（电力系统及其自动化专业论文）牵引供电系统优化设计与决策评估研究.pdf

第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 统结构；给出了有源潮流控制器容量与无功、负序和谐波等电能质量指标补 偿度的函数关系，计算了设备选型容量；建立了直接供电和a t 供电方式下同 相牵引供电系统，提出了一种新型同相a t 供电模式；讨论了同相牵引供电系 统中潮流控制器的控制模式和牵引变电所的运行方式；定量计算了同相供电 系统的直接和间接经济收益，并得到了回收年的计算公式；最后，通过数字 仿真和模拟实验验证了新型同相牵引供电系统的基本功能。 关键词：电气化铁道；多属性决策；可靠性评估；y n v d 牵引变压器；同相 牵引供电系统 西南交通大学博士研究生学位论文第1 li 页 a b s tr a c t t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sa ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o re l e c t r i f l e d r a i l w a y , e s p e c i a l l yh i g h s p e e dr a i l w a y ( i n c l u d i n gp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n 曲i n c h i n ai ss t i l li ni t si n f a n c yw i t hp o o re x p e r i e n c ea n ds e r i e so fp r o b l e m s p r e v i o u s b r o a d b r u s hd e s i g nm e t h o d o l o g yh a sb e e nu n a b l et om e e tt h ed e m a n d so fp r o j e c t c o n s t r u c t i o n i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t y , r e l i a b i l i t y , h i g hq u a l i t ya n de c o n o m y , i t i sn e c e s s a r yt ou p d a t et h ed e s i g ni d e aa n di r e p r o v et h ed e s i g nm e t h o da n dt h e d e s i g nl e v e l t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ed e f e c t si nt h ed e s i g no ft h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e mo fh i g h s p e e dr a i l w a y , d i s c u s s e sn e wt h e o r i e sa n dm e t h o d s a n ds t u d yo nn e wp o w e rs u p p l ym o d ea n de q u i p m e n tt om e e tt h ed e m a n d so f f u t u r ed e v e l o p m e n t a 1 1t h ew o r ki ss i g n i f i c a n tf o ri m p r o v i n gt h eo v e r a l ll e v e lo f e l e c t r i f l e dr a i l w a yi nc h i n a a n dw i l le s t a b l i s hs o m ef o u n d a t i o no fi n d e p e n d e n t t e c h n i c a li r m o v a t i o nc o m b i n e dw i t hn a t i o n a lc o n d i t i o n s i nt h ed e s i g no ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h e r ea r em a n ys c h e m e o p t i m i z a t i o nl i n k s b u tc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n de f f e c t i v ee v a l u a t i o na r el a c k t h e r e f o r e a ni m p r o v e da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sc o m b i n a t i o nd e c i s i o nm a k i n g m o d e li sp r e s e n t e d b a s e do nt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，t h el a y e r i n d e xs y s t e mf o rs c h e m eo p t i m i z a t i o ni se s t a b l i s h e d t h ei n d e xw e i g h ti s c a l c u l a t e db yt h ed e f i n i t i o no ft h ea t t r i b u t es i g n i f i c a n c eb a s e do nt h ew e i g h t e d s u mo f r o u g h s e t t h e o r y t h ea u t h o r i t y a n dd e c i s i o n c o n s i s t e n c y o f d e c i s i o n m a k e r sa r eu n i f i e db yg r o u pd e c i s i o n - m a k i n g t h ei m p r o v e dt o p s i s m e t h o db yt h ed e f i n i t i o no fv e r t i c a ld i s t a n c ei s p r o p o s e df o rr a n k i n go f a l t e r n a t i v e s s ot h en e wm e t h o ds a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so ff u z z ym u l t i p l e a t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n gw i t hu n c e r t a i n t y t h en e wm e t h o dc a nb ea p p l i e di ns c h e m ec h o i c eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l yi n e l e c t r i i f l e dr a i l w a ya n dt r a c t i o nt r a n s f o r m e rc o m p r e h e n s i v ec h o i c e t a k i n gu n d e r c o n s t r u c t i o np a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e sf o re x a m p l e ，t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e m e t h o df e a t u r e sc l e a rt h e o r ya n db e t t e rg e n e r a l i t y , a n dt h es c i e n t i f i c a l n e s sa n d f e a s i b i l i t yo ff i n a ls c h e m ea r ee n h a n c e d t h e r e f o r e t h en e wm e t h o dc a nb eu s e d t or e a l i z et h ef l e x i b i l i t yd e s i g no ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m an e ws y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d ，c a l l e dt h eg om e t h o d o l o g y , i s a p p l i e di nt h er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to ft r a c t i o ns u b s t a t i o no fh i g hs p e e dr a i l w a y , a n dt h e d e s i g n c o n t e n to ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi ss u p p l e m e n t e d c o n s i d e r i n gt h em a i n t a i n a b i l i t ya n ds h u t d o w nc o r r e l a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t s i ns u b s t a t i o n t h es i m p l i f i e dg od i a g r a mi so b t a i n e dt a k i n gt h eu n i n t e r r u p t e d p o w e rs u p p l ya si t st a r g e t t h e n ，t h eq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ea s s e s s m e n to f 第l v 页西南交通大学博士研究生学位论文 r e l i a b i l i t yi sr e a l i z e d t h ew e a k n e s so fs y s t e mi sf o u n da n dt h es u m o fp r o b a b i l i t i e s o fm i n i m a ic u ts e t sc a nb ec a l c u l a t e da st h eu p p e ri i m i to fs u b s t a t i o nf a i l u r e p r o b a b i l i t y , w h i c hi s s u i t a b l ef o rt h ea p p r o x i m a t ec o m p u t a t i o ni ne n g i n e e r i n g d e s i g n t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fh i g h s p e e dr a i l w a ya n dt h es h o r t c o m i n g so f t r a c t i o nt r a n s f o r m e ra r ea n a l y z e d ，a n dt h ey n v dt r a n s f o r m e ri sp r o p o s e df o r t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r i cr a i l w a y , w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n d so f e x i s t i n gp o w e rs u p p l ym o d ea n di sc o n v e n i e n tf o rt h ec o p h a s ep o w e rs u p p l y t r a n s f o r i l l a t i o n b a s e do nt h es t r i c tm a t h e m a t i c a lm o d e ls e tu p ，s y s t e mi m p e d a n c e i sc o n v e r t e da n dt h et w o p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i ti sp r e s e n t e d t h ec a l c u l a t i o n e q u a t i o n so fs h o r t c i r c u i tc u r r e n t sa n dt w o p h a s eb u sb a r sv o l t a g el o s so nt r a c t i o n s u b s t a t i o na r ed e r i v e d a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ew i n d i n g i m p e d a n c em a t c h i n g r e l a t i o n s h i pa n dt h eo p e r a t i o nm o d eo ft h ep r i m a r yn e u t r a lo nt h ep e r f o r m a n c eo f t r a n s f c i r m e ra r ed i s c u s s e d t h et h r e e p h a s ee q u i v a l e n tm o d e l so ft r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e mw i t hc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t o ra n df i l t e ra r eg i v e nu n i f i e dw i t h p o w e rs y s t e m w h i c hc a nb eu s e df o ri n t e r a c t i v es i m u l a t i o n t h ed i g i t a ls i m u l a t i o n s h o w st h a tt h ec o n c l u s i o n sa r ec o r r e c t t h ee x i s t i n gt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mh a ss o m ed e f e c t s ，s on e wc o p h a s e t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sr e c o m m e n d e df o rh i g h s p e e dr a i l w a y t h e s t r u c t u r e so fc o p h a s es y s t e m sb a s e do ns y m m e t r i c a lc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g ya n d a c t i v ep o w e rf l o wc o n t r o l l e r ( p f c ) t h ef u n c t i o n a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o m p e n s a t i o nd e g r e e so fn e g a t i v es e q u e n c e ，h a r m o n i c s ，r e a c t i v ep o w e ra n dp f c c a p a c i t yi sg i v e n ，a n dt h ed e s i g nc a p a c i t i e so fm a i ne q u i p m e n t sa r ec a l c u l a t e d t h ec o p h a s ed i r e c ta n da tp o w e rs u p p l ym o d e so fs y s t e ma r es e tu p ，a n dan e w a tm o d ei s p r e s e n t e d w h i c hc a no v e r c o m et h ee x i s t i n gs h o r t c o m i n g s t h e c o n t r o lm o d e so fp f ca n dt h eo p e r a t i o nm o d e so fc o p h a s et r a c t i o ns u b s t a t i o na r e d i s c u s s e d t h ed i r e c ta n di n d i r e c te c o n o m i cb e n e f i t so b t a i n e db yc o p h a s es y s t e m a r eq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t e da n dt h ec a l c u l a t i o ne q u a t i o no fi n v e s t m e n tr e t u r n i n g y e a ri sd e r i v e d f i n a l l y , t h eb a s i cf u n c t i o n so fc o p h a s es y s t e ma r ep r o v e db y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t k e yw ords ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y ；m u l t ia t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n g ；r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n ；y n v dt r a n s f o r m e r ；c o p h a s e t r a c t i o n p o w e rs u p p l y s y s t e m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：箭、民灭 口r - i 删- i ：1 - 1 ：1 ：办0 7 、1 6 多o 指导老师签名： 日期：触7 i o , j o 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 提出了一种改进层次分析( a h p ) 组合决策方法，结合粗糙集理论、群 决策理论以及t o p s i s 法的优点建立了多属性决策模型，并应用于牵引供电 系统优化设计中，建立了牵引供电方案优选和高速铁路牵引变压器综合选型 评估体系，通过多方案的综合比选，增强了最终方案的科学性和合理性。( 第 二章) 2 将一种可靠性评估方法一g 0 法引入到高速铁路牵引变电所可靠性分析 中，以牵引供电不中断为目标，建立了简化g 0 图，编写了实用的g 0 法计算 程序，实现了牵引变电所可靠性的定量和定性评估，确定了系统薄弱环节， 完善了高速铁路牵引变电所设计。( 第三章) 3 建立了新型y n v d 变压器数学模型；得到了变压器绕组阻抗匹配系数与 变压器接地运行中性点电流、不接地运行中性点电位以及负序电流大小的关 系，数字仿真验证了其正确性；提出了一种基于y n v d 变压器和潮流控制器 的新型同相a t 供电模式；定量评估了同相牵引供电系统的经济性，得到了 回收年的计算公式。( 第四章、第五章) 学位论文作者签名：睁、艮气 日期：如0 1 i o3 0 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 我国电气化铁路的大发展 党的十六届五中全会确定了我国“十一五 时期经济社会发展的主要目 标，强调要加快发展铁路。国务院于2 0 0 6 年发布的国家中长期科学和技术 发展规划纲要中明确指出，高速轨道交通系统是重点领域交通运输业的优 先主题之一。电力牵引是各种运输方式中唯一能以电代油的运输方式，符合 大力发展节约型社会的要求。为了实现铁路运输高速重载的目标，采用电力 牵引方式是必然选择n 2 1 。在我国铁路实施“跨越式 发展的总体思路下，电 气化铁道事业迎来了新的发展机遇。到2 0 0 5 年底，我国铁路总里程7 5 万公 里，其中电气化铁路2 万公里。根据2 0 0 8 年1 0 月3 1 日国务院批准的中长 期铁路网规划调整方案，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程将达到1 2 万公里以 上，其中电气化铁路占6 0 以上，客运专线达到1 6 万公里。可见，日益完 善的铁路网，将为促进我国经济社会又好又快发展和全面建设小康社会提供 有力保障，具有重要意义。 1 1 2 电气化铁路大发展对牵引供电系统设计提出新的要求 电气化铁路大规模建设离不开牵引供电系统的技术支撑，特别是高速铁 路( 含客运专线) 的设计在我国还处于起步阶段，缺乏实践经验，就牵引供 电系统的设计而言，尚存在很多目前国内还未掌握和解决的难题口一1 。高速铁 路( 含客运专线) 速度高，行车密度大，供电系统输送的功率势必很大，同 时由于采用交流传动机车，其负荷特征较目前我国广泛采用的直流传动机车 有很大不同，这些都要求工程设计工作更加深入和细致。以前粗线条的设计 方法，已不能满足现在的工程建设的需要。为了保证牵引供电的安全、可靠、 高质和经济，必须要更新设计理念，改进设计手段，提高设计水平瞄6 1 。牵引 供电系统在满足电气化铁路技术要求的前提下，需要提高其运行的可靠性、 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 经济性，坚持可持续发展理论，减少对沿线社会、经济和环境可能造成的不 利影响，实现综合效益的最大化口1 。这就要求牵引供电系统的设计是一项基 础而又复杂的工程，通过对高速铁路负荷特征及其对牵引供电系统的影响进 行研究，发现当前牵引供电系统设计中的不足，探讨适用于工程设计的新方 法和新理论，研究满足未来发展要求的新型供电方式和供电设备，一方面有 利于深化对高速铁路相关技术的理解和认识，另一方面也为结合国情进行自 主技术创新奠定了一定的基础1 。 基于以上客观需要和实际意义，提出了牵引供电系统优化设计与决策评 估的应用研究课题，希望通过本课题的研究，提高牵引供电系统设计的全面 性，具有一定前瞻性，提高我国电气化铁道牵引供电系统整体水平，特别是 满足高速铁路( 含客运专线) 的实际需要，充分发挥电气化铁路带来的诸多 有利因素，促进铁路和地方的共同发展，推动社会的和谐进步。 1 2 电气化铁道牵引供电系统发展现状 1 2 1 我国牵引供电系统的特点 电气化铁道供电系统的简单构成如图卜1 所示。可见，实现电气化铁道 供电需要一次供电系统和牵引供电系统共同完成。其中一次供电系统是指电 力系统向电气化铁道的供电部分阳1 0 1 。在我国，电力系统通常以1 l o k v 或者 2 2 0 k v 的电压等级向电气化铁道供电，主要包括地方变电站或发电厂和交流 高压输电线，这两部分即为电气化铁道的一次供电系统。而牵引供电系统是 指完成对电力机车供电的属于铁路部门管辖的部分，它由牵引变电所、馈电 线、接触网、钢轨和钢轨回流线等组成u 。屹1 。 图1 - 1 牵引供电系统结构 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 我国牵引供电系统的主要特点有以下几方面3 i ： ( 1 ) 电力机车是单相移动性随机负荷，是一种负序源： ( 2 ) 主要采用非线性整流器机车，可以看作一种谐波源，并从电力系统和 牵引供电系统获取无功： ( 3 ) 供电方式及设备种类多样化，有直接供电方式、带回流线的直接供电 方式、串联吸流变压器( b t ) 供电方式、自耦变压器( a t ) 供电方式，这些 供电方式的技术和经济特性有较大的差异。牵引变压器有单相、y n d l l 接线、 s c o t t 接线、伍德桥接线、阻抗匹配平衡接线、十字交叉接线等形式，它们 具有不同的结构和性能特点。由于供电方式不同，接触网结构类型也较多。 ( 4 ) 牵引供电系统和电力机车在电气上是一个连续的整体，易于实现自动 化和信息化管理。 牵引供电系统中存在的主要技术问题，包括牵引变压器供电能力的提高及 增容、牵引网电压的调节、电力系统要求对谐波、负序、无功的治理等。为 解决这些技术问题，在设计和运行中需要对牵引供电系统进行深入研究，例 如：对各种供电方式的结构、参数、性能的分析计算和优化；对变压器过负 荷能力及对负荷平衡能力的研究；对谐波、负序、无功、电压损失、防干扰 能力等进行系统地分析和综合治理研究等等。可见，对电气化铁道供电系统 的基本要求可以概括如下u 4 j ： ( 1 ) 保证向电气化铁路安全、可靠、不间断地供电； ( 2 ) 提高供电质量，保证必需的电压水平； ( 3 ) 提高功率因数，减少电能损失，降低工程投资和运营费用； ( 4 ) 尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流、负序电压和高 次谐波的影响； 。( 5 ) 尽量减小对邻近的通信线路的干扰影响。 我国电气化铁道己运营了几十年，在实践中积累了大量的经验，但与铁路 电气化发达国家相比，在技术及装备上仍有较大的差距。特别是在面临高速 和重载的要求下，电气化铁道供电系统中更有许多技术难题需要解决。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 2 2 国外牵引供电系统概况 1 2 2 1 日本牵引供电系统n 5 1 6 1 日本1 9 6 4 年东海道新干线开通时，采用b t 供电方式，变电所间隔2 0 k m 左右，最大供电电流1 0 0 0 a 。但b t 供电方式存在很多问题，如在通过接触网 电分段时产生很大的电弧，极易烧坏滑板及接触导线，加之牵引网单位阻抗 很大，在大负荷情况下磨损很大，牵引网电能损失很大。1 9 7 2 年山阳新干线 正式采用日本铁道研究所开发的a t 供电方式，在这之后的其他新干线均采用 a t 供电方式，变电所间距约6 0 k m 左右，最大供电电流2 0 0 0 3 0 0 0 a 。无功、 负序、谐波的存在是从三相电力系统取电的电气化铁路单相交一直系统所固有 的三大技术问题。日本的研究和应用较为全面，如可调无功补偿及滤波，三 相一单相对称变换系统。2 0 0 2 年还投运了基于现代电力电子技术的电压波动 补偿装置( r a i l w a ys t m i cp o w e rc o n d i t i o n e r ，简记r p c ) 。此外，在高速铁路的 运营和管理方面，日本新干线也走在了世界的前列，成功经验值得我国学习 和借鉴。 1 2 2 2 法国牵引供电系统刀 法国t g v 高速铁路在东南线第一次采用a t 供电方式，运行速度为 2 7 0 k m h ，而后大西洋高速线、北方高速线等高速铁路均采用a t 供电方式，运 行速度均为3 0 0 k m h 。a t 变电所间平均距离为9 0 k m 左右，a t 主变压器二次 侧绕组中点引出并接地( 钢轨) ，这样可不必在变电所馈线上安装a t ，简化了 变电所的接线。为了限制电铁对电力系统的负序影响，法国采取了如下措施： ( 1 ) 牵引变电所由2 2 5 k v 供电，以确保变电所与系统联结点有足够的短 路容量； ( 2 ) 所有牵引变电所通过相序轮换接入电力系统； ( 3 ) 在电力系统薄弱、大密度行车时，单相负荷对系统影响可能超标的 牵引变电所，变电所按可以单相与“v ”接相互转换设计； ( 4 ) 电网短路容量不足的地区，牵引变电所设置补偿装置。 ， 法国高铁牵引供电系统的特点是设计简化、投资费用较低，我国京津城 际客运专线就借鉴了法国模式，实现了最高运行速度3 5 0 k m h 。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 1 2 2 3 德国牵引供电系统n 8 1 9 1 绝大多数国家的电气化铁路均取电于公用电网，电气化铁路用电都存在 电能质量问题而受到电力系统的限制。由于历史的原因，德国高速铁路采用 1 5 k v 、1 62 3 i i z 供电，铁路有自营的专用单相1 62 3 h z 的发电厂，给牵引 变电所供电，也有部分采用公共电力系统，经电气化铁路的变频站供给牵引 网。 汉诺威维尔茨堡i c e 高速线由4 个既有线和7 个新建的牵引变电所供 电；曼海姆一斯图加特i c e 高速线由2 个既有和3 个新建牵引变电所供电。在 新建和既有线的联结处，设有分区亭。为高速线供电的既有线牵引供电设备 都根据负荷的增加和短路功率的提高进行了加强和现代化的改造。高速线上 的新建牵引变电所和配电所都是统一规格的。每个牵引变电所都装有2 台 1 5 m v a 的变压器，实行双边供电，变电所间距约为3 0 k m 。德国牵引供电系统 的模式虽然使用范围有限，但在技术上不失为一种“理想牵引供电系统 ，值 得借鉴并加以发展，可作为我国的远期规划而加以研究。 1 2 2 4 西班牙牵引供电系统幢 西班牙电气化铁路牵引供电系统设计中力求尽量简单，牵引变电所的高 压输电线路较短，除必要的预留外，变电所的结构简化，接触网结构也采取 轻量化，最终确定了带回流线的直接供电方式，主变压器采用单相接线，因 为沿线有较密集的国家高压电网，这就为直接供电方式提供了很好的外部电 源条件。马德里一塞维利亚高速铁路采用了r e 2 5 0 型接触网，通过车站和变电 所附近的隔离开关实现并联供电。由于上下行负荷随坡度和加减速度频度的 不同而有很大差别，并联运行不仅使牵引网电能损耗和压降达到最小，并能 充分利用接触网的热容量。由于西班牙a v e 型列车采用了交一直一交传动方式， 采用0 9 8 的平均功率因数可得出2 8 k m 的最大供电臂长度。由于牵引变压器 采用单相接线，必然会对电力系统造成一定的不平衡影响。西班牙规定：电 压不平衡度长期不大于1 5 ，短时不超过2 。 1 2 2 5 韩国牵引供电系统瞳 韩国京釜高速铁路全长4 1 2 k m ，设计最高速度为3 5 0 公里小时，运营 的最高速度为3 0 0 公里小时。牵引供电系统采用a t 供电方式，设有牵引变 电所、自耦所、开闭所和分区所，各所均与电力配电所合建，不设独立的所 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 用变压器。全线共设有9 个牵引变电所，牵引变电所、分区所、a t 所均设a t ， a t 变间距8 l o u m 。变电所实行牵引供电与电力供电合建形式，设三绕组变压 器，变压器安装容量为2 ( 1 2 0 + 4 ) m v a ，近期单台运行，1 0 0 备用，在相 邻所故障解列情况下，可实现两台主变压器的并联运行。牵引变电所预留位 置，远期可增设第三台主变压器。牵引变电所采用1 5 4 k v 两路电源进线，牵 引变压器容量为1 2 0 m v a ，s c o t t 接线，高压进线及馈线侧1 5 4 k v 和5 5 k v 开关 设备均采用室外高压组合电器( g i s ) 设备，采用无人值班方式。 1 3 牵引供电系统设计主要内容 牵引供电系统设计一般包括预可行性研究阶段、可行性研究阶段、初步 设计阶段和施工图阶段。预可行性研究是牵引供电系统项目立项的依据，按 铁路建设的长远规划，经现场勘察后编制；可行性研究文件是牵引供电系统 项目决策的依据，根据批准的项目建议书，采用初测资料编制，可行性研究 的工程数量和投资估算要有较高精度；初步设计是牵引供电系统项目建设的 主要依据，根据可行性研究鉴定意见，修改、补充供电方案，补充各项计算， 初步设计文件经审查、修改、批准后，作为控制建设总规模和总概算的依据， 满足工程招标、设备采购、征用土地和进行施工准备的需要；施工图阶段则 需要解决两个问题，一是根据初步设计审批意见校核供电方案，进行各项技 术指标计算，二是配合建设、运营单位与电力部门协调、落实外部电源供电 方案。可见，牵引供电系统在各阶段都有设计内容，但主要集中在可行性研 究和初步设计阶段，其具体设计过程如图卜2 所示。 在设计过程中，方案比选环节是最为关键的部分，一般牵引供电方案包括： 牵引网供电方式、牵引变电所、开闭所、分区所分布方案、牵引变压器接线 方式及容量计算、接触导线和供电线选择、牵引网电压水平及补偿措施、牵 引能耗及电能损失计算、接触网的供电及运行方式、无功补偿和滤波装置设 计等。为了得到推荐方案，需要根据相关专业提供的详细资料，进行电气计 算，并将计算结果和其他资料进行综合技术经济性比较，征求运营单位( 主 要是铁路局) 和电力部门的意见，进行最后的落实工作。 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 1 上阶段审奇意弛 2 ，线路甲纵断面图( 线路) 3 货物列车质鼍，编挂年辆厦空蘑车漉向( 运 输翱织) 4 、舡纽地甄总图规划( 站场) 5 、相天孥业匠计原则 1 初，近远期开站顺序及技术作也站运输组 织) 2 ，近远期机年交路及机务设备分布( 机务) 3 、凯午囊掣厦技术磬敏f 机务运输组织) 4 电化区段设置吸回装置( 通信) 1 ，韧，近远期客货列车对数及客货列漉图( 运 输组织】 2 、区间走行时分牵引耗电t ( 运输组织) 3 、i x 段货流南度衷( 纾济返匿j 4 牵引变电所提供动力变电罅的资料( 电力) 一、工作准备 1 结合e 阶段审批意i 见r 解线路疗案，站场 疗案和主要技术杯带的变化；收集运营单位意见 2 、进步熟悉外部电源情况： 二供电斤素最计 1 ，根据t 阶段审批慝她相l 要挫术标准以及通 信号业费求确定避钉疗案比段的供电方式： 2 ，结合预吖竹陛岍，冗审批意吧、线路疗案站 场方案、毛娶技术标准和讣部电源条件抽置牵引供 电疗案 3 ，确定参加比选的牵引变压器接线型式 二、供电；p 算 i 、牵引变压器客摹电雎水平 并补存羹、能耗、负序，谐波；f 算 2 、2 ( h m i n 电流计算 3 ，阶梯电流计算 调整 供屯 方案 丙 网、方案确定 满足需要，并通_ i = 扯技术会议审态，确定痒 引阿傲电方式，推荐方橐及比较方案、牵引 变腿器接线但式 五、完威文件编制和图纸绘制 1 ，提受f 序资料： 2 、编制总说明书票材： 3 、编1 ；电气化格文什( 送审单) ： 4 绘制牵引 c 电设施小意图和牵弓 网供电方式示 意罔 图1 - 2 牵引供电系统可行性研究和初步设计过程 1 4 牵引供电系统设计中存在的主要问题 毛要设计原则审查卡片 向电力部】发征求意见函 1 牵引供电1 殳施分布馈线 ( 变电、接触嘲) 2 、牵引变电所主变、并补安装 客帚( 童电) 3 ，2 0 m i n 电漉( 变电接艟 哪) 4 ，节约能源措施，工程措施及 指标分析f 机务) 5 ，上要耗能点的分布及数量 ( 机务) 6 总说啊括素材f 总体) 7 、牵引供电系统图f 通信、信 号) 8 、供电臂列车运行电流阶梯图 ( 通信信弓) 综合考虑技术因素、经济因素以及社会因素的要求，牵引供电系统设计 是一项值得深入研究的系统工程。铁道部制定了铁路电力牵引供电设计规 范( t b l 0 0 0 9 2 0 0 5 ) ，以标准的形式对牵引供电系统的设计提出了规范，要 求设计过程中做到安全适用、技术先进、节约能源、经济合理和维修方便。 此外在可行性分析阶段中还需要重视社会效应和( 自然) 环境效应的评价，所 以针对这些规范和要求，设计过程中需要进行决策评估和优化设计。当前牵 引供电系统实际设计过程中尚存在一些不足，有待进步补充和完善。 1 4 1 方案优选环节缺乏有效的综合评判 电气化铁道牵引供电系统设计过程中存在众多方案比选环节，设计人员 首先需要考虑各种影响因素，建立合理的评价指标体系，这也是综合评判的 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 基础。但当前的设计较多考虑技术、经济因素，而对社会因素、环境因素的 评价指标较少而且不够确切、全面，因而设计过程中设计者很难把握设计的 科学性和系统性。此外，在多种方案的对比论证中仍停留在采用简单的分析 方法上，或者对单一方面进行分析评价，没有一个统一的标准，更没有进行 量化，无法进行综合性评价及形成综合评价结果。因此，当面对多个可选择 方案时，设计人员只能凭借主观判断进行取舍，其决策结果很可能是片面的 甚至是错误的。 随着计算机技术和优化理论的迅速发展，一些专家开始致力于牵引供电 系统的优化设计，从而大大提高了设计方案的科学性和合理性，给传统的设 计工作注入了新的活力。针对牵引供电系统优化设计的研究，国外相关文献 较少，国内仅西南交通大学、铁道科学研究院和铁道部第一勘察设计院曾对 牵引供电系统的优化设计技术进行过一些理论研究工作，具有一定的指导意 义。 西南交通大学石理等人采用网络多元选址技术实现了牵引供电系统的方 案优化，该方法通过对传统的网络上离散型线性多元选址理论的深入研究， 提出并论证了一般网络及树型网络中求卜中位点和绝对卜中位点的算法，证 明了一般网络中多中位点问题和绝对中位点问题分别是n p 等价的和n p 难解 的，并讨论了其近似解法，而树型网络中的多中位点问题是多项式问题可解 的。根据电气化铁路供电系统的实质，对与其相似的退化树型网络作了深入 地探讨，通过求解该模型绝对多中位点( 或局部绝对多中位点) ，从而得出牵 引供电系统的最优方案，即确定在牵引网能耗最低的情况下，牵引变电所的 最佳布点方案。该方法理论性较强，计算较复杂，没有考虑地理环境和工程 造价等因素的影响，因此在实际应用中受到了限制。 西南交通大学李群湛等人在牵引负荷过程计算机仿真的基础上，得到了 牵引负荷( 或牵引能耗) 沿线分布( 密度) 函数，构造了最小功率损失模型和最 小工程费用模型，综合考虑了所有设计方案的经济效益和技术指标，提出了 一种寻优算法，通过算法设计和模拟计算已能验证寻优设计不仅能使系统满 足各种技术条件的要求，同时能实现最大限度地节能或节资，并获得牵引变 电所及其分区所在供电系统中的最佳分布，即最佳位置、最佳容量和最佳数 目( 个数) 。以某条电气化线路为例，计算表明仅一个牵引变电所及所辖牵引 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 网每年的节能折合2 0 - 3 0 万元人民币，已是一个相当可观的数字。上述方法 使牵引供电方案的优化问题得到一个封闭解，从而在实际应用上更简便。 铁道部第一勘察设计院肖志强和中国铁道科学研究院林翔等人在牵引供 电系统的评价方面进行了初步探讨，提出只有对所有满足技术条件的供电方 案在人身安全要求、对未来社会与环境的影响、费用、可靠性等方面进行多 目标评价后，才能筛选出较优方案，并采用动态费用与效益分析方法，实现 了牵引供电系统设计的合理安排和正确评价。但是牵引供电系统对环境、社 会的影响以及其电能质量问题的评价由于很难与费用指标直接挂钩，同时各 因素对牵引供电系统的影响程度仅采用费用指标很难全面体现，缺乏整体的 评价体系和科学的评价方法。 总体而言，牵引供电设计是一项复杂的系统工程，影响因素众多，且带 有一定的模糊性和不确定性，其设计方案需要先后经过包括设计、管理甚至 科研等多个部门的审查和校核，实质上是一个优化和决策评估过程。虽然经 验丰富的设计者通过“拍脑瓜 的方式往往得出较好的方案，而这种依靠主 观判断的方法又缺乏理论依据和存在较大的偶然因素( 如设计者的知识经验、 心理因素的作用) 。而数学优化方法由于实际问题的目标函数、约束条件等很 难用数学式表达清楚，导致求解繁复，且数值分析方法缺乏启发性推理的能 力，无法进行知识积累。此外，现有的优化设计多是基于单一目标，近年来 牵引供电系统实际设计呈现出决策因素复杂化，决策者多元化，不确定因素 增加等新趋势，传统的评价体系和评价方法难以满足要求，如果能够既利用 数学优化和专家决策的优点，又克服二者的局限性，系统地处理包含多种不 确定性的定量和定性因素，充分体现多元决策主体的意见和偏好，将大大提 高当前牵引供电系统的设计水平，最终方案也容易得到各方的接受。 1 4 2 设计阶段缺少可靠性评估环节 我国高速铁路( 含客运专线) 的大规模兴建，使其供电可靠性倍受关注。 目前国际上将传统的可靠性评估扩展为对系统可靠性、可用性、可维护性和 安全性的全面评估，即r a m s 评估。文献 2 2 提出最早的关于铁路可靠性的国 际标准，文献 2 3 初步探讨了铁路供电可靠性的评估，但由于不是定量形式， 难以用于实际工程项目的r a m s 评估中。文献 2 4 提出了高速铁路牵