武广高速铁路运行时分和供电系统能力评估

■ 汪自成 王猛 黄足平 李红梅

汪自成：中铁第四勘察设计院集团有限公司，工程师，湖北武汉，430063

王 猛：中铁第四勘察设计院集团有限公司，高级工程师，湖北武汉，430063

黄足平：中铁第四勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师，湖北 武汉，430063

李红梅：中铁第四勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师，湖北 武汉，430063

列车牵引能耗是高速铁路牵引供电系统设计输入条件中的一个重要资料。相同线路条件下，牵引能耗资料又与列车运行时分（列车速度）密切相关，不同运行速度列车能耗不一样。针对武广高速铁路，利用OPEN TRACK软件对运行时分进行模拟仿真，根据仿真结果利用OpenPowerNet软件进行牵引供电系统能力评估。

1 OPEN TRACK & OpenPowerNet软件

OPEN TRACK软件是一款功能强大的先进运营仿真模拟软件，广泛应用于高速铁路设计和运营管理工作中。OPEN TRACK运营仿真考虑了列车运行动力学特性（车辆质量、列车阻力、旋转质量、线路坡度、曲线阻力、推进性能和控制、粘附力等）和运营（定线、轨道线路、时刻表、限速、信号特征等）的所有参数。

OpenPowerNet软件是一种用作能量预测和分析的工具，用于供电装置额定功率设定和优化，由电网供电计算（PSC）和列车模块（ATM）两部分组成。OpenPowerNet软件计算基础数据是OPEN TRACK软件输出数据，同时进行电网仿真处理供电系统和接触网系统电气参数（电网和变电所结构、阻抗、效率等）。OPEN TRACK & OpenPowerNet软件工作关系见图1。

2 武广高速铁路运行时分仿真

2.1 仿真条件

OPEN TRACK运营仿真所需数据库文件见图2。

武广高速铁路运行仿真条件中机车车辆类型为CRH3，下部结构数据为施工图阶段各专业间提供设计数据，时刻表为中铁第四勘察设计院集团有限公司（简称铁四院）行车专业对武广高速铁路编制的运行图。

2.2 仿真结果

首先根据给出的列车和下部结构数据计算每辆列车的速度概览图和运行时间。对两种情况进行分析，一种是16辆编组CRH3不停站运行情况，另一种是16辆编组CRH3经停站新长沙、新衡阳站的运行情况。两种情况距离（S）-速度（V）曲线见图3、图4。

由图3可知，两条速度曲线在某些区段无法达到或保持350 km/h的最高速度。原因是CRH3型动车组2×8 800 kW功率无法保证动车组持续350 km/h运行，特别是在纵向坡度较大区段，最高速度降至300 km/h以下。由图4可知，中间停站后，列车需要较长距离加速才能至最高速度。两条速度曲线在很多区段都无法达到或保持350 km/h的最高速度。

武汉—广州南站和广州南—武汉站的运行时分见图5、图6。

由图5可知，CRH3不停站运行时OPEN TRACK模拟出的最短开行时间约为2 h 55 min，与铁四院编制的时刻表中列车开行时间（2 h 59 min）只差4 min，实际时间富余量为2.6%。

可靠的运营规划一般不采用计算的最短开行时间。为了补偿一些外部影响，要在最短开行时间上增加一些时间富余量。欧洲高速铁路时刻表规划中通常采用5%～7%时间富余量。若按欧洲惯例，武汉—广州南站不停站开行计划时间需3 h 4 min。同样，模拟仿真结果显示武汉—广州南站经停新长沙、新衡阳两站后，全程最短运行时间约为3 h 13 min，与铁四院编制的时刻表中列车开行时间（3 h 15 min）只差2 min，实际时间富余量是1.7%。若按欧洲惯例，武汉—广州南站经停新长沙、新衡阳两站后开行计划时间需3 h 21 min。

在制定列车运行图时应重点关注模拟仿真时间比计划时间长的线路区段，这些区段是以后运营规划中进行调整的关键区段，对于武广高速铁路来说郴州—乐昌区段是关键区段。

3 武广高速铁路牵引供电系统能力评估

3.1 系统能力仿真条件

供电系统能力仿真条件：运营计划图和牵引供电设施资料。

针对武广高速铁路，根据上述模拟仿真的运行时分编制运营计划图。武广高速铁路牵引供电设施资料为沿线分布20座牵引变电所、19座分区所和37座AT所，牵引接触网导线组合为BzII-120（承力索）+CuMg-150（接触线）+ LGJ-300（正馈线），牵引变压器容量为2×（31.5+31.5）～2×（40+40）MVA或2×63～2x75 MVA，自耦变容量为4×12.5/25 MVA（分区所）、4×16/32 MVA（AT所）。

3.2 系统能力仿真结果

供电系统能力模拟仿真应采用最高运行速度350 km/h且无任何时间富余量的情况，此时列车模拟仿真得出需要的牵引供电系统能力也最大。一般验证牵引供电系统能力不需模拟全天运营计划。根据经验，牵引供电系统能力只需校验和评估能否满足交通最繁忙时段的牵引负荷需求。

武广高速铁路牵引供电系统能力仿真采用运营计划图中最大交通负荷条件下1 h时段（最小运营发车间隔时的最多运行列车数）。通过OpenPowerNet软件仿真，得到武广高速铁路牵引供电系统仿真结果及用于评估的内容：（1）最大及平均变压器功率，用于主变容量和电网能力评估；（2）15 min变压器功率，用于电网能力和电能能量评估；（3）1 h自耦变压器功率，用于自耦变容量评估；（4）变电所、分区所及AT所的母线和连接电缆RMS电流曲线IRMS（t），用于开关设备和连接导线评估；（5）馈电最大及RMS电流，用于开关设备和连接导线评估；（6）回流电缆最大及RMS电流，用于开关设备和连接导线评估；（7）接触网RMS电流曲线IRMS（t），用于接触线及承力索载流量评估；（8）受电弓电压曲线Umin（s），用于电压稳定性和牵引供电结构合理性评估；（9）短路电流水平Ik（s），用于接触电压计算及保护装置评估；（10）运营及短路条件期间的最大轨对地电位UREmax（s），用于接触电压评估。

主变容量及各种电流、电压水平等部分结果见图7—图11。

4 结论及建议

武广高速铁路运行时分模拟仿真结果表明，目前编制列车运行图所采用的单列列车开行时间（2 h 59 min）相对实际运行时间（2 h 55 min）的富余量仅为2.6%，比欧洲高速铁路时刻表规划中通常采用的5%～7%时间富余量小，不利于应对实际运营过程中突发事件的时间补偿，建议适当延长编制列车运行图所采用的单列列车开行时间。

武广高速铁路牵引供电设施分布设计及各种设备容量选取满足运营要求；受电弓电压情况稳定，线路局部区段电压可能降低到25 kV额定电压以下，但是对列车功率及行车动力没有影响。由于远期牵引负荷电流较大，接触悬挂电流大于目前BzII-120+CuMg-150组合载流量，建议接触网设计在各牵引变电所与第一个AT所区段预留安装加强线条件。

[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司．新建铁路武汉至广州客运专线乌龙泉至韶关段修改初步设计电气化文件[R]，2007

[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司，中国中铁二院工程集团有限责任公司，OPB．新建铁路武汉至广州客运专线电气化专题咨询报告[R]，2008