陈 刚 杨雪凇
中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都 610031
摘 要：为了研究某单线铁路牵引变电所能耗及电费情况，本文根据实际运行车型入手，提出在相邻两牵引变电所之间供电臂末端设置能量调度装置技术方案。利用OpenTrack和OpenPowerNet软件建立该线路牵引供电系统模型，在相同供电范围和行车运行组织的情况下，分别对有无能量调度装置的工况进行仿真，得到相邻两牵引变电所实际功率曲线，以及各工况下牵引变电所最大需量和节约电费情况，并针对优化牵引供电能量调度技术方案提出明确建议。
关键词：电气化铁路；能量调度装置；仿真；电费
中图分类号：U 223 文献标识码：A
0 引言
《铁路“十三五”发展规划》提出：推动铁路绿色发展，强化节能降支、降低电费支出，合理电能潮流调配、再生制动能量利用和能耗综合管理系统研究，进一步降低铁路能耗水平。《2019年铁总供电部年度工作报告》指出，在确保供电安全的前提下要求加强节能降耗，提高降低电费支出，提高变电所智能运维能力，实现全过程降本提效。
电气化铁路作为最重要的、为数不多的直接接入电网的大宗用户之一，其电费已成为铁路运营的主要成本之一。如何实现电气化铁路的高效、节能节支，提升电气化铁路的运营效益，已成为行业关注的重点。国家铁路发展规划和国铁集团公司多次提出要加快铁路节能、节支新技术应用，促进铁路效益提升[1,2]。
某单线电气化铁路由于运行密度低、变电所负荷曲线为间歇制，基本电费占比高。特别是线路坡度较大的两个相邻牵引变电所，最大需量电费占比更高。如何实现降低电费支出，合理分配电能潮流、再生制动能量利用，进一步降低铁路能耗水平，提升电气化铁路的运营效益，已成为行业关注的重点。
1铁路列车运行现状及电费情况
1.1铁路列车实际运行现状
该铁路北起六盘水南编组站，与沪昆、内昆铁路衔接，南至盘西线红果站，与南昆铁路贯通。运营长度160公里，为单线Ⅰ级电气化铁路，设计时速80公里，通过能力为44对/日，年运输能力2800万吨，车站18个。从2019年9月11日起，该铁路机车逐步改为HXD1C型双机牵引交流机车，货运9对/天（双机重联），客运1对/天，牵引定数改为3000吨，在2019年10月上旬全部改完。
该铁路闭塞类型为半自动闭塞类型，一个区间内最多一列车，一个供电臂最多两列货车、发生过负荷跳闸的情况大多是供电臂多余两列货车的工况；最小行车间隔为20分钟；
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上表可见，自2019年10月更换大功率交流机车（HXD1C双机牵引功率2*7200kw）以来，两变电所整体最大需量有所增加，1#变电所需量最大平均每月在20M左右，2#变电所最大需量在17M左右。因此，有必要根据该铁路的负荷特点提出节能节支系统解决方案，实现该铁路运输效益提升。
可见，降低该铁路的基本电费，实现电费节支很有必要。
2能量调度装置
能量调度装置（Energy Dispatch Equipment，简称 EDE）主要由能量调度管理系统、连接变压器、交直交变流器、控制保护系统等构成。通过变压器和直流侧相连的AC-DC-AC变流器，将轻载侧功率向重载侧转移，实现不同牵引网供电区间之间的能量调度，一方面可以实现再生制动能量在相邻变电所之间的实时利用，节省电度电费；另一方面可以实现相邻变电所之间削峰填谷、降低变电所最大需量，节约基本电费。该装置并联于牵引母线，对牵引供电系统的影响极小，可靠性高，可适用于既有各种牵引供电系统[3~5]。
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在既有1#和2#牵引变电所之间的末端分相处增加一套能量调度装置，可实现相邻供电臂有功功率实时交换，不仅对牵引变电所之间功率削峰填谷、降低功率峰值，减少变电所基本电费；而且可以充分利用再生制动能量，降低从公共电网取流，减少电度电费。
3牵引供电系统仿真建模
3.1 仿真目标
现以某单线铁路夹沟至三家寨段为例，分别模拟无能量调度装置以及在供电臂末端分相处设置1套能量调度装置时2座牵引变电所最大需量的变化情况。
根据2020年4月列车最大运行图可以看出，运量最大时，夹沟站~三家寨站供电范围内一天内共有5列车，分别位于夹沟~玉舍区间、白鸡坡~都格区间、都格~发耳区间、发耳~营街区间、渡船寨~三家寨区间。因此，本次仿真按照实际最严苛情况排车，即供电范围内同时有5列车运行。第1列车由夹沟站出发，第2列车由白鸡坡站出发，第3列车由都格站出发，第4列车由发耳站出发，第5列车三家寨站出发。供电结构示意图如下图所示。
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同时，分别考虑5列车同时启动（工况一），3列车同时先启动，2列车同时2min后启动（工况二），以及5列车均错开启动（工况三）三种不同工况下牵引变电所最大需量的变化情况。根据以上模拟，寻找该线路机车经济运行的最佳方式和相应的节能效果数据。
3.2模型建立
现利用OpenTrack和OpenPowerNet软件针对该铁路牵引供电系统进行仿真模拟，需输入基础资料如下：
（1）线路、车辆资料
根据全线线路长度、线路坡度、局部地区的限速要求、车站数量和位置等，实现轨道网络化布局；车辆类型、长度、载重、牵引额定功率、机车牵引特性曲线、机车电制动特性曲线、最大速度、空气阻力公式，以建立列车数据库；
（2）牵引供电系统
包括供电方式、牵引变电设施数量和分布、变压器容量、牵引网阻抗参数等。
（3）行车组织
根据实际行车密度，输入列车车次、追踪时分，搭建行车组织模型，以建立时刻表数据库，管理用户要求的列车离站时间、最小停站时间、列车间的衔接关系和其他仿真过程中的关键性数据[6]。
4仿真分析
为模拟该铁路1列HXD1C车实际运行功率情况，现对工况一至工况三进行仿真，得到夹沟至三家寨段牵引变电所总实际运行功率，仿真结果如图4~图15所示。
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根据以上仿真结果，对该铁路夹沟至三家寨段功率指标进行统计，牵引能耗效益分析结果如下表所示。
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由上表可知，在列车运行数量保持不变的情况下，设置和不设置能量调度装置时，供电范围内2座牵引变电所的合计年度电费有所不同。若5列车同时启动，则设置1套能量调度装置可节省电费21.5%；若3列车同时先启动，2列车同时2min后启动，则设置1套能量调度装置可节省电费28.5%；若5列车均错开启动，则设置1套能量调度装置可节省电费29.4%。因此，本线设置能量调度装置可以较好地分配相邻牵引变电所的平均功率，降低最大需量、节省基本电费，预计3~5年可收回成本。
5结论
通过以上分析可知，本项目通过在两个变电所之间的电分相附近安装EDE装置，不仅可以实现变电所之间功率转移利用、改善牵引网功率潮流特性，降低单个变电所的最大需量电量，为铁路部门节能节支；而且能提高再生制动电能的利用率，降低有功电费。而且，该装置可兼顾电压稳定控制，保障机车的安全稳定运行，对我国电气化铁路的经济、高效、稳定运行具有重要意义。同时，该装置可以使牵引变电所间削峰填谷、提高电网供电的负荷均衡度，有利于改善电网的负荷潮流。
参考文献：
[1] 吕顺凯. 交流电气化铁路再生制动能量利用技术研究[J]. 电气化铁道, 2019,(6): 5-10.
[2] 杨嘉琛，杨振龙，董志杰. 再生制动能量利用技术在客运专线中的应用分析[J]. 电气化铁道, 2019: 23-26.
[3] 吕顺凯. 基于变电所间能量调度的电气化铁路再生制动能量利用研究[J]. 电气化铁道, 2020,(6): 14-17.
[4] 邱文俊，李幼保，胡前. 基于功率融通的再生能量利用应用技术研究 [J]. 电气化铁道, 2020,(2): 5-10.
[5] 张海申. 城市轨道交通再生制动能量回馈装置容量选择研究[J]. 现代城市轨道交通, 2017,(5): 7-11.
[6] 杨雪凇，黄文，李剑等. 朔黄铁路再生制动能量利用及节能分析[J]. 电气化铁道, 2021,(2): 19-23.