高铁供电应用技术发展的几项重点及工程化路径

刘再民



高铁供电应用技术发展的几项重点及工程化路径

刘再民

对高铁供电应用技术的8项重点内容进行阐述，为推进其工程化应用和高铁供电技术的长足发展奠定基础。

高铁供电；应用技术；工程化

0 引言

截至2017年底，中国铁路营业里程达12.7万公里，其中高速铁路突破2.5万公里，占世界高铁总里程的2/3。我国成为世界上高速铁路建设里程最长、运行速度最高、运营场景最丰富、对自然环境适应性最强的国家。牵引供电专业应充分利用和依托我国高铁路网规模和大数据优势，应在智能牵引供电、中国标准接触网、牵引供电继电保护理论及配置、接触网状态评价理论及方法、牵引供电系统雷电防护技术、现代化检测维修装备、接触网自动化生产预配、节能节支铁路供电技术8个重点方向取得工程化实质性的进展和突破。

1 智能牵引供电

中国铁路总公司提出，要全力推进智能型复兴号动车组重大科研攻关，统筹推进智能牵引供电、智能调度系统、智能安全保障、智能设备设施检测监测系统研发，形成智能高铁系列技术创新成果。推进智能牵引供电工程建设，对形成智能高铁系统技术体系具有重要意义。

1.1 概念与内涵

智能电网的基本概念是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、设备技术、控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好的目标。其主要特征包括自愈、自适应、互动性、经济高效等。

智能电网的建设龙头和主要工程标志是智能变电所，从应用技术角度，其基本内涵为：

（1）基于网络化广域测控保护技术，联通牵引变电所信息孤岛，优化变电所和接触网系统单元和功能，进行系统整合，多信源数据共享，实现供电模块单元故障隔离、快速重构；

（2）基于自动化测控技术，通过关键电能电量参数的自适应和自调整，实现系统自律运行；

（3）基于设备健康诊断与故障预测技术，实现关键设备服役性能状态智能评估、故障精确诊断、定位及预警；

（4）基于调度决策支持系统技术，推演供电运行方式、停送电网格（区段）划分、车流组织、客流疏导等各要素间相互影响的调整策略方案，辅助行车和供电调度指挥；

（5）基于供用电经营决策支持系统技术，对牵引供电负荷率、利用率、损耗率、功率因数、再生制动电能利用与回馈等在线监测、实时综合分析，动态提供最佳经营策略。

智能牵引供电工程建成后，牵引供电的可靠性和先进性水平得到整体提升，实现健康诊断、故障隔离、重构自愈、运行自律、经济高效的目标，属于新一代高铁牵引供电系统。

1.2 技术版本管理

V1.0版：牵引变电所站域测控保护、辅助监控系统平台形成；网络通信网建成，信息流走向明晰；部分一次高压系统智能组件具备功能，变电所内结构单元分割初步优化，SCADA系统与行车调度指挥CTC系统信息关联，实现变电所内模块化隔离重构；变电所运行可靠性整体得到加强，运行值班值守无人化。V1.0版是基础，重点在于突出智能平台的搭建和信息互动网络建设。

V2.0版：枢纽所亭间及接触网供电单元间广域测控保护、枢纽所亭继电保护配置层级得以简化，继电保护可靠性、灵敏性、选择性、速动性得以保证或加强，部分供电单元实现故障重构，提升枢纽地区供电可靠性和灵活性；关键电能电量参数的自适应和自调整，变电所内结构单元分割优化完成；供用电决策支持技术系统得以形成。V2.0版重点在广域测控技术，突出自愈和重构功能。

V3.0版：牵引变电所亭一次高压系统智能组件、单元组成，关键设备服役性能状态智能评估、故障精确诊断、定位及预警；SCADA系统整体升级，供电调度和行车调度指挥信息相融合，达到推演供电运行方式、停送电网格（区段）划分、车流组织、客流疏导等各要素间相互影响的调整策略方案，辅助行车和供电调度指挥技术条件。V3.0版重点在智能组件和调度系统融合，突出系统高级功能目标的实现。

建设初期各系统信息流的走向是，广域保护信息归集既有SCADA系统，辅助监控系统主要信息归集到供电调度，智能故障诊断信息暂归集到供电段运维系统。

1.3 综合试验验证

根据高速铁路智能关键技术综合试验安排，在京沈客专阜新北和黑山北牵引变电所间约50 km，包含2座变电所、1座分区所、2座AT所范围内，对智能牵引供电系统进行了试验验证。试验结论为：智能牵引供电系统运行正常，关键设备运行稳定，各项功能指标及安全性、可靠性满足预期要求，取得的阶段成果可应用到智能京张建设项目，可为后续工程提供技术支撑。

京张高铁是我国高铁技术升级的标志性工程，智能京张牵引供电系统工程主要包括：智能设备设施（智能变电所）、智能调度、智能运维、智能检测监测4部分。目前，智能京张牵引供电系统工程正在按计划稳步推进。

1.4 工程化应用

（1）根据装备技术条件、重要性程度、工程造价等差别因素，建议智能牵引变电所可按300～350 km/h高速铁路、200～250 km/h高速铁路、普速铁路不同等级分级建设。

（2）参考电力系统推进智能变电站的相关经验，建议后续新建铁路工程项目中，可分别选取高速和普速铁路的部分变电所，推进不同级的试验验证或示范性工程建设。

（3）在总结京张高铁智能牵引供电工程建设成果基础上，建议从铁路工程建设、设计、施工等环节梳理，根据需求和职能分工，分别组织制定《智能牵引变电所技术导则》、《路智能牵引变电所设计技术规定》、《牵引变电所施工技术规范》等规范和标准，完善管理流程，为后续工程规范顺利推进创造必要条件。

2 中国标准接触网

中国标准接触网（暂简称CRCS），总结高铁运营10年来的经验，集成国际各代表性典型技术体系优点，克服各技术体系在运营中暴露出的、已认知的缺陷和问题，系统结构合理，弓网关系技术指标优异，装配制造工艺工法先进，具有鲜明的中国高铁技术特点。

2.1 主要技术特征

中国标准接触网的主要技术特征是弹性链形悬挂、三角结构、非限位定位、销轴、绞式联接、硬支撑、锻造工艺。总体理念上，考虑系统可靠性和装备采购、安装、维护、更换等全寿命周期成本平衡，利于推行规模化采购及数控机床生产线精准预配，降低维修备件库存，减少维护工作量等。

2.2 综合试验验证

京沈高速铁路综合试验段“新型简统高速铁路接触网”重大科研课题提供了试验验证支撑。定位器采用与受电弓包络线匹配性好、空间安全裕度大的弓形结构，与定位底座连接采用非限位、销轴铰接方式，定位线夹双夹板配套T型定位销钉，电气连接和耐磨性好；集成承力索座与套管座、定位环与支撑卡子功能结构，采用组合式零件等。与现行主流装备系统相比，每套装置零部件数量由23件减少为14件，减少39%，螺纹副数量由30套减少为13套，减少57%，螺纹副紧固力矩种类由6种减少为3种，减少50%。从目前获取的接触网及弓网关系动静态检测数据分析结果看，各项指标达到系统设计和试验仿真目标要求。

2.3 工程化应用

下一步，分别选取350、250、200、160 km/h速度等级线路，扩大试用验证范围。从技术标准层面，按照不同速度等级序列，尽快分别制定中国标准接触网系统技术条件和装备技术条件，明确系统基本内涵技术特征、典型外部边界条件、关键技术要点等。

3 牵引供电继电保护理论及配置

3.1 存在问题

高铁供电负荷具有波动大、短时波峰高、再生及涌流干扰因素多等特点。高速铁路动车组采用交直交IGBT电子器件，与以往直流电力牵引机车相比，负荷电流谐波特征分量发生根本变化，各车型间的电流频谱分布更加离散。原有的牵引供电继电保护理论及配置难以适应高速铁路的发展要求。

因历史发展的原因，现有高铁供电系统中，多种继电保护理论和技术路线相互交错。仅馈线侧阻抗保护特性，就有四边形、平行四边形、多变形等多种型式，各种型式中又分过原点或不过原点的组合特性。不同技术路线中，对馈线侧速断、过流、阻抗、高阻等几类保护的主备功能定位及分工，乃至于技术术语都存在较大差异等。上述问题的存在使得各个设计院、各个供货商之间容易形成天然技术壁垒，给保护系统配置、功能验证、产品认证、设备维护、故障分析等带来较大的困扰和问题，不利于整个行业的技术发展与进步。

3.2 发展现状

当前，无论是高校专业教育，还是具体的工程项目设计，在高铁牵引供电继电保护计算和配置方面，均出现了与电力系统同质化的趋向。事实上，广泛应用于电力系统的继电保护理论和方法并不能完全适用于高铁供电系统运行的实际工况和特点，这也是高铁牵引供电出现保护误动、拒动、越级跳闸停电，频繁造成动车组断电停车，现场分析解决故障困难的根本症结所在。

3.3 解决途径

基于以上认识，组织对我国高铁牵引供电继电保护的配置原则、逻辑判定关系、整定计算公式、关键指标取值、数据采集要求、保护动作特性、定值分组原则等进行系统研究，研究的成果将以《牵引供电系统继电保护配置及整定计算技术导则》文件发布，作为相关专业遵循的标准性技术文件。该标准发布后，将对牵引供电综合自动化控制技术和装备发展产生较为深刻和长远的影响，后续还需继续进行大量具体的技术管理工作。

另外，高铁路网规模还在不断扩大，运营场景也越来越复杂，对适用于大型枢纽地区的广域测控、适用于类似西成高铁等长大坡道的接触网过热保护等新型技术，提出了新要求，需加快装置研发，尽快完成相应的技术储备。

4 牵引供电系统雷电防护技术

4.1 存在问题

高速铁路开通运营后，雷雨天气下接触网的跳闸和设备故障问题突出，雷电引起的跳闸次数占比达70%，成为影响高铁正常运输秩序频次最高、劳动力投入（人员出动添乘或上线查找确认）最大的因素。我国高铁接触网主要以避雷器作为雷电防护技术措施，研究表明，避雷器适用于隔离开关、电缆头等重点设备的小范围防护，对带状分布的线路型接触网的防护效果很有限。密集设置避雷器后，由于器件本身故障概率高，现象隐蔽，排查困难，造成长时间停电影响运输秩序，效果并不十分理想。

4.2 工程加改实践

2013年7月，在借鉴电力系统高压输电线路和日本等国接触网雷电防护经验，结合有关铁路雷电防护科研成果基础上，原铁总运输局明确提出了“按照经济技术比较实施差异化设防原则，以架设避雷线为主，重点位置设置避雷器”的接触网雷电防护技术路线，并积极推动京沪、京广、哈大等高铁线路接触网防雷措施加强改造。至2015年，京沪高铁完成加强线改架空避雷线1 026条公里，新增架空避雷线755条公里，其他高铁线路分区段完成架空避雷线加改859 km。改造后高铁线路接触网雷雨跳闸率显著下降，以京沪高铁为例，2014年全线雷雨跳闸件数较2012年减少72次，下降58%；2015年较2012年减少80次，下降65%。

4.3 技术标准制定与工程化推进

2016年，以近几年高铁防雷工程加改实践经验为支撑，在中科院陈维江院士团队的技术支持下，编制形成了《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》文件稿，首次以技术标准文件的形式提出了依照地闪密度、雷暴日、雷击跳闸率3项指标综合评估高铁接触网雷电活动强度，按接触网雷击跳闸次数限值分段设计的高铁接触网雷电防护工程设计思想，给出了高速铁路接触网雷电防护工程的实施条件、技术措施、雷击跳闸率归算方法、限值控制指标、工程实施方案和图例等，并以[铁总运2016（237）号]文件发布，填补了我国高速铁路牵引供电系统雷电防护应用技术标准的空白。

经各方努力，后续新建工程项目中，先后有金丽温、广佛肇、莞惠、长株潭、赣瑞龙等高铁，按照《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》内容，纳入了接触网雷电防护工程内容，在工程设计源头上使接触网具备了雷电防护能力。

4.4 后续工程化推进需要解决的问题

《高速铁路牵引供电系统雷电防护技术导则》只属于一个技术标准性文件，没有从根本上解决“铁路工程建设程序性”问题，只是解决了一个“技术标准依据性”问题。同时，该标准和高速铁路电磁兼容以及接地工程规范等建设标准处于不同序列，无形中对专业设计尤其是专业接口设计等带来诸多困难或不便。应积极推动，尽快形成高速铁路牵引供电雷电防护工程设计标准或规范，既是对我国高铁建设设计标准体系的完善，也是中国铁路“走出去”的必然需求。

5 接触网状态评价理论及方法

5.1 研究的重要意义

近几年，我国高铁供电6C检测装置研发与运用得到快速发展，接触网质量分析诊断和状态评价有了可靠有效的数据平台。高铁供电检测监测（6C）系统要在接触网准确诊断、精准维修、高效应急、科学评价方面发挥作用。建立质量评估理论模型，确立质量分析诊断和状态评价指标及方法，是实现接触网定量诊断、精准维修的必要条件；是科学制定维修策略、合理分配维修资源的重要依据；是科学评价弓网关系，推动弓网系统技术进步和发展的技术核心。我国高铁具有运营大数据充分的独有优势，理应占领接触网质量分析诊断和状态评价技术标准的制高点。

5.2 与已有指标的主要区别

按照《高速铁路接触网运行维修规则》确定的管理框架，接触网分析诊断和状态评价2种指标具有不同的概念和内涵。“分析诊断”是设备实施状态修中，“检测-分析诊断-修理”三要素之一，对象为接触网单体设备，其技术指标表征偏于单项，重在阈值管理；关注“局部或点”，目的是“修”；适用重心在生产一线，例如供电段、车间、班组。“状态评价”对象为接触网设备单元或区段，其技术指标表征偏于系统，重在趋势性发展及横纵向对比判断；关注“全线或面”，目的是“管”；适用重心在铁总、路局，或设计及科研院所等单位。关于接触网分析诊断，在《高速铁路接触网运行维修规则》中，对其阈值的标准定义和取值方法，以及各项管理值指标都进行了明确和规定，不再赘述。

5.3 研究的分项及内容

根据需求，接触网状态评价指标分为动态检测大值评价、静态质量评价指数、弓网关系和受流性能评价指数3项。

（1）接触网动态检测大值评价。以1C检测数据为平台，建立接触网动态几何参数、平顺性参数、弓网受流性能参数等各分项阈值指标，给出一、二级超限大值的同时，赋予各单项指标不同权重分值，以正线公里为评价单元，根据每公里扣分值进行评价，＜10为优良公里，10≤＜40为合格公里，≥40为不合格公里。根据区段内各分值公里占比百分数，得出区段优良率、合格率和不合格率。

（2）接触网静态质量评价指数（Catenary Static Quality Index）简称CQI。以4C检测数据为平台，对接触网主要静态几何参数与标准值以及标准状态值的偏差水平进行评价，得出指数值CQI，反映接触网结构空间几何位置偏离理想设计布置的程度。CQI以接触网锚段为评价单元，单位为mm。

（3）弓网关系和受流性能评价指数（Catenary Pantograph Operation Index）简称CPOI。以1C和4C检测数据为平台，通过将接触网动态几何参数、弓网动态接触力和弓网动态燃弧的评价结果按其对弓网关系和受流质量的影响程度，构建评价函数模型，并对各分量加权计算，得出关于弓网动态受流性能的综合指数值，用于综合反映和定量评价弓网关系和受流水平。以接触网锚段为评价单元，无量纲，数值范围0～10。

5.4 推广与应用

前期，中国铁路总公司科研课题立项，对我国高铁接触网质量评价方法和标准进行了研究，研究形成的“接触网动态检测大值评价”成果，已经纳入中国铁路总公司标准，2015年开始，在全路高铁接触网运行质量月度评价、新建工程联调联试以及高铁达标线建设验收评估中得到广泛应用。

“接触网静态质量评价指数（CQI）”和“弓网关系和受流性能评价指数（CPOI）”2项指数研究得到了总公司重点科学研究课题的支持，已取得阶段决定性成果，目前正在选取典型高铁线路进行数据验证与拟合工作，准备纳入中国铁路总公司企业标准。该项标准具有国际普适性，各国铁路可直接使用或对部分参数根据情况微调后应用，且属国际标准空白，具备作为国际标准内容的条件。

5.5 标准的输出

国际铁路联盟（UIC）是由铁路运营机构和与铁路相关的组织参加的非政府性铁路联合组织，迄今已有200多个成员，我国是该组织成员国之一。利用UIC E&ET专业组的平台，获得UIC科学研究项目支持，是主导制定IRS相关标准的重要环节。54届UIC E&ET专业组会议于2018年7月召开，由铁科院集团公司代表中国铁路，以“接触网质量评价方法”为题，申请国际铁路联盟（UIC）科学研究项目支持，其成果将转化为IRS标准。通过主持国际标准的制定，加强与国际组织及同行专家的交流合作，有利于拓展我国铁路供电技术研究团队的国际视野，锻炼队伍；通过输出中国高铁标准，有助于扩大我国高铁的国际影响力。

6 现代化检测维修装备

依靠中国高铁发展需求强大动力牵引，通过原始创新，近几年，供电检测维修装备的研发和应用取得了历史性突破。近期的重点是，合理界定各型装备的功能定位、系列组合、配属对象、运用主体、布局规模等，融入工电装备发展规划大局，立足当前，兼顾长远，系统规划，尽快迈入系列化、标准化、规模化的发展轨道。

技术标准方面，总结近年6C装置现场运行经验，尽快完善6C系统和各装置技术条件，补充各检测装置数据采样和输出规约标准，满足6C检测数据融合需求。

装置功能方面，重点做精做深1C和4C，完善3C功能，突出其等速、实况、实时特点，解决定位不准和覆盖率不足问题；加快智能深度学习技术应用，提升4C装置的智能识别水平。

装置配属方面，推动《智能京张精品工程高铁供电安全检测监测6C系统技术实施方案》落实，以智能京张为示范引导，推动供电专业6C系统安装配置标准化。

装置源头质量和检测精度控制方面，推进将6C系统主要装置纳入CRCC铁路产品认证序列；加快铁路基础设施检测中心6C系统评定（标定）实验室分期建设进程，2018年底开始发挥作用。

装置运用和数据分析方面，落实《高铁接触网运行维修规则》内容，不但要充分发挥6C装置在接触网准确诊断、精准维修、高效应急、科学评价方面的作用，而且要在改变传统检查测量方式，替代人工项目，降低上线作业比重和劳动强度的效能上发挥更好的效果，让一线管理者和现场职工能够拥有更多更好的体验和获得感。

7 接触网自动化生产线预配

高铁对安装精度和质量要求越来越高，人工成本不断增加，智能技术迅猛发展，接触网零部件推行数控机床生产线精准预配成为大势所趋。当前在腕臂预配组装、吊弦机器人流水线制作加工2个方面得到突破。吊弦制作加工机器人流水线已经有装备投入运用。总公司调整物资采购方式，试行将整体吊弦不纳入甲供物资目录，施工单位对产品质量负责，并成为整体吊弦成品的供货商。智能化技术发展带来的变化，不仅仅对组装流程的再造，也可能对物资加工采购供应链，对建设程序以及现场施工现场组织方式等带来根本性的变革。

8 节能节支铁路供电技术

2017年，中国铁路总公司管内电气化铁路用电量达688亿kW·h，相当于三峡水电站年发电量的70%以上，牵引供电节能节支技术潜力巨大。当前，应从减少电网资源占用、加强再生能源回收利用、降低输变电过程电能损耗3个方面入手，可以在研发新型高过载（抗短时）性能牵引变压器，降低安装容量，减少容量费用支出等方面下功夫，可以探索研究在优化供电运行方式，合理电能潮流调配，加装能量吸收装置，充分利用再生制动电能等项目上取得突破。

9 结语

在高铁供电运营管理中，要以问题为导向，解决遇到的瓶颈和现实问题，保证高铁供电安全持续稳定，同时要发挥我国高铁路网规模大数据优势，不断总结高铁运行规律，通过需求牵引，不断创新，引领高铁供电应用技术得到长足发展。

The contents composing of 8 key points in application technology for high speed railway power supply are illustrated, consolidating a foundation for substantial development of power supply technology for high speed railway and its engineering application.

Power supply for high speed railway; application technology; engineering application

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.001

U223.1

A

1007-936X(2018)06-0001-05

2018-10-19

刘再民.中国铁路总公司工电部，高级工程师。