武廣高速鐵路運(yùn)行時(shí)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，工程師，湖北武漢，430063

王 猛：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，高級工程師，湖北武漢，430063

黃足平：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)輸入條件中的一個(gè)重要資料。相同線路條件下，牽引能耗資料又與列車運(yùn)行時(shí)分（列車速度）密切相關(guān)，不同運(yùn)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(yùn)行時(shí)分進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果利用OpenPowerNet軟件進(jìn)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(qiáng)大的先進(jìn)運(yùn)營仿真模擬軟件，廣泛應(yīng)用于高速鐵路設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理工作中。OPEN TRACK運(yùn)營仿真考慮了列車運(yùn)行動(dòng)力學(xué)特性（車輛質(zhì)量、列車阻力、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、線路坡度、曲線阻力、推進(jìn)性能和控制、粘附力等）和運(yùn)營（定線、軌道線路、時(shí)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(yù)測和分析的工具，用于供電裝置額定功率設(shè)定和優(yōu)化，由電網(wǎng)供電計(jì)算（PSC）和列車模塊（ATM）兩部分組成。OpenPowerNet軟件計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是OPEN TRACK軟件輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)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(jié)構(gòu)、阻抗、效率等）。OPEN TRACK & OpenPowerNet軟件工作關(guān)系見圖1。

2 武廣高速鐵路運(yùn)行時(shí)分仿真

2.1 仿真條件

OPEN TRACK運(yùn)營仿真所需數(shù)據(jù)庫文件見圖2。

武廣高速鐵路運(yùn)行仿真條件中機(jī)車車輛類型為CRH3，下部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為施工圖階段各專業(yè)間提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，時(shí)刻表為中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yùn)行圖。

2.2 仿真結(jié)果

首先根據(jù)給出的列車和下部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算每輛列車的速度概覽圖和運(yùn)行時(shí)間。對兩種情況進(jìn)行分析，一種是16輛編組CRH3不停站運(yùn)行情況，另一種是16輛編組CRH3經(jīng)停站新長沙、新衡陽站的運(yùn)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(dá)到或保持350 km/h的最高速度。原因是CRH3型動(dòng)車組2×8 800 kW功率無法保證動(dòng)車組持續(xù)350 km/h運(yùn)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(dá)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(yùn)行時(shí)分見圖5、圖6。

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

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

在制定列車運(yùn)行圖時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注模擬仿真時(shí)間比計(jì)劃時(shí)間長的線路區(qū)段，這些區(qū)段是以后運(yùn)營規(guī)劃中進(jìn)行調(diào)整的關(guān)鍵區(qū)段，對于武廣高速鐵路來說郴州—樂昌區(qū)段是關(guān)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(yùn)營計(jì)劃圖和牽引供電設(shè)施資料。

針對武廣高速鐵路，根據(jù)上述模擬仿真的運(yùn)行時(shí)分編制運(yùn)營計(jì)劃圖。武廣高速鐵路牽引供電設(shè)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(dǎo)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?nèi)萘繛?×12.5/25 MVA（分區(qū)所）、4×16/32 MVA（AT所）。

3.2 系統(tǒng)能力仿真結(jié)果

供電系統(tǒng)能力模擬仿真應(yīng)采用最高運(yùn)行速度350 km/h且無任何時(shí)間富余量的情況，此時(shí)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(yàn)證牽引供電系統(tǒng)能力不需模擬全天運(yùn)營計(jì)劃。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，牽引供電系統(tǒng)能力只需校驗(yàn)和評估能否滿足交通最繁忙時(shí)段的牽引負(fù)荷需求。

武廣高速鐵路牽引供電系統(tǒng)能力仿真采用運(yùn)營計(jì)劃圖中最大交通負(fù)荷條件下1 h時(shí)段（最小運(yùn)營發(fā)車間隔時(shí)的最多運(yùn)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(jié)果及用于評估的內(nèi)容：（1）最大及平均變壓器功率，用于主變?nèi)萘亢碗娋W(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?nèi)萘吭u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(guān)設(shè)備和連接導(dǎo)線評估；（5）饋電最大及RMS電流，用于開關(guān)設(shè)備和連接導(dǎo)線評估；（6）回流電纜最大及RMS電流，用于開關(guān)設(shè)備和連接導(dǎo)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(jié)構(gòu)合理性評估；（9）短路電流水平Ik（s），用于接觸電壓計(jì)算及保護(hù)裝置評估；（10）運(yùn)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?nèi)萘考案鞣N電流、電壓水平等部分結(jié)果見圖7—圖11。

4 結(jié)論及建議

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

武廣高速鐵路牽引供電設(shè)施分布設(shè)計(jì)及各種設(shè)備容量選取滿足運(yùn)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(dòng)力沒有影響。由于遠(yuǎn)期牽引負(fù)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(shè)計(jì)在各牽引變電所與第一個(gè)AT所區(qū)段預(yù)留安裝加強(qiáng)線條件。

[1]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．新建鐵路武漢至廣州客運(yùn)專線烏龍泉至韶關(guān)段修改初步設(shè)計(jì)電氣化文件[R]，2007

[2]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，OPB．新建鐵路武漢至廣州客運(yùn)專線電氣化專題咨詢報(bào)告[R]，2008