RTDS在牵引供电系统中的应用研究

邵 岩，朱光亚

RTDS在牵引供电系统中的应用研究

邵 岩，朱光亚

分析现有AT牵引供电系统仿真研究的特点，基于RTDS平台对牵引供电系统各元件如牵引变电所，牵引变压器及接触网系统进行了建模，实现了AT供电方式下的高速铁路牵引供电系统数字实时仿真，比较了AT供电方式下单线和复线牵引供电系统的网压水平，证明本文建立的牵引供电系统仿真模型具有较高的可用性和精确性，可以满足工程需要。

牵引供电系统；仿真模型；RTDS；网压水平

0 引言

牵引供电系统结构特殊，复杂多样，导致设计难度增加。如何利用现有软件对牵引供电系统精确建模己经成为铁路研究领域的发展方向之一。早期的牵引供电系统分析主要通过数学建模来进行，虽然计算结果较精确，但需要通过大量的理论计算或是辅助编程手段才能完成，实施过程时间长且难度大。随着计算机技术的高速发展，越来越多的仿真软件被应用到牵引供电系统的分析计算中，比较常用的有simulink，PSCAD等，具有操作简单及结果精确的特点，但弊端是都是物理仿真[3，4]，缺少在实际系统中的应用，不能显示牵引供电系统的所有特性。

RTDS实时数字仿真是一种用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置，已广泛应用于众多国家（地区）的电力企业和研究机构，是目前应用较为广泛的电磁暂态仿真程序，在RTDS上的测试比其他测试方法更全面，因为它能模拟诸多恶劣的但牵引供电系统现场运行时经常发生的情况，而这对于物理系统来说是不可能达到的。因此其在电力系统诸多领域发挥着重要的作用，例如暂态分析、故障分析以及谐波分析等。本文利用RTDS的模型库建立牵引供电系统仿真模型，对单线和复线AT供电方式进行了仿真分析，比较理论数据与仿真结果，验证所建立的牵引供电系统仿真模型的准确性。

1 AT牵引供电系统

国内高速铁路普遍采用V/X接线牵引变压器的AT供电方式。AT供电方式主要应用于重载、高速等大电流运行方式。AT供电方式克服了BT供电方式存在BT分段且易在弓网系统上产生强烈电弧的缺点，牵引供电电压成倍提高，牵引变电所的间距增大至60 km左右，减少牵引变电所的数目，并且有效地减弱对通信线的干扰，供电可靠性得到显著提高。

AT供电方式结构如图1所示。AT1、AT2是变比均为2∶1的自耦变压器。其一端连接接触线，另一端连接正馈线，中点接入轨道。正馈线与回流线相似，沿供电分区架设。在结构和功能上，AT供电方式中的自耦变压器和正馈线分别代替了BT供电方式中的吸流变压器和回流线。自耦变压器并联接入电路中，消除了由于串联于接触网中产生的吸流变压器分段。自耦变压器原边电源电压为2× 27.5 kV；副边电压为27.5 kV，连接负载。相邻2台自耦变压器之间的距离间隔长度一般为20 km。实际的AT间隔要考虑对通信线路的干扰及牵引供电的要求等诸多因素。

图1 AT供电方式结构图

2 系统元件仿真模型

2.1 外部电源模型

相对于牵引变电所而言，通常把为其供电的电力系统称为一次系统或外部电源，外部电源为电气化铁路提供电压等级为220 kV的高压电源，是保证电气化铁路正常运行的重要条件。

本文外部电源选用交流220 kV三相电压源给牵引供电系统提供电压，其模型见图2。

2.2 牵引变压器模型

牵引变压器是一种特殊电压等级的电力变压器，应承受牵引负荷变化剧烈以及外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。其模型的准确性直接关系到牵引网电压电气量的分析研究，文中只对V/X接线变压器进行了仿真模型研究。

牵引变压器采用国内高速铁路常用的V/X接线形式，单个变压器的容量为31.5 MV·A。原副边电压为220 kV和27.5 kV。利用RTDS元件库中自带的变压器模型搭建牵引变压器模型。

2.3 牵引网模型

牵引网由馈（电）线、接触网、钢轨（地）、回流线等组成，完成对电力机车的送电任务。牵引网铁路线布置是牵引供电系统分析中的重要组成部分，具有复杂性高，不确定因素多等特点。因此精确建模与化简对牵引网的分析至关重要，文献[6]对单线和复线AT牵引网做了详细理论论述和建模，如图3、图4所示，后面的分析将基于文献中的理论进行。

图3 单线AT网络模块图标

图4 复线AT网络模块图标

根据Carson公式计算得到等效后的接触线、钢轨、正馈线的自阻抗和导线间的互阻抗：接触线为0.172+j0.622；钢轨为0.160+j0.602；正馈线为0.366+j0.723；接触线-钢轨为0.05+j0.342；正馈线-钢轨为0.05+j0.314；接触线-正馈线为0.05+j0.345。

2.4 电力机车模型

本文对电力机车的仿真模型未考虑其负序和谐波的影响。己有文献中对于电力机车的等效模型基本采取电流源并联阻抗电路为恒功率模型的做法，调整电流及阻抗值保证机车端电压以及机车取流乘积保持恒定，即机车功率恒定[4]。将机车等效为一个恒功率源更符合现场运行情况，本文仿真模型将继续采用该方法。

3 系统仿真分析

根据系统元件仿真模型组建牵引供电系统模型，对1个供电区间进行了仿真和建模，分别搭建单线AT牵引供电系统和复线AT牵引供电系统模型，2个AT牵引网分别代表2个AT段，这2个牵引网模块组成一个完整的供电区间。单线和复线AT牵引供电系统仿真模型图略。

复线AT牵引供电系统采用全并联的供电方式，其原理是在变电所、AT所、分区所通过横向连接线将上下行并联，AT所、分区所各设置2台AT变压器，采用一主一备的工作模式，正常情况下，1台AT变压器投入运行，供上下行同时使用，当牵引网出现故障时，馈线的主断路器跳开，使整个供电臂无压，AT所和分区所上下行的断路器跳开，将整个供电臂解列为单线直供方式，馈线断路器重合闸成功后，AT所和分区所的主断路器检有压重合闸，实现对故障的隔离和快速恢复供电，供电稳定性更高，供电能力更强[6]。

机车在供电区间2个AT段内，牵引供电系统电气特性基本相同，忽略相互间的影响。本文仅讨论供电区间第一个AT段内的情况。仿真系统参数：220 kV系统容量为1 000 MV·A；V/X变压器容量为31.5 MV·A，变比为220/27.5；自耦变压器容量为5 MV·A，变比55/27.5；供电方式为AC 220 kV；牵引方式为VVVF逆变控制的三相异步电动机驱动；AT区间长度为30 km；功率因数为0.95；机车功率为9 600 kW。

改变机车与牵引变电所之间的距离即可获得机车运行在牵引网不同位置时整个牵引网的电压分布，通过设置监测点还可以监测机车从牵引网的取流、回流线电流、钢轨电位等电气量。单线AT方式下的牵引网仿真结果如表1所示，可以看出，当机车远离牵引变电所时，整个牵引网的电压水平降低，整体变化特性与实际牵引网的特性相符。

表1 牵引供电系统仿真数据表

复线AT供电方式下的牵引网仿真数据如表2所示，从曲线中可以看出，其牵引网压分布与单线AT供电方式具有共同的变化特征。

表2 牵引供电系统仿真数据表

机车在一个AT段内完整运行端电压曲线如图5所示。从图5可以看出，牵引网的大部分区段，单线AT网压水平要比复线AT网压水平低，这证明了实际情况中复线AT牵引供电系统要优于单线AT牵引供电系统。

图5 机车端电压变化曲线图

4 结语

本文利用RTDS建立了高速铁路牵引供电系统模型，分别对单线和复线AT供电方式进行了仿真，对网压水平进行了分析比较，由仿真结果验证了复线AT供电方式的网压水平优于单线AT供电方式，证明了建立的模型的准确性。

[1] 李群湛，贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都：西南交通大学出版社，2012.

[2] 陈礼义，顾强. 电力系统数字仿真及其发展[J]. 电力系统自动化，1999，（23）：1-6.

[3] 张小瑜，吴俊勇. 基于PSCAD的牵引供电系统仿真研究[J]. 电气化铁道，2007，（6）：17-20.

[4] 王奇，刘志刚，白玮莉，等. 基于PSCAD/EMTDC的牵引供电系统仿真模型研究[J]. 电力系统保护与控制，2009，（16）：35-40.

[5] 熊列彬. 全并联AT供电方式下供电臂保护控制方案[J].电力系统自动化，2006，（22）：73-76.

[6] 杨浩. 基于RTDS的高速铁路牵引供电系统建模与仿真[D]. 西南交通大学，2013.

Analysis of the existing characteristics of AT traction power supply system simulation, based on the RTDS platform for traction power supply system, such as traction substation, traction transformers and catenary system simulation modeling. In this paper, the model achieve the AT power supply digital real-time simulation to a high-speed railway traction power supply system, calculation methods in single and double-track AT traction power supply system, network pressure level, comparing the results of two simulation algorithms, this paper established proof traction power supply system simulation model has high availability and accuracy to meet the project needs.

traction power supply system; simulation model; RTDS; catenary voltage level

U223.6

B

1007-936X(2014)04-0018-03

2014-02-21

邵 岩.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生，电话：15198014030；

朱光亚.西南交通大学电气工程学院，博士研究生。