動態增容技術在電氣化鐵路接觸網中的應用研究

摘要：為適應既有電氣化鐵路改擴建、運行圖調整等原因引起的用電需求增長及光伏、風電等新能源整合接入需要，在確保接觸網線路安全穩定運行的前提下，有必要深度挖掘接觸網線路的實際傳輸潛能。由于動態增容技術可提高現有鐵路牽引供電系統接觸網線路的傳輸效率和傳輸容量，因此，首先對接觸網線路動態增容影響因素、增容數據在線監測技術及感知分析技術等方面進行了分析;其次，借鑒電力系統中的相關研究，提出了基于牽引供電系統調控的接觸網線路動態增容系統框架;最后，總結了接觸網線路動態增容應用研究存在的局限性，為動態增容技術進一步在接觸網工程中的實際應用提供參考。

關鍵詞：電氣化鐵路接觸網;動態增容;載流量;數據采集與感知分析;系統框架

中圖分類號：U223.2文獻標志碼：A

0 引言

隨著電氣化改造及多次鐵路提速，我國高速鐵路、重載鐵路的運營速度、行車密度不斷增加，故提升既有電氣化鐵路的牽引供電系統傳輸容量已成為重要的研究課題。電氣化鐵路接觸網作為無備用、露天運行的特殊輸電線路，是鐵路運輸安全暢通的關鍵環節，承擔著為電力機車牽引提供穩定可靠電能的重要任務。目前，牽引供電系統方面的研究多集中在阻抗計算[1，2] 、電壓損失計算[3，4] 、電能質量分析[5]、潮流分析[6，7] 、載流量分析[8，9]等方面。在動態增容方面，孫立軍[10]基于等效電路模型研究了接觸網線路動態增容，但由于接觸網線路各導線動態載流與外部因素密切相關，利用傳統的等效電路模型來反映多導線傳輸系統容量傳輸的準確性有待進一步分析。

提升鐵路牽引傳輸容量有新建接觸網線路和利用既有接觸網提升傳輸容量兩種方式：一是新建鐵路接觸網線路，從線路規劃到施工建成，不僅投資大、建設周期長，還可能帶來土地資源限制、環保等一系列問題，新建線路面臨的困難比較大;二是在保證電力機車、接觸網線路安全運行的前提下，對既有接觸網線路及設備進行改造升級[11] ，通過線路動態增容技術來有效提升既有牽引供電系統接觸網的電能輸送能力。由于電氣化鐵路牽引負荷在運行時具有明顯的波動性和間歇性[12] ，接觸網線路無需全天候增容運行，且接觸網作為牽引供電系統的主要輸電元件之一，其載流能力大小直接影響牽引供電系統的供需平衡。因此，較新建接觸網線路面臨困難較大而言，采用技術改造和升級方式，提升既有接觸網線路的載流及容量傳輸能力具有重要意義，有助于輔助解決鐵路牽引調度增長的用電需求和局部接觸網線路故障時越區供電的安全可靠性問題。

目前，鐵路牽引供電系統設計基本采用固定環境條件決定接觸網線路熱穩定電流，線路在實際運行時載流量有較大的余量，大量實際運行經驗表明，接觸網線路實際工作環境的真實氣象條件經常遠好于設計時的設定值。當接觸網線路運行環境發生變化后，載流量的余量也會隨之改變，而目前接觸網線路輸電容量管理不能因時因地制宜，因此，考慮采用監控導線溫度、環境參數等物理參量來提高既有線路載流量的方法是一種廉價、有效、安全的線路增容技術[13]，也是研究人員關注的熱點之一。依托智慧牽引供電系統實現接觸網線路熱穩定輸送能力智能動態增容是一種科學有效的方法，通過各種監測裝置實時采集或預測線路所處的環境信息和導線的運行狀態信息，在現行技術規程規定的范圍內，以熱平衡方程為基礎，通過動態增容模型來計算獲得接觸網線路最大允許載流量，從而可以提升牽引供電系統接觸網的傳輸效率和傳輸容量。

1 接觸網線路動態增容影響因素

增容技術主要有靜態提溫增容技術和動態監測增容技術，接觸網線路動態增容技術的核心是求解線路的熱平衡方程，需根據熱平衡方程計算出導線在允許條件下的最大載流量。實際導線計算中存在暫態和穩態兩種熱平衡方程。考慮到接觸網導線載流主要發生在供電區間內有機車通過時，接觸網線路的傳輸容量及允許載流量是隨著導線運行溫度和沿線環境氣象條件的改變而不斷變化的[14] 。通過將在線監測得到的數據代入暫態與穩態熱平衡方程，求解出對應的暫態載流量與最大穩態載流量，以最大載流量為依據來動態地提升接觸網線路的傳輸容量，挖掘線路的隱性容量。

接觸網正常運行時，當接觸線、承力索等導線內通過不同電流或者外部環境發生改變時，導線溫度處于一個動態變化過程，系統的熱平衡會不斷移動[15]。利用電流、環境條件等參數與導線溫度變化之間存在的電熱耦合關系及導體溫度的熱慣性，可以實現接觸網線路的動態增容應用。基于 IEEE-738標準，暫態熱平衡方程如式（1） 所示，接觸網線路動態增容影響因素之間的耦合關系如圖1 所示[16]。

式中，導線焦耳熱功率 I2 R（tc）、對流散熱功率 qc、輻射散熱功率qr和日照吸熱功率qs共同影響導線的溫度變化，也影響線路的傳輸容量。

由圖1 可知，與對流散熱功率 qc 相關的環境參量有海拔 He、風向角φ、風速Vw、環境溫度 Ta，與輻射散熱功率qr相關的環境參量為環境溫度 Ta 和導線溫度 Tc，與日照吸熱功率相關的環境參量為海拔 He 和日照強度Qse。

接觸網線路動態增容需要對各影響因素（包括導線溫度、環境溫度、日照強度、風速等）進行在線監測和計算分析以確定實時增容量。

2 接觸網線路數據監測及感知分析

接觸網線路動態增容技術的實現依托于在線監測設備實現對環境信息和導線狀態信息的采集和對數據的感知分析。將在線監測裝置安裝在接觸網線路桿塔上，傳感器采集實時參數發送至控制主機，然后通過通信技術將采集的接觸網狀態數據發送到數據分析中心進行感知分析、計算和展示，對需要擴容運行的線路進行實時載流量分析、信息跟蹤與過載限度報警。

穩定可靠的在線監測設備是接觸網沿線第一手數據采集的重要工具，準確高效的數據采集技術是精準分析和智能決策的必備基礎。目前，線路數據在線監測技術采集數據精度較高、采集方法簡單，但仍然存在許多限制因素制約了采集數據的質量。主要有以下幾個方面[17]：

（1） 傳感器技術因素：傳感設備通常架設在戶外露天場所，運行環境惡劣，易受環境因素干擾;同時由于傳感器安裝布點位置距離接觸網導線較近，對傳感器運行存在電磁干擾，從而會影響精密儀器的數據采集和傳輸質量。

（2） 信息傳輸技術因素：從傳感設備采集的狀態信息，要通過一定的通信手段送至控制主機及數據分析中心，電力線路載波通信受電網拓撲差異限制，可靠性無法保證，不適合于接觸網線路中信息傳輸使用;無線通信受覆蓋范圍、基站建設等因素限制，投資較大;在鐵路中，由于沿鐵路線敷設有專用通信傳輸光纜，可以考慮將動態增容所需的各狀態信息由傳感器傳遞至沿線通信光纜備用通道進行傳輸，這樣既可以充分利用光纜傳輸信息低損耗、高傳輸速率等優勢，又可以一定程度上減少傳輸線纜鋪設成本，降低投資。

（3）設備供電因素：在線監測設備的正常運行需要穩定可靠的電源，常見的電源有鋰電池、太陽能電池板、超級電容器等;但受電源設備存儲容量、使用壽命等影響，監測設備數據采集頻次受限、在線率低。

3 接觸網線路感知分析技術

目前，在快速發展的智能化時代，海量信息組成的大數據為智能感知分析提供了豐富的數據基礎的同時，信息的不確定性和冗余性也給感知分析造成了較大困難。具體表現為：不統一性、不一致性、不準確性、不連續性、不全面性和不完整性等[18]。大量冗余信息給信息網絡的傳輸、存儲及處理都帶來了極大的挑戰，需要不斷提高信息感知的有效方法，對初始數據不斷進行整合、壓縮和融合以得到縱向整合、橫向集成的熟數據。

接觸網線路的感知分析技術，指的就是利用數據采集模塊采集獲得的物理參量，通過智能感知、數據辨識[19]等手段，補充缺失數據、剔除或修正異常數據、整合規劃正常數據，完成對初始數據的預處理，將壞數據予以甄別和修正，實現數據的歸類篩選，以便于將預處理后的熟數據輸入動態增容模型中得到導線溫度、導線載流量、導線弧垂等所需物理信息。

通過對接觸網線路環境狀態的實時采集和智能感知分析，可以獲取接觸網導線容量的實時動態限額。另外，為避免極端天氣條件等導致的接觸網線路過載，可引入動態限額預測模型[20]，將動態增容模型與環境預測模型相結合來對超短期、短期接觸網線路載流量動態限額進行預測，深度挖掘接觸網線路的實際傳輸潛能。

4 接觸網線路動態增容系統架構設計

動態增容系統的運行架構將直接影響到鐵路正常運營的可靠性，通過沿線桿塔附近的數據采集裝置采集到的原始數據不可直接使用，而是應該采用通過冗余處理和容錯判斷后的熟數據，從而構建考慮了電網輸出情況、牽引變電所檢修計劃、機車負荷預測等多方面因素影響的閉環的增容體系架構，保證接觸網系統動態增容結果的安全和可靠。目前，接觸網系統中的動態增容架構設計較少，借鑒電力系統中輸電線路的動態增容應用系統框架[21] ，從牽引供電系統層面對動態增容技術進行分析，提出了考慮牽引供電系統靜態安全的接觸網系統的動態增容系統應用框架，具體如圖 2所示。

該接觸網線路動態增容系統主要包括數據獲取模塊、數據整合與處理模塊、實時計算模塊、動態增容分析模塊和圖形可視化展示模塊等五個部分。數據獲取模塊對接觸網狀態監測的原始數據進行采集獲取;數據整合與處理模塊通過智能感知對采集/預測的數據進行處理和辨識，在剔除或修正部分異常數據的同時對可用數據進行整合得到處理過的熟數據，避免錯誤數據進一步向下輸入，提高數據準確性;動態增容實時計算模塊利用熱平衡方程計算接觸網系統導線載流量信息和分析動態功率限額，將計算分析結果用于增容過程牽引供電系統靜態安全評估;最后，圖形可視化展示模塊實現接觸網線路動態增容結果的實時展示、短期預測，將動態增容結果上傳至牽引及列車調度中心，為線路擴容運行及列車緊急調度提供參考。

5 接觸網線路動態增容應用的局限性

（1） 接觸網屬于多導線傳輸系統，導線線材、阻抗、實際載流均不一致，多導線系統的電氣參數計算復雜，各環境參量和導線狀態在線監測難度大，難以保證增容過程各導線電流不發生過載。

（2） 受傳感器技術、通信技術、網絡技術及氣象預報技術等諸多因素的影響，增容存在諸多不確定性，增容過程的準確性、及時性無法保證。需進一步研究提高數據監測采集效率，改進感知分析方法。

（3）動態增容技術在電力系統輸電線路中雖已有應用，但尚處在增容系統運行效果評估及增容調度的安全性驗證階段，模型及系統框架通用性受限，在牽引供電系統接觸網線路中應用的適應性仍需進一步研究。

（4） 架空導線在實際運行時存在徑向溫度差，導線內部徑向溫度差隨載流變化可達4 ℃～ 10℃ [22] 。實際應用中，采用在線監測設備獲取的一般是導線表面溫度，而導線在載流時內部溫度大于導線表面溫度，此時以導線表面溫度為準計算得到的載流量將大于實際導線允許載流量，如果僅靠導線表面溫度的監測結果來限制調整線路的傳輸容量是有安全隱患的。因此，接觸網導線運行時徑向溫度差對載流和增容的影響需進一步分析。

（5）由于電氣化鐵路中電力機車運行時是靠受電弓與接觸線的接觸摩擦來獲取電能，高速接觸摩擦對接觸線溫度的影響及對導線載流的影響也需予以考慮。

（6）由于鐵路運輸的重要性和特殊性，需考慮進行動態增容后牽引供電系統可靠性評估，及時相應調整牽引供電系統中變配電設備（變壓器、斷路器、隔離開關、互感器）的整定值及傳輸容量，確定線路增容后的系統可靠性指標，為動態增容方案提供參考。

6 結束語

本論述分析動態增容技術在鐵路接觸網系統中的應用，旨在解決部分既有電氣化鐵路牽引供電系統保守設計傳輸容量難以滿足用電負荷增長的問題。鐵路接觸網線路動態增容需綜合考慮，根據多元監測信息在線評估線路載流能力，實現對導線溫度多源采集數據的辨識與感知分析，使線路可增容容量時刻處于動態變化中。研究切實可行的接觸網線路動態增容模型和系統框架可以提高接觸網線路的容量利用率，也可為既有電氣化鐵路列車短時運行調度調整提供科學決策依據。

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