基于列車運(yùn)行圖的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)計(jì)算

陳建國，方 鳴

（1 鐵道部鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100081；2 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京100081）

鐵路供電技術(shù)

基于列車運(yùn)行圖的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)計(jì)算

陳建國1，方 鳴2

（1 鐵道部鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100081；2 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京100081）

城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)無備用、重要的為列車運(yùn)營提供電能的配電系統(tǒng)，它的可用性指標(biāo)與列車正常運(yùn)營密切相關(guān)。目前國內(nèi)公開發(fā)表的有關(guān)城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)計(jì)算方法的文章比較少，為了對接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)的定量計(jì)算進(jìn)行探討，提出了一種基于列車運(yùn)行圖的定量化計(jì)算方法。

列車運(yùn)行圖；接觸網(wǎng)系統(tǒng)；可用性指標(biāo)；計(jì)算；方法

城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)的功能是將牽引變電所的電能向運(yùn)營列車傳輸，以提供列車運(yùn)營所需要的動力，是一個(gè)十分重要的與行車密切相關(guān)的系統(tǒng)。接觸網(wǎng)系統(tǒng)沿線路架設(shè)，無法設(shè)置備用系統(tǒng)，因此，為保證高可用性地為運(yùn)營列車提供電能，根據(jù)文獻(xiàn)［1］中對軌道交通RAMS要求，定量計(jì)算接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)十分必要。但是，由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜性，其可用性指標(biāo)與列車正常運(yùn)營密切相關(guān)，目前國內(nèi)公開發(fā)表的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性計(jì)算方法的文獻(xiàn)比較少，特別是能夠快速進(jìn)行計(jì)算接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)的方法。為此，本文提出了基于列車運(yùn)營圖接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)量化計(jì)算方法。

1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)概述

城市軌道交通的牽引供電系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)主要包括整流變壓器、整流器、直流開關(guān)柜（正極開關(guān)柜、負(fù)極柜和端子柜），接觸網(wǎng)系統(tǒng)，以及連接電纜等，具體牽引供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)由復(fù)雜的電氣和機(jī)械部件構(gòu)成，主要包括懸掛部件、支持部件、接觸線和架空地線，以及上網(wǎng)電纜與跳線電纜、上網(wǎng)隔離開關(guān)、分段絕緣器、電連接、下錨裝置等部件或子系統(tǒng)。

2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)計(jì)算

借鑒文獻(xiàn)［2］，本文提出的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)參數(shù)主要有每年列車總停電次數(shù)、每年列車中斷運(yùn)營總時(shí)間、平均停電次數(shù)、列車平均停電持續(xù)時(shí)間、受影響列車的平均停電時(shí)間和接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用率。

量化的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)評價(jià)了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的使用情況，即反映了接觸網(wǎng)系統(tǒng)在按照正常運(yùn)營圖運(yùn)營時(shí)為城市軌道交通系統(tǒng)列車提供電能的使用效率。因此，計(jì)算城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)可以基于列車運(yùn)營圖，結(jié)合接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性特性參數(shù)和接觸網(wǎng)系統(tǒng)物理參數(shù)，即可計(jì)算得到接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)，具體計(jì)算步驟如圖2所示。

2.1 計(jì)算原始資料和條件

在城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可用性指標(biāo)主要由線路運(yùn)營參數(shù)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性特性參數(shù)和接觸網(wǎng)系統(tǒng)物理參數(shù)等決定的。

與運(yùn)營中的城市軌道交通接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)相關(guān)的主要運(yùn)營參數(shù)包括正線每日運(yùn)營列車列數(shù)和側(cè)線每日運(yùn)營列車列數(shù)，可靠性特性參數(shù)包括接觸網(wǎng)系統(tǒng)平均故障率和平均修復(fù)時(shí)間，接觸網(wǎng)系統(tǒng)物理參數(shù)是指接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度（條·km）。在計(jì)算接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)時(shí)所需要的原始參數(shù)主要如下：

（1）正線每日運(yùn)營列車列數(shù)NZ，側(cè)線每日運(yùn)營列車列數(shù)NC。

（2）正線接觸網(wǎng)平均故障率λZ，次/（km·年）；平均修復(fù)時(shí)間rZ，h/次，以及側(cè)線接觸網(wǎng)平均故障率λC，次/（km·年）；平均修復(fù)時(shí)間rC，h/次。

（3）正線接觸網(wǎng)長度lZ，km；側(cè)線接觸網(wǎng)長度lC，km。

工程應(yīng)用中，在滿足工程要求的前提下，為了簡化計(jì)算，現(xiàn)對接觸網(wǎng)系統(tǒng)作如下所述的計(jì)算條件及假設(shè)：

①以一個(gè)供電分區(qū)為單元進(jìn)行計(jì)算；

②各連接線均為可靠連接；

③供電分區(qū)內(nèi)所有懸掛類型一致，以及設(shè)備型號、線材一致；

④所有接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備故障率統(tǒng)一折算至平均故障率中；

⑤正線接觸網(wǎng)系統(tǒng)平均故障率均相同，側(cè)線接觸網(wǎng)系統(tǒng)平均故障率也均相同；

⑥接觸網(wǎng)系統(tǒng)的失效和修復(fù)特性均服從指數(shù)分布；

⑦1年運(yùn)營時(shí)間為365天計(jì)；

⑧每年運(yùn)營列車數(shù)量按照正常運(yùn)營進(jìn)行計(jì)算。

2.2 可用性指標(biāo)計(jì)算公式推導(dǎo)

借鑒文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［3］提出的概念和計(jì)算方法，在城市軌道交通系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)的計(jì)算公式推導(dǎo)過程如下所述。

（1）每年運(yùn)營列車數(shù)量

在城市軌道交通運(yùn)營時(shí)，正常情況下，列車每天都是按照運(yùn)營圖計(jì)劃運(yùn)行，每年按照365天計(jì)算，則可得到正線每年運(yùn)營列車列數(shù)（NZY）。

以及側(cè)線每年運(yùn)營列車列數(shù)（NCY）。

（2）接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度

接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度計(jì)算是包括正線接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度（lZ）和側(cè)線接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度（lC）的計(jì)算，其中正線接觸網(wǎng)長度是將供電分區(qū)內(nèi)所有車站和區(qū)間的正線接觸網(wǎng)長度進(jìn)行累加，即

其中l(wèi)ZZ.i為第i個(gè)車站正線接觸網(wǎng)長度，km；n為車站數(shù)量；lZQ.i為第i個(gè)區(qū)間正線接觸網(wǎng)長度，km；m為區(qū)間數(shù)量。

側(cè)線接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度則是將供電分區(qū)內(nèi)所有車站的側(cè)線接觸網(wǎng)長度進(jìn)行累加，即

其中l(wèi)C.i為第i個(gè)車站側(cè)線接觸網(wǎng)長度，km；n為車站數(shù)量。

（3）年平均停電時(shí)間

接觸網(wǎng)系統(tǒng)年平均停電時(shí)間的計(jì)算包括正線接觸網(wǎng)年平均停電時(shí)間TTZ和側(cè)線接觸網(wǎng)年平均停電時(shí)間TTC，它是接觸網(wǎng)系統(tǒng)平均故障率、接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度和修復(fù)時(shí)間的乘積，單位為h/年。其中正線接觸網(wǎng)系統(tǒng)年平均停電時(shí)間為

側(cè)線接觸網(wǎng)系統(tǒng)年平均停電時(shí)間則為

（4）接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)

①每年列車總停電次數(shù)

由正線每年運(yùn)營列車列數(shù)、側(cè)線每年運(yùn)營列車列數(shù)和接觸網(wǎng)系統(tǒng)平均故障率、接觸網(wǎng)系統(tǒng)長度，則可得到每年列車總停電次數(shù)（NTrain），單位為次·列/年，即

②每年列車中斷運(yùn)營總時(shí)間

由正線接觸網(wǎng)年平均停電時(shí)間、側(cè)線接觸網(wǎng)年平均停電時(shí)間和正線每年運(yùn)營列車列數(shù)、側(cè)線每年運(yùn)營列車列數(shù)，可求出每年列車中斷運(yùn)營總時(shí)間TT，單位為列· h/年，即

③列車平均停電次數(shù)

根據(jù)每年列車總停電次數(shù)和正線每年運(yùn)營列車列數(shù)、側(cè)線每年運(yùn)營列車列數(shù)，則可求得接觸網(wǎng)系統(tǒng)按列車平均停電次數(shù)ntrain，單位為次/年，即

④列車平均停電持續(xù)時(shí)間

根據(jù)每年列車中斷運(yùn)營總時(shí)間和正線每年運(yùn)營列車列數(shù)、側(cè)線每年運(yùn)營列車列數(shù)，則可得到接觸網(wǎng)系統(tǒng)的列車平均停電持續(xù)時(shí)間t0，單位為h/年，即

⑤受影響列車的平均停電時(shí)間

由每年列車總停電次數(shù)和每年列車中斷運(yùn)營總時(shí)間，則可計(jì)算得到接觸網(wǎng)系統(tǒng)受影響列車的平均停電時(shí)間ttrain0，單位為h/次，即

⑥接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用率

基于每年列車運(yùn)營對數(shù)、日運(yùn)營時(shí)間T0，以及每年列車中斷運(yùn)營總時(shí)間，則可根據(jù)公式（1）得到接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用率AQ，即

其中T0為日運(yùn)營時(shí)間，h。

3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)計(jì)算實(shí)例

某城市軌道交通某條線路供電系統(tǒng)中的一個(gè)供電分區(qū)范圍包括車站A正線，車站B正線和側(cè)線，以及A、B兩車站間的區(qū)間正線，其接觸網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。其中l(wèi)ZA，1和lZA，2分別為A站內(nèi)上行端上下行線正線接觸網(wǎng)長度，lZB，1和lZB，2分別為B站內(nèi)下行端上下行線正線接觸網(wǎng)長度，lCB，1和lCB，2分別為B站內(nèi)下行端上下行線側(cè)線接觸網(wǎng)長度，lZQ，1和lZQ，2分別為A、B兩車站間的區(qū)間正線接觸網(wǎng)長度。實(shí)際數(shù)據(jù)如下：

運(yùn)營時(shí)間為18 h/日，正常日運(yùn)營圖列車對數(shù)為工作日404列/日，節(jié)假日414列/日；

接觸網(wǎng)系統(tǒng)平均故障率為6.109 8×10－2次/（km ·年）［3］，按照某地鐵公司要求接觸網(wǎng)系統(tǒng)修復(fù)平均時(shí)間為1.5 h/次。

利用運(yùn)營參數(shù)、接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性參數(shù)和接觸網(wǎng)線路參數(shù)，按照上述列車運(yùn)營圖的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)的計(jì)算方法推導(dǎo)公式，計(jì)算所得接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)如表1所示。

從表1計(jì)算結(jié)果可以看出，接觸網(wǎng)系統(tǒng)每年列車總停電次數(shù)為35 969.43次·列，每年列車中斷運(yùn)營總時(shí)間為53 954.15 h·列，每列車每年平均停電次數(shù)為0.121 02次，每列車每年平均停電持續(xù)時(shí)間為0.181 53 h，每年受影響列車每次平均停電時(shí)間為1.500 h，可用率為0.999 972。從接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用率方面考慮，能夠滿足“列車運(yùn)行圖兌現(xiàn)率達(dá)到99%”［4］的要求。

4 結(jié)束語

利用基于列車運(yùn)營圖的接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)定量化計(jì)算方法，計(jì)算出接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可用性指標(biāo)不僅能夠準(zhǔn)確反映接觸網(wǎng)系統(tǒng)的效能，評估現(xiàn)場使用情況，估算產(chǎn)品的全壽命周期費(fèi)用，而且可以在設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌考慮為提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)可用性指標(biāo)而提供理論依據(jù)，并起到一定的指導(dǎo)作用。

［1］ GB/T 21562－2008.軌道交通可用性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例［S］.

［2］ 國家電力監(jiān)管委員會電力可用性管理中心.電力可用性技術(shù)與管理培訓(xùn)教材［M］.北京：中國電力出版社出版，2007.9.

［3］ 陳文高，等編.配電系統(tǒng)可用性使用基礎(chǔ)［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［4］ DB11/T 647－2009.城市軌道交通運(yùn)營服務(wù)管理規(guī)范［S］.

［5］ GB 3187－1994.可用性、維修性術(shù)語［S］.

［6］ （美）Michael G.Pecht，（美）Kailash C.Kapur，康 銳，張叔農(nóng).可用性工程基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

Calculation of Catenary System Availability Index Based on Train Diagram

CHEN Jianguo1，F(xiàn)ANG Ming2
（1 Ministry of Railways Railway Products Quality Supervision and Inspection Center，Beijing 100081，China；2 Engineering Consulting Co.，Ltd.，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Catenary system of urban rail transit is an important power distribution system that supplies electricity to the running train，and the availability index is closely related to normal train operation.There are few papers about the calculation methods for catenary system availability index published currently.In order to investigate the quantitative calculation of catenary system availability index，a quantitative method based on train diagram is proposed.

train diagram；catenary system；availability index；calculation；method

U225.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.26

1008－7842（2014）05－0097－03

2—）男，高級工程師（

2014－02－18）