城市轨道交通列车运行过程优化及牵引供电系统动态仿真

摘要

随着社会经济的快速发展，城市轨道交通作为交通运输行业的一大组成部分，也得到了飞速发展。目前我国多个大中型城市均在进行城市轨道交通项目的建设，未来数年将是城市轨道交通发展的黄金时期。论文在借鉴前人研究成果的基础上，就城市轨道列车运行过程优化和牵引供电计算展开深入研究。列车运行过程优化提供单一列车在线路上运行时的优化操纵策略，并给出列车位置、取流、功率等随时间的变化关系。牵引供电计算模拟多列车在线路上运行时的牵引网网压、整流变电所负荷过程等。列车运行过程优化有助于提高列车控制水平，在保证服务质量的同时降低运行能耗。牵引供电计算是城市轨道交通牵引供电系统设计的重要依据。列车运行过程仿真为牵引供电计算提供基础数据；牵引供电计算的结果可检验行车计划是否合理。列车运行过程模拟与牵引供电计算可模拟城市轨道交通的实际运行过程，在电气化设计阶段，进行这种仿真可根据供电设施的设计情况确定线路通过能力，或根据仿真结果对牵引供电系统进行寻优设计。
　　 论文的研究内容主要包括以下几个方面：
　　 1.通过建立定时约束条件下的最小能量控制模型，采用Pontryagain极小值原理推导了城市轨道列车节能操纵策略的组成。提出了一种变长实矩阵编码的多种群遗传算法进行列车节能运行优化：采用多质点的列车牵引仿真器模拟列车运行；对列车运行控制序列采用变长实数矩阵编码；引入基于退火选择的变长算子以增强算法的全局搜索能力；适应值共享保持种群的多样性；多种群并行寻优提高收敛速度，增强寻优过程的稳定性。
　　 2.针对城市轨道直流牵引供电系统仿真，将交流系统侧等效至整流机组内阻后，采用由接触网、钢轨、杂散电流收集网和大地组成的四层网络模型，将全线直流牵引网模拟成一个完整的动态网络。整流机组采用多段折线的外特性模型，该模型将整流机组正常运行、制动电阻投入、牵引网短路时的外特性统一，通过迭代试算的方法确定其工作区间，可较准确的仿真直流牵引供电系统接触网、钢轨、杂散电流收集网电位，泄漏电流以及变电所负荷曲线等。
　　 3.城市轨道牵引供电计算一般将交流系统等效至直流侧进行计算或者交直流侧分开迭代，简化了交直流系统的内在联系，在一定程度上影响计算的精度。论文探讨了一种基于整流机组模型的城轨牵引供电系统交直流统一的牵引供电计算方法，并采用改进的牛顿-拉夫逊法和高斯-赛德尔法求解，利用-10节点直流牵引供电系统进行了验证。
　　 4.列车运行过程存在一定的随机性，牵引供电网络中潮流分布具有随机不确定性。论文提出一种基于蒙特卡洛模拟的城轨牵引供电系统概率潮流计算方法。该方法通过列车运行的时间-位置曲线构建列车位置的概率分布，根据行车组织建立列车发车间隔的概率分布，应用蒙特卡洛仿真，随机抽样确定多列车在线路上的位置和功率分布，通过牵引供电计算，获得城轨牵引供电系统节点电压和功率的概率分布函数。采用该方法可为城轨牵引供电系统的设计和运营提供综合地指导和评价。
　　 5.在列车运行优化及牵引供电计算研究的基础上，使用统一建模语言(Unified Modeling Language，简称UML)，对城轨牵引供电仿真软件UrtSim的设计进行了描述，在Windows操作平台上，以VisualC++.Net2005为开发工具加以实现。该系统已在设计院投入使用，效果良好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1列车运行优化控制

1.2.2城市轨道牵引供电计算

1.2.3城市轨道牵引供电仿真分析软件

1.2.4国内外研究的薄弱环节

1.3论文的研究内容与技术方案

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

第2章城市轨道交通列车运行优化

2.1城市轨道列车运动力学模型基础

2.2城市轨道列车节时运行模型及牵引策略

2.3城市轨道列车定时节能运行优化模型

2.4定时节能操纵算法的计算机求解

2.4.1考虑车长的多质点列车牵引仿真器

2.4.2实矩阵编码的多种群遗传算法求解

2.5实例分析

2.6本章小结

第3章考虑杂散电流收集网的多导线直流牵引供电系统仿真

3.1多导线牵引供电系统结构

3.2多折线整流机组外特性模型

3.2.1 24脉波整流机组的构成

3.2.2整流机组等效电路参数及其多段折线的外特性模型

3.3城市轨道供电仿真的车辆模型

3.4考虑杂散电流收集网的多导线仿真模型及其实现

3.4.1考虑杂散电流收集网的多导线仿真模型

3.4.2直流牵引供电系统仿真算法及实现

3.4.3牵引供电系统运行方式在多导线模型中的处理

3.5直流牵引供电系统稳态短路计算

3.6 MCENS系统仿真实例

3.6.1广州地铁4号线牵引供电计算模拟

3.6.2稳态短路计算算例

3.7本章小结

第4章城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算

4.1整流机组交直流变换的数学模型

4.1.1三相桥式6脉波整流机组交直流变换模型

4.1.2并联12脉波整流机组交直流变换模型

4.1.3等效24脉波整流机组交直流变换数学模型

4.2城市轨道交直流统一的牵引供电计算

4.2.1基于牛顿法求解的城轨交直流牵引供电计算

4.2.2基于高斯-赛德尔法的城轨交直流牵引供电计算

4.3地面制动电阻模型在城轨交直流统一的牵引供电计算中的考虑

4.3.1考虑再生制动的城轨交直流供电计算算法

4.3.2城轨列车再生制动节能效果与能量利用率的计算

4.4　UENS系统仿真实例

4.4.1交直流统一的牵引供电算法验证

4.4.2广州地铁4号线交直流统一的牵引供电计算

4.5本章小结

第5章蒙特卡洛模拟的城轨概率潮流分析

5.1列车位置和功率的概率分布

5.1.1单列车位置概率分布

5.1.2多列车位置概率分布

5.2基于蒙特卡洛模拟的城轨概率潮流分析步骤

5.3实例分析

5.4本章小结

第6章城市轨道牵引供电仿真系统UrtSim的设计与实现

6.1 UML建模简介

6.2城轨牵引供电仿真系统UrtSim的设计

6.2.1功能分析

6.2.2系统分析与设计

6.3系统实现

6.3.1 ITPS模块

6.3.2 MCENS模块

6.3.3 UENS模块

结论与展望

1.论文的主要研究成果

2.研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研情况