铁路电力设计理念与技术创新综述.pdf

D 2 0 1 0年 4月 第 1 卷 第 1期 高速铁路技术 HI GH S P E ED R AI L WAY T E CHNOL OGY No ． 1， Vo 1 ．1 Ap r ． 2 01 0 文章编号 ：l 6 7 4 —8 2 4 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 —0 0 5 0 — _ 0 4 铁路 电力设计 理念 与技术创新综述 李学刚 ( 中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 为满足高速铁路建设对电力高可靠性和稳定性的供电需求， 本文对铁路电力设计新理念进行探讨 ， 对 高可靠性供电技术、 电力仿真、 电力远动、 变配电所综合自动化、 机电设备监控等技术在铁路电力应用的现状 与创新进行了系统的扼要介绍， 对铁路电力技术创新发展趋势， 配电技术与信息技术的高度融合、 专家智能系 统广泛应用、 绿色环保电气与可再生能源应用、 设计技术手段创新， 提出了个人的初步想法。 关键 词 ： 铁路电力 ； 设计理念 ； 技术创新 ； 发展趋势 中图分类 号： T M 7 3 2 文献标识码 ： A S u mma r y o f Ra i l wa y Po we r De s i g n Co n c e p t a n d Te c h n i c a l I nn o v a t i o n LI Xue - g a ng ( C h i n a R a i l w a y E r y u a n E n g i n e e ri n g G r o u p C o ． ， L t d ． ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o me e t t h e d e ma n d o f h i g h l y r e l i a b l e a n d s t a b l e p o we r s u p p l y f o r hi g h s p e e d r a i l wa y c o ns t r u c t i o n， t hi s p a p e r g i v e n a d i s c u s s i o n a bo u t t h e n e w d e s i g n c o n c e p t o f r a i l wa y p o we r s u p p l y， p r e s e n t s s y s t e ma t i c a l l y t h e p r e s e n t s i t u a — t i o n a n d i n n o v a t i o n o f a p p l y i n g s u c h t e c hn o l o g i e s t o r a i l wa y p o we r s u p p l y a s h i g h l y r e l i a b l e p o we r s u p p l y， p o we r s i mu l a — t i o n， p o we r t e l e c o n t r o l ， p o we r s u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n a n d e l e c t r o me c h a n i c a l e q ui p me n t c o n t r o l l i ng； a n d g i v e s t h e a u t h o r s v i e wp o i n t s o n t h e d e v e l o p i n g t r e n d o f r a i l wa y p o we r t e c h n i c a l i n n o v a t i o n， t h e c l o s e c o o r d i n a t i o n b e t we e n p o we r d i s t r i b u t i o n t e c h n i q u e a n d i n f o r ma t i o n t e c h n o l o g y，wi de s p r e a d a p p l i c a t i o n o f e x p e r t i n t e l l i g e n t s y s t e m ， t h e a p p l i c a t i o n o f e n v i r o nme n t — f rie nd l y e l e c t r i c i t y a n d r e g e n e r a b l e e n e r gy s o u r c e s a n d i n n o v a t i o n o f d e s i g n t e c h n i q u e s ． Ke y wo r ds： r a i l wa y p o we r； d e s i g n c o n c e p t ； t e c h ni c a l i n n o v a t i o n； d e v e l o p i n g t r e n d 由于大规模的高速铁路建设 ， 高新技术应用在铁 路各专业领域得到 了飞速发展 ， 铁路运输设施的多样 性 、 复杂性和实时性急剧增长 ， 对电力高可靠性供电需 求 ， 上升到一个前所未有的高度 ， 促使铁路电力高新技 术应用提高到一个新水平 。铁路 电力设计技术 、 施工 工艺、 成套装备 、 运行管理、 维护维修、 技术培训都在思 想观念创新、 技术方法创新、 机制体制创新、 运维管理 创新 。为 了满足铁 路 电力 管理体制变 革后 “ 以人 为 本” 的运输需求 ， 要深入 研究铁 路 电力新技 术、 新 能 源、 新材料 、 新装备、 新工艺的应用 ， 设计出适合实际需 要的电力工程， 为社会节水节电、 节地节能、 提供清洁 收稿 日期 ： 2 0 0 9 ． 1 2 ． 1 9 作者简介： 李学刚( 1 9 5 4 一 ) ， 男， 高级工程师， 中铁二院专业工程师。 能源和环境友好型的铁路电力工程。 1 铁路电力设计理念 电力在铁路工程项 目中的作用是满足铁路运输及 其辅助设施用电需求， 包括铁路各专业施工、 安装、 调 试 、 运行、 维护的各阶段总用 电需求。既要贯彻“ 强本 简末” 的政策， 又要规模适度、 投资合理， 为业主服务、 为铁路运输服务 。 1 ． 1 技术创新是 电力设计的主旋律 在高速铁路设计 中， 电力技术创新是行业发展的 主要趋势， 通过电力自动化、 电气智能化， 提高项目的 社会效益与经济效益， 提高铁路运输管理效率， 降低铁 路运输运营和维修成本。采用“ 四电集成” 技术， 有利 于提高电力工程质量 、 实现高技术含量、 控制投资 、 缩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李学刚： 铁路电力设计理念与技术创新综述 2 0 1 0年4月 短建设工期。有利于实现运输系统整体最优。 1 ． 2安全性、 可靠性、 可用性、 可维护性原则 电力设计要保证铁路运输供 电的安全性 、 可靠性 、 可用性和可维护性 。对电力专业而言 ， 采用 的供 电技 术与成套装备安全可靠是第一位的。其次要考虑运营 管理方便 、 维修简易快捷 。 安全性主要体现在 电气技术措施的安全 、 设备与 材料的性能安全 、 配电网络的运行安全 、 运行管理者的 人身安全 等。可靠性 主要 体现在变配 电所 电源 的可 靠 、 设备与材料的功能可靠 、 继电保护与 自动装置的可 靠 、 电力远动系统与机 电监控装置 的可靠 。可用性指 电气设施耐用好用， 操作方便， 故障率低。可维护性指 设备兼容性 、 互换性好 ， 维 护简捷方便 ， 尽量免维护少 维修。 1 ． 3技术先进、 投资合理 、 节能环保原则 电力设计中， 要考虑功能需求与技术 、 投资 、 质量 、 工期的统一。每个 阶段要考虑局部方案优化 、 整体 系 统优化 、 性价 比优化。同时正确处理好安全可靠 与技 术先进 、 节能环保 、 运行维护的关系 ， 大力推行配电系 统节能技术 、 节能变压器 、 节 能光源与灯具 的工程应 用。重视高电压线路 电磁干扰 与噪声带来 的环境影 响。柴油发电机 的废 水污水 、 废气废 油的妥善处理 。 变配电所 、 电力线路尽量少 占农 田和土地。 1 ． 4 系统规 划、 统 筹安排 、 实现 电力设计 整体最 优 原则 在建设高速铁路时 ， 要对既有铁路供 电范围、 设施 与能力 ， 进行综合分析 ， 合理利 旧、 增容 与改造 。要认 真研究接轨站 、 既有车站 电力设备 的利用和改扩建方 案 、 最大限度地维护业主经济利益。要致力于建设 、 设 计 、 施工 、 制造 、 安装 、 运行 、 维护一体化统筹 ， 投资最 省 ， 整体最优 ， 把 既有设施 、 新增工程 、 预留未来发展有 机的统一起来。 1 ． 5电力 工程风 险 意识 树立具有风险意识 的设计理念 ， 建立科学的风险 控制防范体系。电力工程风险意识是防患于未然， 严 格执行设计与施工的强制性条文 ， 避免误入 电力工程 禁忌 、 对铁路运输安全与人 身设备安全造成损害。电 力工程要全方位的开展风险评估 ， 重点关注安全风险、 技术风险 、 安装风险、 投资风险 、 环境风险 ， 采取有效措 施规避风险。 2 铁路 电力设计技术创新 2 ． 1 高可靠性供 电技术 针对高速铁路供 电设计 ， 业界近期首次提 出了可 靠性 、 可用性 、 可维护性 、 安全性 ( R A MS ) 为指标的综 合定量评估方法 ， 形成 了一套适合我国高速铁路供 电系统进行评价的体系 ， 解决 了当前我国高速铁路电 力设计 中亟需解决的关键难题。 高可靠性供 电具体表现在根据高速铁路 的负荷性 质 、 负荷分布 ， 合理规划 、 统筹兼顾 ， 制定与之相适应的 供电方案， 依照路网调整供电布局。设计铁路专用输 配电网络 ， 全 电缆配 电线路、 电气设备室内设置 、 电气 设备全监控 、 关 键设备热备用 等 J ， 主要采 用 了电源 冗余技术 、 不间断供电技术 、 环网与点式供电等技术 。 合宁铁路是高可靠性供电的一个较成功的实践。 大量的新技术和新设备应用 ， 提高了高速铁路 的技术 含量和系统可靠性。 ( 1 ) 变配电所 ： 采用六氟化硫气体绝 缘的 G I S高 压开关柜代替空气绝缘 的中置式高压 开关柜 ， G I S高 压开关柜满足 3 0年免维护 的要求。 ( 2 ) 贯通线 ： 贯通线 采用非磁铠装 单芯全 电缆线 路。单芯电缆使电缆盘长达到 3 k m， 减少电缆中问接 头 、 弯曲半径和外界环境影响。 ( 3 ) 箱式变电站 ： 取消常规设计 的杆架式变 电台， 嘴 嚣 篙 线 分 断 电 力 贯 通 线 分口 (4 )远 动 系 统 和 贯 通 线 分 断 装 置 ：电 力 贯 通 线 分■ 豳 断装置 的数量和远动系统 的规模与功能较常规设计有 了较大提高 。 另外 ， 在客专特大型站房 内设应急备用柴油发 电 机组 ， 提供第 3电源确保与运输有关的特别重要 的电 气负荷供 电可靠性。根据贯通 电缆线路 长的特点 ， 变 配电所馈 电侧母线上设置可调电抗器及动态无功补偿 自动控制装置 ； 在区间贯通线路灵活设 置集 中或分散 补偿电抗器 。变配电所设置智能型高频开关直流电源 装置 ， 使用全封闭阀控式免维护铅酸蓄电池组 ； 采用中 性点经小电阻接地和经消弧线 圈接地运行方式 ； 以及 视频监控等确保安全的新技术也得到了广泛的应用和 发展 。 2 ． 2 铁路电力仿真技术 ( 1 ) 电力调度仿真 ，包括电力调度端仿真、 电力设 备仿真和通信仿真。调度端仿真体现在现阶段成熟应 用 的电力调度软 件所具备 的全部 功能。变 配电所仿 真、 电力馈线仿真是 电力设备仿 真的主要 内容。前者 基于图论建模 ， 以追溯为核心算法 ， 用面向对象 的技术 实现所 内电气设备状态及其 电气参数 的实时仿真 ， 并 能根据不同的主接线形式进行灵活配置 ， 后者利用电 网电压损失的计算方法 ， 以曲线形式 给出电力贯通线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李学刚： 铁路电力设计理念与技术创新综述 2 0 1 0年 4月 的电压分布状态。通信仿真基于 T C P ／ I P协议的电力 规约 I E C 6 0 8 7 0— 5—1 0 1 ， 通过编程实现仿真调度端和 仿真设备端的远动通信。通过对仿真实验流程和实验 结果进行分析 ， 达到给出电力调度工作流程和电力调 度台布置方案的 目的 。 ( 2 ) 京津城际高速铁路 1 0 k V电力电缆供电系统 中， 采用 A T P—E MT P建立仿真模型 ， 计算线路电压升 高 ， 线路容性补偿无功电流及功率 因数 ， 合分闸空载供 电线路和投切电抗器时产生的操作过电压及电抗器涌 流 ， 以及单相接地和三相短路工况过电压、 短路 电流和 故障清除转移过 电压 。通过仿真检验供 电系统运行特 性是否满足工程的需求 。 ( 3 ) 合宁铁路 电力设计 中， 对全 电缆贯通线路进 行仿真计算 。采用 Ma t l a b ／ S i m u l i n k仿真软件 ， 利用电 路分布参数模型计算 ， 获得线路电压 、 电容电流的分布 状态曲线 ， 然后对单芯电缆线路采取固定 电抗器补偿 、 配电所经消弧线圈接地 和可调 电抗器补偿等 多种技 术， 改善了供电质量， 提高了供 电可靠性 5 J 。 ( 4 ) 防雷设计 中， 采用 电磁暂 态计算程序 E M T P 进行仿真计算 ， 以防雷 电侵入波过 电压对 电气设备 的 日 麓 土壤结构模型中的电气特性进行仿真研究 ， 分析接地 网的形状 、 土壤的分层结构和土壤的电阻率对接地 网 接地电阻及其电气特性的影响关系等 。 2 ． 3电力远动技术 电力远动系统利用先进的计算机软硬件技术、 网 络通信技术， 对铁路电力系统的各重要环节如变配电 所、 通信电源、 信号电源、 1 0 k V贯通线分段开关等， 进 行监视 、 控制 、 故障报警和处理 ， 实现 电力供电系统的 自动化调度和远程监控 ， 提高供电可靠性及运维管理 水平， 保证铁路电力系统的安全经济运行。 主控站主要采用 以太网、 工作站 、 数据库服务器 、 通信前置机、 视频监控复示终端 、 主备冗余等技术。 通信系统采用光同步数字传输 网 S D H， 电力远动 系统通道采 用基 于 S D H 的数 字通道 、 T C P ／ I P协议 ， 2 M或 1 0 ／ 1 0 0 M带宽接入方式 。 受控终端具有测量 、 控制 、 越 限告警 、 故障记录 、 故 障处理功能。 自动化主控站除了对各受控终端进行“ 四遥” 外 ， 在线路故障检测中发挥 了重要作用 ， 监测线路相 间短 路故障、 检测线路小电流接地故障、 检测线路高压断线 故障， 实现 1 0 k V贯通线故障测距等 J 。 2 ． 4 变配电所综合自动化技术 变配电所综合 自动化系统利用计算机网络、 D S P 数字信号处理、 光纤与数字通信、 多媒体监视、 G P S 、 电 磁兼容与防雷技术 ， 来实现电力数据采集与监视控制 系统 S C A D A 、 微机保护、 备用电源 自动投人、 操作“ 五 防” 、 小接地电流选线 、 电压无功控制功能 V Q C， 确保 供电的可靠性。 同时， 还使用了直流电源技术、 分层分布式技术、 远动及数据通信、 自动事故判别和隔离闭锁以及 自动 恢复供电、 谐波监视与分析 、 事 故顺 序记录与追忆等 技术 。 2 ． 5机 电设备 监控技 术 采用先进的计算机技术 、 控制技术和通信技术 ， 对 车站 、 长隧道、 特大桥梁、 动车段 、 铁路办公大楼等的空 调通风系统 、 变配电系统 、 直流电源与 E P S系统、 照明 系统、 电梯扶梯系统、 给排水系统等各种机电设备的运 行状态进行监视 、 故障报警 、 启停控制以及相应的节能 运行管理 ， 可以取得节省能源和人力资源 的良好效益、 营造安全与舒适的铁路运输环境。 主要包括传感器 自 适应无缝入网技术、 异构网络 协议转换、 信息传输与网络安全、 高速数据采集与监 控、 嵌入式智能控制等理论与技术 、 集中管理与分散控 制技术、 分层分布式技术、 工业以太网、 光纤冗余 自 愈环网、 图象 监控技 术、 系统 自诊 断技术、 系统集成 技术等。 3 铁路电力技术创新发展趋势 3 ． 1 趋势一 ： 配电技术与信息技术的高度融合 受美 国 I B M公司提出的“ 智能电网” 解决 方案影 响 ， 铁路专用配电网络 ， 必然会朝着光机 电一体化 、 信 息化 、 智能化方 向发展。根据 I B M 的观点 ， 智能 电网 可以比喻为电力系统的“ 中枢神经系统” ， 除了可以促 进可再生能源的资源优化配置以外 ， 还可 以通过使用 传感器 、 计量表 、 数字控件和分析工具 ， 自动监控电网、 优化 电网性能 、 防止断电、 更快地恢复供 电。 实际上这些理念 已在高速铁路 电力远动系统、 综 合 自动化系统、 环 网供电 中得到 了初步的应用。配电 技术与信息技术的无缝集成 ， 在今后 的高速铁路配 电 系统中必将会有更大的发展空间。 3 ． 2 趋势二 ： 专家智能 系统广泛应用 专家系统是一个具有大量专门知识的计算机智能 系统 ， 它应用知识和推理技术来求解和模拟通常要由 人类专家才能解决的各种复杂问题。专家系统技术在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李学刚： 铁路电力设计理念与技术创新综述 2 0 1 0年 4月 铁路 电力也会得到越来越多的应用。如电力调度专家 系统 、 供电事故远程诊断专家系统 、 变配电所综合 自动 化专家系统。包括继电保护 一 断路器故障专家诊断系 统 、 主变压器在线安全监控与故障专家诊断系统、 电气 设备安全操作和操作票专家系统 、 设备 故障处理应急 抢修预案 、 变配 电所事故决策系统 。 3 ． 3趋势三 ： 绿色环保电气与可再生能源应用 绿色环保 电力 变压器具有高强度 、 低噪音 、 低 损 耗、 全密封 、 免维护等特点 。非晶合金变压器是以非晶 态金属为铁芯材料的一种新型变压器。非晶合金铁芯 具有较高的饱和磁感应强度 、 低矫顽力 、 超低损耗 、 低 激磁电流和 良好的温度稳定性 。非晶合金变压器与硅 钢 s 9系列变压器相 比空载损 耗下降 7 0 ％ ～8 0 ％ ， 空 载电流下降 5 0 ％ ， 节能效果 十分 明显 ， 是一种绿色环 保性 的高效节能变压器 。 依托高科技新技术 ， 不断推进铁 路电网向集约化 方向发展 ， 全力打造高科技绿色环保电网。采用 G I S组 合电器的变配电所 ， 土地面积比原来减少 1 ／ 3～ 2 ／ 3 。 环保节能开关柜受到青睐。为了克服 s 充气柜 的气体温室效应的影响， 近年来在 国内外市场上出现 了固体绝缘开关柜。它 可用在环境恶劣的地方 ， 设备 体积小 ， 不含任何有害气体 ， 可 以深入负荷中心 ， 从而 不但减少了低压 电缆 的使用量 ， 降低 了配 电工程的投 资， 还能节省设备运行时 的低 压 电缆损耗 ， 降低线损 率 。并且真正做到了免维护 ， 符合 电力系统节能减排 的发展理念 ， 是应对资源紧缺和环境承载能力有 限挑 战的必然选择 。还有 电器设备低能耗 ， 8 5 ％ 以上零 部件材料可循环再利用等。 高压动态无功补偿装置 S V C的功能是补偿无功 功率， 具有降低线损 、 稳定 电压 和改善 电能质 量的功 效。该装置在铁路配电网中补偿无功 、 防止无功倒送 电力系统等方面的应用前景广 阔。 铁路大型站房 、 编组站使用太 阳能 、 风能提供 电气 照明也将会有长足的发展和应用潜力。 3 ． 4趋势 四： 设计技术手段创新 铁路工程建设遵循 市场竞争 中的用户选择 、 性能 价格 比、 优胜劣汰 3条准则 ， 因此必须不断以工程高质 量 、 低成本 、 快速响应手段 ， 求得设计企业生存和发展。 模拟技术 、 仿真技术 、 专 家系统 、 人工智能在工程设计 中将得到广泛应用。 在铁路电力远动 、 变配电所综合 自动化 、 机电设备 监控 、 供 电系统图设计 中， 使用计算机软件程序计算 、 图形库模块调用 、 自动装配绘图、 自动完成成套图纸和 附加说明。逐步实现工程设 计标准化 、 模块化 、 装配 式 、 自动化和智能化。 电力设计 的标准化组件涵盖变配电所及其电源、 柴油发电机组 、 电力高低压线路 、 电缆线路 、 动力与照 明、 设备技术规范 、 接 口技术标准等在预可研 、 可研 、 初 步设计 、 施工设计阶段 的分类分项细 目。通过 自动生 成 、 适度干预的方法 ， 进行标准化设计 ， 可 以提高设计 效率 ， 缩短设计周期 ， 缓解设计人力资源紧张， 满足跨 越式铁路发展需求。 参考文献： [ 1 ] 孙杰 ， 等． 高速铁路 电力关键技 术研究达 到 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