葛駿翔

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計院，陜西西安 710043）

由于強(qiáng)電流集束效應(yīng)的存在，使得電氣化鐵路牽引供電變電系統(tǒng)中的牽引供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較大，負(fù)荷也不同于一般負(fù)荷[1]。不能計算系統(tǒng)的電流分布、牽引網(wǎng)的阻抗、短路電流等，計算過程復(fù)雜且結(jié)果不準(zhǔn)確[2]。電力鐵路的重點(diǎn)是改造鐵路供電系統(tǒng)，三相工頻交流電壓通過電力系統(tǒng)與單相工頻交流電壓相連，三相工頻交流通過牽引變壓器轉(zhuǎn)換成單相工頻交流，然后由機(jī)車供電[3]。電力牽引供電、電氣化鐵路變電系統(tǒng)發(fā)生故障的概率大，牽引車和變電所三相交流電轉(zhuǎn)換成單相交流電，這必然會造成三相電力系統(tǒng)的非對稱運(yùn)行[4]。

負(fù)序電流將干擾小容量三相電源，系統(tǒng)的負(fù)序電壓可使該線路上其他負(fù)載的電源中斷而不發(fā)生故障，并干擾該線路第二側(cè)的保護(hù)裝置。采用遺傳算法確定牽引變電所的最佳位置和分區(qū)，確定牽引供電臂的合理長度，從而達(dá)到牽引網(wǎng)電能損耗最小的目的[5]。雖然該算法能獲得牽引變壓器的容量，但由于牽引供電和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大，計算復(fù)雜度高。在牽引供電變電系統(tǒng)中，采用多導(dǎo)線電氣化鐵路牽引供電，可獲得瞬時電流，但是，由于運(yùn)行位置和速度的差異，還不能充分反映列車運(yùn)行過程對結(jié)果的影響。基于大數(shù)據(jù)分析，提出了電氣化鐵路牽引供變電系統(tǒng)的設(shè)計方法，借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，充分發(fā)揮高效搜索特性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

主從機(jī)系統(tǒng)中，在主從式系統(tǒng)中如何實現(xiàn)通訊連接是一個關(guān)鍵問題[6-7]?，F(xiàn)有的串行和并行總線連接方式存在接口復(fù)雜、接線多的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速度較慢[8-9]。

該系統(tǒng)采用開放式模塊結(jié)構(gòu)，構(gòu)成主從多機(jī)系統(tǒng)。主從機(jī)為串行總線，它的方案設(shè)計靈活、緊湊、易于擴(kuò)展，具有高可靠性、實時性，易于維護(hù)[10-11]。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，采用了板級設(shè)計和部件設(shè)計相結(jié)合的原則。圖1 為系統(tǒng)硬件配置框圖。

圖1 系統(tǒng)硬件配置框圖

該系統(tǒng)從機(jī)數(shù)量較少，各從機(jī)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理能力，減少了主從機(jī)之間的通信信息量，大大緩解了低通信率情況下的矛盾[12-13]。長距離串行總線連接，適合多位數(shù)據(jù)傳輸。其結(jié)構(gòu)簡單可靠，配置靈活方便，更適合于主從式多機(jī)系統(tǒng)的分布式功能[14]。這樣既保證了系統(tǒng)的實時性，又節(jié)約了接口設(shè)備和線纜的成本，同時也在位置分布效果良好的前提下，降低了布線難度，提高了系統(tǒng)的可靠性和干擾能力。

1.1 單片機(jī)

以8031 單片機(jī)為硬件控制核心，由A/D 轉(zhuǎn)換器、內(nèi)存、解碼和邏輯控制等部分組成。利用MCU的RD 和PSEN 信號作為兩個輸入端，與非門芯片enable CE 端和AD574A 相連的是AND 門的輸出端和WR 信號，與解碼器直接相連的是芯片選擇信號的CS 端。其中，為了保證轉(zhuǎn)換的正確性和結(jié)果的平滑輸出，門的另一輸出通過逆變器與AD574A 讀寫轉(zhuǎn)換信號的R/C 端相連[15-16]。

1.2 供電線路

電力電纜主要采用110 kV，沿路牽引變電所使用的單相接線變壓器，其主要作用是把110 kV 電力轉(zhuǎn)換成27.5 kV 電力供機(jī)車牽引使用，鋼索懸鏈線分布；與電纜平行架設(shè)接觸網(wǎng)，電力機(jī)車運(yùn)行于接觸網(wǎng)與軌道之間。中央變電所將電力從一般三相500 kV 和220 kV 的公共電網(wǎng)中轉(zhuǎn)移到單相110 kV 的電網(wǎng)中，由電力電纜沿線路牽引變電所將單相110 kV 電能轉(zhuǎn)換為27.5 kV 電能，供機(jī)車牽引使用。

1.3 中心變電所結(jié)構(gòu)

中心變電所結(jié)構(gòu)由中轉(zhuǎn)站、主牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置等構(gòu)成。中轉(zhuǎn)站是由主變和配變兩部分組成的專用變電站，其變壓器是一種特殊的平衡變壓器，具有供電容量大、電壓幅度大和垂直相位大等特點(diǎn)。主牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置為中心變電站的電纜負(fù)荷供電，主要的牽引變壓器承擔(dān)著主要的供電任務(wù)，同相補(bǔ)償裝置承擔(dān)著次要的供電任務(wù)，電纜負(fù)荷計算容量等于牽引變壓器同相補(bǔ)償裝置計算容量之和。

2 軟件部分設(shè)計

2.1 主機(jī)系統(tǒng)軟件部分

對于變電所的牽引系統(tǒng)，主機(jī)主要實現(xiàn)以下功能：

1）從遠(yuǎn)程調(diào)度器或本地接收并執(zhí)行各種控制命令，同時從遠(yuǎn)程調(diào)度器收集并發(fā)送響應(yīng)信息。

2）發(fā)送相關(guān)控制命令信息，并將接收后的信息發(fā)送給主機(jī)，生成各種響應(yīng)信息。

3）設(shè)計變電所各個連接線的連接方案，以及各種運(yùn)行結(jié)果。

4）畫出電流、電壓及功率曲線，顯示運(yùn)行過程，打印表格。

為確保系統(tǒng)的實時性，終端需要進(jìn)行串口1 通訊、串口2 通訊以及鍵盤操作等實時性要求較高的任務(wù)。主機(jī)系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計如圖2 所示。

圖2 主機(jī)系統(tǒng)的軟件部分

基于內(nèi)容、任務(wù)控制塊優(yōu)先級和啟動條件，任務(wù)管理程序決定任務(wù)狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)開始條件滿足時，每個任務(wù)按照優(yōu)先級進(jìn)入就緒隊列。

2.2 基于大數(shù)據(jù)牽引供電方案設(shè)計

利用基于大數(shù)據(jù)分析的微粒群算法設(shè)計牽引供電方案，引入了“群體”和“進(jìn)化”的概念。此操作需要分析數(shù)據(jù)的適配值大小，和其他算法不同的是，該數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)蕉嗑S空間。數(shù)據(jù)初始化完畢后，給出一個隨機(jī)增量，以及每代個體的增量，包括最佳方向組數(shù)據(jù)的位置和社區(qū)位置數(shù)據(jù)的位置，演化方程式如下：

式（1）、（2）中：wij(n)表示粒子當(dāng)前位置；xij(n)表示粒子當(dāng)前運(yùn)行速度；vij(t+1)表示粒子所經(jīng)歷過的最好適應(yīng)值位置；a1、a2分別表示加速度常數(shù)；g1、g2分別表示兩個獨(dú)立隨機(jī)函數(shù)；i、j分別表示第i個微粒的第j維。

基于大數(shù)據(jù)分析粒子群優(yōu)化算法設(shè)計牽引供電系統(tǒng)優(yōu)化方案詳細(xì)步驟如圖3 所示。

步驟1：通過計算運(yùn)行圖確定列車的分布位置和速度，設(shè)置牽引變電所和分站場的初值，將分站場的牽引供電網(wǎng)絡(luò)劃分為N個分站場，構(gòu)成一個鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖3 基于大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化方案設(shè)計

步驟2：在整個牽引供電系統(tǒng)中，由電網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成導(dǎo)納矩陣，列出由牽引網(wǎng)絡(luò)計算的結(jié)點(diǎn)電壓方程，求解牽引網(wǎng)潮流。

步驟3：根據(jù)鄰近兩個節(jié)點(diǎn)間的電網(wǎng)潮流電壓差，計算出牽引網(wǎng)的電流-距離曲線，確定牽引網(wǎng)在某一時刻的損耗。

步驟4：在此基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)車間隔時間和步長計算牽引網(wǎng)發(fā)車時的總能量損失。

步驟5：應(yīng)用微粒群優(yōu)化算法調(diào)節(jié)牽引變電所，在迭代計算中重復(fù)步驟1～4。若計算值小于給定值，停止迭代。

步驟6：在確定牽引變電所的位置和線路之后，根據(jù)牽引變壓器的電流計算出各接線方式下牽引變壓器的額定容量，選擇合適的牽引變壓器。

3 仿真實驗

對基于大數(shù)據(jù)分析的電氣化鐵路牽引供變電系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行仿真實驗分析。模擬設(shè)置如下：列車限速為350 km/h，列車從0 開始加速，運(yùn)行時間間隔為2 s，列車跟蹤間隔為3 min，模擬時間為30 min，每站列車進(jìn)入車站并運(yùn)行遵循最快速度牽引策略。

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

假定電力系統(tǒng)有2個牽引變電站，1個分區(qū)變電站和4個自動變電站。表1顯示了初始位置的分布情況。表2 列出了電力系統(tǒng)母線的供電范圍和短路能力。

表1 牽引變電所/分區(qū)所初始位置分布

表2 母線供電范圍及短路容量

3.2 鐵路列車牽引負(fù)荷數(shù)值特征

鐵路列車速度距離曲線如圖4 所示。

圖4 鐵路列車速度距離曲線

依據(jù)圖4 所示曲線，可得到鐵路列車運(yùn)行全過程牽引負(fù)荷分布情況。列車跑完全程，獲取的牽引負(fù)荷數(shù)值特征如表3 所示。

表3 牽引負(fù)荷數(shù)值特征

由表3 可知，鐵路列車將全部能量回收利用，有助于降低牽引負(fù)荷所獲取全部能量。

3.3 實驗結(jié)果與分析

分別使用遺傳算法設(shè)計的系統(tǒng)、使用基于多導(dǎo)線設(shè)計的系統(tǒng)和基于大數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)對變電所負(fù)荷功率進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，在相同供電參數(shù)下，相比遺傳算法設(shè)計的系統(tǒng)、基于多導(dǎo)線設(shè)計的系統(tǒng)，基于大數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)容量分布更加均勻，有效驗證了基于大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)容量共享原則。

4 結(jié)束語

圖5 3種系統(tǒng)對比分析變電所負(fù)荷功率

在大數(shù)據(jù)分析中，采用微粒群算法對牽引變電站和變電站位置進(jìn)行優(yōu)化。合理地確定牽引供電臂的長度，可使?fàn)恳W(wǎng)的功率損失最小。適用于牽引變壓器接線方式及安裝容量。實驗證明，該法收斂性好，能有效降低牽引網(wǎng)的損耗，達(dá)到節(jié)能減排、減少投資、提高公用接入點(diǎn)電能質(zhì)量的目的，可供牽引供電系統(tǒng)設(shè)計時參考。