《德国接触网蓄电池混合动力列车 供电设施的法律分类》
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在德国,铁路作为非常环保的公共交通工具为气候保护做出了重大贡献.为实现气候保护的目标,德国铁路股份公司（DB）计划在2038年之前将牵引电力中的绿色电力占比提高到100%,并推动替代牵引器（替代内燃牵引）在非电气线路上的使用.通过推广接触网 - 蓄电池混合动力列车（以下简称“电池动力列车”）及其所需基础设施相关的创新解决方案,铁路领域的二氧化碳（CO2）排放量将继续大幅减少.而此类基础设施的建造和应用必须依据适当的法律分类.
1 研究背景
德国联邦政府在铁路运输方面的目标是进一步提高德国铁路线路网络的电气化水平,以减少内燃牵引所占的份额及其带来的CO2排放.目前,DB下属线路网络子公司（DB Netz AG）所拥有的33000km线路网络中有60%实现了电气化.根据2018年3月签署的联盟协议,德国联邦政府已承诺至2025年将德国铁路线路网络的电气化水平提高到70%.
此目标可通过2种方法实现：①实现线路的完全电气化;②在非电气化或部分电气化线路上使用更多有替代牵引器的列车.目前,替代动力列车是铁路区域客运领域的关注焦点,因为在该领域,内燃牵引仍然占有超过1/3的份额.各铁路区域客运公司正在进行或准备替代动力列车的招标,以备未来之需.
对于即将在线路网络上投入使用的电池动力列车,DB Netz AG也应对其所需的基础设施进行可靠的法律分类.而接触网充电岛设施作为此类列车通过接触网取电的必要供电设施,也应包括在现有法律框架中,以保证其法律确定性,从而促进这种创新车辆技术的推广.
2 电池动力列车供电设施
电池动力列车是具有电气牵引系统和蓄电池的轨道车辆,无CO2排放,是内燃牵引列车的替代方案.目前,多家制造商正在对其进行测试.电池动力列车的设计理念是通过受电弓从接触网中获取所需的电流,为列车提供动力以及为蓄电池充电,因此该列车可以在配备15kV16.7Hz接触网的现有线路上行驶.通过受电弓为蓄电池充电,不受列车运动状态的影响,在列车行驶和停止时都可进行.用于充电和牵引的电能可通过列车上已有的测量设备（如牵引电能测量记录仪,TEMA-Box）进行记录.
在德国,由DB下属能源子公司（DB Energie GmbH）的牵引供电网负责为电动列车供电.牵引供电系统基本结构如图1所示.
在为电气化铁路供电时,16.7 Hz牵引电流馈电可分为以下3种主要形式.
（1）由牵引发电所馈电.这些发电所生产电能并将其直接馈入DB Energie GmbH的110 kV 16.7 Hz牽引供电网.
（2）由变流站/变电所馈电.该设施将来自上游公共配电网的50 Hz电流转换为16.7 Hz牵引电流,并将其馈入110 kV 16.7 Hz牵引供电网.
（3）由分散式变流站/变电所馈电.该设施将来自上游公共配电网的50 Hz电流转换为16.7 Hz牵引电流,并将其馈入15 kV 16.7 Hz接触网系统.
DB Energie GmbH全长约7800 km（德国境内）的110 kV 16.7 Hz牵引供电网将牵引电流从各种电源（发电厂、变流站等）处输送到各个配电站,而配电站负责将牵引供电网的高压转换为接触网系统的中压,以使电动列车可通过受电弓获得所需的牵引电流.
110 kV 16.7 Hz牵引供电网由总控制站监视和控制.15 kV 16.7 Hz接触网系统分为7个区域,每个区域都由DB Energie GmbH在不同地区的集中控制所监视和控制.
牵引供电网运营商负责为终端用户和电力供应商接入电网各种业务流程,包括与各个商业合作伙伴（终端用户、电力供应商、服务商和其他电网运营商）进行营销沟通,处理电力供应商变更流程,平衡电能用量,以及计算电网使用费用.这些业务流程基本上与50Hz公共配电网的相关规定一致,但也有一些特殊之处,以满足铁路交通的特定需求.铁路交通电力供应有2个特点,具体如下.
（1）电网连接的计费点和取电点是动车单元,而电力供应的计费点则为虚拟取电点（将铁路运输公司的多个动车单元组合在一起）.通过这种方式,可在遵守各铁路运输公司供电协议的同时,反映铁路行业中常见的短期动车变更.而在50 Hz公共配电网中,用于电网连接与电力供应的计费点是重合的.由于动车单元是能源行业中特殊的移动用户,可以在牵引供电网内自由移动,因此,牵引供电网运营商也需要界定动车单元在其电网范围内部和外部（尤其是国外）的电能消耗.
（2）可由分散式变流站/变电所供电.例如,德国东北部接触网区段由连接各地区50 Hz公共配电网的变流站和变电站供电,用电情况由牵引供电网接入模型（未与铁路供电输电线网直接链接）检测和记录.由于铁路运输公司在分散式牵引供电网区域中的业务与在其他区域中相同,可采用统一的电网接入模型,因此不同的电网结构对列车运行没有影响,整个线路网络中的所有牵引供电设施对于铁路运输公司来说都是连续可用的.所有铁路运输公司均可使用DB Netz AG的线路网络和DB Energie GmbH的牵引供电网.
电池动力列车通常能够在配备15 kV 16.7 Hz接触网的电气化线路网络之外运行,因为在这些区段列车可由蓄电池供电.如果线路的非电气化区段过长,列车无法在蓄电池不充电的情况下安全通过,则必须为蓄电池充电.为此,可以设置接触网充电岛设施,或者在车站中及车站之间的某些线路区段装配接触网.接触网及其供电设施的技术设计必须符合DB法规.借助这些设施,可以在列车行驶和停止时给蓄电池充电.接触网充电岛设施可以安装在车站外的某些线路区段.该设施与DB Netz AG线路网络中其他区域装配的接触网具有相同的技术和操作要求.
电池动力列车的电能只能由《互操作性技术规范》（TSI）允许的牵引供电系统提供,即15kV16.7Hz或者25kV50Hz系统.对于上述2种系统的选择取决于车辆的需要.应当注意,根据当前的电池动力列车理念,需要使用现有的接触网基础设施,因此应配备适用于15kV16.7Hz系统的车辆.而使用25kV50Hz系统意味着该线路允许多电流制车辆行驶.
电池动力列车牵引供电系统基本结构如图2所示.
通过接触网充电岛设施为电池动力列车供电也是通过分散式变流站或变电站实现的.上述设施将来自上游公共配电网的三相50Hz电流转换为15kV16.7Hz或25kV50Hz的单相牵引电流.与一般变流站或变电站的区别在于,其输出功率通常较低（每个模块2.5MVA,可级联至最高5MVA）.与现有的接触网系统一样,接触网充电岛设施也是由DBEnergieGmbH的地区集中控制所控制和监测.
3 接触网充电岛设施的法律分类
以下框架条件对于接触网充电岛设施的法律分类特别重要.
（1）通过受电弓从接触网受流,为列车蓄电池充电.
（2）应根据线路拓扑,在完全电气化线路、即将实现电气化的线路区段和将要新装接触网设施的车站,利用接触网,在列车驶入、驶出或者停车时为蓄电池充电.
（3）应使用车辆现有的测量设备对充电获得的电能进行测量和记录.
（4）各铁路运输公司可以自由选择为蓄电池充电的电力供应商.
3.1 法律分类依据
对接触网充电岛设施进行法律分类必须基于适用的铁路法规框架.电气化线路上的现有接触网系统无疑应归类为基于线路的牵引供电设施.各铁路线路运营商应根据《德国普通铁路法》第4章第7条的规定配备此类设施.对于此类设施的使用和计费应遵守《德国铁路管制法》的规定.但问题在于,这些法律要求是否同样适用于接触网充电岛设施,或者其分类方式是否可以不同.
由于《德国普通铁路法》和《德国铁路管制法》中对于上述框架条件的规定是以“基于线路”为前提,因此必须评估接触网充电岛设施是否同样符合法律所要求的“基于线路”的条件,以确定能否将其分类为基于线路的牵引供电设施.那么,首先应该界定 “基于线路”的含义,确定立法者在引入“基于线路”的概念时打算划定什么界限,以及其他牵引供电设施指什么.因为不存在其他提供牵引电流的基础设施系统,本文认为其他牵引供电设施即为接触网系统上游的电气工程系统.铁路法规通过引入“基于线路”的概念将接触网系统和接触轨与其他牵引供电系统区分开,并规定这2个系统由铁路线路运营商运营;而对于其他牵引供电系统,法规没有明确规定,可以由铁路基础设施公司运营.相关法律材料也证明了这一点.《德国普通铁路法》第4章第3条中规定：“基于线路的牵引供电设施应由铁路线路运营商运营,包括接触网和接触轨.电气化所需的所有其他系统（如发電所、铁路供电输电线、变电所,以及从发电所到接触网或接触轨的导线）均不属于上述设施.”
此外,法律还规定,基于线路的牵引供电设施包括线路上各区段的所有牵引供电设施,当然也包括相对较短的接触网区段.由于接触网充电岛设施除线路跨接段的长度之外,具有与传统接触网系统基本相同的技术设计,因此也应包含在“基于线路的牵引供电设施”这一概念中.虽然电池动力列车装配有蓄电池,但是蓄电池中存储的电能也是用于牵引列车,因此对上述结论无影响.
对接触网充电岛设施进行法律分类时,铁路车辆在使用接触网时的状态（停止或行驶）并不重要.没有法条表明该设施的法律分类取决于使用方式,即法律未规定“基于线路”需要车辆移动.若根据使用方式分类,当接触网在停车信号机区域内时,电动列车如果驶过相关的线路区段,则必须将此接触网分类为基于线路的牵引供电设施;相反,电动列车若在停车信号机前停止,则上述分类不成立.这一示例清楚地表明,如果根据使用时列车的运动状态（行驶或停止）来分类,则很大程度上取决于巧合,因此不可取.
3.2 分类后优点
将接触网充电岛设施归类为基于线路的牵引供电设施有以下优点.
（1）可以全面且充分地将责任分配给铁路线路运营商,从而保障铁路的安全运营.此外,这意味着适用于电动列车运营商的牵引供电网接入规则和业务流程对于接触网充电岛设施也同样适用.
（2）可以根据牵引供电网接入模型中已创建的的业务流程,无差别地向接触网充电岛设施供电,无论其连接的是110 kV牵引供电网,还是50 Hz公共配电网.在这2种情况下,都将按照统一的法律规定准许相关铁路运输公司使用电网.
（3）可以完全避免在接触网充电岛设施上购买牵引电流需遵循不同法规和业务流程的现状.统一分类前,由于作为使用者的铁路运输公司难以对各种接触网充电岛设施进行一致的分类,因此不得不在使用方式和使用费方面遵循不同的业务流程;分类后,所获得的牵引电流也可以由车辆上安装的测量设备记录,并且通过牵引供电网接入模型来计费.供电时,可遵循电力供应商的供电协议执行.由于通过接触网充电岛设施购买电力不会对供电协议产生影响,因此电力供应商也可以使用上述业务流程.
4 结语
根据相关法律,应将接触网充电岛设施分类为基于线路的牵引供电设施,与现有接触网的分类相同.这种分类要求铁路线路运营商对接触网充电岛设施承担全面的责任,其中包括供电和监控.
另外,这种分类使牵引供电网接入流程可适用于接触网充电岛设施,且无需另外制定业务流程.这意味着铁路运输公司与牵引供电网运营商之间的入网规定可以同时适用于安装或未安装蓄电池的牵引车辆.无论是在接触网充电岛设施上还是在现有接触网上购买电力,每次牵引电流供应均可按照统一流程进行.
为了让铁路运输公司能够自由选择电力供应商,牵引供电网运营商建立了自动化的业务流程.当使用接触网充电岛设施时,铁路运输公司能够灵活地选用各种牵引车辆.在现有业务流程的基础上,可根据铁路运输公司实际使用的牵引车辆数量确定该公司的牵引能耗.
参考文献
[1]Stefan el-Barudi, Marcus Kliefoth, Florian Baentsch. Stromversorgung von Batteriezügen mittels Oberleitung[J]. Eisenbahntechnische Rundschau,2019（10）：56-62.
苏靖棋 编译
收稿日期 2020-01-06
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