RTDS在牽引供電系統中的應用研究

邵 巖，朱光亞

RTDS在牽引供電系統中的應用研究

邵 巖，朱光亞

分析現有AT牽引供電系統仿真研究的特點，基于RTDS平臺對牽引供電系統各元件如牽引變電所，牽引變壓器及接觸網系統進行了建模，實現了AT供電方式下的高速鐵路牽引供電系統數字實時仿真，比較了AT供電方式下單線和復線牽引供電系統的網壓水平，證明本文建立的牽引供電系統仿真模型具有較高的可用性和精確性，可以滿足工程需要。

牽引供電系統；仿真模型；RTDS；網壓水平

0 引言

牽引供電系統結構特殊，復雜多樣，導致設計難度增加。如何利用現有軟件對牽引供電系統精確建模己經成為鐵路研究領域的發展方向之一。早期的牽引供電系統分析主要通過數學建模來進行，雖然計算結果較精確，但需要通過大量的理論計算或是輔助編程手段才能完成，實施過程時間長且難度大。隨著計算機技術的高速發展，越來越多的仿真軟件被應用到牽引供電系統的分析計算中，比較常用的有simulink，PSCAD等，具有操作簡單及結果精確的特點，但弊端是都是物理仿真[3，4]，缺少在實際系統中的應用，不能顯示牽引供電系統的所有特性。

RTDS實時數字仿真是一種用于研究電力系統中電磁暫態現象的裝置，已廣泛應用于眾多國家（地區）的電力企業和研究機構，是目前應用較為廣泛的電磁暫態仿真程序，在RTDS上的測試比其他測試方法更全面，因為它能模擬諸多惡劣的但牽引供電系統現場運行時經常發生的情況，而這對于物理系統來說是不可能達到的。因此其在電力系統諸多領域發揮著重要的作用，例如暫態分析、故障分析以及諧波分析等。本文利用RTDS的模型庫建立牽引供電系統仿真模型，對單線和復線AT供電方式進行了仿真分析，比較理論數據與仿真結果，驗證所建立的牽引供電系統仿真模型的準確性。

1 AT牽引供電系統

國內高速鐵路普遍采用V/X接線牽引變壓器的AT供電方式。AT供電方式主要應用于重載、高速等大電流運行方式。AT供電方式克服了BT供電方式存在BT分段且易在弓網系統上產生強烈電弧的缺點，牽引供電電壓成倍提高，牽引變電所的間距增大至60 km左右，減少牽引變電所的數目，并且有效地減弱對通信線的干擾，供電可靠性得到顯著提高。

AT供電方式結構如圖1所示。AT1、AT2是變比均為2∶1的自耦變壓器。其一端連接接觸線，另一端連接正饋線，中點接入軌道。正饋線與回流線相似，沿供電分區架設。在結構和功能上，AT供電方式中的自耦變壓器和正饋線分別代替了BT供電方式中的吸流變壓器和回流線。自耦變壓器并聯接入電路中，消除了由于串聯于接觸網中產生的吸流變壓器分段。自耦變壓器原邊電源電壓為2× 27.5 kV；副邊電壓為27.5 kV，連接負載。相鄰2臺自耦變壓器之間的距離間隔長度一般為20 km。實際的AT間隔要考慮對通信線路的干擾及牽引供電的要求等諸多因素。

圖1 AT供電方式結構圖

2 系統元件仿真模型

2.1 外部電源模型

相對于牽引變電所而言，通常把為其供電的電力系統稱為一次系統或外部電源，外部電源為電氣化鐵路提供電壓等級為220 kV的高壓電源，是保證電氣化鐵路正常運行的重要條件。

本文外部電源選用交流220 kV三相電壓源給牽引供電系統提供電壓，其模型見圖2。

2.2 牽引變壓器模型

牽引變壓器是一種特殊電壓等級的電力變壓器，應承受牽引負荷變化劇烈以及外部短路頻繁的要求，是牽引變電所的“心臟”。其模型的準確性直接關系到牽引網電壓電氣量的分析研究，文中只對V/X接線變壓器進行了仿真模型研究。

牽引變壓器采用國內高速鐵路常用的V/X接線形式，單個變壓器的容量為31.5 MV·A。原副邊電壓為220 kV和27.5 kV。利用RTDS元件庫中自帶的變壓器模型搭建牽引變壓器模型。

2.3 牽引網模型

牽引網由饋（電）線、接觸網、鋼軌（地）、回流線等組成，完成對電力機車的送電任務。牽引網鐵路線布置是牽引供電系統分析中的重要組成部分，具有復雜性高，不確定因素多等特點。因此精確建模與化簡對牽引網的分析至關重要，文獻[6]對單線和復線AT牽引網做了詳細理論論述和建模，如圖3、圖4所示，后面的分析將基于文獻中的理論進行。

圖3 單線AT網絡模塊圖標

圖4 復線AT網絡模塊圖標

根據Carson公式計算得到等效后的接觸線、鋼軌、正饋線的自阻抗和導線間的互阻抗：接觸線為0.172+j0.622；鋼軌為0.160+j0.602；正饋線為0.366+j0.723；接觸線-鋼軌為0.05+j0.342；正饋線-鋼軌為0.05+j0.314；接觸線-正饋線為0.05+j0.345。

2.4 電力機車模型

本文對電力機車的仿真模型未考慮其負序和諧波的影響。己有文獻中對于電力機車的等效模型基本采取電流源并聯阻抗電路為恒功率模型的做法，調整電流及阻抗值保證機車端電壓以及機車取流乘積保持恒定，即機車功率恒定[4]。將機車等效為一個恒功率源更符合現場運行情況，本文仿真模型將繼續采用該方法。

3 系統仿真分析

根據系統元件仿真模型組建牽引供電系統模型，對1個供電區間進行了仿真和建模，分別搭建單線AT牽引供電系統和復線AT牽引供電系統模型，2個AT牽引網分別代表2個AT段，這2個牽引網模塊組成一個完整的供電區間。單線和復線AT牽引供電系統仿真模型圖略。

復線AT牽引供電系統采用全并聯的供電方式，其原理是在變電所、AT所、分區所通過橫向連接線將上下行并聯，AT所、分區所各設置2臺AT變壓器，采用一主一備的工作模式，正常情況下，1臺AT變壓器投入運行，供上下行同時使用，當牽引網出現故障時，饋線的主斷路器跳開，使整個供電臂無壓，AT所和分區所上下行的斷路器跳開，將整個供電臂解列為單線直供方式，饋線斷路器重合閘成功后，AT所和分區所的主斷路器檢有壓重合閘，實現對故障的隔離和快速恢復供電，供電穩定性更高，供電能力更強[6]。

機車在供電區間2個AT段內，牽引供電系統電氣特性基本相同，忽略相互間的影響。本文僅討論供電區間第一個AT段內的情況。仿真系統參數：220 kV系統容量為1 000 MV·A；V/X變壓器容量為31.5 MV·A，變比為220/27.5；自耦變壓器容量為5 MV·A，變比55/27.5；供電方式為AC 220 kV；牽引方式為VVVF逆變控制的三相異步電動機驅動；AT區間長度為30 km；功率因數為0.95；機車功率為9 600 kW。

改變機車與牽引變電所之間的距離即可獲得機車運行在牽引網不同位置時整個牽引網的電壓分布，通過設置監測點還可以監測機車從牽引網的取流、回流線電流、鋼軌電位等電氣量。單線AT方式下的牽引網仿真結果如表1所示，可以看出，當機車遠離牽引變電所時，整個牽引網的電壓水平降低，整體變化特性與實際牽引網的特性相符。

表1 牽引供電系統仿真數據表

復線AT供電方式下的牽引網仿真數據如表2所示，從曲線中可以看出，其牽引網壓分布與單線AT供電方式具有共同的變化特征。

表2 牽引供電系統仿真數據表

機車在一個AT段內完整運行端電壓曲線如圖5所示。從圖5可以看出，牽引網的大部分區段，單線AT網壓水平要比復線AT網壓水平低，這證明了實際情況中復線AT牽引供電系統要優于單線AT牽引供電系統。

圖5 機車端電壓變化曲線圖

4 結語

本文利用RTDS建立了高速鐵路牽引供電系統模型，分別對單線和復線AT供電方式進行了仿真，對網壓水平進行了分析比較，由仿真結果驗證了復線AT供電方式的網壓水平優于單線AT供電方式，證明了建立的模型的準確性。

[1] 李群湛，賀建閩. 牽引供電系統分析[M]. 成都：西南交通大學出版社，2012.

[2] 陳禮義，顧強. 電力系統數字仿真及其發展[J]. 電力系統自動化，1999，（23）：1-6.

[3] 張小瑜，吳俊勇. 基于PSCAD的牽引供電系統仿真研究[J]. 電氣化鐵道，2007，（6）：17-20.

[4] 王奇，劉志剛，白瑋莉，等. 基于PSCAD/EMTDC的牽引供電系統仿真模型研究[J]. 電力系統保護與控制，2009，（16）：35-40.

[5] 熊列彬. 全并聯AT供電方式下供電臂保護控制方案[J].電力系統自動化，2006，（22）：73-76.

[6] 楊浩. 基于RTDS的高速鐵路牽引供電系統建模與仿真[D]. 西南交通大學，2013.

Analysis of the existing characteristics of AT traction power supply system simulation, based on the RTDS platform for traction power supply system, such as traction substation, traction transformers and catenary system simulation modeling. In this paper, the model achieve the AT power supply digital real-time simulation to a high-speed railway traction power supply system, calculation methods in single and double-track AT traction power supply system, network pressure level, comparing the results of two simulation algorithms, this paper established proof traction power supply system simulation model has high availability and accuracy to meet the project needs.

traction power supply system; simulation model; RTDS; catenary voltage level

U223.6

B

1007-936X(2014)04-0018-03

2014-02-21

邵 巖.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，電話：15198014030；

朱光亞.西南交通大學電氣工程學院，博士研究生。