高速鐵路牽引供電故障對動車組 運行影響及應急處置研究

李道德，劉長利，張 韜

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 電氣化院，陜西 西安 710043；3.中國鐵路鄭州局集團有限公司 供電處，河南 鄭州 450052）

0 引言

高速鐵路調度系統是涉及行車組織、機車車輛（動車組）、通信信號、牽引供電、防災報警、維護救援等多個方面的綜合管理系統。非正常情況下的調度指揮屬于高速鐵路運營面對突發事件的應急處置，而牽引供電故障是高速鐵路應急處置的重要誘發因素，其往往與自然災害、不良天氣等因素交互耦合，導致高速鐵路應急處置難度大、耗時長。高速鐵路牽引供電系統與地方電力系統相比，在用途、供電方式及可靠性要求等方面存在較大的差異。在用途方面，牽引供電系統是為動車組供電，供電負荷為移動負荷；在供電方式上，牽引變電所為供電臂提供唯一電源，供電臂采用全并聯AT單邊供電，具有獨特的網絡結構；在供電可靠性方面，牽引供電系統無差別地為每列動車組提供不間斷供電，旅客在封閉線路和車箱內乘坐出行，動車組停電且空調失效超過20 min需打開車門并通知救援，具有特定性和時效性，可靠性要求較高。

高速鐵路牽引供電系統可實現故障診斷、預警及自愈重構等功能[1-2]，目前我國學者主要開展牽引變電所的智能化研究[3-5]。牽引供電系統的自愈重構能力對供電持續性和動車組的安全運行非常重要，劉長利[6]提出以接觸網供電分段為單元的自愈重構模式，找出自愈重構的薄弱環節為接觸網開關，并提出快速自愈重構技術；楊少偉[7]借鑒配電網故障恢復技術，建立了適用于牽引供電系統的重組自愈專家系統模型；姚小軍[8]將配網饋線自動化的理念引入牽引供電系統，開展了供電故障隔離與恢復自動化的研究。總體而言，目前鐵路行業對高速鐵路牽引供電故障的應急處置問題研究較少，在牽引供電故障對動車組運行影響及鐵路智能調度等方面尚處于探索階段，應以減少行車影響、先通后復、縮小停電范圍、盡快恢復供電等為原則，開展高速鐵路牽引供電故障時應急處置問題的深化研究。分析高速鐵路牽引供電系統的網絡結構和故障特點，劃分出自愈控制和網絡重構模式，量化分析不同模式對動車組運行的影響，建立行車調度與供電調度的聯合應急處置體系，明確供電調度端的應急操作內容，并考慮納入鐵路智能調度指揮系統。

1 牽引供電故障的自愈重構模式

牽引供電故障的自愈重構模式可分為自愈控制模式和網絡重構模式。瞬時性、可恢復性故障采用自愈控制模式，部分可恢復性、不可恢復故障則需要采用網絡重構模式。根據高速鐵路牽引供電系統特點及沿線供電設施分布情況，網絡重構模式又可細分為供電臂重構和供電分段重構2種模式。

實際上，毛氈材料也可以與其他不同的材料組合。材料作為藝術家們傳達概念的載體，與生俱來的背負了這一重任。也只有最相得益彰的兩種材料的結合才能符合藝術家的高要求，準確的表達藝術家的感情及概念。

1.1 自愈控制模式

自愈控制模式分為故障預防和故障自愈。在故障預防方面，牽引供電系統通過對牽引變壓器和高壓設備進行智能化升級，并采用故障預測與健康管理PHM、接觸網6C檢測等手段，實現變電設備和接觸網的故障預警、故障快速診斷、設備與系統健康評估、系統可靠性分析與風險評估等。

對于可恢復性故障，變電設備主要依靠主備開關進行設備切換來實現。牽引變電所通常為兩回獨立電源進線且采用熱備用方式，牽引變壓器、自耦變壓器均采用固定冷備用方式，牽引變電所、分區所、AT所的斷路器等變電設備發生單點故障時，利用備用進線自動投入裝置（以下簡稱“備自投”），可實現快速切換至備用設備并恢復供電。牽引變電所、分區所及AT所備自投網絡結構如圖1所示。

1.2 網絡重構模式

（1）自愈控制模式下的應急操作。高速鐵路牽引變電所、分區所、AT所的斷路器等變電設備發生單點故障時，通過所內綜合自動化系統實現就地保護測控和備自投，快速切換至備用設備并恢復供電。接觸網屬于無備用運行，當接觸網發生故障引起停電時，牽引變電所的斷路器將進行自動重合閘一次，重合閘失敗后，由鐵路局集團公司供電調度進行試送電，如果為瞬時性故障可恢復正常供電，如果試送電失敗，則無法實現故障自愈，轉為供電臂重構模式。

（2）供電分段重構模式。隨著我國高速鐵路通車里程不斷增加，高速鐵路弓網事故、接觸網故障時有發生，為了減少區間動車組停車，保障鐵路運輸的正常秩序，應縮小接觸網停電的影響范圍。目前供電分段是接觸網的最小停電單元，因此，可采用供電分段重構模式降低故障影響。供電分段是在供電臂的基礎上由電分段（絕緣錨段關節或分段絕緣器）細分出來的獨立電路，利用電動隔離開關進行連接或隔離。在1個供電臂內的供電分段劃分以下3項：①車站咽喉區處設置的絕緣錨段關節，隧道內或隧道口設置的絕緣錨段關節，AT所附近設置的絕緣錨段關節；②大型客站、鐵路樞紐的站場內供電分束，增設的分段絕緣器或絕緣錨段關節；③車站接觸網V型停電天窗，在咽喉區八字渡線處設置的絕緣錨段關節。高速鐵路沿線除了設置有牽引變電所、分區所及AT所等，還有接觸網的絕緣錨段關節、分段絕緣器及隔離開關，從而構成高速鐵路牽引供電分段布局。高速鐵路牽引供電分段的網絡結構如圖2所示。

2 自愈重構模式對動車組運行的影響分析

2.1 對追蹤間距及惰行方式的影響

按照行車組織規則計算出高速鐵路區間動車組追蹤運行間距，測算供電臂或供電分段內動車組運行數量，從而量化分析不同供電故障對動車組運行的影響。按照動車組運行速度和追蹤間隔時間等數據，計算動車組追蹤間距，采用公式 ⑴ 表示。

式中：v為動車組運行速度，km/h；I追為動車組追蹤間隔時間，min。

動車組運行速度分為正常速度和限速，將高峰期緊密運行視為正常運行狀態，惡劣天氣、高速鐵路設施故障及動車組故障時視為限速運行狀態。我國高速鐵路分為200 km/h，250 km/h，300 km/h，350 km/h， 380 km/h等運行速度等級，目前正在研發400 km/h 和450 km/h等級高速鐵路技術，以此定為正常運行速度；在《鐵路技術管理規程》中規定，極端冰雪天氣、反方向行車時限速160 km/h，在極端大風天氣、異物侵限報警、動車組故障時限速120 km/h，在雨天防洪地段限速運行45 km/h，以此定為限速工況。動車組追蹤間隔時間采用田長海等[9]、王丹彤[10]和李博等[11]的研究成果，動車組在區間追蹤運行通常采用區間通過和車站經停2種方式進行分析，其最小追蹤間隔時間存在一定差別。綜合考慮，動車組運行條件及運行速度、追蹤間隔時間如表1所示。

新常態下山東省制造業轉型升級評價研究 … …………………………………………… 范秋芳，王 嫚（3．24）

表1 動車組運行條件及運行速度、追蹤間隔時間Tab.1 Normal operation conditions, speeds and tracking interval time of EMUs

牽引供電系統的故障源較為復雜，故障排查和處置有一定難度。當供電調度端接收到牽引供電系統故障信息后，供電調度員應協調行車調度員及時采取動車組限速、降弓、扣停等應急措施，當變電所跳閘重合閘成功或試送電成功，判明為未侵入鐵路建筑限界的變電設備原因、過負荷或供電線（纜）等原因時，動車組可不需限速、降弓；需要動車組限速或降弓時，限速范圍擴大至故障點前后各2 km，當故障點不明確時，按整個供電臂限速。變電所跳閘后試送電失敗，該供電臂內停有動車組時，在確認故障地點及性質后，供電調度員通過SCADA遠動系統操作接觸網隔離開關分合閘，隔離故障點，恢復故障點所在最小停電單元以外的區段供電。綜上所述可得，高速鐵路行車調度與供電調度聯合應急處置體系如圖4所示。

另外，在自愈控制模式下，變電設備的備自投約20 s停電引起供電臂內動車組失電，動車組運行可采取不降弓惰行方式。在網絡重構模式下，動車組運行也可以采取惰行方式。鐵路運營部門在寧杭高速鐵路（南京南—杭州東）、杭甬高速鐵路（杭州東—寧波）及鄭西高速鐵路（鄭州東—西安北）開展了惰行試驗，試驗結果表明動車組惰行距離主要受初始速度、線路條件及風速等因素影響，通常情況下動車組惰行通過整個供電臂或半個供電臂是可行的[12-13]，考慮到動車組在車站經停和啟動加速問題，目前一般是按半個供電臂（即圖2中供電分段S或S′）進行實施，相比較而言，供電分段重構模式有利于實施動車組惰行方案。

2.2 對動車組運行影響評價

上述數據用于3種模式對動車組運行影響的評價，分析如下。

從供電分段方面進行動車組運行分析，以圖2所示高速鐵路沿線供電分段布局為例，由于AT所附近設有絕緣錨段關節，因而供電臂L上行至少需要劃分2個長度分別為10 km左右最基本的供電分段，正常情況下可以分別為1列動車組供電；供電分段S內有座特長隧道細分成3個供電分段單元，供電分段S′內車站細分成3個供電分段單元，因而L上行供電臂內供電分段單元有6個，其中2個供電分段單元可分別為1列動車組供電，在限速情況下每個供電分段單元均可為1列動車組供電。

從供電臂方面進行動車組運行分析，由于牽引供電系統AT供電方式的供電臂長度一般為25 km左右，結合圖3數據分析得出，正常運行情況下1個供電臂可為2列動車組供電，限速情況下最多可同時為6列動車組供電。

（1）自愈控制模式對動車組運行的影響較小。牽引變電所、分區所及AT所內設備故障時采用就地倒閘程序切換至備用設備，倒閘操作過程中停電引起動車組暫時失電，倒閘完成后供電臂恢復正常供電。

女警官笑了，聰明人的話。送何良諸走出辦公室，沿樓道前行。警察找人談話，一般是不送的，更不會送這么遠． 女警官很客氣。何良諸可不客氣，沒有說“留步”。本來，一個電話打到文化廳，就能辦的事，卻興師動眾地把他調來。你們的衙門口，太邪乎了。

所謂工分的稀釋化，即把非農業生產的工分拿回農業之內進行分配，從而導致工分被稀釋、分值下降的現象。這里的“農業”是指狹義上的農業。而造成工分稀釋化的原因主要有：國家大量征收的公購糧、農田水利基本建設、文化教育事業、隊干的補貼工等。下面將一一進行論述。

（2）供電臂重構模式對動車組運行的影響較大。以供電臂L上行發生故障為例，當供電臂L上行退出時可迫使2列動車組降弓停車，直至故障修復，體現為停電時間較長；當越區供電時可迫使供電臂L上行及相鄰供電臂L下行或L′上行內4列動車組臨時降弓停車，體現為停電影響范圍較大。

（3）供電分段重構模式對動車組運行的影響較小。接觸網故障一般影響1個最小停電單元，特殊情況如絕緣錨段關節、分段絕緣器、電分相處發生故障時可涉及相鄰2個最小停電單元。當最小停電單元為供電分段時，接觸網單點故障停電最多迫使1列動車組降弓停車，供電臂L上行內還有4 ～ 5個供電分段單元可為動車組供電，供電分段重構模式具有較高的供電靈活性。

3 牽引供電故障的應急處置和調度指揮

（2）供電臂重構模式下的應急操作。供電臂重構模式下的應急操作較為簡單，由鐵路局集團公司供電調度根據繼電保護測控數據通過SCADA系統進行程控化操作。供電臂重構模式的降級供電方式及應急操作如表2所示。目前我國高速鐵路牽引供電故障普遍采用供電臂重構模式，當運營高峰期動車組緊密運行時，故障供電臂及其相鄰供電臂將有多列動車組運行，停電對動車組運行影響問題比較突出。

晶體管的增益隨著頻率的增加以6 dB/倍頻程的速率下降[10]。本文的設計目標是在2～4 GHz的寬頻帶范圍內保持高的增益，且噪聲系數盡可能的低。該設計的電路框圖如圖1所示。

3.1 行車調度與供電調度聯合應急處置體系

供電調度系統在局級實現與CTC/TDMS系統接口、通信傳輸和數據實時共享，使行車調度與供電調度實現信息互動，CTC調度集中系統與SCADA遠動系統實現聯動和系統自主控制，進而確保安全和效率。行車調度員和供電調度員需時刻掌握本區段的供電狀態，當牽引供電系統出現接觸網跳閘、電氣設備故障或接觸網掛異物等異常情況時，應迅速查明故障原因，切除故障點，指示供電搶修車出動等，共同完成應急處置工作。

高速鐵路區間動車組追蹤間距如圖3所示。經分析，當動車組正常運行時，在高速鐵路區間的追蹤間距可達10 km以上；遇有車站情況下，2列動車組分別進站經停后最小追蹤間隔時間加大，動車組追蹤間距通常達到20 ～ 35 km。在高速鐵路限速運行的特殊情況下，動車組追蹤間距在8 ～ 10 km，在雨天防洪區段動車組最小追蹤間距為3.75 km。

3.2 供電調度端的應急操作

（1）供電臂重構模式。當變電設備發生嚴重故障導致整所（牽引變電所、分區所、AT所）故障或供電臂退出運行，或者各所的饋電線、正饋線發生故障時，采用供電臂重構模式。由于繼電保護測控系統以供電臂為單元進行測控，因而目前我國高速鐵路牽引供電系統普遍采用供電臂重構模式，故障時可采取以下降級供電方案：①系統維持AT供電方式，進一步采取上下行分開供電、V停供電和越區供電等降級供電方式；②系統降級為直接供電方式，進一步采取全并聯供電、上下行分開供電、V停供電和越區供電等降級供電方式。

高速鐵路動車組運行速度高，行車密度大，而且乘客對出行準點率要求較高，在牽引供電系統出現非正常情況時，依靠鐵路局集團公司調度系統和調度人員的相互配合盡快恢復運營，是高速鐵路調度指揮工作的重難點。

表2 供電臂重構模式的降級供電方式及應急操作Tab.2 Degraded power supply mode and emergency operation under feeding-section reconfiguration mode

（3）供電分段重構模式下的應急操作。供電分段重構模式下的應急操作較為復雜，牽引變電所重合閘和試送電失敗后需要人工介入，由鐵路局集團公司供電調度查看繼電保護測控系統上傳的接觸網故障標定數據，并進行遠動控制端的故障判斷和故障排查，如果故障判斷不確定時則需要操控各處接觸網開關進行分段試送電操作，找出故障點所在的接觸網最小停電單元，隨后隔離故障點、恢復故障點以外區段供電。由于接觸網運行工況受自然環境影響較大，故障點排查難度較大，特殊情況下將派遣供電段技術人員赴鐵路沿線進行現場排查。當接觸網故障停電且供電臂內有多列動車組運行時，需要提高倒閘作業效率、故障標定能力及供電調度程控化操作水平，盡快隔離故障點和恢復供電。

3.3 納入和完善智能調度指揮系統

牽引供電故障的應急處置需要行車調度員與供電調度員之間密切溝通和信息互動，隨著高速鐵路向智能化方向發展，亟需納入和完善智能調度指揮系統，以提高應急反應速度、評估判斷準確性和決策能力。目前我國鐵路智能化主要集中在智能建造、智能裝備等方面，但在智能運營的調度指揮方面，智能CTC調度集中系統仍處于V1.0階段，需要持續進行迭代優化升級。目前智能CTC調度集中系統能夠實現智能輔助調整列車運行計劃、CTC系統與多系統數據融合、列車安全卡控多樣化（與牽引供電、防災、客票、TDMS等系統實現聯動）等功能，其中CTC系統與SCADA遠動系統聯動可實現接觸網停電的流程控制和供電臂狀態共享[14-15]。根據所述的3種模式對動車組運行影響的量化分析結果，采用供電臂重構模式進行故障應急操作對動車組運行影響較大，因而建議推廣采用供電分段重構模式，并納入智能調度指揮系統。在完善智能調度指揮系統方面，可考慮開展以下3點工作。

取第二次活化好的四種指示菌菌懸液100 μl在固體瓊脂平板上均勻涂布，用鑷子將無菌牛津杯輕輕放入培養皿，在水平放置的平皿中均勻地放置3個牛津杯，設置無菌水處理作為空白對照組，編號為0，9個濃度梯度的抑菌懸液編號為1～9，分別預先在培養皿邊緣做好編號標記，每個濃度梯度做四個重復處理。加入各個濃度梯度的抗菌肽懸液200 μl于相應編號的牛津杯中，注意不要將抗菌肽懸液加滿牛津杯，防止抗菌肽懸液溢出牛津杯外。

（1）研究制訂基于供電分段重構模式的牽引供電故障應急處置預案，包括非正常情況下的調度指揮預案和供電調度端遠程操作預案，開發應急處置場景模擬仿真系統用于優化應急預案和調度培訓，實現列車運行計劃的智能動態調整。

（2）加強行車調度與供電調度的信息交互融合，實時采集高速鐵路沿線各供電分段的供電狀態數據，采用基于數據優先級的信息分層處理規則建立大數據平臺，基于大數據平臺進一步完善智能調度指揮系統。

“其實，就算真的有了外遇，只要夫妻間還有真愛，有什么不能原諒的呢？”思蓉接著說，“婚姻的基礎當然是愛與忠誠，但有時候，在某些特定的時間與環境，在某些瞬間，愛與忠誠，也許可以分開。雖然我們并不鼓勵這種忠誠與愛的分開，但事實是，這世界真的存在，并且很多，否則的話，就不會有那么多不美滿的家庭。比如你萬一出軌的丈夫，也許他只是經受了一次難以抗拒的誘惑，也許他只是個沒有玩夠的小男孩，骨子里，仍然向往著婚前的那種自由。其實婚姻是什么呢？婚姻就是給自由穿上了一件棉衣，雖然活動不便，但會非常暖和……所以妹妹，你可以試著與他溝通……夫妻間最難的是溝通，最容易的，也是溝通……”

（3）按照簡化調度命令、強化調度指揮、優化設備控制和減少人工干預等原則，進一步優化調度指揮系統的決策步驟和工作流程，完善應急輔助決策手段和應急處置管理制度。

推薦理由:王安憶帶著歷史的長焦，以一貫細膩節制的筆觸、熨帖人心的語言，審視書中人物、老宅與城市的命運關系。出生世家的陳書玉，在時代大潮的反復沖擊下，與老宅共同經受了一次又一次的修繕和改造，終致人屋一體，互為寫照。人物沉浮與老建筑的存亡緊密相連，時代的起落更迭促使陳書玉個人的成長與嬗變，演繹一段低回慢轉的上海別傳。

4 結束語

牽引供電系統故障時的應急處置，當變電設備發生單點故障時采用自愈控制模式，對動車組運行的影響較小；當變電設備發生嚴重故障或饋電線、正饋線故障時采用供電臂重構模式，對動車組運行的影響較大；當接觸網發生故障時采用供電分段重構模式，對動車組運行的影響較小。與供電臂重構模式相比，供電分段重構模式具有較高的供電靈活性，有利于實施動車組惰行方案。建議完善智能調度指揮系統，建立針對牽引供電故障的行車調度與供電調度聯合應急處置體系，明確供電調度端的應急操作內容，在供電分段重構模式的基礎上將牽引供電故障應急處置納入智能調度指揮系統。