中国铁路智能牵引供电系统创新与实践

怀蝶

0 引言

铁路牵引供电系统主要由牵引供变电设施及接触网组成，作为列车唯一动力来源，对安全可靠、智能高效和自主可控的要求高。传统牵引供电系统协同机制不健全，状态感知、量化评估和超前预警差，装备长期经受严寒、高温、大风、腐蚀等复杂恶劣环境考验，面临安全和稳定运行难题。其运营维护也主要依赖周期维修和应急抢修的模式，难以满足现代铁路的发展需求。为此，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）在京沈客专建设时期规划了综合试验段，并开展了智能牵引供电系统的研究和试验工作。

在此，将从智能牵引供电系统的理论基础和系统架构切入，论述该系统涵盖的关键技术与装备，以及系统标准体系的规划和建立，通过智能牵引供电系统在工程实践中的应用展现其技术水平，并对智能牵引供电系统的发展进行展望。



1 理论基础和系统架构

智能牵引供电系统按照自律分散原则，通过“问题分解-技术耦合-系统验证”三阶递进路径，构建了“多场景供电设施与调度控制、运行控制与运营维护、供电调度与行车调度相协同”的全系统自律运行机制，建立了全工况多场景牵引供电系统数学模型，创立了接触网悬挂性能精确评价理论，构建了量化悬挂特性和线路要素的多变量弹性矩阵，发现了零部件微动疲劳、微动磨损和冲击疲劳及其复合效应的损伤机理，形成了智能牵引供电系统理论基础，进一步提出以 “全息感知、多维融合、重构自愈、智慧运维”为特征的智能牵引供电系统核心架构（见图1）。



图1　智能牵引供电系统核心架构

在理论研究基础上，利用信息传感、通信网络、新材料、机器人、人工智能等新技术，开展产学研用协同攻关，逐步形成了以高压设备数智化、接触网装备简统化、全速动继电保护、分区协同调度、故障预测与维修决策技术等为核心的技术体系，形成了智能装备、智能建造、智能运维3个方面的智能牵引供电系统业务应用架构（见图2）。



图2　智能牵引供电系统业务应用架构

智能装备涵盖智能高压设备、广域保护测控系统、智能供电调度系统、中国标准接触网;智能建造包 含全要素数字化管理平台、自动化预配平台、智能施工装备；智能运维由高速铁路供电安全检测监测系统（6C系统）、辅助监控系统、故障预测与健康管理系统（PHM）组成。为更加规范推进智能牵引供电系统制 造、建设和运维，建立了涵盖基础、装备、建设、运维等领域的智能牵引供电系 统标准体系架构（见图3）。



图3　智能牵引供电系统标准体系架构



2 关键技术与装备创新

2. 1　智能装备

2. 1. 1　智能高压设备

智能高压设备主要由牵引变压器、自耦变压器、断路器、隔离开关和GIS开关柜等组成（见图4）。通过采用“设备本体+传感器+智能电子设备（IED）组件”的技术路线，在变压器、断路器、开关柜等高压设备上设置传感器，并分别配套智能电子元件，实现了高效的数据采集和智能控制，最终研制具备测量数字化、控制网络化和状态可视化等特性的智能高压设备，为系统智能化运行及维护提供了可靠的设备保障。



图4　智能高压设备组成

2. 1. 2　广域保护测控系统

通过深入研究复杂全并联牵引供电系统的故障特征及其与故障位置、运行方式间的关联机理，建立基于各所间信息交互技术的“故障-测距-重构”耦合模型，并提出以恢复供电时间最短、停电范围最小为目标的最优非线性算法，突破“保护-测距-控制”协同自律运行技术，研发由就地保护装置、站域保护装置、广域保护测控装置以及广域保护网络通道4部分构成的广域保护测控系统（见图5）。该系统通过高速通信网络实现系统数据的共享与快速响应，有效支持继电保护的全速动、全冗余运行，在故障发生时能够快速准确地识别故障类型和位置，并采取相应的隔离措施，从而最大限度地缩减停电范围和时间。在实际运行中，系统能够在牵引网发生保护跳闸后实现故障的快速诊断、精确定位和精准隔 离，通过区分故障发生的上下行，使系统能够只跳开故障行。判断故障后，系统通过一系列断路器跳闸，将故障行隔离，不再需要人工检算判断，使故障停电时间从平均20~30min，缩减至1min，恢复供电时间整体缩短80%~97%。



图5　广域保护测控系统

2. 1. 3　智能供电调度系统

智能供电调度系统采用安全Ⅰ区和安全Ⅱ区的双区架构设计，在国铁集团、铁路局集团公司和站段3级层面部署系统主站（见图6）。通过整合数据采集与监控系统（SCADA系统）、辅助监控系统和调度运行管理系统实现协同调度控制。该系统基于层次化处理技术，能够高效处理沿线牵引变电所及分区所、AT所的海量数据，其核心在于采用分区协同的自律分散供电调度模型，依托高扩展密集计算设备和虚拟化技术构建的私有云平台，利用Raft选举算法实现计算资源的动态 优化调度,通过业务域和数据域双重驱动机制，实现远动监控、辅助监控和调度运行各业务分区之间的高效协同，同时运用简单对象访问协议（SOAP）、Web服务描述语言（WSDL）和通用描述、发现和集成（UDDI）技术搭建同构集成框架，确保在动态环境下各分区与外部系统间的语义互操作。



图6　智能供电调度系统组成

该系统的创新突破在于解决了供电调度异构动态环境下的统一集成难题，不仅实现了系统的持续在线扩展能力，还建立了涵盖多层次、全维度的安全防护体系，显著提升了系统的安全防护能力、运行灵活性和架构开放性，最终实现牵引供电系统广域保护自愈重构、多能源协同调控和全系统经济运行的目标。

2. 1. 4　中国标准接触网

中国标准接触网以谱系化技术方案及简统化腕臂定位装置为核心，通过理论突破与工程实践结合实现技术自主。创立接触网悬挂性能精确评价理论，构建多变量弹性矩阵，量化线索张力、线密度、跨距等参数对悬挂特性影响，建立静态与动态双重评价体系，静态弹性标准确保悬挂刚度匹配线路条件，动态评价通过反射因数、增强因数与多普勒因数实现振动特性的精准量化，形成“速度-参数-性能”全维度匹配机制，构建谱系化的中国标准接触网系统（CRC），技术体系按120~350km/h划分为4个速度等级，具体情况见表1。

表1　各系列接触网主要技术标准



基于接触网零部件微动疲劳、微/滑动磨损与冲击疲劳的复合劣化机理研究，首次研发以简统化为核心的自主接触网装备，创新设计的弓形非限位腕臂定位装置采用集成化结构（见图7）。通过组合承力索座整合承力索固定与平斜腕臂支撑功能，定位环集成定位管安装与腕臂支撑，铰链抱箍连接替代传统螺纹紧固件，配合金属膜锻工艺制造的销轴铰接部件，零部件数量减少30%以上，结构稳定性大幅提升，空间安全冗余增大，激振显著改善，整体吊弦等关键零部件使用寿命较国内外既有产品提升100%以上，弓网接触力、燃弧率等受流质量关键指标较现有技术提升20%以上。



图7　自主化腕臂定位装置

2. 2　智能建造

2. 2. 1　全要素数字化管理平台

全要素数字化管理平台以建筑信息模型（BIM）与地理信息系统（GIS）融合数据为三维空间底座，集成大数据、物联网、5G通信及云平台技术，构建覆盖牵引供电系统建造全生命周期的数字化管控体系。襄荆铁路全要素数字化管理平台界面见原文。通过参数化建模工具自动生成接触网构件族库，结合轻量化引擎实现移动端海量模型实时加载，并依托增强现实（AR）可视化与超宽带（UWB）定位技术提升施工精度与调度效率；建立多源异构数据的结构化治理规则与区块链存证机制，打通设计协同、施工管理到运维移交的全链条数据闭环，形成以“端-边云”协同架构为核心的智能建造体系，推动铁路工程实现跨阶段、跨专业、跨终端的数字化协同与全流程可追溯管控。

2. 2. 2　基于机器人的自动化预配

基于具有自主知识产权的高速铁路接触网精确计算系统，通过研发“物料智能管理-预配无人化执行”双核协同技术，搭建机器人智能预配平台（见图8）。其中物料平台依托射频识别（RFID）与数字孪生技术打通设计数据、物料编码与施工实体的双向映射，实现从BIM参数化模型到现场安装的全程可追溯数据链；无人化预配通过6轴工业机器人、3D视觉引导及自动导引车（AGV）物流设备的 深度集成，基于强化学习算法动态优化装配路径，并同步关联BIM设计参数与生产指令，完成腕臂定位装置和整体吊弦的自适应组装及预配数据实时回传，最终形成“设计-制造-施工”全链条数据闭环，支撑牵引供电系统建造的无人化、标准化与智能化升级。



图8　机器人智能预配平台

2. 2. 3　智能施工装备

搭建“云-边-端”协同架构，开发施工场景动态优化资源配置算法，通过物联协议解析装备运行数据流，重构施工安装“感知-决策-执行”闭环逻辑，构建“智能测量-智能安装-智能检测”三位一体的智能施工装备协同体系，接触网智能化施工装备见图9，实现测量指导安装、安装触发检测、检测反哺优化的全链条数据驱动。智能测量设备如北斗定位装置、轨道控制网第3级（CPⅢ）数据检测装置，可精准获取站前基础数据，误差精度达毫米级；智能安装设备基于多轴机器人协同控制技术，实现支柱吊装、腕臂组件的自动化定位与装配；智能检测设备采用无接触式激光扫描与红外传感技术，同步采集承力索高度、接触线拉出值等关键参数。



图9　接触网智能化施工装备

2. 3　智能运维

2. 3. 1　高速铁路供电安全检测监测系统

6C系统通过多源异构技术集成与功能协同，构建了覆盖供电设备全生命周期的智能化监测体系，广泛应用于联调联试、运营维护、提质达标、三级修等场 景。其核心技术包括：高精度图像识别技术、多传感器融合技术、非接触式测量技术，以及分布式边缘计算与云端协同技术，支持海量数据的低延时处理与跨系统 联动。在系统功能架构上，6C系统通过差异化层级设计实现多维互补：1C侧重接触网宏观状态高速普查；4C采用定点部署方式对关键区段开展周期性精细检测；6C依托数据融合平台整合多源信息，构建“状态感知-智能诊断-风险预警-闭环反馈”的全流程运维管理链。

2. 3. 2　辅助监控系统

辅助监控系统由铁路局集团公司级主站、段级主站和所内终端构成，其中所内终端通过视频监控、视频巡检、环境监控、安防门禁、动力照明控制等子系统及综合监控平台实现全方位管理（见图10）。通过在牵引变电所内设置摄像头、传感器等设备，实时监测所亭环境与设备状态，替代传统人工巡检模式，为实现无人值守提供技术支撑。该方案创新性提出牵引变电所无人值班值守模式，通过实时监测与远程控制功能有效减少运维人力需求，降低运维成本，为铁路系统提供了安全可靠、自动化程度高的智能监控解决方案。



图10　辅助监控系统配置架构

2. 3. 3　故障预测与健康管理系统

故障预测与健康管理系统基于感知层、传输层、平台层和应用层的4层架构设计，通过设置传感器及智能终端设备采集现场多维状态数据，利用铁路数据网实现数据实时传输至云端处理。系统采用边缘计算节点对原始数据进行本地化预处理，通过数据清洗、特征提取和时空融合技术构建设备健康特征库，并依托机器学习算法建立设备退化预测与故障诊断模型。在具体应用中，利用边缘设备的内置算法对数据进行筛选，结合云端大模型，将历史数据与监测数据进行对比分析，提前预判故障，实现了算力的平衡和轻微故障检出率的提升。通过关联分析构建故障传递网络，在某一故障检出后，可以根据网络拓扑提供维修决策，对前序节点和后置节点进行预防性维修，提前阻断故障在系统内的传播，从而为铁路牵引供电系统提供从状态监测到决策支持的全生命周期管理能力。基于设备状态的维修策略模型和系统健康评估体系见原文。



3 技术标准体系

在融合传统牵引供电系统标准框架与智能牵引供电技术发展动态的基础上，通过系统整合传统牵引供电标准、铁路技术规范及智能电网标准的核心内容，构建贯穿智能牵引供电系统全生命周期的标准化架构。该体系以多维标准融合为路径，研究确定涵盖设计、建造、设备制造、调试、验收及维护等内容的智能牵引供电系统标准体系，提出智能牵引供电系统标准系统的规划，包括基础标准、工程建设标准、设备材料标准、运营维护标准4个部分。

（1） 基础标准对智能牵引供电系统标准体系的其他标准具有普遍的指导意义，包括智能牵引供电系统总体技术规范、通信接口技术规范、智能牵引变电所 及智能供电调度系统技术导则等标准。

（2） 工程建设标准涵盖新建和改建智能牵引供电系统的设计、施工、调试、验收等方面，包括智能牵引变电所、智能供电调度系统、智能运行检修管理系统、接触网系统设计与施工规范，智能牵引供电系统现场调试导则，智能牵引供电系统施工质量验收标准等标准。

（3） 设备材料标准规定智能牵引供电系统各设备、系统的功能、性能、技术指标等要求，包括智能一次设备、广域保护测控系统、辅助监控系统、智能供电调度系统、智能供电运行检修管理系统、简统化接触网等设备的技术标准。

（4） 运营维护标准是针对智能牵引供电系统的运行保障、维护维修、应急处置等方面，包括智能牵引供电设施、智能供电调度系统、智能运行检修管理系统的运行、检测、维修规程等。

截至目前，已发布智能牵引供电系统相关标准18项（见表2），为设计、制造、施工及运维的质量、安全、效率提供了坚实的技术支撑，其他标准编制也在逐步开展。

表2　智能牵引供电系统已发布标准清单





4  应用效果

4. 1　应用范围

目前，智能高压设备、广域保护测控系统、智能供电调度系统、辅助监控系统等已在京沈客专、京张高铁、京雄城际、浩吉铁路等多条重大干线铁路工程应用。中国标准接触网已在京沈客专、盐通高铁、印尼雅万高铁等国内外铁路中应用，运营线路约2000km，另外4000km项目正开展大面积工程建设（见图11、图12）。



图11　智能牵引变电所亭



图12　中国标准接触网

4. 2　应用评价

研究成果自投入使用后，得到建设、施工、制造、运营单位的一致好评，经现场应用及试验验证，智能牵引供电系统创新成果相较国内外现有技术在供电安全、系统效率、装备性能等技术指标实现突破，形成系统-设备-运维全层级技术优势（见表3）。

表3　智能牵引供电系统性能对比





5  展望

随着技术进步，智能牵引供电系统正朝着电力电子化、数智化、虚拟化深度融合发展。在设备物理层面，随着电力电子技术的应用正逐步解决传统系统存在的结构性缺陷，包括电分相问题、供电能力格式化、功率互济能力不足以及新能源接入困难等关键瓶颈；在运行控制方面，数字化虚拟化技术通过构建物理实体的数字孪生模型，实现了虚拟空间与物理世界在时空维度的高度耦合与协同演进。具体而言：（1）通过引入先进的电力电子器件、拓扑结构及控制技术，替 代或升级传统工频变压器、整流机组等设备，同时为新能源消纳及柔性供电提供技术支撑，并结合多源信息融合感知技术，提升牵引供电系统的高效、灵活可控和智能化水平。（2）通过新材料及先进工艺创新与嵌入式智能感知技术的深度融合，推动接触网系统向轻量化、高可靠性与智能化方向迭代升级，增强接触网系统的自感知、自诊断与自适应能力，为供电安全从“被动检修”向“主动防护”转型提供技术支撑。（3）通过物理实体与孪生体的“自洽-同步-互动-共 生”逐步递进，构建高保真数字孪生系统，结合不同机车的负荷特性和运输组织安排，维持系统输出与运输需求相适配；依托数据驱动与知识发现机制，持续优化系统决策模型，形成“感知-决策-优化”的闭环提升路径，实现系统稳定供能和全场景可信模拟，推动智能牵引供电系统向智慧化方向演进。（4）构建云边-端协同的运维测评修一体化体系，部署高精度多自由度机器人集群，实现接触网参数调整、设备更换、异物清除等作业的全场景无人化，打造“智能感知-自主决策-机器人执行”闭环的先进运营维护模式。

选自《铁路技术创新》2025年第3期

相关信息

作      者：
罗健，中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院。
魏建忠，中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院。

古晓东，中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院。

王建东，中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院。

钱恺逸，中国铁路设计集团有限公司电化电信工程设计研究院。

引用文本：罗健，魏建忠，古晓东，等. 中国铁路智能牵引供电系统创新与实践[J]. 铁路技术创新, 2025(3): 41-49.

晶颖

中国铁路智能牵引供电系统的创新实践，标志着牵引供电技术从传统模式向数字化、智能化方向的重大跨越。通过集成大数据、物联网及人工智能技术，系统实现了供电设备状态实时监测、故障智能诊断与自愈控制，显著提升了供电可靠性与能效。这一体系不仅支撑了高铁网络的高效安全运营，也为全球铁路供电技术的演进提供了重要参考，展现了以科技驱动基础设施现代化的中国方案。

[本文内容由铁道职培APP平台与人工智能深度求索 - DeepSeek辅助生成，仅供参考]

王乔玉家长

中国铁路智能牵引供电系统的创新实践，标志着我国在轨道交通能源管理领域迈入新阶段。通过集成大数据、物联网及人工智能技术，系统实现了供电状态的实时监测、故障智能诊断与能效优化，显著提升了供电可靠性与运行效率。这一技术突破不仅强化了铁路网络的安全性与经济性，也为全球铁路电气化发展提供了重要参考，展现了智能化基础设施在可持续交通中的关键作用。

[本文内容由铁道职培APP平台与人工智能深度求索 - DeepSeek辅助生成，仅供参考]