高鐵供電應用技術發展的幾項重點及工程化路徑

劉再民

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高鐵供電應用技術發展的幾項重點及工程化路徑

劉再民

對高鐵供電應用技術的8項重點內容進行闡述，為推進其工程化應用和高鐵供電技術的長足發展奠定基礎。

高鐵供電；應用技術；工程化

0 引言

截至2017年底，中國鐵路營業里程達12.7萬公里，其中高速鐵路突破2.5萬公里，占世界高鐵總里程的2/3。我國成為世界上高速鐵路建設里程最長、運行速度最高、運營場景最豐富、對自然環境適應性最強的國家。牽引供電專業應充分利用和依托我國高鐵路網規模和大數據優勢，應在智能牽引供電、中國標準接觸網、牽引供電繼電保護理論及配置、接觸網狀態評價理論及方法、牽引供電系統雷電防護技術、現代化檢測維修裝備、接觸網自動化生產預配、節能節支鐵路供電技術8個重點方向取得工程化實質性的進展和突破。

1 智能牽引供電

中國鐵路總公司提出，要全力推進智能型復興號動車組重大科研攻關，統籌推進智能牽引供電、智能調度系統、智能安全保障、智能設備設施檢測監測系統研發，形成智能高鐵系列技術創新成果。推進智能牽引供電工程建設，對形成智能高鐵系統技術體系具有重要意義。

1.1 概念與內涵

智能電網的基本概念是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、設備技術、控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好的目標。其主要特征包括自愈、自適應、互動性、經濟高效等。

智能電網的建設龍頭和主要工程標志是智能變電所，從應用技術角度，其基本內涵為：

（1）基于網絡化廣域測控保護技術，聯通牽引變電所信息孤島，優化變電所和接觸網系統單元和功能，進行系統整合，多信源數據共享，實現供電模塊單元故障隔離、快速重構；

（2）基于自動化測控技術，通過關鍵電能電量參數的自適應和自調整，實現系統自律運行；

（3）基于設備健康診斷與故障預測技術，實現關鍵設備服役性能狀態智能評估、故障精確診斷、定位及預警；

（4）基于調度決策支持系統技術，推演供電運行方式、停送電網格（區段）劃分、車流組織、客流疏導等各要素間相互影響的調整策略方案，輔助行車和供電調度指揮；

（5）基于供用電經營決策支持系統技術，對牽引供電負荷率、利用率、損耗率、功率因數、再生制動電能利用與回饋等在線監測、實時綜合分析，動態提供最佳經營策略。

智能牽引供電工程建成后，牽引供電的可靠性和先進性水平得到整體提升，實現健康診斷、故障隔離、重構自愈、運行自律、經濟高效的目標，屬于新一代高鐵牽引供電系統。

1.2 技術版本管理

V1.0版：牽引變電所站域測控保護、輔助監控系統平臺形成；網絡通信網建成，信息流走向明晰；部分一次高壓系統智能組件具備功能，變電所內結構單元分割初步優化，SCADA系統與行車調度指揮CTC系統信息關聯，實現變電所內模塊化隔離重構；變電所運行可靠性整體得到加強，運行值班值守無人化。V1.0版是基礎，重點在于突出智能平臺的搭建和信息互動網絡建設。

V2.0版：樞紐所亭間及接觸網供電單元間廣域測控保護、樞紐所亭繼電保護配置層級得以簡化，繼電保護可靠性、靈敏性、選擇性、速動性得以保證或加強，部分供電單元實現故障重構，提升樞紐地區供電可靠性和靈活性；關鍵電能電量參數的自適應和自調整，變電所內結構單元分割優化完成；供用電決策支持技術系統得以形成。V2.0版重點在廣域測控技術，突出自愈和重構功能。

V3.0版：牽引變電所亭一次高壓系統智能組件、單元組成，關鍵設備服役性能狀態智能評估、故障精確診斷、定位及預警；SCADA系統整體升級，供電調度和行車調度指揮信息相融合，達到推演供電運行方式、停送電網格（區段）劃分、車流組織、客流疏導等各要素間相互影響的調整策略方案，輔助行車和供電調度指揮技術條件。V3.0版重點在智能組件和調度系統融合，突出系統高級功能目標的實現。

建設初期各系統信息流的走向是，廣域保護信息歸集既有SCADA系統，輔助監控系統主要信息歸集到供電調度，智能故障診斷信息暫歸集到供電段運維系統。

1.3 綜合試驗驗證

根據高速鐵路智能關鍵技術綜合試驗安排，在京沈客專阜新北和黑山北牽引變電所間約50 km，包含2座變電所、1座分區所、2座AT所范圍內，對智能牽引供電系統進行了試驗驗證。試驗結論為：智能牽引供電系統運行正常，關鍵設備運行穩定，各項功能指標及安全性、可靠性滿足預期要求，取得的階段成果可應用到智能京張建設項目，可為后續工程提供技術支撐。

京張高鐵是我國高鐵技術升級的標志性工程，智能京張牽引供電系統工程主要包括：智能設備設施（智能變電所）、智能調度、智能運維、智能檢測監測4部分。目前，智能京張牽引供電系統工程正在按計劃穩步推進。

1.4 工程化應用

（1）根據裝備技術條件、重要性程度、工程造價等差別因素，建議智能牽引變電所可按300～350 km/h高速鐵路、200～250 km/h高速鐵路、普速鐵路不同等級分級建設。

（2）參考電力系統推進智能變電站的相關經驗，建議后續新建鐵路工程項目中，可分別選取高速和普速鐵路的部分變電所，推進不同級的試驗驗證或示范性工程建設。

（3）在總結京張高鐵智能牽引供電工程建設成果基礎上，建議從鐵路工程建設、設計、施工等環節梳理，根據需求和職能分工，分別組織制定《智能牽引變電所技術導則》、《路智能牽引變電所設計技術規定》、《牽引變電所施工技術規范》等規范和標準，完善管理流程，為后續工程規范順利推進創造必要條件。

2 中國標準接觸網

中國標準接觸網（暫簡稱CRCS），總結高鐵運營10年來的經驗，集成國際各代表性典型技術體系優點，克服各技術體系在運營中暴露出的、已認知的缺陷和問題，系統結構合理，弓網關系技術指標優異，裝配制造工藝工法先進，具有鮮明的中國高鐵技術特點。

2.1 主要技術特征

中國標準接觸網的主要技術特征是彈性鏈形懸掛、三角結構、非限位定位、銷軸、絞式聯接、硬支撐、鍛造工藝?？傮w理念上，考慮系統可靠性和裝備采購、安裝、維護、更換等全壽命周期成本平衡，利于推行規?；少徏皵悼貦C床生產線精準預配，降低維修備件庫存，減少維護工作量等。

2.2 綜合試驗驗證

京沈高速鐵路綜合試驗段“新型簡統高速鐵路接觸網”重大科研課題提供了試驗驗證支撐。定位器采用與受電弓包絡線匹配性好、空間安全裕度大的弓形結構，與定位底座連接采用非限位、銷軸鉸接方式，定位線夾雙夾板配套T型定位銷釘，電氣連接和耐磨性好；集成承力索座與套管座、定位環與支撐卡子功能結構，采用組合式零件等。與現行主流裝備系統相比，每套裝置零部件數量由23件減少為14件，減少39%，螺紋副數量由30套減少為13套，減少57%，螺紋副緊固力矩種類由6種減少為3種，減少50%。從目前獲取的接觸網及弓網關系動靜態檢測數據分析結果看，各項指標達到系統設計和試驗仿真目標要求。

2.3 工程化應用

下一步，分別選取350、250、200、160 km/h速度等級線路，擴大試用驗證范圍。從技術標準層面，按照不同速度等級序列，盡快分別制定中國標準接觸網系統技術條件和裝備技術條件，明確系統基本內涵技術特征、典型外部邊界條件、關鍵技術要點等。

3 牽引供電繼電保護理論及配置

3.1 存在問題

高鐵供電負荷具有波動大、短時波峰高、再生及涌流干擾因素多等特點。高速鐵路動車組采用交直交IGBT電子器件，與以往直流電力牽引機車相比，負荷電流諧波特征分量發生根本變化，各車型間的電流頻譜分布更加離散。原有的牽引供電繼電保護理論及配置難以適應高速鐵路的發展要求。

因歷史發展的原因，現有高鐵供電系統中，多種繼電保護理論和技術路線相互交錯。僅饋線側阻抗保護特性，就有四邊形、平行四邊形、多變形等多種型式，各種型式中又分過原點或不過原點的組合特性。不同技術路線中，對饋線側速斷、過流、阻抗、高阻等幾類保護的主備功能定位及分工，乃至于技術術語都存在較大差異等。上述問題的存在使得各個設計院、各個供貨商之間容易形成天然技術壁壘，給保護系統配置、功能驗證、產品認證、設備維護、故障分析等帶來較大的困擾和問題，不利于整個行業的技術發展與進步。

3.2 發展現狀

當前，無論是高校專業教育，還是具體的工程項目設計，在高鐵牽引供電繼電保護計算和配置方面，均出現了與電力系統同質化的趨向。事實上，廣泛應用于電力系統的繼電保護理論和方法并不能完全適用于高鐵供電系統運行的實際工況和特點，這也是高鐵牽引供電出現保護誤動、拒動、越級跳閘停電，頻繁造成動車組斷電停車，現場分析解決故障困難的根本癥結所在。

3.3 解決途徑

基于以上認識，組織對我國高鐵牽引供電繼電保護的配置原則、邏輯判定關系、整定計算公式、關鍵指標取值、數據采集要求、保護動作特性、定值分組原則等進行系統研究，研究的成果將以《牽引供電系統繼電保護配置及整定計算技術導則》文件發布，作為相關專業遵循的標準性技術文件。該標準發布后，將對牽引供電綜合自動化控制技術和裝備發展產生較為深刻和長遠的影響，后續還需繼續進行大量具體的技術管理工作。

另外，高鐵路網規模還在不斷擴大，運營場景也越來越復雜，對適用于大型樞紐地區的廣域測控、適用于類似西成高鐵等長大坡道的接觸網過熱保護等新型技術，提出了新要求，需加快裝置研發，盡快完成相應的技術儲備。

4 牽引供電系統雷電防護技術

4.1 存在問題

高速鐵路開通運營后，雷雨天氣下接觸網的跳閘和設備故障問題突出，雷電引起的跳閘次數占比達70%，成為影響高鐵正常運輸秩序頻次最高、勞動力投入（人員出動添乘或上線查找確認）最大的因素。我國高鐵接觸網主要以避雷器作為雷電防護技術措施，研究表明，避雷器適用于隔離開關、電纜頭等重點設備的小范圍防護，對帶狀分布的線路型接觸網的防護效果很有限。密集設置避雷器后，由于器件本身故障概率高，現象隱蔽，排查困難，造成長時間停電影響運輸秩序，效果并不十分理想。

4.2 工程加改實踐

2013年7月，在借鑒電力系統高壓輸電線路和日本等國接觸網雷電防護經驗，結合有關鐵路雷電防護科研成果基礎上，原鐵總運輸局明確提出了“按照經濟技術比較實施差異化設防原則，以架設避雷線為主，重點位置設置避雷器”的接觸網雷電防護技術路線，并積極推動京滬、京廣、哈大等高鐵線路接觸網防雷措施加強改造。至2015年，京滬高鐵完成加強線改架空避雷線1 026條公里，新增架空避雷線755條公里，其他高鐵線路分區段完成架空避雷線加改859 km。改造后高鐵線路接觸網雷雨跳閘率顯著下降，以京滬高鐵為例，2014年全線雷雨跳閘件數較2012年減少72次，下降58%；2015年較2012年減少80次，下降65%。

4.3 技術標準制定與工程化推進

2016年，以近幾年高鐵防雷工程加改實踐經驗為支撐，在中科院陳維江院士團隊的技術支持下，編制形成了《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》文件稿，首次以技術標準文件的形式提出了依照地閃密度、雷暴日、雷擊跳閘率3項指標綜合評估高鐵接觸網雷電活動強度，按接觸網雷擊跳閘次數限值分段設計的高鐵接觸網雷電防護工程設計思想，給出了高速鐵路接觸網雷電防護工程的實施條件、技術措施、雷擊跳閘率歸算方法、限值控制指標、工程實施方案和圖例等，并以[鐵總運2016（237）號]文件發布，填補了我國高速鐵路牽引供電系統雷電防護應用技術標準的空白。

經各方努力，后續新建工程項目中，先后有金麗溫、廣佛肇、莞惠、長株潭、贛瑞龍等高鐵，按照《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》內容，納入了接觸網雷電防護工程內容，在工程設計源頭上使接觸網具備了雷電防護能力。

4.4 后續工程化推進需要解決的問題

《高速鐵路牽引供電系統雷電防護技術導則》只屬于一個技術標準性文件，沒有從根本上解決“鐵路工程建設程序性”問題，只是解決了一個“技術標準依據性”問題。同時，該標準和高速鐵路電磁兼容以及接地工程規范等建設標準處于不同序列，無形中對專業設計尤其是專業接口設計等帶來諸多困難或不便。應積極推動，盡快形成高速鐵路牽引供電雷電防護工程設計標準或規范，既是對我國高鐵建設設計標準體系的完善，也是中國鐵路“走出去”的必然需求。

5 接觸網狀態評價理論及方法

5.1 研究的重要意義

近幾年，我國高鐵供電6C檢測裝置研發與運用得到快速發展，接觸網質量分析診斷和狀態評價有了可靠有效的數據平臺。高鐵供電檢測監測（6C）系統要在接觸網準確診斷、精準維修、高效應急、科學評價方面發揮作用。建立質量評估理論模型，確立質量分析診斷和狀態評價指標及方法，是實現接觸網定量診斷、精準維修的必要條件；是科學制定維修策略、合理分配維修資源的重要依據；是科學評價弓網關系，推動弓網系統技術進步和發展的技術核心。我國高鐵具有運營大數據充分的獨有優勢，理應占領接觸網質量分析診斷和狀態評價技術標準的制高點。

5.2 與已有指標的主要區別

按照《高速鐵路接觸網運行維修規則》確定的管理框架，接觸網分析診斷和狀態評價2種指標具有不同的概念和內涵?！胺治鲈\斷”是設備實施狀態修中，“檢測-分析診斷-修理”三要素之一，對象為接觸網單體設備，其技術指標表征偏于單項，重在閾值管理；關注“局部或點”，目的是“修”；適用重心在生產一線，例如供電段、車間、班組。“狀態評價”對象為接觸網設備單元或區段，其技術指標表征偏于系統，重在趨勢性發展及橫縱向對比判斷；關注“全線或面”，目的是“管”；適用重心在鐵總、路局，或設計及科研院所等單位。關于接觸網分析診斷，在《高速鐵路接觸網運行維修規則》中，對其閾值的標準定義和取值方法，以及各項管理值指標都進行了明確和規定，不再贅述。

5.3 研究的分項及內容

根據需求，接觸網狀態評價指標分為動態檢測大值評價、靜態質量評價指數、弓網關系和受流性能評價指數3項。

（1）接觸網動態檢測大值評價。以1C檢測數據為平臺，建立接觸網動態幾何參數、平順性參數、弓網受流性能參數等各分項閾值指標，給出一、二級超限大值的同時，賦予各單項指標不同權重分值，以正線公里為評價單元，根據每公里扣分值進行評價，＜10為優良公里，10≤＜40為合格公里，≥40為不合格公里。根據區段內各分值公里占比百分數，得出區段優良率、合格率和不合格率。

（2）接觸網靜態質量評價指數（Catenary Static Quality Index）簡稱CQI。以4C檢測數據為平臺，對接觸網主要靜態幾何參數與標準值以及標準狀態值的偏差水平進行評價，得出指數值CQI，反映接觸網結構空間幾何位置偏離理想設計布置的程度。CQI以接觸網錨段為評價單元，單位為mm。

（3）弓網關系和受流性能評價指數（Catenary Pantograph Operation Index）簡稱CPOI。以1C和4C檢測數據為平臺，通過將接觸網動態幾何參數、弓網動態接觸力和弓網動態燃弧的評價結果按其對弓網關系和受流質量的影響程度，構建評價函數模型，并對各分量加權計算，得出關于弓網動態受流性能的綜合指數值，用于綜合反映和定量評價弓網關系和受流水平。以接觸網錨段為評價單元，無量綱，數值范圍0～10。

5.4 推廣與應用

前期，中國鐵路總公司科研課題立項，對我國高鐵接觸網質量評價方法和標準進行了研究，研究形成的“接觸網動態檢測大值評價”成果，已經納入中國鐵路總公司標準，2015年開始，在全路高鐵接觸網運行質量月度評價、新建工程聯調聯試以及高鐵達標線建設驗收評估中得到廣泛應用。

“接觸網靜態質量評價指數（CQI）”和“弓網關系和受流性能評價指數（CPOI）”2項指數研究得到了總公司重點科學研究課題的支持，已取得階段決定性成果，目前正在選取典型高鐵線路進行數據驗證與擬合工作，準備納入中國鐵路總公司企業標準。該項標準具有國際普適性，各國鐵路可直接使用或對部分參數根據情況微調后應用，且屬國際標準空白，具備作為國際標準內容的條件。

5.5 標準的輸出

國際鐵路聯盟（UIC）是由鐵路運營機構和與鐵路相關的組織參加的非政府性鐵路聯合組織，迄今已有200多個成員，我國是該組織成員國之一。利用UIC E&ET專業組的平臺，獲得UIC科學研究項目支持，是主導制定IRS相關標準的重要環節。54屆UIC E&ET專業組會議于2018年7月召開，由鐵科院集團公司代表中國鐵路，以“接觸網質量評價方法”為題，申請國際鐵路聯盟（UIC）科學研究項目支持，其成果將轉化為IRS標準。通過主持國際標準的制定，加強與國際組織及同行專家的交流合作，有利于拓展我國鐵路供電技術研究團隊的國際視野，鍛煉隊伍；通過輸出中國高鐵標準，有助于擴大我國高鐵的國際影響力。

6 現代化檢測維修裝備

依靠中國高鐵發展需求強大動力牽引，通過原始創新，近幾年，供電檢測維修裝備的研發和應用取得了歷史性突破。近期的重點是，合理界定各型裝備的功能定位、系列組合、配屬對象、運用主體、布局規模等，融入工電裝備發展規劃大局，立足當前，兼顧長遠，系統規劃，盡快邁入系列化、標準化、規?；陌l展軌道。

技術標準方面，總結近年6C裝置現場運行經驗，盡快完善6C系統和各裝置技術條件，補充各檢測裝置數據采樣和輸出規約標準，滿足6C檢測數據融合需求。

裝置功能方面，重點做精做深1C和4C，完善3C功能，突出其等速、實況、實時特點，解決定位不準和覆蓋率不足問題；加快智能深度學習技術應用，提升4C裝置的智能識別水平。

裝置配屬方面，推動《智能京張精品工程高鐵供電安全檢測監測6C系統技術實施方案》落實，以智能京張為示范引導，推動供電專業6C系統安裝配置標準化。

裝置源頭質量和檢測精度控制方面，推進將6C系統主要裝置納入CRCC鐵路產品認證序列；加快鐵路基礎設施檢測中心6C系統評定（標定）實驗室分期建設進程，2018年底開始發揮作用。

裝置運用和數據分析方面，落實《高鐵接觸網運行維修規則》內容，不但要充分發揮6C裝置在接觸網準確診斷、精準維修、高效應急、科學評價方面的作用，而且要在改變傳統檢查測量方式，替代人工項目，降低上線作業比重和勞動強度的效能上發揮更好的效果，讓一線管理者和現場職工能夠擁有更多更好的體驗和獲得感。

7 接觸網自動化生產線預配

高鐵對安裝精度和質量要求越來越高，人工成本不斷增加，智能技術迅猛發展，接觸網零部件推行數控機床生產線精準預配成為大勢所趨。當前在腕臂預配組裝、吊弦機器人流水線制作加工2個方面得到突破。吊弦制作加工機器人流水線已經有裝備投入運用。總公司調整物資采購方式，試行將整體吊弦不納入甲供物資目錄，施工單位對產品質量負責，并成為整體吊弦成品的供貨商。智能化技術發展帶來的變化，不僅僅對組裝流程的再造，也可能對物資加工采購供應鏈，對建設程序以及現場施工現場組織方式等帶來根本性的變革。

8 節能節支鐵路供電技術

2017年，中國鐵路總公司管內電氣化鐵路用電量達688億kW·h，相當于三峽水電站年發電量的70%以上，牽引供電節能節支技術潛力巨大。當前，應從減少電網資源占用、加強再生能源回收利用、降低輸變電過程電能損耗3個方面入手，可以在研發新型高過載（抗短時）性能牽引變壓器，降低安裝容量，減少容量費用支出等方面下功夫，可以探索研究在優化供電運行方式，合理電能潮流調配，加裝能量吸收裝置，充分利用再生制動電能等項目上取得突破。

9 結語

在高鐵供電運營管理中，要以問題為導向，解決遇到的瓶頸和現實問題，保證高鐵供電安全持續穩定，同時要發揮我國高鐵路網規模大數據優勢，不斷總結高鐵運行規律，通過需求牽引，不斷創新，引領高鐵供電應用技術得到長足發展。

The contents composing of 8 key points in application technology for high speed railway power supply are illustrated, consolidating a foundation for substantial development of power supply technology for high speed railway and its engineering application.

Power supply for high speed railway; application technology; engineering application

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.001

U223.1

A

1007-936X(2018)06-0001-05

2018-10-19

劉再民.中國鐵路總公司工電部，高級工程師。