多級(jí)協(xié)調(diào)式高速鐵路能量管理系統(tǒng)

鄭 政，胡海濤，王 科，何正友

(1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031;2. 國(guó)網(wǎng)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(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)到2.9萬(wàn)km。高速鐵路的飛速發(fā)展，不僅縮短了不同區(qū)域之間的旅行時(shí)間，推動(dòng)了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)一體化，同時(shí)其供電可靠性以及電能利用率等問(wèn)題也引起了廣泛的關(guān)注[1]。文獻(xiàn)[2]對(duì)西班牙一條高速鐵路供電系統(tǒng)的能量消耗進(jìn)行了分析，該系統(tǒng)每年從電網(wǎng)吸收2 363.2 GW·h能量，但是列車(chē)只利用了1 968.8 GW·h能量，有394.4 GW·h的能量損耗在了設(shè)備及線路上；同時(shí)，列車(chē)每年再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量高達(dá)228 GW·h，這部分能量并沒(méi)有得到充分的回收利用。對(duì)此，需要采取一定的措施對(duì)能量的流動(dòng)、消耗、分布進(jìn)行分析、管理與優(yōu)化，一方面降低系統(tǒng)的損耗，另一方面充分利用列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)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(tǒng)REMS。

REMS相當(dāng)于高速鐵路供電系統(tǒng)的“大腦”，其任務(wù)是對(duì)高速鐵路供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集、監(jiān)視、分析、優(yōu)化和控制決策，保障高速鐵路的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。自從20世紀(jì)60年代DyLiacco博士首次提出電網(wǎng)EMS系統(tǒng)架構(gòu)以來(lái)[3]，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，EMS在電力系統(tǒng)中的架構(gòu)已較為完善，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的EMS是以控制中心為核心的集中式架構(gòu)，由控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，而變電站僅僅是將供電范圍內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心，并不具備對(duì)其供電區(qū)間進(jìn)行管理的功能。然而，高速鐵路供電結(jié)構(gòu)及負(fù)荷特性與電力系統(tǒng)具有較大不同，主要體現(xiàn)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(zhǎng)達(dá)2 281 km，貫穿北京、河北、河南、湖北、湖南、廣東電網(wǎng)，而一個(gè)變電所的供電區(qū)間通常為50 km左右，不同的供電區(qū)間往往與不同的區(qū)域電網(wǎng)連接。

(2)高速鐵路的負(fù)荷具有間歇性、隨機(jī)波動(dòng)性、高速移動(dòng)性等特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，對(duì)EMS的敏捷性要求較高。

(3)動(dòng)車(chē)組與高速鐵路供電系統(tǒng)之間存在雙向流動(dòng)的電能，當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于牽引工況時(shí)，從供電系統(tǒng)吸收電能，當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于再生制動(dòng)工況時(shí)，向供電系統(tǒng)返送電能，為了充分利用動(dòng)車(chē)組再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能，需要有變電所與負(fù)荷之間的互動(dòng)。

針對(duì)高速鐵路的供電結(jié)構(gòu)及負(fù)荷特性，REMS應(yīng)當(dāng)具備：

(1)能夠在不同的區(qū)域電網(wǎng)中對(duì)供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量管理。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的敏捷性控制，應(yīng)對(duì)負(fù)荷的快速波動(dòng)。

(3)能夠與負(fù)荷互動(dòng)，充分利用列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量。

而傳統(tǒng)的集中式EMS由控制中心統(tǒng)一管理，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做統(tǒng)一的處理，并且對(duì)管轄網(wǎng)絡(luò)集中建模，在大規(guī)模高速鐵路中，海量的數(shù)據(jù)以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致控制周期較長(zhǎng)，另外集中式EMS不能夠?qū)崿F(xiàn)控制中心與負(fù)荷之間的雙向互動(dòng)，因此，需要對(duì)集中式EMS進(jìn)行改革，由集中控制走向多級(jí)協(xié)調(diào)管理模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)REMS的以下要求：

(1)列車(chē)級(jí)EMS監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中速度、工況、位置、功率等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車(chē)組能量消耗與再生制動(dòng)能量的分析與管理。

(2)牽引變電所級(jí)EMS綜合分析供電區(qū)域內(nèi)的列車(chē)運(yùn)行情況及實(shí)時(shí)線路信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)供電區(qū)域能量消耗、線路損耗的分析與管理。

(3)中央級(jí)EMS全面協(xié)調(diào)全線實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條高鐵線路能量消耗的綜合統(tǒng)計(jì)分析與管理。

1 多級(jí)協(xié)調(diào)式REMS體系結(jié)構(gòu)

1.1 REMS管理模式

在一條鐵路線路中，由多個(gè)牽引變電所進(jìn)行降壓供電而形成了多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的供電區(qū)間，每個(gè)供電區(qū)間包括左、右供電臂牽引網(wǎng)。每個(gè)牽引變電所供電區(qū)間的負(fù)荷主要由動(dòng)態(tài)行駛在兩個(gè)供電臂的機(jī)車(chē)決定。機(jī)車(chē)作為牽引供電系統(tǒng)的主要負(fù)荷，既可以在牽引工況從牽引網(wǎng)吸收電能，也可以在再生制動(dòng)工況向牽引網(wǎng)返送電能。因此，牽引供電系統(tǒng)能量的結(jié)構(gòu)主要為整條鐵路線路、固定的牽引變電所與每列動(dòng)態(tài)運(yùn)行的機(jī)車(chē)。

牽引功率傳輸過(guò)程中，在牽引變壓器、自耦變壓器、牽引網(wǎng)等設(shè)備上會(huì)產(chǎn)生大量的能量損耗，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全線能量、各供電區(qū)間能量以及列車(chē)能量的管理與優(yōu)化，分別以線路、變電所、列車(chē)為計(jì)算單元建立由中央EMS、變電所EMS、車(chē)載EMS構(gòu)成的REMS，通過(guò)三級(jí)EMS的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能量的管理與優(yōu)化。

REMS的管理模式如圖1所示[4]，通過(guò)互感器、傳感器測(cè)試牽引變電所、牽引網(wǎng)及動(dòng)車(chē)組的電氣、天氣、地理等多元信息，結(jié)合牽引供電系統(tǒng)的能量傳輸規(guī)律及能耗分布特征，制定出能耗優(yōu)化方案，并將控制決策信息下發(fā)至供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能量的管理與優(yōu)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(tǒng)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(fēng)力等)、速度等影響系統(tǒng)能耗分布的關(guān)鍵信息，以及調(diào)控能量所發(fā)出的命令、動(dòng)作信號(hào)等多元信息；雙向能量流是在變電所、牽引網(wǎng)以及列車(chē)負(fù)荷之間雙向流動(dòng)的電能。

REMS通過(guò)信息流對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析，分析電氣、地理、天氣、速度等信息對(duì)能耗的影響，得到能耗分布規(guī)律，并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備投切狀態(tài)及線路列車(chē)運(yùn)行情況，制定控制決策方案，牽引供電系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行REMS的控制決策方案，動(dòng)作系統(tǒng)的調(diào)控補(bǔ)償設(shè)備，調(diào)節(jié)列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)能量流的調(diào)控，保障高速鐵路安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

1.2 多級(jí)協(xié)調(diào)式REMS配合機(jī)制

多級(jí)協(xié)調(diào)式REMS由中央EMS、牽引變電所EMS和車(chē)載EMS構(gòu)成，通過(guò)三級(jí)EMS的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)REMS能量的管理與優(yōu)化。圖2給出了多級(jí)協(xié)調(diào)式REMS的配合機(jī)制，主要包含以下三級(jí)EMS：

(1)車(chē)載EMS隨列車(chē)高速移動(dòng)，不同的時(shí)刻可能處于不同的供電區(qū)間內(nèi)，車(chē)載EMS監(jiān)測(cè)列車(chē)的速度、運(yùn)行工況、位置、功率等信息，獲取列車(chē)能量的消耗與再生情況以及列車(chē)當(dāng)前所在的供電區(qū)間，與其所在供電區(qū)間的變電所EMS互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)能量的管理與優(yōu)化。

(2)變電所EMS監(jiān)測(cè)變電所的設(shè)備投切情況及負(fù)荷總功率，承接區(qū)間內(nèi)的車(chē)載EMS與中央EMS，降低供電區(qū)間內(nèi)的損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電區(qū)間內(nèi)能量的管理與優(yōu)化。

(3)中央EMS整合全線信息，集中協(xié)調(diào)各個(gè)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(biāo)，宏觀調(diào)控整個(gè)系統(tǒng)的能量。

圖2 多級(jí)協(xié)調(diào)式REMS多級(jí)配合機(jī)制

由圖2可知，REMS中三級(jí)EMS之間的協(xié)調(diào)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(chē)載EMS上傳變電所EMS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息和變電所EMS上傳中央EMS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。

車(chē)載EMS上傳變電所EMS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息是列車(chē)負(fù)荷實(shí)時(shí)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)列車(chē)，可能運(yùn)行于牽引、惰行、空氣制動(dòng)以及再生制動(dòng)工況，車(chē)載EMS結(jié)合當(dāng)前運(yùn)行工況，給出實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)路況及地理信息，預(yù)測(cè)未來(lái)運(yùn)行工況，從而得到預(yù)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，并將其上傳至變電所EMS。

變電所EMS上傳中央EMS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息是各變電所當(dāng)前及未來(lái)的有功、無(wú)功控制能力。變電所EMS通過(guò)對(duì)其所帶負(fù)荷情況、調(diào)節(jié)設(shè)備投切情況進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、評(píng)估、預(yù)測(cè)，得出變電所的有功、無(wú)功上下調(diào)范圍，即該變電所的有功、無(wú)功控制能力，并將結(jié)果上傳至中央EMS。

(2)下行信息包括中央EMS下發(fā)變電所EMS的優(yōu)化指令信息和變電所EMS下發(fā)車(chē)載EMS的優(yōu)化指令信息。

中央EMS下發(fā)變電所EMS的信息為各變電所功率、電壓的控制目標(biāo)。由于變電所EMS只能采集到本地信息，無(wú)法得到整條線路的負(fù)荷情況，因此單純靠變電所EMS無(wú)法確定合理的功率電壓控制目標(biāo)，需要中央EMS綜合分析全線實(shí)時(shí)信息，在保障全線安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，以提高全網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，確定各個(gè)變電所的功率及電壓參考值，并下發(fā)至變電所EMS，變電所EMS利用所內(nèi)調(diào)節(jié)手段，對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)追蹤控制。

變電所EMS下發(fā)車(chē)載EMS的信息是列車(chē)的運(yùn)行工況及負(fù)荷目標(biāo)。由于車(chē)載EMS只能采集到本列車(chē)信息，無(wú)法得到所在供電區(qū)間的負(fù)荷情況，因此單純靠車(chē)載EMS無(wú)法確定合理的運(yùn)行目標(biāo)，需要變電所EMS根據(jù)整個(gè)供電區(qū)間的實(shí)時(shí)信息，在考慮列車(chē)安全舒適運(yùn)行的前提下，確定各列車(chē)的運(yùn)行目標(biāo)，并下發(fā)至車(chē)載EMS，車(chē)載EMS利用車(chē)內(nèi)調(diào)節(jié)手段，對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)追蹤控制。

1.3 REMS多層框架

REMS是集硬件配置和軟件開(kāi)發(fā)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，需要測(cè)量、控制、通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、電力以及經(jīng)濟(jì)學(xué)的協(xié)調(diào)配合，保障系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。本文將REMS劃分為五層結(jié)構(gòu)，其框架如圖3所示。

圖3 REMS多層框架

REMS由測(cè)控層、通信層、數(shù)據(jù)層、功能層和市場(chǎng)層構(gòu)成。

(1)測(cè)控層：基于嵌入式技術(shù)，采用精度高、功耗低、體積小、可靠性高的中央處理器單元，對(duì)列車(chē)功率、速度、位置及線路天氣、地理等多元信息進(jìn)行采集，以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式發(fā)送至通信網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)接收到的動(dòng)作信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制。

(2)通信層：基于互聯(lián)網(wǎng)通信方式，以IEC61850、IEC61970等通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)，定義通信數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息和優(yōu)化指令信息的高效傳輸，同時(shí)，通過(guò)設(shè)置防火墻及VPN網(wǎng)關(guān)，保障通信系統(tǒng)的信息安全。

(3)數(shù)據(jù)層：采用數(shù)據(jù)云服務(wù)與分布數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將各種廣域異構(gòu)計(jì)算資源整合，充分利用系統(tǒng)中的計(jì)算資源，為各種分析計(jì)算任務(wù)提供強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力支持[7]，實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)REMS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲(chǔ)。

(4)功能層：各級(jí)EMS通過(guò)監(jiān)控與分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，對(duì)管轄范圍內(nèi)的能耗分布規(guī)律進(jìn)行分析，以節(jié)能為目標(biāo)，制定能耗優(yōu)化方案，做出優(yōu)化決策，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控設(shè)備通過(guò)執(zhí)行優(yōu)化決策，實(shí)現(xiàn)能耗的降低。

(5)市場(chǎng)層：實(shí)時(shí)獲取電力市場(chǎng)電價(jià)波動(dòng)信息，制定出相應(yīng)的購(gòu)電、反饋電力策略。

此外，REMS還包括貫穿各層的運(yùn)維服務(wù)，運(yùn)維服務(wù)對(duì)系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行定期維護(hù)，保障系統(tǒng)工作的可靠性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高速鐵路信息物理融合系統(tǒng)

信息物理融合系統(tǒng)CPS (Cyber Physical System)通過(guò)3C(Computer, Communication, Control)技術(shù)將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境融為一體[8]。高速鐵路CPS體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要由計(jì)算設(shè)備(服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)器等)、數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備(傳感器、嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備、繼電器等)和物理設(shè)備(牽引變壓器、牽引網(wǎng)、列車(chē)負(fù)荷等)組成。這些設(shè)備通過(guò)大型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，其中，信息設(shè)備(計(jì)算、數(shù)據(jù)采集)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，物理設(shè)備通過(guò)牽引網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，高速鐵路CPS將兩大網(wǎng)絡(luò)相互耦合，形成一體化的多維復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

圖4 高速鐵路CPS體系結(jié)構(gòu)

在高速鐵路CPS中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過(guò)對(duì)高速鐵路系統(tǒng)的感知，獲取實(shí)時(shí)的電氣、地理、天氣等信息，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送至分布式計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備和REMS，分布式計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備完成對(duì)信息的實(shí)時(shí)處理分析，REMS根據(jù)處理的信息結(jié)果，并結(jié)合全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，做出優(yōu)化決策，決策信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至控制設(shè)備，對(duì)高速鐵路系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的互聯(lián)與協(xié)同。

2.2 網(wǎng)絡(luò)建模

在多級(jí)協(xié)調(diào)式REMS中，網(wǎng)絡(luò)建?？煞譃橄到y(tǒng)級(jí)電源模型、區(qū)間級(jí)傳輸模型和列車(chē)級(jí)負(fù)荷模型。系統(tǒng)級(jí)電源模型由中央EMS構(gòu)建，中央EMS不需要感知供電區(qū)間各個(gè)位置的具體情況，因此將各個(gè)變電所簡(jiǎn)化為電源，結(jié)合變電所內(nèi)的調(diào)控及補(bǔ)償設(shè)備，以變電所為基本單元建立多個(gè)可控電源模型；區(qū)間級(jí)傳輸模型由變電所EMS構(gòu)建，根據(jù)區(qū)間供電方式及列車(chē)位置確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，結(jié)合設(shè)備及線路參數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)傳輸模型；列車(chē)級(jí)負(fù)荷模型由車(chē)載EMS構(gòu)建，根據(jù)車(chē)載變壓器、變流器、電機(jī)等詳細(xì)參數(shù)，結(jié)合列車(chē)工況建立列車(chē)級(jí)負(fù)荷模型。

通過(guò)三級(jí)EMS分別對(duì)系統(tǒng)建立三級(jí)模型，實(shí)現(xiàn)多級(jí)協(xié)調(diào)式建模，相比于集中式建模，降低了中央EMS的建模復(fù)雜度，從而提高REMS的管理效率。

2.3 多時(shí)間尺度的空間牽引負(fù)荷功率預(yù)測(cè)

空間牽引負(fù)荷功率預(yù)測(cè)是REMS預(yù)測(cè)未來(lái)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)，也是為REMS提供牽引供電系統(tǒng)未來(lái)調(diào)度與控制的重要依據(jù)[6]。由于列車(chē)負(fù)荷的特殊性，其功率及位置都在隨時(shí)間變化，其功率影響系統(tǒng)的潮流分布，其位置影響系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，需要基于高速鐵路功率歷史數(shù)據(jù)、地理天氣信息以及列車(chē)運(yùn)行圖，對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行空間牽引負(fù)荷功率預(yù)測(cè)[9]。

根據(jù)REMS分析計(jì)算及調(diào)控決策需要，空間牽引負(fù)荷功率預(yù)測(cè)主要包括日級(jí)、小時(shí)級(jí)、分鐘級(jí)預(yù)測(cè)[10]：

(1)日級(jí)預(yù)測(cè)主要由中央EMS根據(jù)列車(chē)運(yùn)行圖、天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)一天的負(fù)荷功率及位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(2)小時(shí)級(jí)預(yù)測(cè)主要由變電所EMS根據(jù)鄰近供電區(qū)間列車(chē)運(yùn)行情況及本區(qū)間天氣情況，對(duì)未來(lái)一小時(shí)的負(fù)荷功率及位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3)分鐘級(jí)預(yù)測(cè)主要由變電所EMS與車(chē)載EMS根據(jù)當(dāng)前供電區(qū)間列車(chē)運(yùn)行情況、天氣及路況數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)十五分鐘的負(fù)荷功率及位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.4 優(yōu)化控制系統(tǒng)

優(yōu)化控制系統(tǒng)的目標(biāo)是維持系統(tǒng)供電安全、供電質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是整個(gè)REMS的核心。為應(yīng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)三種控制模式：

(1)預(yù)防模式：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于正常狀態(tài)，但是經(jīng)過(guò)安全評(píng)估發(fā)現(xiàn)存在安全隱患時(shí)觸發(fā)，預(yù)防系統(tǒng)進(jìn)入不正常狀態(tài)。

(2)校正模式：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于不正常狀態(tài)時(shí)觸發(fā)，如饋線電壓異常，牽引負(fù)荷過(guò)載等，使系統(tǒng)盡快恢復(fù)到正常狀態(tài)。

(3)優(yōu)化模式：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于正常狀態(tài)時(shí)，根據(jù)中央EMS綜合全線的運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)的控制目標(biāo)，在保證安全運(yùn)行的前提下，變電所EMS配合車(chē)載EMS，盡快調(diào)整系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到中央EMS的控制要求[11]。

可應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)備有靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC(Static Var Compensator)、集中電容器補(bǔ)償及有載變壓器調(diào)壓等[8]。而列車(chē)負(fù)荷移動(dòng)速度快，功率波動(dòng)大，為了協(xié)調(diào)多種優(yōu)化設(shè)備，需要采取合理的控制策略。對(duì)于有載調(diào)壓變壓器，分接頭不宜頻繁調(diào)整，其指令周期一般設(shè)置為一天；電容器的投切受操作次數(shù)及響應(yīng)速度的限制，其指令周期一般設(shè)置為15～30 min；SVC可以對(duì)電壓波動(dòng)迅速做出響應(yīng)[12]，其指令周期一般設(shè)置為10～20 s。

優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，變電所EMS根據(jù)中央EMS下發(fā)的控制目標(biāo)和當(dāng)前牽引供電系統(tǒng)潮流分布確定誤差，經(jīng)過(guò)控制死區(qū)后，通過(guò)決策環(huán)節(jié)給出靜止無(wú)功補(bǔ)償器的無(wú)功補(bǔ)償量、固定電容器的無(wú)功補(bǔ)償量以及有載變壓器調(diào)壓的分接頭調(diào)整度，更新無(wú)功補(bǔ)償量以及變壓器變比，經(jīng)過(guò)潮流計(jì)算后得出新的潮流分布，同時(shí)，變電所EMS綜合供電區(qū)間列車(chē)運(yùn)行情況，將列車(chē)功率目標(biāo)及速度目標(biāo)發(fā)送至車(chē)載EMS，車(chē)載EMS通過(guò)調(diào)整列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，配合變電所EMS實(shí)現(xiàn)對(duì)中央EMS下發(fā)的控制目標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)追蹤控制。

圖5 優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 能耗分析與優(yōu)化

3.1 能耗分析

牽引供電系統(tǒng)的能耗分析通過(guò)三級(jí)EMS的協(xié)調(diào)配合完成，分別對(duì)列車(chē)能耗、供電區(qū)間能耗以及全線能耗進(jìn)行分析[13]，其能耗分析配合機(jī)制如圖6所示。

(1)列車(chē)從受電弓吸收的電能主要消耗在兩個(gè)方面，一是牽引傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)設(shè)備的損耗，如輔助供電系統(tǒng)，牽引電機(jī)，變流器等；二是驅(qū)動(dòng)牽引機(jī)車(chē)運(yùn)行，轉(zhuǎn)換為機(jī)車(chē)的動(dòng)能，以及克服機(jī)械阻力、空氣阻力(風(fēng)阻)、摩擦阻力等做功。每輛列車(chē)的能耗分析由車(chē)載EMS完成，并將分析結(jié)果上傳至變電所EMS。

(2)供電區(qū)間能耗包括變壓器損耗，變壓器冷卻系統(tǒng)能耗，牽引網(wǎng)損耗，變電所輔助系統(tǒng)能耗以及供電區(qū)間內(nèi)所有列車(chē)的能耗，各個(gè)供電區(qū)間的能耗分析由變電所EMS完成，并將分析結(jié)果上傳至中央EMS。

(3)中央EMS綜合全線各個(gè)變電所EMS的能耗分析結(jié)果，對(duì)全線的能耗分布及影響因素進(jìn)行分析，并做出能耗優(yōu)化決策方案。

圖6 REMS能耗分析協(xié)調(diào)配合機(jī)制

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

3.2 能耗優(yōu)化

能耗的優(yōu)化主要包括降低系統(tǒng)損耗、規(guī)劃輔助用電以及回收利用再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能。

系統(tǒng)損耗主要包括設(shè)備損耗和線路損耗。在設(shè)計(jì)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(shù)更優(yōu)的輸電線，降低牽引網(wǎng)的電能損失；在運(yùn)行階段，采用無(wú)功優(yōu)化方案，綜合考慮損耗費(fèi)用與補(bǔ)償費(fèi)用，以式( 1 )為目標(biāo)函數(shù)，降低系統(tǒng)損耗產(chǎn)生的費(fèi)用[15]。

F=min(αWL+βQC)

( 1 )

式中：α為能量損耗費(fèi)用系數(shù)；β為無(wú)功補(bǔ)償費(fèi)用系數(shù)；WL為系統(tǒng)損耗;QC為補(bǔ)償容量。

輔助用電主要包括牽引變電所輔助系統(tǒng)用電和列車(chē)輔助系統(tǒng)用電。在設(shè)計(jì)階段可以采用節(jié)能照明系統(tǒng)和用電等級(jí)較低的空調(diào)設(shè)備；在運(yùn)行期間，合理控制輔助設(shè)備用電，降低輔助設(shè)備的能耗。

再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能是列車(chē)運(yùn)行于再生制動(dòng)工況時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，此時(shí)列車(chē)可視為一個(gè)發(fā)電機(jī)，向供電系統(tǒng)返送電能。目前在牽引供電系統(tǒng)中，再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能大多在車(chē)載阻抗以及線路阻抗上消耗掉，并有少部分注入電網(wǎng)，從而造成再生制動(dòng)能量的浪費(fèi)。為了回收利用列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能，根據(jù)牽引供電系統(tǒng)的能耗分布特性，在再生制動(dòng)能量高的供電區(qū)間裝設(shè)儲(chǔ)能電源，儲(chǔ)能電源采用超級(jí)電容器與蓄電池組合的混合儲(chǔ)能方式，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能電源的容量及充放電功率進(jìn)行優(yōu)化，選取最優(yōu)的儲(chǔ)能電源容量及充放電功率，并采取合理的充放電策略，通過(guò)控制儲(chǔ)能電源的充放電策略將列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量合理的利用起來(lái)。

圖7為超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用多滯環(huán)電流控制策略[16]，充分利用超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量，優(yōu)化蓄電池的充放電過(guò)程，從而提高儲(chǔ)能靈活性與經(jīng)濟(jì)性。

圖7 混合儲(chǔ)能控制結(jié)構(gòu)

4 實(shí)例分析

以某牽引供電系統(tǒng)為例，進(jìn)行能耗優(yōu)化。牽引變電所采用Scott接線方式，供電區(qū)間采用全并聯(lián)AT供電方式，區(qū)間設(shè)置6臺(tái)AT，仿真列車(chē)的啟動(dòng)加速、保持勻速、過(guò)分相惰行、制動(dòng)減速過(guò)程。列車(chē)功率隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。

通過(guò)仿真分析，對(duì)牽引供電系統(tǒng)的能耗進(jìn)行優(yōu)化，在牽引變電所設(shè)置有載調(diào)壓變壓器，在沿線AT所設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置，綜合列車(chē)運(yùn)行情況，確定有載調(diào)壓變壓器的分接頭檔位和無(wú)功補(bǔ)償裝置投切方案，從而使系統(tǒng)整體損耗降到最低。圖9為優(yōu)化前后牽引供電系統(tǒng)總損耗功率和牽引變電所、牽引網(wǎng)損耗功率變化曲線。

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

圖9 牽引供電系統(tǒng)功率損耗圖像

圖10 損耗降低百分比-列車(chē)功率圖像

5 基于全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

REMS需要調(diào)節(jié)控制大量的設(shè)備和分析處理海量的數(shù)據(jù)，在這個(gè)過(guò)程中，REMS會(huì)產(chǎn)生一定的費(fèi)用，本文采用全壽命周期成本LCC(Life Cycle Cost)對(duì)REMS的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估[17]。LCC包括REMS壽命周期或預(yù)期的有效壽命期內(nèi)，設(shè)計(jì)、研究、投資、使用、維護(hù)過(guò)程中，發(fā)生或可能發(fā)生的一切直接、間接、派生或非派生的所有費(fèi)用。

REMS的全壽命周期成本可分為元件級(jí)成本與系統(tǒng)級(jí)成本。

元件級(jí)成本主要指系統(tǒng)的硬件投入，包括數(shù)據(jù)采集元件、通信設(shè)備、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器等，其費(fèi)用結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 元件級(jí)費(fèi)用結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)級(jí)成本主要指軟件投入，包括算法設(shè)計(jì)、程序開(kāi)發(fā)等，其費(fèi)用結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)級(jí)費(fèi)用結(jié)構(gòu)

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

( 2 )

式中：n為元件數(shù)。

為了得到單位LCC產(chǎn)生的效益，對(duì)REMS的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，定義效能指標(biāo)EC為

( 3 )

式中：Es為系統(tǒng)的綜合效益。在REMS中，系統(tǒng)的綜合效益主要包括：

(1)經(jīng)濟(jì)效益EC1：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)能量的分析優(yōu)化，降低系統(tǒng)的能量消耗，從而降低系統(tǒng)的購(gòu)電費(fèi)用；

(2)可靠性效益EC2：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)安全評(píng)估及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，提高系統(tǒng)的供電可靠性，降低系統(tǒng)的故障率，從而降低系統(tǒng)故障引起的經(jīng)濟(jì)損失；

(3)品牌效益EC3：通過(guò)節(jié)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(jià)值。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文建立多級(jí)協(xié)調(diào)式REMS的體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立中央EMS、變電所EMS和車(chē)載EMS的三級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)合多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，并通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證了REMS可以有效降低系統(tǒng)的能耗。以全壽命周期成本對(duì)REMS的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，綜合評(píng)價(jià)REMS帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。