一种地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法

摘要

本发明公开了一种地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法，包括：基于列车牵引供电系统与列车牵引传动系统之间的耦合关系等效拟化各电力元件属性参数以构建地铁供电系统的车‑网耦合仿真计算模型；根据地铁供电系统的车‑网耦合仿真计算模型计算列车牵引供电系统的电力潮流值；根据列车牵引供电系统的电力潮流值和列车运行图调整发车间隔以适宜不同运行工况列车准时准点运行。本发明提供的仿真建模方法，是基于牵引供电系统与列车牵引传动系统间的耦合关系对牵引供电系统中电力元件进行模拟等效，能更准确地描述列车与牵引网间的耦合关系，精确有效地描述地铁现场实际线路上多车运行车网实时电耦合现象。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟仿真技术领域，具体涉及一种地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法。

背景技术

牵引供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施，其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电，确保轨道交通列车车辆的正常运行。当前，我国的地铁牵引供电系统多采用DC750V或DC1500V双边供电方式，国内外学者针对此供电方式的地铁牵引供电系统直流侧建模方法及其相关电力潮流值计算方法进行了大量的深入研究，其中使用较多的牵引供电系统模型有回路电流模型和节点电压模型。回路电流模型仅适于由接触网、钢轨和回流线组成的简单系统，用于计算接触网与钢轨的电压和电流以及沿接触网的纵向分布状态；节点电压模型适于具有任意拓扑结构的牵引网，且对其他供电制式下的牵引网也适用，应用较为广泛。

现有技术中，相关学者将列车视为功率源负荷并基于12脉波整流机组模型，结合多导体传输线模型构建适于不同结构和供电方式的牵引网，但未全面阐述列车在欠压工况下的实际牵引力大小且没有将车-网模型视为整体，忽略了车网实时耦合对列车网压波动的影响，仿真计算结果精确度不高。

发明内容

本发明所要解决的是采用现有的地铁牵引供电仿真系统列车等效模型仿真计算结果精确度不高的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法，包括：基于列车牵引供电系统与列车牵引传动系统之间的耦合关系等效拟化各电力元件属性参数以构建地铁供电系统的车-网耦合仿真计算模型；根据地铁供电系统的车-网耦合仿真计算模型计算列车牵引供电系统的电力潮流值；根据列车牵引供电系统的电力潮流值和列车运行图调整发车间隔以适宜不同运行工况列车准时准点运行。

本发明提供的仿真建模方法，是基于牵引供电系统与列车牵引传动系统间的耦合关系对牵引供电系统中电力元件进行模拟等效，结合列车牵引传动系统的牵引特性与车网关系，构建地铁供电系统的车-网耦合仿真计算模型，计算牵引供电系统各节点电压、支路电流、牵引网网压与网侧电流等。与现有技术相比，本发明能更准确地描述列车与牵引网间的耦合关系，精确有效地描述地铁现场实际线路上多车运行车网实时电耦合现象，对牵引供电系统容量设计及时刻表的编排具有一定的指导作用。

进一步地，基于列车牵引供电系统与列车牵引传动系统之间的耦合关系等效拟化各电力元件属性参数以构建地铁供电系统的车-网耦合仿真计算模型包括：

将接触轨、直流馈线以及母线视为匀质电阻并将其等效为电阻与导线串联，将牵引变电所等效为直流电压源与电阻串联，将列车视为消耗有功电度与无功电度的功率源负荷；

根据列车牵引供电系统拓扑结构图和等效拟化后各电力元件属性参数构建供电系统物理模型，并将供电系统物理模型中的两根钢轨传输线等效为一段含有内阻的电力线；

对列车与列车位置进行编号并构建节点导纳矩阵，编号顺序从左到右依次为变电所馈电节点、变电所回流节点、列车取流节点、列车回流节点；

根据节点初始化参数创建节点导纳方程U＝Y^-1I，其中，I为节点注入电流，U为节点电压，Y为节点导纳矩阵。

进一步地，采用节点电压法计算列车牵引供电系统的电力潮流值。

进一步地，根据地铁供电系统的车-网耦合仿真计算模型计算列车牵引供电系统的电力潮流值包括：

判断本次计算是否为第一次计算，若为第一次计算，设置整流机组工区为第一个工作区间，否则重新确定整流机组的工作特性；

根据I_t＝P/U_t计算列车节点注入电流，其中，I_t为列车节点注入电流，P为支路功率，U_t为节点注入电压；

计算节点注入电流；

判断整流机组负荷电流是否满足要求，若整流机组负荷电流不满足要求，重新确定整流机组的工作特性，否则计算各节点电压；

判断列车电压是否收敛，若列车电压不收敛重新确定整流机组的工作特性，否则计算列车运行牵引力、联合制动力、基本阻力以及各种附加阻力。

进一步地，构建多质点牵引计算模型和计算列车运行牵引力、联合制动力、基本阻力以及各种附加阻力，其中，v为列车运行速度，t为列车运行时间，s为列车运行距离，F_t(v)为列车运行速度为v时的最大牵引力，B_b(v)为列车运行速度为v时的最大制动力，ω₀(v)为列车运行单位基本阻力，u_t为牵引级位且u_t∈[0,1]，u_b为制动级位且u_b∈[0,1]，ω_j(x)为单位线路附加阻力，M为列车质量，g为地球表面的重力加速度。

进一步地，根据列车牵引供电系统的电力潮流值和列车运行图调整发车间隔以适宜不同运行工况列车准时准点运行包括：

根据列车网侧电压、牵引力以及网侧电流之间的关系建立牵引电机恒转矩运行方程U_u×I_u×t×μ＝F_t(v)×v×t，其中，μ为能量转换效率，U_u为列车网侧电压，I_u为列车网侧电流；

根据U_j×I_j＝U_i×I_i获得的值，并根据的值调节列车运行速度及其相应的工况，其中，U_j为j节点电压，I_j为j节点电流，U_i为i节点电压，I_i为i节点电流。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法，将列车嵌入到牵引供电网中构建车-网耦合模型，计算牵引供电系统各节点电压、支路电流、牵引网网压与网侧电流等。本发明能更准确地描述列车与牵引网间的耦合关系，精确有效地描述地铁现场实际线路上多车运行车网实时电耦合现象，对牵引供电系统容量设计及时刻表的编排具有一定的指导作用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的地铁双边牵引供电系统的结构示意图；

图3是本发明实施例的地铁牵引供电系统物理模型示意图；

图4是本发明实施例的地铁牵引网拓扑结构示意图；

图5是本发明实施例计算列车牵引供电系统的电力潮流值的流程示意图；

图6是本发明实施例的地铁列车运行曲线及ATO控车原理示意图；

图7是本发明实施例的网侧电压与距离曲线示意图；

图8是本发明实施例的速度与距离曲线示意图；

图9是本发明实施例的牵引/再生制动力与距离曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

图1是本发明实施例的地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法的流程示意图，所述地铁列车运行与牵引供电系统耦合仿真建模方法包括步骤S1～步骤S3。

步骤S1，基于列车牵引供电系统与列车牵引传动系统之间的耦合关系等效拟化各电力元件属性参数以构建地铁供电系统的车-网耦合仿真计算模型。

将接触轨、直流馈线以及母线视为匀质电阻并将其等效为电阻与导线串联，将牵引变电所等效为直流电压源与电阻串联，将列车视为消耗有功电度与无功电度的功率源负荷。具体地，根据地铁牵引供电系统组成结构与铁路现场运行实际场景模拟抽象中压变电所、牵引变电所、整流机组、回流线、馈线、牵引网、钢轨、列车等，绘制如图2所示的地铁双边供电系统的结构示意图，根据传输线理论及相关电力元件属性参数与功能特性对图2中的电力元件进行物理特性拟化。

根据列车牵引供电系统拓扑结构图和等效拟化后各电力元件属性参数构建供电系统物理模型，并将供电系统物理模型中的两根钢轨传输线等效为一段含有内阻的电力线。构建的供电系统物理模型如图3所示，将两根钢轨传输线等效为一段含有内阻的电力线后，地铁牵引网拓扑结构如图4所示。

对列车与列车位置进行编号并构建节点导纳矩阵，编号顺序从左到右依次为变电所馈电节点、变电所回流节点、列车取流节点、列车回流节点。假设系统有N个节点，则节点导纳矩阵表示为：

$Y=\left(\begin{array}{cccc}{Y}_{11}& Y_{12}& \mathrm{...}& Y_{1n}\\ Y_{21}& Y_{22}& \mathrm{...}& Y_{2n}\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ Y_{n1}& Y_{n2}& \mathrm{...}& Y_{nn}\end{array}\right)$

对矩阵中的每个元素通用Y_pq表示，当p＝q时，Y_pq为节点p的自导纳，表示与第p个节点相关联的所有支路的导纳之和。当p≠q时，Y_pq成为节点p和节点q之间的互导纳，表示联接第p个节点与第q个节点间导纳的负数，且Y_pq＝Y_qp，其中当节点p与节点q无直接关联时，Y_pq＝Y_qp＝0。

根据节点初始化参数创建节点导纳方程U＝Y^-1I，其中，I为节点注入电流，U为节点电压，Y为节点导纳矩阵。节点导纳方程创建完成后，便可计算列车牵引供电系统的电力潮流值。

步骤S2，根据地铁供电系统的车-网耦合仿真计算模型计算列车牵引供电系统的电力潮流值。在本实施例中，采用节点电压法计算列车牵引供电系统的电力潮流值。图5是本发明实施例计算列车牵引供电系统的电力潮流值的流程示意图，所述计算列车牵引供电系统的电力潮流值包括：

判断本次计算是否为第一次计算，若为第一次计算，设置整流机组工区为第一个工作区间，否则重新确定整流机组的工作特性；根据I_t＝P/U_t计算列车节点注入电流，其中，I_t为列车节点注入电流，为支路功率，U_t为节点注入电压；计算节点注入电流，根据节点注入电流可计算整流机组负荷电流；判断整流机组负荷电流是否满足要求，若P整流机组负荷电流不满足要求，重新确定整流机组的工作特性，否则计算各节点电压；判断列车电压是否收敛，若列车电压不收敛重新确定整流机组的工作特性，否则计算列车运行牵引力、联合制动力、基本阻力以及各种附加阻力。

进一步，确定整流机组的工作特性包括：如果某整流机组负荷电流小于当前工作区间对应的负荷电流范围，则设置该整流机组工作区间为前一工作区间；如果某整流机组负荷电流大于当前工作区间对应的负荷电流范围，则设置该整流机组工作区间为后一工作区间。判断列车电压是否收敛是指判断计算出的各个列车节点电压大小是否已满足给定的收敛精度ε，ε的计算公式为：

$\forall r,|U_r^{k+1}-U_r^k|<ϵ$

其中，r为第r列列车，为第r列列车第k次迭代后，列车所在位置的牵引网网压值。

在本实施例中，构建多质点牵引计算模型和计算列车运行牵引力、联合制动力、基本阻力以及各种附加阻力，其中，v为列车运行速度，t为列车运行时间，s为列车运行距离，F_t(v)为列车运行速度为v时的最大牵引力，B_b(v)为列车运行速度为v时的最大制动力，ω₀(v)为列车运行单位基本阻力，u_t为牵引级位且u_t∈[0,1]，u_b为制动级位且u_b∈[0,1]，ω_j(x)为单位线路附加阻力，M为列车质量，g为地球表面的重力加速度。

步骤S3，根据列车牵引供电系统的电力潮流值和列车运行图调整发车间隔以适宜不同运行工况列车准时准点运行。具体地，根据列车网侧电压、牵引力以及网侧电流之间的关系建立牵引电机恒转矩运行方程U_u×I_u×t×μ＝F_t(v)×v×t，其中，μ为能量转换效率，U_u为列车网侧电压，I_u为列车网侧电流；根据U_j×I_j＝U_i×I_i获得的值，并根据的值调节列车运行速度及其相应的工况，其中，U_j为j节点电压，I_j为j节点电流，U_i为i节点电压，I_i为i节点电流。根据牵引电力潮流值、牵引力及ATO中预置多条离线最优曲线动态调整地铁列车运行，运行曲线及ATO控车原理如图6所示。本领域技术人员知晓如何根据牵引电力潮流值、牵引力及ATO中预置多条离线最优曲线动态调整地铁列车运行，在此不再赘述。

为更好地说明本发明技术方案的效果，发明人按照本发明提供的方法进行了数字仿真验证。由于列车站间运行的数据较多，因此截取三个运行区间的数据进行比较分析，对比列车在这三个区间采用耦合计算与未采用耦合计算情况下地铁列车的速度-距离运行曲线、列车网侧电压-距离曲线及列车牵引/再生制动力-距离曲线。

图7是本发明实施例的网侧电压与距离曲线示意图。由图7可知，采用耦合计算以后，列车网侧电压波动范围要比未采用耦合计算时的波动范围小。原因是，考虑耦合计算以后，网侧电压影响了牵引电机功率的发挥。在再生制动工况下，假设网压水平一直在牵引变电所允许范围内，网压的升高相差不大，但在牵引工况时，网压的降低导致列车牵引特性的前移、功率下降，从而减小了网压的降低量。

图8是本发明实施例的速度与距离曲线示意图。由图8可知，采用耦合计算以后，列车处在牵引工况时，网压低于牵引传动系统额定网压，其牵引特性恒功点有迁移的情况。因此，在高速时，相同速度下的牵引力要低于正常网压时的水平，列车的最高运行速度均要比正常网压下有所降低。

图9是本发明实施例的牵引/再生制动力与距离曲线示意图。由图9可知，采用耦合计算以后，同样受网压降低的影响，列车处在牵引工况时，相同速度下的牵引力要低于正常网压时的水平，而在再生制动时则基本相同。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。