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摘要：

提出了一種基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設(shè)備配電方案，將光伏發(fā)電系統(tǒng)與鐵路區(qū)間設(shè)備原有配電線路通過(guò)“H型”接入構(gòu)成雙供電系統(tǒng)，當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，可切換到光伏系統(tǒng)單獨(dú)供電，實(shí)現(xiàn)設(shè)備電力供應(yīng)的雙重保護(hù)。提出了該配電方案的系統(tǒng)框架與模塊設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊技術(shù)要求進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：

光伏；輔助電源；區(qū)間設(shè)備；“H型”供電；設(shè)計(jì)

鐵路的供電網(wǎng)絡(luò)由動(dòng)力牽引供電和信號(hào)輔助系統(tǒng)供電兩部分構(gòu)成，分別稱為供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)為機(jī)車行駛提供動(dòng)力電源，配電系統(tǒng)為鐵路區(qū)間閉塞設(shè)備（簡(jiǎn)稱區(qū)間設(shè)備）和其他輔助設(shè)備等供電，兩套系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，一般由相互隔離的線路分別輸送。區(qū)間設(shè)備多為雙路獨(dú)立電源供電，包含主配電和備用配電兩個(gè)部分，通過(guò)電氣控制線路進(jìn)行切換。傳統(tǒng)的配電形式對(duì)電網(wǎng)可靠性依賴較大，如遇到配電電網(wǎng)故障時(shí)，會(huì)造成區(qū)間設(shè)備失效。2008年因冰災(zāi)造成了京廣線部分區(qū)域電網(wǎng)供電中斷，主配電與輔助配電均失效，導(dǎo)致區(qū)間設(shè)備停止工作，行車信號(hào)、道岔等需要通過(guò)人工操作完成，造成華南地區(qū)春運(yùn)期間大量旅客滯留。因此，為鐵路區(qū)間設(shè)備建立獨(dú)立、可靠的輔助電源，解決因配電網(wǎng)故障造成信號(hào)系統(tǒng)癱瘓問(wèn)題成為鐵路安全運(yùn)輸不得不考慮的問(wèn)題。

1鐵路配電系統(tǒng)的主要形式

1．1相關(guān)概念所謂“區(qū)間”，是指兩個(gè)車站或者兩個(gè)鐵路變電所之間的線路。兩個(gè)相鄰車站間的區(qū)間稱為站間區(qū)間；相鄰變電所之間的區(qū)間稱為所間區(qū)間。所謂“閉塞”，是指為保證行車安全，通過(guò)電氣控制將列車運(yùn)行的線路區(qū)間進(jìn)行全封閉或者分段封閉，防止同區(qū)段內(nèi)的對(duì)向列車和同向列車因時(shí)序安排不當(dāng)而造成對(duì)撞或追尾等事故。所謂“H型”供電，是指主電源與備用電源并列供電。《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則》第12．2．1條規(guī)定，鐵路信號(hào)設(shè)備輸入電源供電方式有一主一備和兩路同時(shí)供電2種方式，其中兩路同時(shí)供電方式即為“H型”供電，這種情況下由主副兩路電源并列運(yùn)行，當(dāng)一路電源關(guān)閉或發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)切換至另一路電源。

1．2區(qū)間設(shè)備的主要供電形式目前，國(guó)內(nèi)鐵路基本上都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)閉塞，并配置了較完善的區(qū)間設(shè)備及配電系統(tǒng)，供電形式從宏觀上劃分可分為集中式和分散式兩種。為了避免單一供電產(chǎn)生故障造成的供電失效問(wèn)題，一般多由兩路獨(dú)立的供電線路構(gòu)成主附電源，通過(guò)電力互供的方式保障區(qū)間設(shè)備供電的可靠性。常采用的互供形式包含單回路供電和雙回路供電兩種，其中單回路供電又包含三點(diǎn)三線式、三點(diǎn)兩線式、點(diǎn)集式等供電形式，各種供電方式原理及特點(diǎn)如表1所示。

2區(qū)間設(shè)備供電存在的主要問(wèn)題

（1）電源配置對(duì)牽引變電所提供電源依賴性強(qiáng)從區(qū)間設(shè)備各種配電形式來(lái)看，配電電源一般引自牽引供電電源，當(dāng)牽引電源出現(xiàn)故障時(shí)，區(qū)間設(shè)備配電系統(tǒng)將一同失效。因此，在發(fā)生自然災(zāi)害、供電網(wǎng)失效或不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)造成區(qū)間設(shè)備停止工作，為鐵路的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。（2）配電技術(shù)發(fā)展緩慢，自動(dòng)化程度低相對(duì)于牽引變電技術(shù)的發(fā)展，區(qū)間設(shè)備的配電技術(shù)發(fā)展緩慢，自動(dòng)化程度不高。考慮到安全、成本等因素，配電技術(shù)的技術(shù)革新較為謹(jǐn)慎，國(guó)內(nèi)仍有部分鐵路配電沿用20世紀(jì)80、90年代的技術(shù)，自動(dòng)化程度低，線路老化，出現(xiàn)故障時(shí)較難找到故障和及時(shí)排除，增加了維修的成本和難度。（3）缺乏帶有儲(chǔ)能功能的獨(dú)立監(jiān)控電源，斷電后沒(méi)有數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)獨(dú)立的輔助系統(tǒng)，其工作電源一般取自信號(hào)電源系統(tǒng)的直流輸出，當(dāng)配電系統(tǒng)斷電時(shí)，監(jiān)控子系統(tǒng)同時(shí)掉電，無(wú)法繼續(xù)監(jiān)測(cè)及對(duì)故障情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，造成設(shè)備故障分析困難。如能在電源屏上增加具有儲(chǔ)能的輔助電源模塊，在兩路電都斷電時(shí)為監(jiān)控子系統(tǒng)補(bǔ)充供電，可有效避免此類問(wèn)題的發(fā)生。

3光伏發(fā)電在我國(guó)鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)

在1975年，光伏發(fā)電技術(shù)就在鐵路系統(tǒng)進(jìn)行試用并逐漸拓展，1984年鐵道部編制了《硅太陽(yáng)能電源光電參數(shù)及容量選擇》。通過(guò)多年的試用和技術(shù)發(fā)展，光伏發(fā)電在鐵路信號(hào)與通信設(shè)備上應(yīng)用逐漸增多，并在測(cè)試、施工、維護(hù)等方面形成了一定經(jīng)驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)。隨著電氣化鐵道技術(shù)的發(fā)展，鐵路對(duì)供配電系統(tǒng)的可靠性、功率等要求越來(lái)越高，而此時(shí)國(guó)家電力行業(yè)發(fā)展迅猛，電力行業(yè)走向市場(chǎng)化，電網(wǎng)覆蓋區(qū)域逐漸增大，可靠性和穩(wěn)定性不斷提升，帶動(dòng)了鐵路供配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。因此，光伏發(fā)電技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制，其成本高、容量低等缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)，早年推廣的鐵路光伏設(shè)備也逐漸被傳統(tǒng)供電網(wǎng)取代，改由貫通電線路或自閉電線路供電［1］。從未來(lái)發(fā)展來(lái)看，傳統(tǒng)能源的緊缺成為全世界面臨的問(wèn)題，各國(guó)都在可再生能源利用上加大扶持力度，為太陽(yáng)能在鐵路行業(yè)的廣泛利用帶來(lái)政策環(huán)境。同時(shí)，鐵道部為配合西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，正在或計(jì)劃修建數(shù)條西部鐵路線，而西北地區(qū)地廣人稀，常規(guī)供電網(wǎng)建設(shè)存在不足，為太陽(yáng)能資源的利用帶來(lái)廣闊前景。更重要的是現(xiàn)有鐵路配電系統(tǒng)過(guò)分依賴牽引變電所提供外部電源，在發(fā)生自然災(zāi)害、供電系統(tǒng)故障或不穩(wěn)定時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)系統(tǒng)終端癱瘓、監(jiān)測(cè)記錄缺失等隱患，增加具有獨(dú)立、儲(chǔ)能特點(diǎn)的光伏系統(tǒng)輔助供電系統(tǒng)，可有效解決應(yīng)急條件下的輔助供電問(wèn)題。

4基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設(shè)備“H型”供電系統(tǒng)框架

基于光伏發(fā)電的諸多優(yōu)點(diǎn)，探索將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于鐵路區(qū)間設(shè)備的輔助供電，建立基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設(shè)備“H型”供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由原配電網(wǎng)電源模塊、光伏輔助電源模塊和監(jiān)控系統(tǒng)模塊這3部分組成，通過(guò)合理的接入控制，形成光伏供電與常規(guī)供電相互補(bǔ)充的區(qū)間設(shè)備供電系統(tǒng)，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。其中，光伏輔助電源模塊由光伏太陽(yáng)能板組件、雙軸太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤子系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、防護(hù)裝置等組成。

5基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設(shè)備供電系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

5．1光伏輔助電源模塊設(shè)計(jì)分析（1）系統(tǒng)選型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)既具有獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立、儲(chǔ)能的特點(diǎn)，又能夠與電網(wǎng)供電相互補(bǔ)充，構(gòu)成供電系統(tǒng)的雙重保護(hù)，對(duì)供電可靠性要求高的場(chǎng)合，可以作為輔助應(yīng)急電源，解決因電網(wǎng)供電中斷或不穩(wěn)定造成的電源中斷問(wèn)題。鐵路區(qū)間閉塞設(shè)備具有點(diǎn)多線長(zhǎng)，數(shù)量大、布局分散等特點(diǎn)，所以本項(xiàng)目光伏輔助電源系統(tǒng)的接入形式采用分布式系統(tǒng)，在每一個(gè)區(qū)間設(shè)備點(diǎn)設(shè)置一臺(tái)獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變后供給單點(diǎn)負(fù)載，在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)也可以靠光伏系統(tǒng)及儲(chǔ)能設(shè)備獨(dú)立對(duì)單點(diǎn)設(shè)備供電。（2）系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)為了提升光伏系統(tǒng)的的效率和輔助電源穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下問(wèn)題：一是構(gòu)建由信號(hào)輸入，計(jì)算單元，控制模塊和通訊模塊等部分組成的太陽(yáng)雙軸全追蹤系統(tǒng)，提升光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率；二是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)支撐的輕便牢固性優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境的穩(wěn)定性；三是采用合理的MPPT算法，提升光伏發(fā)電的可靠性；四是系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)置安全工作模式，風(fēng)雨天氣和夜晚能夠自動(dòng)回復(fù)安全模式。

5．2配電網(wǎng)及光伏系統(tǒng)“H型”接入分析鐵路區(qū)間設(shè)備供電多已采取了主輔供電模式，為了降低改造成本，在加入光伏輔助電源時(shí)可不改變?cè)信潆娋€路，僅通過(guò)光伏發(fā)電與原有配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“H型”接入進(jìn)行電氣控制切換。當(dāng)原有配電網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，可由原網(wǎng)絡(luò)為區(qū)間設(shè)備供電，當(dāng)原有主輔配電網(wǎng)絡(luò)均出現(xiàn)故障時(shí)可自動(dòng)切換至光伏系統(tǒng)及儲(chǔ)能裝置供電。根據(jù)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的要求，區(qū)間信號(hào)供電中斷時(shí)間不能超過(guò)0．15s，因此光伏電源與配電網(wǎng)絡(luò)電源切換時(shí)間應(yīng)滿足其安全要求。（3）監(jiān)控系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)為滿足鐵路區(qū)間設(shè)備供電高可靠性的要求，監(jiān)測(cè)模塊包含對(duì)雙供電電源的監(jiān)控和對(duì)“H型”接入控制的監(jiān)控，實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保障供電系統(tǒng)的可靠性；輔助電源在原有配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)起到獨(dú)立供電的作用，因此其應(yīng)具有儲(chǔ)能裝置，且應(yīng)具有較足夠的能量?jī)?chǔ)備。將儲(chǔ)能裝置其作為監(jiān)測(cè)模塊的備用供電，可實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)的記憶保護(hù)，即使在配電網(wǎng)和光伏系統(tǒng)均出現(xiàn)故障的情況下，依然可以通過(guò)備用電源完成故障記憶功能，實(shí)現(xiàn)鐵路區(qū)間設(shè)備供電的智能監(jiān)測(cè)。

6結(jié)語(yǔ)

基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設(shè)備供電系統(tǒng)具有獨(dú)立的輔助電源，不受配電電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，可以在配電電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)通過(guò)良好的“H型”接入控制保障區(qū)間設(shè)備的有效運(yùn)行，對(duì)改進(jìn)區(qū)間設(shè)備配電可靠性具有良好的作用。因光伏系統(tǒng)成本高、轉(zhuǎn)換效率低、技術(shù)改造難度大等原因，基于光伏輔助電源的鐵路區(qū)間設(shè)備供電方案尚未得到廣泛使用，還需通過(guò)效率提升研究、成本控制研究等措施，進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)性能，加強(qiáng)系統(tǒng)方案的普及和推廣。

作者：李營(yíng) 單位：廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院