高速铁路供电可靠性

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1、高速铁路供电可靠性研究摘要： 高速铁路作为快捷舒适、 超大运量、 低碳环保的运输方式已经成为世界铁路发展的重 要趋势，是解 决客运供需矛盾的重要手段之一。 “十一五”期间，我国高速铁路的发展实现 了重大跨越，铁路建设取得了 突出成就，己有 8358公里高速铁路投入运营，为经济社会发 展提供了坚强的铁路运输保障。 牵引供电系 统为高速列车提供动力， 电力供电系统为行车提 供信号、通信用电， 整个供电系统是高速铁路的核心组成 部分，必须满足高可靠性、高可用 度、低维修费用和低风险的要求。 在本文中， 研究了高速铁路系统对于 供电可靠性的特殊要 求，对于国内外高速铁路可靠性研究的历史与现状进行了论述

2、， 同时论述了目前高速铁 路牵 引供电可靠性评估的原理与方法以及牵引供电所存在的技术难题。关键词： 高速铁路 牵引供电 可靠性1 引言1.1 我国高铁发展现状铁路作为国民经济大动脉， 是国家的重要基础设施， 其发展对促进经济社会发展， 实现 我国全面建 设小康社会宏伟目标有重要意义。 为适应全面建设小康社会的目标要求， 铁路网 要扩大规模，完善结构， 提高质量，快速扩充运输能力，迅速提高装备水平。高速铁路是指具有高加速和高减速性能及对列车运行进行自动控制，时速在200 km 以上的铁路。作为一种安全可靠、快捷舒适、超大运量、低碳环保的运输方式，高速铁路已经 成为世界铁路发 展的重要趋势， 是解

3、决客运供需矛盾的重要手段之一。 与其它运输方式相比， 高速铁路具有全天候、安全 好、运能大、速度快、耗能低、污染轻等优点。从上世纪初至 50 年代，德、法、日等国都开展了大量的有关 高速列车的理论研究和试验工作。铁路高速 技术至 60 年代己进入实用阶段， 80 年代又取得了一系列新突 破， 90年代后进入建设与发展 的新时期。例如，日本的新干线于 1964年投入运用，法国的高速列车 TGV由1981年开始 运行，意大利的摆式列车从1988年联接了米兰和罗马，德国的高技术ICE列车 1961年6月正式通车等。法国的TGV高速列车于2007年创造了 578.4公里的最高测试时速。2010年 12

4、 月，第七届世界高速铁路大会宣布，全球投入运营的高速铁路已近2.5 万公里，分布在中国、日本、法国、德国、意大利等 17 个国家和地区。1 ：将牵引变电站视为1.2 高速铁路供电可靠性评估的概念与国内外现状高速铁路牵引供电系统可靠性评估主要有五个层次，分别为层次电力系统的一个综合牵引负荷， 当有发电厂和输电网组成的外部电力系统对一条高速铁路的 所有牵引变电站 供电时， 考虑各牵引变电站的失负荷概率， 失负荷频率和在考虑越区供电的 前提下外部电力系统对整条高 速铁路通过能力的影响，从而实现可靠性评估；层次2：对高速铁路牵引变电站的主接线方式进行可靠性评估， 考察不同主接线方式、 主变压器备用方式

5、、 继电保护装 置对变电站可靠性的定量影响；层次 3：对由高速铁路接触网的不同悬挂方式、 接触网零部件的机械寿命、 检修方式等因素引起的接触网失效进行定量评估；层次4：将外部电力系统对各牵引变电所的可靠性指标作为已知条件， 综合考虑变电站界限、 接触网的可 靠性指标、 越 区供电、 动车组牵引特性和运行时间图， 对高铁牵引供电系统的可靠性进行综 合的定量评估；层次 5：根 据高速铁路电力供电系统的接线方式和负荷特性进行定量的可靠 性评估，通过灵敏度分析找到薄弱环节，提 出改进措施。高速铁路由于系统本身结构复杂、 设备繁多且任务繁重， 出现事故所波及的范围和造成 的经济损失， 以及造成的社会政治

6、影响都很巨大。 因此， 其供电可靠性就成为一项重要的研 究课题。 我国高速客运专线 铁路的大规模兴建也使的高速铁路的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(reliability)、可用性(availability)、可维护性(maintenance)和安全性(safety)的全面评估，即 RAMS评估。有关铁道的最早RAMS国际标 准是EN50126:1999，现在该标准已上升为 IEC62278:2002 铁路应用 :铁道可靠性、可用性、 可维护性和安全性 (RAMS) 的规范和说明。 在 IEC62278 中，对于危害事件出现的频度分成 6 个等级，分别

7、是 :频繁、经常、有时、很少、极少、几乎不 可能。对危害的严重等级分成4个等级，分别是 :特大、重大、次要、轻微。对质量风险分成4 个等级，分别是 :不能容忍、不希望、可接受、可忽略。可见， IEC62278 标准对危害事件的频度、严重等级和质量风险 的评估都是定性 的， 而不是定量的。 再如， 中 11.5.3 第 10 条规定 :“接触 网设计应符合可靠性、可用性、可维修性和安全性(RAMS) 的要求，进行可靠性的系统分配设计，确定各部分合理的、可控制的、可量化的可靠性指标。”但缺乏具体的量化指标描述，可见，在实际工程项目执行和 RAMS 评估过程中，可操作性上存在 着一定的难度， 必须探

8、索新的可靠性建模方法和定量的评价标准。1.3 电气化铁路供电系统可靠性评估指标与方法电气化铁道其供电可靠性评估即将可靠性原理和方法与其供电系统相结合的应用科学， 其实质是最科学、 最经济的方法充分发挥供电设备的潜力， 保证铁路运行所需电力能够得到 连续不断的保证。其可靠性指标主要有四类：概率：如可用率以及可靠度；频率：如故障率以及修复率；持续时间：如故障持续时间以及无故障工作时间；期望值：如一年铁路供电发生故障的期望天数等；系统的可靠性分析是根据构成系统元件的可靠性和系统结构图，运用概率论和数理统 计、拓扑论等数学方法，对系统的可靠性规律进行定性和定量分析。常用的分析方法包括)失效(故障)模式

9、、后果及危害性分析，是定性分析技术，其根本目的是通过它促使设计者在产品研制的各个环节中分析可能发生的故障，并寻找其原因，针对原因采取相应措施，从而保证和提高产品的固有可靠性。故障树分析法，是将系统故障的各种原因，由总体至部分，按树枝状结构，自上而下逐层细化的分析方法。马尔可夫过程，主要应用于可修复系统的可用性模型的建立，它运用状态空间法来描述可修复系统各个阶段的状态转移随机过程。可靠性框 图，可靠性框图是用来表示系统各部分之间的结构关系、功能关系和逻辑关系的图示。贝叶斯网络，是将概率的距离、统计应用于复杂系统的不确定性推理和数据解析的一种有效工 具，在给定某一变量或某些变量的具体取值状态后，能

10、通过概率更新计算求得其余变量的条件概率。2高速铁路供电系统可靠性评估模型2.1 外部电源对牵引供电系统可靠性指标定义及表达式(1) 失负荷概率Llolp( Loss of load probability ):表示由于外部电力系统元件故障导致某牵 引变电站失负荷的可能性的大小，其定义如下Llolp 二F(X)P(X)(2-1)x zX式中，F (x)是电力系统状态x的二值函数，若x是正常状态则F(x)为0；若x是故障状态则F(x)为1。P(x)是状态x出现的概率。(2) 失负荷概率LlolF ( Loss of load Frequency):表示某牵引变电站平均每年停电次数，单位是次/年，定

11、义为:mL LOLF -送F(X)瓦 Qn(k)P(X)( 2-2)xXk=1式中，xin（k）是元件k的增量转移概率，其解析表达式为:(2-3)(3)电力不足期望LEDns ( Expected dema nd not supplied):表示某牵引变电站年平均缺电量，定义为：LEDNF F(x)P(x)Lc(x)(2-4)x.=X式中，Lc(x)表示在系统故障状态x下将系统恢复到一个静态安全稳定运行点所需的最小削减负荷量。2.2牵引变电站主接线可靠性指标定义及表达式高速铁路牵引变电站主接线通常有母线、 牵引变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、 电流互感器以及继电保护和自动装置等辅助设备组

12、成，进线电源一主一备， 互为热备用，为上下行接触网提供充足可靠高质量的电能，确保动车组安全、平稳、高速、高密度的运行。(1) 故障率入S：表示系统在时刻t以前正常工作，在之后的单位时间内发生故障的条件概率密度。(2) 故障修复时间D:系统发生一次故障的平均修复时间，单位为小时/次。(3) 年平均停电时间U:系统在一年中发生故障的期望平均停电持续时间，单位为小时/年。U=?； -S* D(2-5)(4) 可用率A :系统处于可用状态的概率，其定义为：“ 365* 24 - 年平均停电时间A(2-6)3656 * 24(5) 期望故障受阻电能EENS:系统一年中由于发生停电故障而无法送出去的电能期

13、望值，单位为MWh/年。其定义为：EENS=P*U(2-7)式中，P为电力牵引用电需要电力系统增加的功率，U为年平均停电时间，单位为h。2.3 10KV 电力供电系统的可靠性指标定义及表达式高速铁路10kv电力供电系统通常由外部电源、电力变配电所、电力贯通线路、区间箱式变电站及低压供电设施构成。 全线设置一条一级负荷贯通线和一条综合贯通线。沿线与行车有关的通信、信号、综合调度系统等由一级负荷电力贯通线主供，沿线其他用电负荷及各牵引所的所用电源由综合贯通线提供，两路进线电源相互独立，正常时，母联打开，两路电 源同时运行，互 为备用；当一路检修或发生故障时，由另一路电源供电。还可借鉴电力系统配电网

14、除了故障率和故障修复时间等固有的负荷供电可靠性指标外，的可靠性评估模型，对电力贯通线不同区段的以下4 个指标进行评估。(1) 平均供电可用率 ASAI :年中用户经受的不停电小时总数与用户要求的总供电小数之比。用户总供电小时数用户要求总供电小时数365* 24-U365 * 24(2-7)式中，U为年停电平均时间，在数值上等于年故障率*故障修复时间。(2) 平均供电不可用率 ASUI: 一年中用户累计停电小时总数与用户要求的总供电小时之比。用户总停电电小时数用户要求总供电小时数(2-8)(3)用户平均停电频率CAIFI :每个受停电影响的用户在每单位时间里经受的平均停电次数。(4)用户平均停电

15、持续时间 CAIDI :一年中被停电的用户经受的平均停电持续CAIFI用户总停电次数 受停电影响的总用户数(2-9)时间，单位为小时/年。CAIDI 二用户总停电持续时间总用户总停电次数(2-10)2.4牵引供电系统接触网可靠性分析接触网系统是铁路电气化工程的主构架，承担着向电力机车提供电力的重任。接触网主要包括接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分。对于接触网系统这一个多设备系统，任何设备的故障都有可能影响供电可靠性。常见的设备故障有吊弦烧断、 磨断、腐蚀、；承力索烧断股、拉断股、腐蚀拉断、脱落；定位器扭断、腐蚀、紧固螺丝松动、折断、脱落断股、高度改变、断线；接触线拉断、烧断；绝缘子

16、击穿、闪络、折断；中心锚段关节被盗、因 发生剐弓事故损坏、辅助绳松弛、脱落甚至断开；补偿滑轮偏斜补偿卡滞、补偿绳断线等。接触网系统设备众多，分上下行，暴露在室外，受到雨雪风霜和雷电的考验，正常运行时通过接触线和受电弓的滑动摩擦向动车组供电，受电弓的离线对接触线造成电气腐蚀，摩擦造成机械腐蚀，接触网的振动还会造成定位器偏离，这些都是造成接触网系统故障的原因。重要的是，接触网系统没有备用，类似串联系统，一旦发生故障将导致客运专线的运营中断， 给铁路运输和社会经济生活带来严重影响。接触网可靠性计算所需要的是逻辑网络图，即从可靠性的观点，按照电气设备的逻辑关 系而构成的一种逻辑网络图，因而计算电气主接

17、线的可靠度需要转化到逻辑网络图中进行分析计算。而对于高速铁路接触网可靠性的评估，由于其元件众多，采用逻辑图分析中的最小随着计算机技术的飞速发展， 对任何一个元件的状态可以使用在Xi表示第i台兀件的状态，FOR表示路集法以及最小割集法等解析方法其计算量都非常的庞大， 于接触网的可靠性评估一般采用蒙特卡洛模拟法比较简单。接触网系统的状态是有所有组成元件状态随机组合的,0,1区间内均匀分布数来模拟。在双状态的元件中，令第i台机组的故障率，对于元件i产生一个在0,1内均匀分布的随机数Ui，则具有N个元件的系统状态有矢量X=(XuX2,召乂门)来表示。其可靠性指标为：(1) 缺电时间概率 LOLP :1

18、NLOLPF LOLP ( Xi )( 2-11 )N y式中N系统随机状态的数目；Flolp 与LOLP对应的实验函数，由系统随机状态向量Xi按照下式决定r 0当系统在状态Xi下未出现故障F ( Xi ) = LOLFI 1 当系统在状态 Xi 下出现故障(2 )电力不足期望值 ELOL:1 JELOL N y FELOL(Xi)(2-12)式中FELOL ELOL的实验函数，表示系统在随机状态Xi下总的可用电量。在蒙特卡洛模拟法中， 随着抽样次数的增加， 各种指标就会越来越接近其真值，当达到定的条件的时候就应该终止抽样， 因此合理的收敛判据是保证其结果精确和计算所花费时 间辩证统一的 必要

19、条件。3 高速铁路供电可靠性总结本文提出了高速铁路牵引供电系统可靠性评估的5个层次，并对其中的 4个层次：外部电力系统对高速铁路牵引供电系统、高速铁路牵引变电站、10KV电力供电系统以及牵引供电系统接触网进行以可靠性为主的RAMS评估论述，提出了高速铁路供电系统可靠性计算的数学模型以及可靠性指标的计算方法与公式。(I)本文以整条高速铁路所有牵引变电站的供电可靠性和铁路通过能力为评估对象，建立定义了可了在考虑越区供电的前提下外部电力系统对高速铁路牵引供电的可靠性评估模型, 靠性指标。（2）分析了牵引变电站以及电力供电系统可靠性模型，定义了其可靠性指标。（3）对于高速铁路接触网系统，定义了其可靠性

20、指标以及可靠性评估模型，对其可靠性 分析计算方法 提出了蒙特卡洛模拟法，其与传统的解析方法有着很大的优势。4 高速铁路供电可靠性分析目前所存在问题 虽然目前己经对高速铁路牵引供电系统的 RAMS 评估已经作了大量的工作，但是对于 整个系统而言， 仍然有很多研究、开发、 总结的工作需要进一 步完成。 主要表现在一下几个 方面 :（1）高速铁路供电系统可靠性评估主要可以将其分为5个层次，其中 4 个层次的可靠性评估在当前都做了很多的研究， 但对于一个庞大系统另外一个层次的可靠性评估还需要进一步 的研究和完善。（2）对于接触网可靠性的分析中，是在失效数据统计分析的基础上建立接触网设备可靠性 分布函数

21、， 虽然 我国高速铁路技术及应用已处于国际先进水平， 但运营管理时间短、 经验十 分缺乏， 设备故障统计数据和 方法及相关的信息支持技术正在进一步完善， 可靠性数据的积 累是开展 RAMS 研究的重要基础工作，只有 得到了大量的样本数据，才能充分掌握设备的 故障规律，使得理论研究的结果更具有借鉴意义和参考价值。（3）结合快速发展的数字天气预报技术，如能实时收集输电线和接触网沿线气象观测点数 据，可将更多天气 因素纳入风险评估， 使得评估进一步精确化和实用化， 实现铁路调度和天 气变化联动， 将会对于高速铁路 供电系统可靠安全的运行提供极大地帮助， 对于供电 RAMS 指标也会有很大的提高。（4

22、）在文中已经提到 RAMS 评估中除可靠性评估外还包括可用性、 可维修性以及安全性的 评估。在当前 进行的RAMS评估是以可靠性为主的、其他3部分有不同程度涉及的评估，也就是说其他3部分评估还 有很大的空间可以去研究， 并且随着设备等价格的增长以及对于 高铁安全的持续关注， 对于可维修性及安 全性的评估也具有重大的意义， 但是目前这方面的 研究与分析还相对缺乏。参考文献：1 郭永基.电力系统可靠性原理和应用 M. 清华大学出版社， 1986年2 宋晓通 .基于蒙特卡罗方法的电力系统可靠性评估 D. 山东大学博士学位论文 .2008 年 :36-543 别朝红, 王锡凡.蒙特卡洛法在评估电力系统

23、可靠性中的应用 J. 电力系统自 动化 .1997 年 ,21（6）:24-254 李雪，吴俊勇，杨媛 . 京津城际高速铁路接触网可靠性维修研究 C.2010 铁 路 电气化新技术学术年会论文集 .2010 年 吴俊勇，杨媛等 高速铁路牵引供电系统 RAMS 评估理论及其应用的研究C.2008 年铁路电气化新技术学术年会论文集 . 武汉. 杨媛，吴俊勇，张小瑜外部电力系统对高速铁路供电的RAMSA估及其灵敏度分析J电力系统自动化.2007.31(20) .98 1027 赵渊，周念成，谢开贵等大电力系统可靠性评估的灵敏度分析 J 电网技术， 2005，29(24) ：25-308 杨媛高速铁路供电系统RAMS?估的研究D北京大学博士论文.2011年