基于ATP的高速铁路牵引供电系统仿真建模_邢光兵.pdf

SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349基于 ATP 的高速铁路牵引供电系统仿真建模邢光兵1，吴新星2摘要：本文指出高速铁路牵引供电系统是由牵引变电所、牵引网及电力机车等部分组成的一种特殊的电力系统。为了研究高速铁路牵引供电系统，在电磁暂态分析程序（ATP-EMTP）中选择合适的模块搭建牵引供电系统各组成部分的仿真模型，并通过仿真实验，验证了模型的准确性，为高速铁路的设计与检修维护工作提供一定的参考依据。关键词：高速铁路；牵引供电系统；ATP；仿真模型中图分类号：U223文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.094（1.南京铁道职业技术学院，江苏南京210031；2.中电科数字技术股份有限公司，上海200233）文章编号：1674-9146（2023）0209403随着我国交通行业的快速发展，高铁因其快速、安全的传送能力成为人们出行的必然选择之一。由于牵引供电系统对电力机车安全稳定运行起到重要的作用，因此，准确对牵引供电系统进行建模1-2，对于高速铁路的设计及后期的运行维护（运维）具有重要价值。1牵引供电系统1.1牵引供电系统的结构与基本组成牵引供电系统主要由牵引变电所、牵引网及电力机车组成。牵引变电所将从外部电力系统传输来的高压电转换为电力机车适用的电能，牵引变电所最重要的设备是牵引变压器，主要用于调整牵引网电压和电气隔离；牵引网给电力机车供电，并将电流回流到牵引变电所，形成闭合回路。牵引供电系统的结构与基本组成见图 1。1.2供电方式牵引供电系统的设备和接线的不同，使得其供电方式存在差异，主要有直接供电方式、吸流变压器（Booster Transformer，BT）供电方式、自耦变压器（Auto Transformer，AT）供电方式及同轴电缆（Coaxial Cable，CC）供电方式。其中，全并联的AT 供电方式因其具有供电电压水平高、供电距离长的特点，并且在供电的安全性和可靠性上可以满足高速铁路的要求，故得到了广泛的应用，全并联的 AT 供电方式的牵引网结构见图 2。2牵引供电系统模型的建立2.1牵引变压器的仿真模型牵引变压器3-4是牵引变电所的重要组成部分，选择合适的模型对其精确建模，可以保证牵引供电系统的准确性。在电磁暂态分析程序（AlternativeTransients Program-Electromagnetic Transients Pro-gram，ATP-EMTP）中，选择“TRAFO_S”模块，建立基金项目 南京铁道职业技术学院青年基金项目（YQ210002）；南京铁道职业技术学院大学生创新创业项目（yxkc2022044）收稿日期：20221010；修回日期：2022116作者简介：邢光兵（1993），男，江苏南京人，工学硕士，助教，主要从事电力电子与电力传动研究，E-mail：。通信作者：吴新星（1985），男，安徽合肥人，工程师，主要从事电力数据分析研究，E-mail：。图 1牵引供电系统的结构与基本组成示意图电力系统输电线牵引变电所馈电线接触线电分相回流线电力机车钢轨承力索接触线钢轨（2 根）正馈线保护线综合地线上行线承力索接触线钢轨（2 根）正馈线保护线综合地线ATATATUsATATAT下行线图 2全并联的 AT 供电方式的牵引网结构简化图*技术 创 新Technological Innovation-094-2023 年 2 月总第 349 期牵引变压器的仿真模型，见图 3。2.2牵引网的仿真模型从整体的特征上看，牵引网是由接触线、承力索、保护线、钢轨、综合地线等组成的一种平行多导体结构5，并且平行于大地，其拓扑结构相当于一个复合链式电路。根据这一特征，选择 JMARTI模型对其建模，牵引网各导线参数设置见图 4；在“View”选项中，可以查看牵引网导线空间分布图，见图 5。2.3自耦变压器（AT）的仿真模型在全并联的 AT 供电方式中，牵引变电所的出口电压为 55 kV，通过馈线向接触网供电。AT 分布在线路中，一端接接触网，另一端接正馈线，其中间抽头与钢轨相连。本文使用 ATP 中变压器的 BC-TRAN 模型，该模型的单相双绕组有 3 个端口，符合 AT 的工作原理6，其仿真模型见图 6。2.4电力机车的仿真模型本文将使用 RLC 阻抗模块模拟电力机车模型，其中电阻 R 取 68.45，电感 L 取 52.26 mH，电容C 取 0 F。由于电力机车会产生谐波，因此为了提高模型的准确性，选择在 RLC 阻抗模块两端并联一个谐波模块，其仿真模型见图 7。3牵引供电系统模型的仿真分析在 ATP 中将以上元件按全并联的 AT 供电方式组成完整的系统，选择固定位置接入 CRH 型动车组模型，在牵引变电所和牵引网上均设置电流测量元件，记录各测量元件的输出波形。第 96 页图 8是该模型在空载情况下，上行接触线和上行正馈线首端电压波形曲线；第 96 页图 9 是加入电力机车负荷后，牵引供电系统的电流曲线。在空载情况下，接触线和正馈线首端电压幅值约为 39 kV，相位差为 90。机车运行于第二个 AT段 5 km 处，机车取电流为 800 A，第一个 AT 段内的钢轨电流为 0，馈线与接触线电流均为 400 A，方向相反，该结果也符合全并联的 AT 牵引供电系统的电流曲线，这样就验证了模型的准确性。TPPSSF上行线路下行线路T|AABCTRF|TFR图 3牵引变压器的仿真模型图 4牵引网各导线参数设置的软件界面截图图 5牵引网导线空间分布的软件界面截图图 6自耦变压器（AT）的仿真模型图 7电力机车的仿真模型-095-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.3494结论利用 ATP-EMTP 建立系统仿真模型，对系统作详细分析，比较了仿真结果与理论分析结果，证明了所建模型的准确性。本文所建立的模型结构简单实用，易于理解掌握，在实际牵引供电系统的设计和分析中能够起到一定的指导作用。参考文献：1刘仕兵,袁琳.基于 Simulink 的高速铁路牵引供电系统仿真建模J.华东交通大学学报,2013(6):59-61+83.2窦雪薇,郎兵,陈秀廷,等.基于 PSCAD 的高速铁路全并联AT 牵引供电系统短路故障仿真计算研究J.铁道标准设计,2018,62(2):154-159.3由振忠.330 kV 级 VX 接线牵引变压器研究J.变压器,2017,54(6):1-5.4田颢亮.220 kV 电压等级 VX 接线单相三绕组牵引变压器的设计J.变压器,2014,51(1):9-13.5高强,田行军,雷云涛,等.全并联 AT 牵引网建模与仿真J.价值工程,2020,39(6):292-294.6王红.自耦变压器的等效电抗工程分析法J.电气开关,1997(6):17-22.（责任编辑邸开宇）403020100-10-20-30-400.00.10.20.30.40.5时间/ms上行接触线首端电压/kV图 8上行接触线和上行正馈线首端电压波形曲线图 9加入电力机车负荷后的牵引供电系统的电流曲线0.00.10.20.30.40.51.000.750.500.250.00-0.25-0.50-0.75-1.00时间/ms牵引供电系统的电流/kASimulation Modeling of High-speed Railway Traction Power Supply SystemBased on ATPXING Guang-bing1,WU Xin-xing2(1.Nanjing Vocational Institute of Railway Technology,Nanjing 210031,China;2.CETC Digital Technology Co.Ltd.,Shanghai 200233,China)Abstract：This paper points out that the traction power supply system of high-speed railway is a special power systemcomposed of traction substations,traction network and electric locomotives.In order to study the traction power supplysystemofhigh-speedrailway,thispaperselectstheappropriatemodulesinthealternativetransientsprogramelectromagnetic transient program(ATP-EMTP)to build the simulation models of each component of the traction powersupply system,and verifies the accuracy of the model through the simulation experiment,providing a certain reference basisfor the design,repair and maintenance of high-speed railway.Key words：high-speed railway;traction power supply system;ATP;simulation model技术 创 新Technological Innovation-096-