多級協調式高速鐵路能量管理系統

鄭 政，胡海濤，王 科，何正友

(1. 西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031;2. 國網山東省電力公司 威海供電公司，山東 威海 264200)

截至2018年底，我國高速鐵路營業里程已達到2.9萬km。高速鐵路的飛速發展，不僅縮短了不同區域之間的旅行時間，推動了我國的經濟發展，促進了經濟一體化，同時其供電可靠性以及電能利用率等問題也引起了廣泛的關注[1]。文獻[2]對西班牙一條高速鐵路供電系統的能量消耗進行了分析，該系統每年從電網吸收2 363.2 GW·h能量，但是列車只利用了1 968.8 GW·h能量，有394.4 GW·h的能量損耗在了設備及線路上；同時，列車每年再生制動產生的能量高達228 GW·h，這部分能量并沒有得到充分的回收利用。對此，需要采取一定的措施對能量的流動、消耗、分布進行分析、管理與優化，一方面降低系統的損耗，另一方面充分利用列車再生制動產生的能量，提高能量利用率。為此，本文提出建立高速鐵路能量管理系統REMS。

REMS相當于高速鐵路供電系統的“大腦”，其任務是對高速鐵路供電系統進行實時信息采集、監視、分析、優化和控制決策，保障高速鐵路的安全、經濟、高效運行。自從20世紀60年代DyLiacco博士首次提出電網EMS系統架構以來[3]，經過40多年的發展，EMS在電力系統中的架構已較為完善，傳統電力系統的EMS是以控制中心為核心的集中式架構，由控制中心對數據進行集中處理，而變電站僅僅是將供電范圍內采集到的數據轉發給控制中心，并不具備對其供電區間進行管理的功能。然而，高速鐵路供電結構及負荷特性與電力系統具有較大不同，主要體現在以下三方面：

(1)高速鐵路在地理空間上跨度比較大，例如，京廣高鐵長達2 281 km，貫穿北京、河北、河南、湖北、湖南、廣東電網，而一個變電所的供電區間通常為50 km左右，不同的供電區間往往與不同的區域電網連接。

(2)高速鐵路的負荷具有間歇性、隨機波動性、高速移動性等特點，為了實現最優控制，對EMS的敏捷性要求較高。

(3)動車組與高速鐵路供電系統之間存在雙向流動的電能，當動車組運行于牽引工況時，從供電系統吸收電能，當動車組運行于再生制動工況時，向供電系統返送電能，為了充分利用動車組再生制動產生的電能，需要有變電所與負荷之間的互動。

針對高速鐵路的供電結構及負荷特性，REMS應當具備：

(1)能夠在不同的區域電網中對供電系統實現能量管理。

(2)能夠實現對系統的敏捷性控制，應對負荷的快速波動。

(3)能夠與負荷互動，充分利用列車再生制動產生的能量。

而傳統的集中式EMS由控制中心統一管理，對采集到的數據做統一的處理，并且對管轄網絡集中建模，在大規模高速鐵路中，海量的數據以及復雜的網絡結構會導致控制周期較長，另外集中式EMS不能夠實現控制中心與負荷之間的雙向互動，因此，需要對集中式EMS進行改革，由集中控制走向多級協調管理模式，實現對REMS的以下要求：

(1)列車級EMS監測動車組在運行過程中速度、工況、位置、功率等信息，實現對動車組能量消耗與再生制動能量的分析與管理。

(2)牽引變電所級EMS綜合分析供電區域內的列車運行情況及實時線路信息，實現對每個供電區域能量消耗、線路損耗的分析與管理。

(3)中央級EMS全面協調全線實時信息，實現對整條高鐵線路能量消耗的綜合統計分析與管理。

1 多級協調式REMS體系結構

1.1 REMS管理模式

在一條鐵路線路中，由多個牽引變電所進行降壓供電而形成了多個相對獨立的供電區間，每個供電區間包括左、右供電臂牽引網。每個牽引變電所供電區間的負荷主要由動態行駛在兩個供電臂的機車決定。機車作為牽引供電系統的主要負荷，既可以在牽引工況從牽引網吸收電能，也可以在再生制動工況向牽引網返送電能。因此，牽引供電系統能量的結構主要為整條鐵路線路、固定的牽引變電所與每列動態運行的機車。

牽引功率傳輸過程中，在牽引變壓器、自耦變壓器、牽引網等設備上會產生大量的能量損耗，為了實現對全線能量、各供電區間能量以及列車能量的管理與優化，分別以線路、變電所、列車為計算單元建立由中央EMS、變電所EMS、車載EMS構成的REMS，通過三級EMS的協調配合，實現對整個系統能量的管理與優化。

REMS的管理模式如圖1所示[4]，通過互感器、傳感器測試牽引變電所、牽引網及動車組的電氣、天氣、地理等多元信息，結合牽引供電系統的能量傳輸規律及能耗分布特征，制定出能耗優化方案，并將控制決策信息下發至供電系統，實現對整個系統能量的管理與優化。

圖1為REMS的能量管理模式，包括多元信息流與雙向能量流。多元信息流包括牽引供電系統中的電氣(電壓、電流、功率等)、地理(坡度、曲率、海拔等)、天氣(溫度、濕度、風力等)、速度等影響系統能耗分布的關鍵信息，以及調控能量所發出的命令、動作信號等多元信息；雙向能量流是在變電所、牽引網以及列車負荷之間雙向流動的電能。

REMS通過信息流對系統進行能耗分析，分析電氣、地理、天氣、速度等信息對能耗的影響，得到能耗分布規律，并結合系統設備投切狀態及線路列車運行情況，制定控制決策方案，牽引供電系統通過執行REMS的控制決策方案，動作系統的調控補償設備，調節列車的運行狀態，實現對系統能量流的調控，保障高速鐵路安全、經濟、高效運行。

1.2 多級協調式REMS配合機制

多級協調式REMS由中央EMS、牽引變電所EMS和車載EMS構成，通過三級EMS的協調配合，實現REMS能量的管理與優化。圖2給出了多級協調式REMS的配合機制，主要包含以下三級EMS：

(1)車載EMS隨列車高速移動，不同的時刻可能處于不同的供電區間內，車載EMS監測列車的速度、運行工況、位置、功率等信息，獲取列車能量的消耗與再生情況以及列車當前所在的供電區間，與其所在供電區間的變電所EMS互動，實現對列車能量的管理與優化。

(2)變電所EMS監測變電所的設備投切情況及負荷總功率，承接區間內的車載EMS與中央EMS，降低供電區間內的損耗，實現對供電區間內能量的管理與優化。

(3)中央EMS整合全線信息，集中協調各個變電所EMS，綜合分析全線能耗分布，以全線能耗最低為控制目標，宏觀調控整個系統的能量。

圖2 多級協調式REMS多級配合機制

由圖2可知，REMS中三級EMS之間的協調配合主要依賴于雙向的信息傳遞[5]，包括上行信息和下行信息。

(1)上行信息包括車載EMS上傳變電所EMS的實時數據信息和變電所EMS上傳中央EMS的實時數據信息。

車載EMS上傳變電所EMS的實時數據信息是列車負荷實時及預測數據。對于每個列車，可能運行于牽引、惰行、空氣制動以及再生制動工況，車載EMS結合當前運行工況，給出實時負荷數據，并根據路況及地理信息，預測未來運行工況，從而得到預測負荷數據，并將其上傳至變電所EMS。

變電所EMS上傳中央EMS的實時數據信息是各變電所當前及未來的有功、無功控制能力。變電所EMS通過對其所帶負荷情況、調節設備投切情況進行實時統計、評估、預測，得出變電所的有功、無功上下調范圍，即該變電所的有功、無功控制能力，并將結果上傳至中央EMS。

(2)下行信息包括中央EMS下發變電所EMS的優化指令信息和變電所EMS下發車載EMS的優化指令信息。

中央EMS下發變電所EMS的信息為各變電所功率、電壓的控制目標。由于變電所EMS只能采集到本地信息，無法得到整條線路的負荷情況，因此單純靠變電所EMS無法確定合理的功率電壓控制目標，需要中央EMS綜合分析全線實時信息，在保障全線安全穩定運行的前提下，以提高全網運行經濟性為目標，確定各個變電所的功率及電壓參考值，并下發至變電所EMS，變電所EMS利用所內調節手段，對控制目標進行閉環追蹤控制。

變電所EMS下發車載EMS的信息是列車的運行工況及負荷目標。由于車載EMS只能采集到本列車信息，無法得到所在供電區間的負荷情況，因此單純靠車載EMS無法確定合理的運行目標，需要變電所EMS根據整個供電區間的實時信息，在考慮列車安全舒適運行的前提下，確定各列車的運行目標，并下發至車載EMS，車載EMS利用車內調節手段，對控制目標進行閉環追蹤控制。

1.3 REMS多層框架

REMS是集硬件配置和軟件開發于一體的復雜系統，需要測量、控制、通信、數據庫、電力以及經濟學的協調配合，保障系統的安全、經濟、高效運行。本文將REMS劃分為五層結構，其框架如圖3所示。

圖3 REMS多層框架

REMS由測控層、通信層、數據層、功能層和市場層構成。

(1)測控層：基于嵌入式技術，采用精度高、功耗低、體積小、可靠性高的中央處理器單元，對列車功率、速度、位置及線路天氣、地理等多元信息進行采集，以標準化數據格式發送至通信網絡，并根據接收到的動作信號，對現場調控設備進行控制。

(2)通信層：基于互聯網通信方式，以IEC61850、IEC61970等通信協議為標準，定義通信數據的標準格式[6]，實現對現場實時信息和優化指令信息的高效傳輸，同時，通過設置防火墻及VPN網關，保障通信系統的信息安全。

(3)數據層：采用數據云服務與分布數據庫技術，將各種廣域異構計算資源整合，充分利用系統中的計算資源，為各種分析計算任務提供強大的計算與存儲能力支持[7]，實現對各級REMS實測數據、分析數據、優化數據、決策數據等海量數據的計算與存儲。

(4)功能層：各級EMS通過監控與分析現場實時信息，對管轄范圍內的能耗分布規律進行分析，以節能為目標，制定能耗優化方案，做出優化決策，現場調控設備通過執行優化決策，實現能耗的降低。

(5)市場層：實時獲取電力市場電價波動信息，制定出相應的購電、反饋電力策略。

此外，REMS還包括貫穿各層的運維服務，運維服務對系統的硬件及軟件進行定期維護，保障系統工作的可靠性。

2 關鍵技術

2.1 高速鐵路信息物理融合系統

信息物理融合系統CPS (Cyber Physical System)通過3C(Computer, Communication, Control)技術將計算、網絡和物理環境融為一體[8]。高速鐵路CPS體系結構如圖4所示。主要由計算設備(服務器、計算機、嵌入式計算設備、存儲器等)、數據采集與控制設備(傳感器、嵌入式數據采集設備、繼電器等)和物理設備(牽引變壓器、牽引網、列車負荷等)組成。這些設備通過大型網絡互聯，其中，信息設備(計算、數據采集)通過通信網絡互聯，物理設備通過牽引網絡互聯，高速鐵路CPS將兩大網絡相互耦合，形成一體化的多維復雜網絡。

圖4 高速鐵路CPS體系結構

在高速鐵路CPS中，數據采集設備通過對高速鐵路系統的感知，獲取實時的電氣、地理、天氣等信息，經通信網絡傳送至分布式計算與存儲設備和REMS，分布式計算與存儲設備完成對信息的實時處理分析，REMS根據處理的信息結果，并結合全網運行狀態，做出優化決策，決策信息通過通信網絡下發至控制設備，對高速鐵路系統進行調控，從而實現虛擬世界與現實物理世界的互聯與協同。

2.2 網絡建模

在多級協調式REMS中，網絡建模可分為系統級電源模型、區間級傳輸模型和列車級負荷模型。系統級電源模型由中央EMS構建，中央EMS不需要感知供電區間各個位置的具體情況，因此將各個變電所簡化為電源，結合變電所內的調控及補償設備，以變電所為基本單元建立多個可控電源模型；區間級傳輸模型由變電所EMS構建，根據區間供電方式及列車位置確定網絡拓撲，結合設備及線路參數建立網絡傳輸模型；列車級負荷模型由車載EMS構建，根據車載變壓器、變流器、電機等詳細參數，結合列車工況建立列車級負荷模型。

通過三級EMS分別對系統建立三級模型，實現多級協調式建模，相比于集中式建模，降低了中央EMS的建模復雜度，從而提高REMS的管理效率。

2.3 多時間尺度的空間牽引負荷功率預測

空間牽引負荷功率預測是REMS預測未來牽引供電系統運行狀態的基礎，也是為REMS提供牽引供電系統未來調度與控制的重要依據[6]。由于列車負荷的特殊性，其功率及位置都在隨時間變化，其功率影響系統的潮流分布，其位置影響系統的拓撲結構，因此，需要基于高速鐵路功率歷史數據、地理天氣信息以及列車運行圖，對牽引供電系統進行空間牽引負荷功率預測[9]。

根據REMS分析計算及調控決策需要，空間牽引負荷功率預測主要包括日級、小時級、分鐘級預測[10]：

(1)日級預測主要由中央EMS根據列車運行圖、天氣預報數據，對未來一天的負荷功率及位置進行預測。

(2)小時級預測主要由變電所EMS根據鄰近供電區間列車運行情況及本區間天氣情況，對未來一小時的負荷功率及位置進行預測。

(3)分鐘級預測主要由變電所EMS與車載EMS根據當前供電區間列車運行情況、天氣及路況數據，對未來十五分鐘的負荷功率及位置進行預測。

2.4 優化控制系統

優化控制系統的目標是維持系統供電安全、供電質量及經濟運行，是整個REMS的核心。為應對牽引供電系統不同的運行狀態，設計三種控制模式：

(1)預防模式：當系統運行于正常狀態，但是經過安全評估發現存在安全隱患時觸發，預防系統進入不正常狀態。

(2)校正模式：當系統運行于不正常狀態時觸發，如饋線電壓異常，牽引負荷過載等，使系統盡快恢復到正常狀態。

(3)優化模式：當系統運行于正常狀態時，根據中央EMS綜合全線的運行狀態下發的控制目標，在保證安全運行的前提下，變電所EMS配合車載EMS，盡快調整系統當前運行狀態，以達到中央EMS的控制要求[11]。

可應用于牽引供電系統的優化設備有靜止無功補償器SVC(Static Var Compensator)、集中電容器補償及有載變壓器調壓等[8]。而列車負荷移動速度快，功率波動大，為了協調多種優化設備，需要采取合理的控制策略。對于有載調壓變壓器，分接頭不宜頻繁調整，其指令周期一般設置為一天；電容器的投切受操作次數及響應速度的限制，其指令周期一般設置為15～30 min；SVC可以對電壓波動迅速做出響應[12]，其指令周期一般設置為10～20 s。

優化控制系統結構圖如圖5所示，變電所EMS根據中央EMS下發的控制目標和當前牽引供電系統潮流分布確定誤差，經過控制死區后，通過決策環節給出靜止無功補償器的無功補償量、固定電容器的無功補償量以及有載變壓器調壓的分接頭調整度，更新無功補償量以及變壓器變比，經過潮流計算后得出新的潮流分布，同時，變電所EMS綜合供電區間列車運行情況，將列車功率目標及速度目標發送至車載EMS，車載EMS通過調整列車運行狀態，配合變電所EMS實現對中央EMS下發的控制目標進行閉環追蹤控制。

圖5 優化控制系統結構圖

3 能耗分析與優化

3.1 能耗分析

牽引供電系統的能耗分析通過三級EMS的協調配合完成，分別對列車能耗、供電區間能耗以及全線能耗進行分析[13]，其能耗分析配合機制如圖6所示。

(1)列車從受電弓吸收的電能主要消耗在兩個方面，一是牽引傳動機構各個設備的損耗，如輔助供電系統，牽引電機，變流器等；二是驅動牽引機車運行，轉換為機車的動能，以及克服機械阻力、空氣阻力(風阻)、摩擦阻力等做功。每輛列車的能耗分析由車載EMS完成，并將分析結果上傳至變電所EMS。

(2)供電區間能耗包括變壓器損耗，變壓器冷卻系統能耗，牽引網損耗，變電所輔助系統能耗以及供電區間內所有列車的能耗，各個供電區間的能耗分析由變電所EMS完成，并將分析結果上傳至中央EMS。

(3)中央EMS綜合全線各個變電所EMS的能耗分析結果，對全線的能耗分布及影響因素進行分析，并做出能耗優化決策方案。

圖6 REMS能耗分析協調配合機制

在圖6中，給出了地形、參數、速度、天氣對各部分能耗的影響，由于列車功率可以轉換為地形、速度、天氣的函數，因此，這里不再將列車功率作為影響因素。

3.2 能耗優化

能耗的優化主要包括降低系統損耗、規劃輔助用電以及回收利用再生制動產生的電能。

系統損耗主要包括設備損耗和線路損耗。在設計階段，采用耦合度更高的變壓器，提高變壓器的效率[14]，采用阻抗參數更優的輸電線，降低牽引網的電能損失；在運行階段，采用無功優化方案，綜合考慮損耗費用與補償費用，以式( 1 )為目標函數，降低系統損耗產生的費用[15]。

F=min(αWL+βQC)

( 1 )

式中：α為能量損耗費用系數；β為無功補償費用系數；WL為系統損耗;QC為補償容量。

輔助用電主要包括牽引變電所輔助系統用電和列車輔助系統用電。在設計階段可以采用節能照明系統和用電等級較低的空調設備；在運行期間，合理控制輔助設備用電，降低輔助設備的能耗。

再生制動產生的電能是列車運行于再生制動工況時，將機械能轉換為電能，此時列車可視為一個發電機，向供電系統返送電能。目前在牽引供電系統中，再生制動產生的電能大多在車載阻抗以及線路阻抗上消耗掉，并有少部分注入電網，從而造成再生制動能量的浪費。為了回收利用列車再生制動產生的電能，根據牽引供電系統的能耗分布特性，在再生制動能量高的供電區間裝設儲能電源，儲能電源采用超級電容器與蓄電池組合的混合儲能方式，以經濟性為目標對儲能電源的容量及充放電功率進行優化，選取最優的儲能電源容量及充放電功率，并采取合理的充放電策略，通過控制儲能電源的充放電策略將列車再生制動產生的能量合理的利用起來。

圖7為超級電容器與蓄電池混合儲能結構，該結構采用多滯環電流控制策略[16]，充分利用超級電容器儲存的能量，優化蓄電池的充放電過程，從而提高儲能靈活性與經濟性。

圖7 混合儲能控制結構

4 實例分析

以某牽引供電系統為例，進行能耗優化。牽引變電所采用Scott接線方式，供電區間采用全并聯AT供電方式，區間設置6臺AT，仿真列車的啟動加速、保持勻速、過分相惰行、制動減速過程。列車功率隨時間變化曲線如圖8所示。

通過仿真分析，對牽引供電系統的能耗進行優化，在牽引變電所設置有載調壓變壓器，在沿線AT所設置無功補償裝置，綜合列車運行情況，確定有載調壓變壓器的分接頭檔位和無功補償裝置投切方案，從而使系統整體損耗降到最低。圖9為優化前后牽引供電系統總損耗功率和牽引變電所、牽引網損耗功率變化曲線。

由圖9可知，優化后牽引供電系統整體損耗功率及各部分損耗功率均明顯減小，列車功率較大時，損耗功率下降的更為明顯，優化效果更好。圖10給出了優化后牽引供電系統損耗較優化前降低的百分比，可以看出，隨著列車功率的增大，損耗降低的百分比不斷增大，并且在列車功率接近額定功率時，損耗降低百分比超過5%，表明優化后牽引供電系統損耗得到了有效抑制。

圖9 牽引供電系統功率損耗圖像

圖10 損耗降低百分比-列車功率圖像

5 基于全壽命周期的經濟性評估

REMS需要調節控制大量的設備和分析處理海量的數據，在這個過程中，REMS會產生一定的費用，本文采用全壽命周期成本LCC(Life Cycle Cost)對REMS的經濟性進行評估[17]。LCC包括REMS壽命周期或預期的有效壽命期內，設計、研究、投資、使用、維護過程中，發生或可能發生的一切直接、間接、派生或非派生的所有費用。

REMS的全壽命周期成本可分為元件級成本與系統級成本。

元件級成本主要指系統的硬件投入，包括數據采集元件、通信設備、無功補償設備、儲能設備、計算機、存儲器等，其費用結構見表1。

表1 元件級費用結構

系統級成本主要指軟件投入，包括算法設計、程序開發等，其費用結構見表2。

表2 系統級費用結構

另外，還應考慮包括電磁輻射、噪聲等外部環境成本Cexter。因此，LCC可表示為

( 2 )

式中：n為元件數。

為了得到單位LCC產生的效益，對REMS的經濟性進行評估，定義效能指標EC為

( 3 )

式中：Es為系統的綜合效益。在REMS中，系統的綜合效益主要包括：

(1)經濟效益EC1：通過對系統能量的分析優化，降低系統的能量消耗，從而降低系統的購電費用；

(2)可靠性效益EC2：通過對系統的實時安全評估及網絡優化，提高系統的供電可靠性，降低系統的故障率，從而降低系統故障引起的經濟損失；

(3)品牌效益EC3：通過節能減排等措施，提升高速鐵路形象，從而提高高速鐵路的品牌價值。

6 結束語

本文建立多級協調式REMS的體系結構，通過建立中央EMS、變電所EMS和車載EMS的三級結構，結合多項關鍵技術，對系統的能耗進行分析與優化，實現系統的安全、經濟、高效運行，并通過實例分析，驗證了REMS可以有效降低系統的能耗。以全壽命周期成本對REMS的經濟性進行評估，綜合評價REMS帶來的經濟效益。