多维融合的铁路供电系统 高质高效运行关键技术及应用

中国铁路设计集团有限公司

 在我国电气化铁路运营里程突破12万公里、年用电量超1100亿kW·h的时代背景下，作为铁路运输的主要能量和动力来源，铁路供电系统在大规模路网下持续面临复杂场景供电匹配难、系统运行能效提升难、安全高效供电保障难等三大挑战。

 

                          图1 铁路供电系统示意图

 

 针对牵引供电系统电能质量预测精度不足、供电能力评估手段缺失，再生制动能量利用不足、机电设备能耗高，供电系统安全监测与智能运维水平不高等突出问题，项目团队进行技术攻关，构建覆盖“质量预测-能效调控-智能决策”的全链条技术体系，实现铁路供电系统在运行品质、能源效率与安全管理方面的系统性突破。

 

图2 项目总体技术路线

 一、主要科技创新

 1.发明高精度供电质量预测和供电能力评价方法，显著提升供电系统的运行可靠性与经济性。

首创牵引供电系统三相电压不平衡分布置信预测方法。

构建“牵引变电所-牵引网-动车组”分序等值阻抗模型，系统分析牵引变压器接线方式、牵引网供电结构、列车功率波动等多因素对电压不平衡的影响机理，提出以置信区间为约束的负序电压预测算法，平均预测精度提升16%，为电能质量监测与治理提供科学依据。

 提出牵引供电系统牵引网电压谐波振荡预测方法。建立动车组四象限变流器与牵引网分布参数的耦合模型，揭示多车共线运行时谐波传播路径与谐振机理，研发牵引供电系统供用电品质预警系统，谐波平均预测精度较现有技术提升27%，有效预防谐波谐振引发的设备劣化与系统振荡。

 创新基于潮流可解性的牵引供电能力查定方法。提出复杂牵引网拓扑的通用化简与阻抗矩阵构建技术，研发“源-网-车”一体化潮流仿真平台，实现牵引负荷潮流的精确求解，揭示电能质量、设备参数、列车运行等多因素对供电能力边界的影响规律，牵引负荷潮流仿真精度提升80%，填补牵引供电能力动态评估的技术空白。

 2.构建供电系统能效提升与潮流调度关键技术，研发系列节能装备与智慧管控系统，实现能源利用效率的跨越式提升。

 研发再生制动能量时空存储、转移利用技术与装备。建立再生制动能量时空经济性模型，提出适应高速、重载、普速等不同线路的储能型与融通型能量利用方案，研制具备故障导向安全功能的再生制动能量利用装置，首次在电气化铁路实现工程应用，使牵引变电所再生制动能量利用率提升50%，实现再生能量的高效、平稳消纳。

 创建环境-舒适度协同的多能源智慧能源管控技术。针对铁路客站能源管理粗放、系统联动不足等问题，构建基于多源数据融合与知识图谱算法的智慧能源管控架构，提出环境参数与旅客舒适度协同的节能调控策略，在雄安站等枢纽成功应用，实现中央空调、照明等系统的智能联动与优化运行，综合节能率提升15%，显著降低运营碳排放量。

 研发再生制动能量半实物仿真验证平台与铁路电力能源管控装备。搭建参数可调的交流牵引供电系统半实物仿真平台，实现从设备级到系统级的全场景验证功能，融合云计算、物联网与人工智能技术，研制铁路电力系统能源管控装备，支持能源调度、质量调节与经济运行的一体化控制，为铁路供电系统能效提升提供关键技术装备支撑。

 3.攻克铁路供电健康状态智能感知与决策技术，突破状态感知、故障诊断与决策支持等一系列关键技术，构建“感知-诊断-决策”一体化的智慧运维体系。

 研发铁路供电系统全时空智能化感知技术及成套装备。

攻克光纤复合导线制备、锚段关节接续、自供电与数据传输一体化等核心技术，研制可实时监测导线断线、松脱、振动、温度等状态的光纤复合附加导线及智能监测装备，实现全时间和全空间尺度在线监测，光纤复合附加导线的故障定位精度小于10m，扩大状态感知的覆盖范围，提升实时监测能力。

 建立面向铁路供电系统的智能管理与决策体系。构建融合静态检测数据、历史缺陷信息与实时运行状态的多源评价模型，揭示接触网关键装备在真实服役环境下的性能退化规律，提出基于自学习故障编码的智能诊断方法，实现故障的精准辨识、寿命预测与处置策略生成，提升运维决策的科学性与响应效率。

 构建多维数据融合的铁路供电系统可视化智慧交互平台。融合BIM、GIS、仿真与物联网技术，建立“车-网-所”装备可视化模型库，开发供电系统服役状态高精度模拟与三维交互平台，集成供电质量预测、能效调控、状态感知等多维数据，实现供电系统的全景可视、智能分析与协同管控，为铁路供电系统的数字化运维与智慧化管理提供统一载体。

 二、项目评价

 项目在供电质量预测与能力评价、供电系统能效提升与能源智能管控等技术领域达到国际领先水平，电压不平衡度预测精度提升16%、谐波预测精度提升27%、牵引负荷潮流仿真精度提升80%、再生制动能量利用率提升50%等关键指  标显著优于国内外同类技术。

 三、成果及效益

 项目获授权发明专利22项、实用新型专利12项、软件著作权4项，发布标准3项，出版专著2部，发表高水平论文20篇。

 项目成果已广泛应用于京沈高铁、大西高铁、京广高铁、大秦铁路、京雄城际等铁路工程，涵盖高速、重载、普速等多种铁路类型，应用范围覆盖全国多个铁路局集团及重点交通枢纽。在京雄城际雄安站，多能源智慧管控技术实现了站房机电设备智能化管控，提升综合节能率15%；在大秦铁路和陇海铁路，有效 了再生制动能量利用率；在大西高铁太谷西—祁县东段，智能感知装备实现接触网故障精准定位与预警，供电系统运行质量评价及运检方案效率显著提升。

 此外，成果还应用于沪昆客专等多条干线，以及洛阳龙门枢纽、昆明局玉溪供电段等重点枢纽与供电单位，累计应用里程超万公里，运行效果良好。

 截至2024年，项目相关技术与装备累计实现销售收入19.33亿元，项目实现了铁路运输的绿色低碳发展，显著提升了铁路供电系统的运行品质、能源效率和安全水平，使铁路供电故障发生率大幅降低、故障抢修时间大幅缩短，提升了旅客出行的安全性与舒适性。