高速铁路供电系统RAMS评估的研究

高速铁路作为快捷舒适、超大运量、低碳环保的运输方式已经成为世界铁路发展的重要趋势,是解决客运供需矛盾的重要手段之一。“十一五”期间,我国高速铁路的发展实现了重大跨越,铁路建设取得了突出成就,已有8358公里高速铁路投入运营,为经济社会发展提供了坚强的铁路运输保障。牵引供电系统为高速列车提供动力,电力供电系统为行车提供信号、通信用电,整个供电系统是高速铁路的核心组成部分,必须满足高可靠性、高可用度、低维修费用和低风险的要求。目前,国外对于高速铁路供电系统RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全性)评估理论的研究刚刚起步,国内相关研究尚属空白。 本文依托国家自然科学基金项目“高速铁路牵引供电系统RAMS评估的理论及其应用的研究(60674005)”,根据高速铁路的供电层次,分别对其供电系统的可靠性(可用性)、可维护性和安全性三方面的评估理论开展了系统的研究,取得了一定的创新性成果,主要研究内容和结论如下： 在可靠性评估方面,就外部电力系统对高速铁路供电的可靠性、牵引变电站主接线和10kV电力供电系统的可靠性,接触网设备及系统的可靠性展开研究。 (1)结合牵引供电系统的实际,建立了外部电力系统对高速铁路供电可靠性的解析模型,提出并推导了考虑牵引变电站越区供电能力前提下定量评估外部电源供电可靠性的9个指标,开发了启发式就近削负荷和直流灵敏度削负荷两种快速算法。IEEE-RTS 79算例结果证明该解析模型可准确定位电力系统的供电薄弱环节,通过改善灵敏度高的元件可靠性参数,可使整条铁路的供电可靠性大大提高； (2)开发邻接终点矩阵生成最小割集算法程序以快速查找牵引变电站上下行供电点的各阶故障,建立7个可靠性指标评估变电站主接线的可靠性大小,京津客运专线220kV牵引变电站算例验证评估方法的有效性；运用最小割集算法得到10kV电力负荷点的各阶故障,通过4个可靠性指标比较单双贯通线的供电可靠性,比较贯通线的敷设方式对系统供电可靠性的影响程度,京津客运专线亦庄至永乐段10kV电力供电系统算例说明了评估过程及结果； (3)概述了高速铁路接触网系统设备分类,统计了关键设备的缺陷(故障)及处理措施；介绍了接触网设备可靠性分布参数拟合的平均秩法和K-S、χ2两种常用的优度检验方法,应用以上方法统计分析了京津客运专线开通以来的故障数据,对接触网设备及系统进行可靠性建模和评估,为建立接触网的动态可靠性模型提供了理论基础。 在可维修性方面,建立了周期预防性维修活动下接触网设备及系统的动态可靠性模型和维修费用模型,将接触网预防性维修计划优化问题转化为一个多目标优化问题；在NSGA-Ⅱ优化算法的基础上,对初始种群的混沌生成、保持种群的多样性、避免个体早熟和增强全局收敛方面进行改进,提出了一种新的混沌自适应进化算法(CSEA)并对京津城际高速铁路接触网系统维修计划进行了优化。计算结果验证了该算法的有效性和优越性,同时该算法对其它多目标优化问题的求解也具有一定的普适性。 在安全性评估方面,基于风险理论对恶劣天气下外部电源供电、接触网供电及牵引供电系统的综合风险进行评估。 (1)对恶劣天气进行建模确定了输电线路的动态故障率,将可靠性评估的概率指标转化为考虑时变天气状态的风险指标,对外部电源供电风险进行评估； (2)定义了风偏风险和积冰风险两种严重程度函数来描述接触网在大风和冰冻雨雪天气下的供电风险事件,通过接触网的最大风偏量和合成载荷值进行风险估计,确定了接触网各区段的实时供电风险； (3)建立了牵引供电系统风险评估的目标层、准则层和方案层,采用层次分析法和模糊层次分析法计算不同确定度下准则层的权重矩阵和一致性检验结果,应用灰色最大关联度法计算目标层的风险值； (4)通过RBTS算例验证本文提出的时变风险指标及其算法可以准确计算牵引供电系统各部分和整体的时变风险值,确定系统的安全运行风险。结合数字天气预报,本文提出的风险模型及其算法实现了牵引供电系统综合风险的实时定量评估和风险预警,为铁路调度部门应对极端天气提供了理论依据。