摘要：我国高速客运专线铁路的大规模兴建使高速铁路的供电可靠性倍受关注。目前国际上将传统的可靠性评估扩展为对系统可靠、可用性、可维护性和安全性的全面评估。本文分析了高速铁路牵引供电系统的供电可靠性评估方法。
关键词：高速铁路；牵引供电系统；供电可靠性；评估方法；
随着我国铁路高速客运专线大力建设和既有线的提速，对铁路牵引供电系统可靠性的要求越来越高，使得安全可靠问题愈显突出。如何提高牵引供电系统的可靠性是摆在电气化铁路设计、施工、运营管理和设备制造等部门面前重要课题。
一、高速铁路供电系统网络结构
高速铁路牵引变电站电压等级由110kV上升到220kV，目前每个高铁牵引变电站由2个220 kV变电站采用主、备用方式供电接入大电网。以外部电力系统对高铁牵引供电系统进行可靠性评估，将大电网N3按网络层次分为多级，其中N1网络由直接为牵引变电站供电的220kV变电站及线路组成，N2 网络由与N1网络中变电站互联的220kV及以上的变电站和发电厂以及线路组成。在实际运行中，为确保高铁的安全稳定运行，高铁牵引变电站最高负荷可能仅有为其供电的 220kV变电站 (即 N1网络中的变电站) 容量的 1 /3不到，而 N1网络中的每个变电站又互联多个 N2网络中的变电站，高铁负荷占N1和N2网络中变电容量的比重就更小了。显然，在高铁负荷占全网负荷百分数和牵引变电站数量占全网变电站数量百分数都非常低的情况下，盲目地在大电网环境下对高速铁路牵引供电系统静态安全可靠性分析评估，不仅效率低、复杂度高，而且意义也不大。以牵引变电站和N1，N2网络组成的 N4网络为外部电力系统对高速铁路牵引供电系统进行可靠性评估，N4网络以外的大电网节点运用蒙特卡洛抽样法，将其可靠性参数等效到 N2网络中来，这样既保证了可靠性评估的正确性，又简化了网络结构。在N4以外的大电网结构不发生改变的情况下，即使N4 内的网络发生改变，节点等效还是一直有效的，只需要对 N4内的网络进行蒙特卡洛抽样评估就可以了，从而降低了对高铁牵引供电系统可靠性评估的工作量，提高了工程可用性。
二、可靠性评估算法实现
1.用蒙特卡洛法评估高速铁路牵引供电系统的过程可分为 3 个步骤: 系统状态抽样; 状态估计; 可靠性指标统计。首先对系统的各个元件状态 X 抽样。设系统状态的事件概率为P(X)，状态函数为F(X)，可靠性指标均值为:
，式中Ω为状态空间。由于电力系统的系统元件的强迫停运率一般较小，进行随机抽样时很容易出现截尾现象，导致较大误差，如果要保证计算精度必须加大计算量。本文应用分散抽样技术克服截尾现象，提高抽样精度和效率，方法见文献1。
2.可靠性指标。外部电力系统对高铁牵引供电系统可靠性指标的定义及其解析表达式如下:
（1）失负荷概率表示外部电力系统元件容量不足导致某牵引变电站失负荷的可能性，即：
，式中F (x) 是电力系统状态x的二值函数，若 x是系统的正常状态，F (x) 为 0; 若x是系统的故障状态，F (x) 为 1。
（2）高速铁路供电系统故障概率风险指标。铁路丧失通过能力概率表示在考虑外部电力系统供电可靠性和越区供电的前提下，相邻的 2 个或 2 个以上牵引变电站同时停电造成整条高铁丧失通过能力的可能性。
三、基本途径
1.建立可靠性管理的标准和准则。牵引供电系统可靠性管理标准和准则是开展可靠性管理的基础。电气化铁路先进国家极其重视牵引供电系统可靠性理论和方法体系的研究，对牵引供电系统可靠性提出了明确的指标要求。我国要组织相关人员建立牵引供电系统的可靠性指标体系、运行统计方法和可靠性评价规程等，明确对牵引变电所和接触网在可靠性方面的要求，逐步完善电气化铁路供电系统可靠性理论与方法体系。
2.加强设备的采购管理工作。一个系统的可靠性水平是由组成该系统的元件的可靠性水平和系统的结构决定的。所以，要把好牵引供电系统设备的可靠性关。设备可靠性水平低，要确保系统可靠运行，将意味着使用阶段要投入更多的维护费用或设备的提前更换。在新建和改建铁路线时，要一开始就把设备的可靠性考虑在内。要对经过可靠性试验的设备予以优先考虑，对预采购设备的可靠性提出明确的可靠性指标要求。电气化铁路建设单位应在设备采购合同中明确设备可靠性问题，要求制造方对影响设备可靠性的诸多要素进行管理，把审查可靠性试验执行的情况作为接收产品的依据，以保证设备质量。
3.建立完整的可靠性信息管理体系。我国电气化铁路牵引供电系统运营部门对设备的运行情况、检修情况都有较详细的记录，但没有专门针对系统可靠性管理的记录，要从原来的设备运行和检修记录中收集有关可靠性的信息相当困难。我国应尽建立电气化铁路设备可靠性信息的采集、统计、存储和分析体系，制定设备和系统的统计和评价规程。随着铁路信息化的发展，许多电气化铁路供电系统运营部门建立了自己的信息管理系统或设备管理系统，可靠性管理完全可以作为这些管理系统的一个模块被加入，并不会影响铁路原来的管理体系。统计和分析的基础上，形成完整的电气化铁路牵供电系统设备可靠性信息数据库，为规划、设计、制造、生产和科研等部门提供可靠性信息的查询和检索服务。
四、高速铁路牵引供电系统调度策略
高速铁路负荷较全网负荷而言，有着数值小、瞬时性大的特点。高铁牵引供电系统网络结构复杂、变电站供电模式多样，仅依据主观经验和习惯不可能全面、科学地分析高速铁路牵引供电系统网络的安全可靠性。本文依据算例分析结果，结合电网安全策略，提出供调度员参考的高速铁路牵引供电系统调度策略:1) 高铁牵引供电系统网络对牵引变电站故障灵敏度高低不一，故依据灵敏度数值高低将调度策略分为2 种情况。当线路灵敏度为负值时，优先服从全网经济、安全运行调度的策略; 当线路灵敏度为正值时，优先服从高铁牵引供电系统运行安
全调度策略，即线路按故障灵敏度高低排序，优先调度灵敏度较高线路，规避高铁牵引供电系统故障。2) 高铁牵引供电系统网络对牵引变电站故障灵敏度非常高，是高铁牵引供电网安全运行的关键环节，调度优先服从高铁牵引供电系统运行安全调度策略，调度使用灵敏度较高的线路作为牵引变电站主供线路，确保高铁牵引供电系统安全可靠运行。3) 从电网安全角度考虑，高铁牵引供电系统网络中每个220kV 变电站单独供电一个牵引变电站，不重复为2 个及以上牵引变电站同时供电。4) 参考可靠性故障灵敏度指标时，优先参考数值较大的指标系。
在我国电气化铁路牵引供电系统开展可靠性管理，将有助于提高电气化铁路的设计质量，有助于提高运营管理企业的管理水平和综合效益，从而促进整个牵引供电系统可靠性的提高，保证铁路的高效安全运输。定义了可靠性指标，推导了供电可靠性指标的解析表达式和灵敏度表达式，可显著提高整个铁路的通过能力和供电可靠性。
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[3]郭永基. 加强电力系统可靠性的研究和应用. 电力系统自动化, 2016, 27(19):
论文作者:殷子浩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/21
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