多级协调式高速铁路能量管理系统

郑 政，胡海涛，王 科，何正友

(1. 西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031;2. 国网山东省电力公司 威海供电公司，山东 威海 264200)

截至2018年底，我国高速铁路营业里程已达到2.9万km。高速铁路的飞速发展，不仅缩短了不同区域之间的旅行时间，推动了我国的经济发展，促进了经济一体化，同时其供电可靠性以及电能利用率等问题也引起了广泛的关注[1]。文献[2]对西班牙一条高速铁路供电系统的能量消耗进行了分析，该系统每年从电网吸收2 363.2 GW·h能量，但是列车只利用了1 968.8 GW·h能量，有394.4 GW·h的能量损耗在了设备及线路上；同时，列车每年再生制动产生的能量高达228 GW·h，这部分能量并没有得到充分的回收利用。对此，需要采取一定的措施对能量的流动、消耗、分布进行分析、管理与优化，一方面降低系统的损耗，另一方面充分利用列车再生制动产生的能量，提高能量利用率。为此，本文提出建立高速铁路能量管理系统REMS。

REMS相当于高速铁路供电系统的“大脑”，其任务是对高速铁路供电系统进行实时信息采集、监视、分析、优化和控制决策，保障高速铁路的安全、经济、高效运行。自从20世纪60年代DyLiacco博士首次提出电网EMS系统架构以来[3]，经过40多年的发展，EMS在电力系统中的架构已较为完善，传统电力系统的EMS是以控制中心为核心的集中式架构，由控制中心对数据进行集中处理，而变电站仅仅是将供电范围内采集到的数据转发给控制中心，并不具备对其供电区间进行管理的功能。然而，高速铁路供电结构及负荷特性与电力系统具有较大不同，主要体现在以下三方面：

(1)高速铁路在地理空间上跨度比较大，例如，京广高铁长达2 281 km，贯穿北京、河北、河南、湖北、湖南、广东电网，而一个变电所的供电区间通常为50 km左右，不同的供电区间往往与不同的区域电网连接。

(2)高速铁路的负荷具有间歇性、随机波动性、高速移动性等特点，为了实现最优控制，对EMS的敏捷性要求较高。

(3)动车组与高速铁路供电系统之间存在双向流动的电能，当动车组运行于牵引工况时，从供电系统吸收电能，当动车组运行于再生制动工况时，向供电系统返送电能，为了充分利用动车组再生制动产生的电能，需要有变电所与负荷之间的互动。

针对高速铁路的供电结构及负荷特性，REMS应当具备：

(1)能够在不同的区域电网中对供电系统实现能量管理。

(2)能够实现对系统的敏捷性控制，应对负荷的快速波动。

(3)能够与负荷互动，充分利用列车再生制动产生的能量。

而传统的集中式EMS由控制中心统一管理，对采集到的数据做统一的处理，并且对管辖网络集中建模，在大规模高速铁路中，海量的数据以及复杂的网络结构会导致控制周期较长，另外集中式EMS不能够实现控制中心与负荷之间的双向互动，因此，需要对集中式EMS进行改革，由集中控制走向多级协调管理模式，实现对REMS的以下要求：

(1)列车级EMS监测动车组在运行过程中速度、工况、位置、功率等信息，实现对动车组能量消耗与再生制动能量的分析与管理。

(2)牵引变电所级EMS综合分析供电区域内的列车运行情况及实时线路信息，实现对每个供电区域能量消耗、线路损耗的分析与管理。

(3)中央级EMS全面协调全线实时信息，实现对整条高铁线路能量消耗的综合统计分析与管理。

1 多级协调式REMS体系结构

1.1 REMS管理模式

在一条铁路线路中，由多个牵引变电所进行降压供电而形成了多个相对独立的供电区间，每个供电区间包括左、右供电臂牵引网。每个牵引变电所供电区间的负荷主要由动态行驶在两个供电臂的机车决定。机车作为牵引供电系统的主要负荷，既可以在牵引工况从牵引网吸收电能，也可以在再生制动工况向牵引网返送电能。因此，牵引供电系统能量的结构主要为整条铁路线路、固定的牵引变电所与每列动态运行的机车。

牵引功率传输过程中，在牵引变压器、自耦变压器、牵引网等设备上会产生大量的能量损耗，为了实现对全线能量、各供电区间能量以及列车能量的管理与优化，分别以线路、变电所、列车为计算单元建立由中央EMS、变电所EMS、车载EMS构成的REMS，通过三级EMS的协调配合，实现对整个系统能量的管理与优化。

REMS的管理模式如图1所示[4]，通过互感器、传感器测试牵引变电所、牵引网及动车组的电气、天气、地理等多元信息，结合牵引供电系统的能量传输规律及能耗分布特征，制定出能耗优化方案，并将控制决策信息下发至供电系统，实现对整个系统能量的管理与优化。

图1为REMS的能量管理模式，包括多元信息流与双向能量流。多元信息流包括牵引供电系统中的电气(电压、电流、功率等)、地理(坡度、曲率、海拔等)、天气(温度、湿度、风力等)、速度等影响系统能耗分布的关键信息，以及调控能量所发出的命令、动作信号等多元信息；双向能量流是在变电所、牵引网以及列车负荷之间双向流动的电能。

REMS通过信息流对系统进行能耗分析，分析电气、地理、天气、速度等信息对能耗的影响，得到能耗分布规律，并结合系统设备投切状态及线路列车运行情况，制定控制决策方案，牵引供电系统通过执行REMS的控制决策方案，动作系统的调控补偿设备，调节列车的运行状态，实现对系统能量流的调控，保障高速铁路安全、经济、高效运行。

1.2 多级协调式REMS配合机制

多级协调式REMS由中央EMS、牵引变电所EMS和车载EMS构成，通过三级EMS的协调配合，实现REMS能量的管理与优化。图2给出了多级协调式REMS的配合机制，主要包含以下三级EMS：

(1)车载EMS随列车高速移动，不同的时刻可能处于不同的供电区间内，车载EMS监测列车的速度、运行工况、位置、功率等信息，获取列车能量的消耗与再生情况以及列车当前所在的供电区间，与其所在供电区间的变电所EMS互动，实现对列车能量的管理与优化。

(2)变电所EMS监测变电所的设备投切情况及负荷总功率，承接区间内的车载EMS与中央EMS，降低供电区间内的损耗，实现对供电区间内能量的管理与优化。

(3)中央EMS整合全线信息，集中协调各个变电所EMS，综合分析全线能耗分布，以全线能耗最低为控制目标，宏观调控整个系统的能量。

图2 多级协调式REMS多级配合机制

由图2可知，REMS中三级EMS之间的协调配合主要依赖于双向的信息传递[5]，包括上行信息和下行信息。

(1)上行信息包括车载EMS上传变电所EMS的实时数据信息和变电所EMS上传中央EMS的实时数据信息。

车载EMS上传变电所EMS的实时数据信息是列车负荷实时及预测数据。对于每个列车，可能运行于牵引、惰行、空气制动以及再生制动工况，车载EMS结合当前运行工况，给出实时负荷数据，并根据路况及地理信息，预测未来运行工况，从而得到预测负荷数据，并将其上传至变电所EMS。

变电所EMS上传中央EMS的实时数据信息是各变电所当前及未来的有功、无功控制能力。变电所EMS通过对其所带负荷情况、调节设备投切情况进行实时统计、评估、预测，得出变电所的有功、无功上下调范围，即该变电所的有功、无功控制能力，并将结果上传至中央EMS。

(2)下行信息包括中央EMS下发变电所EMS的优化指令信息和变电所EMS下发车载EMS的优化指令信息。

中央EMS下发变电所EMS的信息为各变电所功率、电压的控制目标。由于变电所EMS只能采集到本地信息，无法得到整条线路的负荷情况，因此单纯靠变电所EMS无法确定合理的功率电压控制目标，需要中央EMS综合分析全线实时信息，在保障全线安全稳定运行的前提下，以提高全网运行经济性为目标，确定各个变电所的功率及电压参考值，并下发至变电所EMS，变电所EMS利用所内调节手段，对控制目标进行闭环追踪控制。

变电所EMS下发车载EMS的信息是列车的运行工况及负荷目标。由于车载EMS只能采集到本列车信息，无法得到所在供电区间的负荷情况，因此单纯靠车载EMS无法确定合理的运行目标，需要变电所EMS根据整个供电区间的实时信息，在考虑列车安全舒适运行的前提下，确定各列车的运行目标，并下发至车载EMS，车载EMS利用车内调节手段，对控制目标进行闭环追踪控制。

1.3 REMS多层框架

REMS是集硬件配置和软件开发于一体的复杂系统，需要测量、控制、通信、数据库、电力以及经济学的协调配合，保障系统的安全、经济、高效运行。本文将REMS划分为五层结构，其框架如图3所示。

图3 REMS多层框架

REMS由测控层、通信层、数据层、功能层和市场层构成。

(1)测控层：基于嵌入式技术，采用精度高、功耗低、体积小、可靠性高的中央处理器单元，对列车功率、速度、位置及线路天气、地理等多元信息进行采集，以标准化数据格式发送至通信网络，并根据接收到的动作信号，对现场调控设备进行控制。

(2)通信层：基于互联网通信方式，以IEC61850、IEC61970等通信协议为标准，定义通信数据的标准格式[6]，实现对现场实时信息和优化指令信息的高效传输，同时，通过设置防火墙及VPN网关，保障通信系统的信息安全。

(3)数据层：采用数据云服务与分布数据库技术，将各种广域异构计算资源整合，充分利用系统中的计算资源，为各种分析计算任务提供强大的计算与存储能力支持[7]，实现对各级REMS实测数据、分析数据、优化数据、决策数据等海量数据的计算与存储。

(4)功能层：各级EMS通过监控与分析现场实时信息，对管辖范围内的能耗分布规律进行分析，以节能为目标，制定能耗优化方案，做出优化决策，现场调控设备通过执行优化决策，实现能耗的降低。

(5)市场层：实时获取电力市场电价波动信息，制定出相应的购电、反馈电力策略。

此外，REMS还包括贯穿各层的运维服务，运维服务对系统的硬件及软件进行定期维护，保障系统工作的可靠性。

2 关键技术

2.1 高速铁路信息物理融合系统

信息物理融合系统CPS (Cyber Physical System)通过3C(Computer, Communication, Control)技术将计算、网络和物理环境融为一体[8]。高速铁路CPS体系结构如图4所示。主要由计算设备(服务器、计算机、嵌入式计算设备、存储器等)、数据采集与控制设备(传感器、嵌入式数据采集设备、继电器等)和物理设备(牵引变压器、牵引网、列车负荷等)组成。这些设备通过大型网络互联，其中，信息设备(计算、数据采集)通过通信网络互联，物理设备通过牵引网络互联，高速铁路CPS将两大网络相互耦合，形成一体化的多维复杂网络。

图4 高速铁路CPS体系结构

在高速铁路CPS中，数据采集设备通过对高速铁路系统的感知，获取实时的电气、地理、天气等信息，经通信网络传送至分布式计算与存储设备和REMS，分布式计算与存储设备完成对信息的实时处理分析，REMS根据处理的信息结果，并结合全网运行状态，做出优化决策，决策信息通过通信网络下发至控制设备，对高速铁路系统进行调控，从而实现虚拟世界与现实物理世界的互联与协同。

2.2 网络建模

在多级协调式REMS中，网络建模可分为系统级电源模型、区间级传输模型和列车级负荷模型。系统级电源模型由中央EMS构建，中央EMS不需要感知供电区间各个位置的具体情况，因此将各个变电所简化为电源，结合变电所内的调控及补偿设备，以变电所为基本单元建立多个可控电源模型；区间级传输模型由变电所EMS构建，根据区间供电方式及列车位置确定网络拓扑，结合设备及线路参数建立网络传输模型；列车级负荷模型由车载EMS构建，根据车载变压器、变流器、电机等详细参数，结合列车工况建立列车级负荷模型。

通过三级EMS分别对系统建立三级模型，实现多级协调式建模，相比于集中式建模，降低了中央EMS的建模复杂度，从而提高REMS的管理效率。

2.3 多时间尺度的空间牵引负荷功率预测

空间牵引负荷功率预测是REMS预测未来牵引供电系统运行状态的基础，也是为REMS提供牵引供电系统未来调度与控制的重要依据[6]。由于列车负荷的特殊性，其功率及位置都在随时间变化，其功率影响系统的潮流分布，其位置影响系统的拓扑结构，因此，需要基于高速铁路功率历史数据、地理天气信息以及列车运行图，对牵引供电系统进行空间牵引负荷功率预测[9]。

根据REMS分析计算及调控决策需要，空间牵引负荷功率预测主要包括日级、小时级、分钟级预测[10]：

(1)日级预测主要由中央EMS根据列车运行图、天气预报数据，对未来一天的负荷功率及位置进行预测。

(2)小时级预测主要由变电所EMS根据邻近供电区间列车运行情况及本区间天气情况，对未来一小时的负荷功率及位置进行预测。

(3)分钟级预测主要由变电所EMS与车载EMS根据当前供电区间列车运行情况、天气及路况数据，对未来十五分钟的负荷功率及位置进行预测。

2.4 优化控制系统

优化控制系统的目标是维持系统供电安全、供电质量及经济运行，是整个REMS的核心。为应对牵引供电系统不同的运行状态，设计三种控制模式：

(1)预防模式：当系统运行于正常状态，但是经过安全评估发现存在安全隐患时触发，预防系统进入不正常状态。

(2)校正模式：当系统运行于不正常状态时触发，如馈线电压异常，牵引负荷过载等，使系统尽快恢复到正常状态。

(3)优化模式：当系统运行于正常状态时，根据中央EMS综合全线的运行状态下发的控制目标，在保证安全运行的前提下，变电所EMS配合车载EMS，尽快调整系统当前运行状态，以达到中央EMS的控制要求[11]。

可应用于牵引供电系统的优化设备有静止无功补偿器SVC(Static Var Compensator)、集中电容器补偿及有载变压器调压等[8]。而列车负荷移动速度快，功率波动大，为了协调多种优化设备，需要采取合理的控制策略。对于有载调压变压器，分接头不宜频繁调整，其指令周期一般设置为一天；电容器的投切受操作次数及响应速度的限制，其指令周期一般设置为15～30 min；SVC可以对电压波动迅速做出响应[12]，其指令周期一般设置为10～20 s。

优化控制系统结构图如图5所示，变电所EMS根据中央EMS下发的控制目标和当前牵引供电系统潮流分布确定误差，经过控制死区后，通过决策环节给出静止无功补偿器的无功补偿量、固定电容器的无功补偿量以及有载变压器调压的分接头调整度，更新无功补偿量以及变压器变比，经过潮流计算后得出新的潮流分布，同时，变电所EMS综合供电区间列车运行情况，将列车功率目标及速度目标发送至车载EMS，车载EMS通过调整列车运行状态，配合变电所EMS实现对中央EMS下发的控制目标进行闭环追踪控制。

图5 优化控制系统结构图

3 能耗分析与优化

3.1 能耗分析

牵引供电系统的能耗分析通过三级EMS的协调配合完成，分别对列车能耗、供电区间能耗以及全线能耗进行分析[13]，其能耗分析配合机制如图6所示。

(1)列车从受电弓吸收的电能主要消耗在两个方面，一是牵引传动机构各个设备的损耗，如辅助供电系统，牵引电机，变流器等；二是驱动牵引机车运行，转换为机车的动能，以及克服机械阻力、空气阻力(风阻)、摩擦阻力等做功。每辆列车的能耗分析由车载EMS完成，并将分析结果上传至变电所EMS。

(2)供电区间能耗包括变压器损耗，变压器冷却系统能耗，牵引网损耗，变电所辅助系统能耗以及供电区间内所有列车的能耗，各个供电区间的能耗分析由变电所EMS完成，并将分析结果上传至中央EMS。

(3)中央EMS综合全线各个变电所EMS的能耗分析结果，对全线的能耗分布及影响因素进行分析，并做出能耗优化决策方案。

图6 REMS能耗分析协调配合机制

在图6中，给出了地形、参数、速度、天气对各部分能耗的影响，由于列车功率可以转换为地形、速度、天气的函数，因此，这里不再将列车功率作为影响因素。

3.2 能耗优化

能耗的优化主要包括降低系统损耗、规划辅助用电以及回收利用再生制动产生的电能。

系统损耗主要包括设备损耗和线路损耗。在设计阶段，采用耦合度更高的变压器，提高变压器的效率[14]，采用阻抗参数更优的输电线，降低牵引网的电能损失；在运行阶段，采用无功优化方案，综合考虑损耗费用与补偿费用，以式( 1 )为目标函数，降低系统损耗产生的费用[15]。

F=min(αWL+βQC)

( 1 )

式中：α为能量损耗费用系数；β为无功补偿费用系数；WL为系统损耗;QC为补偿容量。

辅助用电主要包括牵引变电所辅助系统用电和列车辅助系统用电。在设计阶段可以采用节能照明系统和用电等级较低的空调设备；在运行期间，合理控制辅助设备用电，降低辅助设备的能耗。

再生制动产生的电能是列车运行于再生制动工况时，将机械能转换为电能，此时列车可视为一个发电机，向供电系统返送电能。目前在牵引供电系统中，再生制动产生的电能大多在车载阻抗以及线路阻抗上消耗掉，并有少部分注入电网，从而造成再生制动能量的浪费。为了回收利用列车再生制动产生的电能，根据牵引供电系统的能耗分布特性，在再生制动能量高的供电区间装设储能电源，储能电源采用超级电容器与蓄电池组合的混合储能方式，以经济性为目标对储能电源的容量及充放电功率进行优化，选取最优的储能电源容量及充放电功率，并采取合理的充放电策略，通过控制储能电源的充放电策略将列车再生制动产生的能量合理的利用起来。

图7为超级电容器与蓄电池混合储能结构，该结构采用多滞环电流控制策略[16]，充分利用超级电容器储存的能量，优化蓄电池的充放电过程，从而提高储能灵活性与经济性。

图7 混合储能控制结构

4 实例分析

以某牵引供电系统为例，进行能耗优化。牵引变电所采用Scott接线方式，供电区间采用全并联AT供电方式，区间设置6台AT，仿真列车的启动加速、保持匀速、过分相惰行、制动减速过程。列车功率随时间变化曲线如图8所示。

通过仿真分析，对牵引供电系统的能耗进行优化，在牵引变电所设置有载调压变压器，在沿线AT所设置无功补偿装置，综合列车运行情况，确定有载调压变压器的分接头档位和无功补偿装置投切方案，从而使系统整体损耗降到最低。图9为优化前后牵引供电系统总损耗功率和牵引变电所、牵引网损耗功率变化曲线。

由图9可知，优化后牵引供电系统整体损耗功率及各部分损耗功率均明显减小，列车功率较大时，损耗功率下降的更为明显，优化效果更好。图10给出了优化后牵引供电系统损耗较优化前降低的百分比，可以看出，随着列车功率的增大，损耗降低的百分比不断增大，并且在列车功率接近额定功率时，损耗降低百分比超过5%，表明优化后牵引供电系统损耗得到了有效抑制。

图9 牵引供电系统功率损耗图像

图10 损耗降低百分比-列车功率图像

5 基于全寿命周期的经济性评估

REMS需要调节控制大量的设备和分析处理海量的数据，在这个过程中，REMS会产生一定的费用，本文采用全寿命周期成本LCC(Life Cycle Cost)对REMS的经济性进行评估[17]。LCC包括REMS寿命周期或预期的有效寿命期内，设计、研究、投资、使用、维护过程中，发生或可能发生的一切直接、间接、派生或非派生的所有费用。

REMS的全寿命周期成本可分为元件级成本与系统级成本。

元件级成本主要指系统的硬件投入，包括数据采集元件、通信设备、无功补偿设备、储能设备、计算机、存储器等，其费用结构见表1。

表1 元件级费用结构

系统级成本主要指软件投入，包括算法设计、程序开发等，其费用结构见表2。

表2 系统级费用结构

另外，还应考虑包括电磁辐射、噪声等外部环境成本Cexter。因此，LCC可表示为

( 2 )

式中：n为元件数。

为了得到单位LCC产生的效益，对REMS的经济性进行评估，定义效能指标EC为

( 3 )

式中：Es为系统的综合效益。在REMS中，系统的综合效益主要包括：

(1)经济效益EC1：通过对系统能量的分析优化，降低系统的能量消耗，从而降低系统的购电费用；

(2)可靠性效益EC2：通过对系统的实时安全评估及网络优化，提高系统的供电可靠性，降低系统的故障率，从而降低系统故障引起的经济损失；

(3)品牌效益EC3：通过节能减排等措施，提升高速铁路形象，从而提高高速铁路的品牌价值。

6 结束语

本文建立多级协调式REMS的体系结构，通过建立中央EMS、变电所EMS和车载EMS的三级结构，结合多项关键技术，对系统的能耗进行分析与优化，实现系统的安全、经济、高效运行，并通过实例分析，验证了REMS可以有效降低系统的能耗。以全寿命周期成本对REMS的经济性进行评估，综合评价REMS带来的经济效益。