铁路供电网实时仿真研究与实现*

2021-10-18郭现龙付洪武薛金凤田行军宋金川

科技创新与应用 2021年29期

郭现龙，付洪武，薛金凤，田行军，宋金川

(石家庄铁道大学，河北石家庄050043)

铁路运输是我国国民经济发展的大动脉，在国家交通运输体系中发挥着重要作用。随着技术的不断进步与成熟，电气化铁路以电力作为动力，以电力机车作为载体，且具有载货量大、时效快和能源利用率高等优点。在供电方式中，AT供电方式具有供电能力强、对铁路沿线信号干扰小、线路损耗小等优点，在我国高速铁路中被普遍采用。

供电网的工作环境较为恶劣，且线路横跨我国各个省份，线路之长，维修难度之大，又因电力机车的受电弓是在高速运行的情况下与供电网进行滑动取流，因此供电网在这种工作特性下极易发生故障。当前，在电气化铁路的继电保护中，拒动、误动现象依然存在，这些都可能导致供电网接触线局部损坏，甚至发生断路故障，使得电力机车的供电中断等。

一般而言，常见的电磁仿真软件只能精确仿真电力系统稳态模型，只有实时仿真模型才能对电力系统的暂态特性进行较为准确的仿真。利用实时仿真系统进行动模实验，根据实时仿真数据与现场实验测量数据对比，有助于供电系统故障分析以及继电保护原理的研究，对于改进现有保护装置的保护原理和算法具有重要的理论研究和实际意义。

1 AT供电网概述

目前，我国高速铁路普遍采用全并联AT供电方式，AT供电方式又称为自耦变压器供电方式，AT牵引供电系统由变电所、AT所和分区所等部分组成。全并联AT供电方式是将复线AT供电方式的上下行接触线T、钢轨R和正馈线F在变电所出口处及各个AT所通过横联线使之并联[1]。全并联AT供电示意图与导线空间模型如图1所示。

图1 全并联AT供电方式

与传统供电方式相比，线路绝缘水平相同，但AT供电方式供电电压为机车工作电压的2倍，而电流仅有电力机车工作电流的，电流小而供电电压增大，提高了系统的供电能力，使得系统能耗与电压损失减小，对周边通信信号的电磁干扰降低，使得供电网供电质量得到显著提高。对AT供电系统建模的关键就在于确定接触网、自耦变压器、AT所等的阻抗参数值，结合AT牵引供电系统的相对位置、线路损耗计算出标准模型的阻抗值。为简化计算，在建模初始阶段对非主要研究对象进行理想化。

2 模型参数计算

AT供电网由接触网与轨道构成通电回路，主要由接触线、正馈线、钢轨、保护线、贯通地线组成，采用接触网链形悬挂的模型来近似接触网实际线路[2-3]。在参数计算时，将钢轨和地简化为同电位。根据Carson理论，接触网中导线与承力索各自与大地组成导线——地回路，结合各导线的实际参数，计算出模型各导线单位长度自阻抗与导体间单位长度互阻抗的模型参数。

导线与地回路等值自阻抗

两条导线与地回路间等值互阻抗

式中，r为导线电阻，Ω/km；Rε为导线等效半径，mm；f为电流频率，Hz；σ为大地电导率，1/(Ω·cm)；D12为两导线间距离，mm。

按照实际测量数据计算出供电网阻抗等参数后，将参数值分别折算到相应导线阻抗上，作为AT供电网模型参数，并比较多组数据，得到与实际情况最为接近的模型参数值。

3 供电网建模

3.1 仿真软件

随着电力系统结构的复杂程度日益增大与计算机计算能力与功能的快速发展，实时仿真技术己经成为电力系统试验研究、调度运行等系统研究的重要工具。仿真系统封装包括各种电压等级的线路、变压器、母线等模型，在此基础上配合Simulink软件库进行自行配置与二次开发，具有应用领域广、结构与流程清晰、仿真数据贴近实际等特点。在系统中，应通过故障点的设置来模拟任意指定故障发生的类型、时刻以及位置，以此来模拟供电网中各种类型的故障。

在实际运行中，将Simulink生成的模型程序文件上传至仿真系统进行仿真模型计算，经过系统计算以后由I/O口输出电压电流实时检测信号，再由后台主机完成对测试过程的监控，包括故障控制、波形记录、显示等，仿真系统的控制部分如图2所示，由此系统可以观测到线路电压电流的实时变化，分析系统的暂态特性。需要特别注意的是，在建模中应注意元件的连接方式与各元件的使用，否则会引起Simulink仿真时报错，使得搭建出模型的准确性受到影响。

图2 AT供电系统仿真模型

3.2 电源模型

电力系统为电气化铁路提供所必需的电能，由输电线路将电网电压经过变压器转化到相应等级的高压电，并通过高压输电线传送电力，由变电所向供电网供电，保证电源质量。本文建模对象为供电线路，所以抓住主要矛盾对电源进行理想化，认为是恒定的110kV或220kV，不考虑电源的波动进行建模。

3.3 AT所模型

AT供电系统采用全并联AT供电方式，线路上每隔一定距离设置一所AT所，自耦变压器是AT所内部主要设备，所以对AT所的建模也就是对理想的自耦变压器的建模，将单项变压器原边与次边的非同名端相连，抽出中点接于钢轨构成自耦变压器的仿真模块。

3.4 线路模型

利用Simulink系统仿真元件对全并联AT高速铁路供电系统进行仿真模型搭建如图2所示。在系统线路的出口、中点、末端及母线等处设置短路点，为实时对线路参数进行测量，模型中就需要加入后台显示，数据传输等模块。通过对模型中短路点的控制实现对AT供电网保护和控制能力的实时仿真测试[4]。接触网线路的阻抗是建立合理准确的模型所必需的参数，这就需要对多段线路的实际测量数据进行分析整理得出相应的参考数据。

4 仿真实验与分析

对AT供电系统模型，按照实际数据计算模型参数，实现对供电网在正常运行以及发生故障时的实时仿真，在仿真系统中触发故障与实际情况做对比，以此来检验模型参数选择是否合适。本文以触发供电网金属性TR瞬时故障为例，取变电所第一AT段长度为13.2km，第二AT段长度为13.67km，变电所供电臂长度为24.3km，牵引变压器额定容量取31MVA，变比220kV/27.5kV/27.5kV。

将模型文件导入实时仿真系统中，运行模型及触发系统金属性TR瞬时故障，由仿真系统得到的牵引变电所、AT所、分区所电压电流波形如图3、图4、图5所示。