至300 km/h以下。由圖4可知，中間停站后，列車需要較長距離加速才能至最高速度。兩條速度曲線在很多區(qū)段都無法達到或保持350 km/h的最高速度。

武漢—廣州南站和廣州南—武漢站的運行時分見圖5、圖6。

由圖5可知，CRH3不停站運行時OPEN TRACK模擬出的最短開行時間約為2 h 55 min，與鐵四院編制的時刻表中列車開行時間（2 h 59 min）只差4 min，實際時間富余量為2.6%。

可靠的運營規(guī)劃一般不采用計算的最短開行時間。為了補償一些外部影響，要在最短開行時間上增加一些時間富余量。歐洲高速鐵路時刻表規(guī)劃中通常采用5%～7%時間富余量。若按歐洲慣例，武漢—廣州南站不停站開行計劃時間需3 h 4 min。同樣，模擬仿真結果顯示武漢—廣州南站經停新長沙、新衡陽兩站后，全程最短運行時間約為3 h 13 min，與鐵四院編制的時刻表中列車開行時間（3 h 15 min）只差2 min，實際時間富余量是1.7%。若按歐洲慣例，武漢—廣州南站經停新長沙、新衡陽兩站后開行計劃時間需3 h 21 min。

在制定列車運行圖時應重點關注模擬仿真時間比計劃時間長的線路區(qū)段，這些區(qū)段是以后運營規(guī)劃中進行調整的關鍵區(qū)段，對于武廣高速鐵路來說郴州—樂昌區(qū)段是關鍵區(qū)段。

3 武廣高速鐵路牽引供電系統(tǒng)能力評估

3.1 系統(tǒng)能力仿真條件

供電系統(tǒng)能力仿真條件：運營計劃圖和牽引供電設施資料。

針對武廣高速鐵路，根據(jù)上述模擬仿真的運行時分編制運營計劃圖。武廣高速鐵路牽引供電設施資料為沿線分布20座牽引變電所、19座分區(qū)所和37座AT所，牽引接觸網(wǎng)導線組合為BzII-120（承力索）+CuMg-150（接觸線）+ LGJ-300（正饋線），牽引變壓器容量為2×（31.5+31.5）～2×（40+40）MVA或2×63～2x75 MVA，自耦變容量為4×12.5/25 MVA（分區(qū)所）、4×16/32 MVA（AT所）。

3.2 系統(tǒng)能力仿真結果

供電系統(tǒng)能力模擬仿真應采用最高運行速度350 km/h且無任何時間富余量的情況，此時列車模擬仿真得出需要的牽引供電系統(tǒng)能力也最大。一般驗證牽引供電系統(tǒng)能力不需模擬全天運營計劃。根據(jù)經驗，牽引供電系統(tǒng)能力只需校驗和評估能否滿足交通最繁忙時段的牽引負荷需求。

武廣高速鐵路牽引供電系統(tǒng)能力仿真采用運營計劃圖中最大交通負荷條件下1 h時段（最小運營發(fā)車間隔時的最多運行列車數(shù)）。通過OpenPowerNet軟件仿真，得到武廣高速鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真結果及用于評估的內容：（1）最大及平均變壓器功率，用于主變容量和電網(wǎng)能力評估；（2）15 min變壓器功率，用于電網(wǎng)能力和電能能量評估；（3）1 h自耦變壓器功率，用于自耦變容量評估；（4）變電所、分區(qū)所及AT所的母線和連接電纜RMS電流曲線IRMS（t），用于開關設備和連接導線評估；（5）饋電最大及RMS電流，用于開關設備和連接導線評估；（6）回流電纜最大及RMS電流，用于開關設備和連接導線評估；（7）接觸網(wǎng)RMS電流曲線IRMS（t），用于接觸線及承力索載流量評估；（8）受電弓電壓曲線Umin（s），用于電壓穩(wěn)定性和牽引供電結構合理性評估；（9）短路電流水平Ik（s），用于接觸電壓計算及保護裝置評估；（10）運營及短路條件期間的最大軌對地電位UREmax（s），用于接觸電壓評估。

主變容量及各種電流、電壓水平等部分結果見圖7—圖11。

4 結論及建議

武廣高速鐵路運行時分模擬仿真結果表明，目前編制列車運行圖所采用的單列列車開行時間（2 h 59 min）相對實際運行時間（2 h 55 min）的富余量僅為2.6%，比歐洲高速鐵路時刻表規(guī)劃中通常采用的5%～7%時間富余量小，不利于應對實際運營過程中突發(fā)事件的時間補償，建議適當延長編制列車運行圖所采用的單列列車開行時間。

武廣高速鐵路牽引供電設施分布設計及各種設備容量選取滿足運營要求；受電弓電壓情況穩(wěn)定，線路局部區(qū)段電壓可能降低到25 kV額定電壓以下，但是對列車功率及行車動力沒有影響。由于遠期牽引負荷電流較大，接觸懸掛電流大于目前BzII-120+CuMg-150組合載流量，建議接觸網(wǎng)設計在各牽引變電所與第一個AT所區(qū)段預留安裝加強線條件。

[1]中鐵第四勘察設計院集團有限公司．新建鐵路武漢至廣州客運專線烏龍泉至韶關段修改初步設計電氣化文件[R]，2007

[2]中鐵第四勘察設計院集團有限公司，中國中鐵二院工程集團有限責任公司，OPB．新建鐵路武漢至廣州客運專線電氣化專題咨詢報告[R]，2008