動態(tài)增容技術(shù)在電氣化鐵路接觸網(wǎng)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(diào)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(wǎng)線路安全穩(wěn)定運行的前提下，有必要深度挖掘接觸網(wǎng)線路的實際傳輸潛能。由于動態(tài)增容技術(shù)可提高現(xiàn)有鐵路牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)線路的傳輸效率和傳輸容量，因此，首先對接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容影響因素、增容數(shù)據(jù)在線監(jiān)測技術(shù)及感知分析技術(shù)等方面進行了分析;其次，借鑒電力系統(tǒng)中的相關(guān)研究，提出了基于牽引供電系統(tǒng)調(diào)控的接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容系統(tǒng)框架;最后，總結(jié)了接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容應用研究存在的局限性，為動態(tài)增容技術(shù)進一步在接觸網(wǎng)工程中的實際應用提供參考。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路接觸網(wǎng);動態(tài)增容;載流量;數(shù)據(jù)采集與感知分析;系統(tǒng)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(tǒng)傳輸容量已成為重要的研究課題。電氣化鐵路接觸網(wǎng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，承擔著為電力機車牽引提供穩(wěn)定可靠電能的重要任務。目前，牽引供電系統(tǒng)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(zhì)量分析[5]、潮流分析[6，7] 、載流量分析[8，9]等方面。在動態(tài)增容方面，孫立軍[10]基于等效電路模型研究了接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容，但由于接觸網(wǎng)線路各導線動態(tài)載流與外部因素密切相關(guān)，利用傳統(tǒng)的等效電路模型來反映多導線傳輸系統(tǒng)容量傳輸?shù)臏蚀_性有待進一步分析。

提升鐵路牽引傳輸容量有新建接觸網(wǎng)線路和利用既有接觸網(wǎng)提升傳輸容量兩種方式：一是新建鐵路接觸網(wǎng)線路，從線路規(guī)劃到施工建成，不僅投資大、建設(shè)周期長，還可能帶來土地資源限制、環(huán)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(wǎng)線路安全運行的前提下，對既有接觸網(wǎng)線路及設(shè)備進行改造升級[11] ，通過線路動態(tài)增容技術(shù)來有效提升既有牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)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(wǎng)線路無需全天候增容運行，且接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)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(tǒng)的供需平衡。因此，較新建接觸網(wǎng)線路面臨困難較大而言，采用技術(shù)改造和升級方式，提升既有接觸網(wǎng)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(diào)度增長的用電需求和局部接觸網(wǎng)線路故障時越區(qū)供電的安全可靠性問題。

目前，鐵路牽引供電系統(tǒng)設(shè)計基本采用固定環(huán)境條件決定接觸網(wǎng)線路熱穩(wěn)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(jīng)驗表明，接觸網(wǎng)線路實際工作環(huán)境的真實氣象條件經(jīng)常遠好于設(shè)計時的設(shè)定值。當接觸網(wǎng)線路運行環(huán)境發(fā)生變化后，載流量的余量也會隨之改變，而目前接觸網(wǎng)線路輸電容量管理不能因時因地制宜，因此，考慮采用監(jiān)控導線溫度、環(huán)境參數(shù)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(shù)[13]，也是研究人員關(guān)注的熱點之一。依托智慧牽引供電系統(tǒng)實現(xiàn)接觸網(wǎng)線路熱穩(wěn)定輸送能力智能動態(tài)增容是一種科學有效的方法，通過各種監(jiān)測裝置實時采集或預測線路所處的環(huán)境信息和導線的運行狀態(tài)信息，在現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)，以熱平衡方程為基礎(chǔ)，通過動態(tài)增容模型來計算獲得接觸網(wǎng)線路最大允許載流量，從而可以提升牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的傳輸效率和傳輸容量。

1 接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容影響因素

增容技術(shù)主要有靜態(tài)提溫增容技術(shù)和動態(tài)監(jiān)測增容技術(shù)，接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容技術(shù)的核心是求解線路的熱平衡方程，需根據(jù)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(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種熱平衡方程?？紤]到接觸網(wǎng)導線載流主要發(fā)生在供電區(qū)間內(nèi)有機車通過時，接觸網(wǎng)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(huán)境氣象條件的改變而不斷變化的[14] 。通過將在線監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)代入暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)熱平衡方程，求解出對應的暫態(tài)載流量與最大穩(wěn)態(tài)載流量，以最大載流量為依據(jù)來動態(tài)地提升接觸網(wǎng)線路的傳輸容量，挖掘線路的隱性容量。

接觸網(wǎng)正常運行時，當接觸線、承力索等導線內(nèi)通過不同電流或者外部環(huán)境發(fā)生改變時，導線溫度處于一個動態(tài)變化過程，系統(tǒng)的熱平衡會不斷移動[15]。利用電流、環(huán)境條件等參數(shù)與導線溫度變化之間存在的電熱耦合關(guān)系及導體溫度的熱慣性，可以實現(xiàn)接觸網(wǎng)線路的動態(tài)增容應用?；?IEEE-738標準，暫態(tài)熱平衡方程如式（1） 所示，接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容影響因素之間的耦合關(guān)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(guān)的環(huán)境參量有海拔 He、風向角φ、風速Vw、環(huán)境溫度 Ta，與輻射散熱功率qr相關(guān)的環(huán)境參量為環(huán)境溫度 Ta 和導線溫度 Tc，與日照吸熱功率相關(guān)的環(huán)境參量為海拔 He 和日照強度Qse。

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

2 接觸網(wǎng)線路數(shù)據(jù)監(jiān)測及感知分析

接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容技術(shù)的實現(xiàn)依托于在線監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)對環(huán)境信息和導線狀態(tài)信息的采集和對數(shù)據(jù)的感知分析。將在線監(jiān)測裝置安裝在接觸網(wǎng)線路桿塔上，傳感器采集實時參數(shù)發(fā)送至控制主機，然后通過通信技術(shù)將采集的接觸網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)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(wěn)定可靠的在線監(jiān)測設(shè)備是接觸網(wǎng)沿線第一手數(shù)據(jù)采集的重要工具，準確高效的數(shù)據(jù)采集技術(shù)是精準分析和智能決策的必備基礎(chǔ)。目前，線路數(shù)據(jù)在線監(jiān)測技術(shù)采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的質(zhì)量。主要有以下幾個方面[17]：

（1） 傳感器技術(shù)因素：傳感設(shè)備通常架設(shè)在戶外露天場所，運行環(huán)境惡劣，易受環(huán)境因素干擾;同時由于傳感器安裝布點位置距離接觸網(wǎng)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(shù)據(jù)采集和傳輸質(zhì)量。

（2） 信息傳輸技術(shù)因素：從傳感設(shè)備采集的狀態(tài)信息，要通過一定的通信手段送至控制主機及數(shù)據(jù)分析中心，電力線路載波通信受電網(wǎng)拓撲差異限制，可靠性無法保證，不適合于接觸網(wǎng)線路中信息傳輸使用;無線通信受覆蓋范圍、基站建設(shè)等因素限制，投資較大;在鐵路中，由于沿鐵路線敷設(shè)有專用通信傳輸光纜，可以考慮將動態(tài)增容所需的各狀態(tài)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(yōu)勢，又可以一定程度上減少傳輸線纜鋪設(shè)成本，降低投資。

（3）設(shè)備供電因素：在線監(jiān)測設(shè)備的正常運行需要穩(wěn)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(shè)備存儲容量、使用壽命等影響，監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)采集頻次受限、在線率低。

3 接觸網(wǎng)線路感知分析技術(shù)

目前，在快速發(fā)展的智能化時代，海量信息組成的大數(shù)據(jù)為智能感知分析提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)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(xiàn)為：不統(tǒng)一性、不一致性、不準確性、不連續(xù)性、不全面性和不完整性等[18]。大量冗余信息給信息網(wǎng)絡(luò)的傳輸、存儲及處理都帶來了極大的挑戰(zhàn)，需要不斷提高信息感知的有效方法，對初始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

接觸網(wǎng)線路的感知分析技術(shù)，指的就是利用數(shù)據(jù)采集模塊采集獲得的物理參量，通過智能感知、數(shù)據(jù)辨識[19]等手段，補充缺失數(shù)據(jù)、剔除或修正異常數(shù)據(jù)、整合規(guī)劃正常數(shù)據(jù)，完成對初始數(shù)據(jù)的預處理，將壞數(shù)據(jù)予以甄別和修正，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸類篩選，以便于將預處理后的熟數(shù)據(jù)輸入動態(tài)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(wǎng)線路環(huán)境狀態(tài)的實時采集和智能感知分析，可以獲取接觸網(wǎng)導線容量的實時動態(tài)限額。另外，為避免極端天氣條件等導致的接觸網(wǎng)線路過載，可引入動態(tài)限額預測模型[20]，將動態(tài)增容模型與環(huán)境預測模型相結(jié)合來對超短期、短期接觸網(wǎng)線路載流量動態(tài)限額進行預測，深度挖掘接觸網(wǎng)線路的實際傳輸潛能。

4 接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

動態(tài)增容系統(tǒng)的運行架構(gòu)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(shù)據(jù)采集裝置采集到的原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，從而構(gòu)建考慮了電網(wǎng)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(huán)的增容體系架構(gòu)，保證接觸網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)增容結(jié)果的安全和可靠。目前，接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的動態(tài)增容架構(gòu)設(shè)計較少，借鑒電力系統(tǒng)中輸電線路的動態(tài)增容應用系統(tǒng)框架[21] ，從牽引供電系統(tǒng)層面對動態(tài)增容技術(shù)進行分析，提出了考慮牽引供電系統(tǒng)靜態(tài)安全的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)增容系統(tǒng)應用框架，具體如圖 2所示。

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

5 接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容應用的局限性

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

（2） 受傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及氣象預報技術(shù)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(shù)據(jù)監(jiān)測采集效率，改進感知分析方法。

（3）動態(tài)增容技術(shù)在電力系統(tǒng)輸電線路中雖已有應用，但尚處在增容系統(tǒng)運行效果評估及增容調(diào)度的安全性驗證階段，模型及系統(tǒng)框架通用性受限，在牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)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(nèi)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(jiān)測設(shè)備獲取的一般是導線表面溫度，而導線在載流時內(nèi)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(jiān)測結(jié)果來限制調(diào)整線路的傳輸容量是有安全隱患的。因此，接觸網(wǎng)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?shù)闹匾院吞厥庑裕杩紤]進行動態(tài)增容后牽引供電系統(tǒng)可靠性評估，及時相應調(diào)整牽引供電系統(tǒng)中變配電設(shè)備（變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、互感器）的整定值及傳輸容量，確定線路增容后的系統(tǒng)可靠性指標，為動態(tài)增容方案提供參考。

6 結(jié)束語

本論述分析動態(tài)增容技術(shù)在鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的應用，旨在解決部分既有電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)保守設(shè)計傳輸容量難以滿足用電負荷增長的問題。鐵路接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容需綜合考慮，根據(jù)多元監(jiān)測信息在線評估線路載流能力，實現(xiàn)對導線溫度多源采集數(shù)據(jù)的辨識與感知分析，使線路可增容容量時刻處于動態(tài)變化中。研究切實可行的接觸網(wǎng)線路動態(tài)增容模型和系統(tǒng)框架可以提高接觸網(wǎng)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(diào)度調(diào)整提供科學決策依據(jù)。

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