牽引供電計算專題(面向交流)

1、牽引供電仿真專題牽引供電仿真專題西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2022-6-2劉煒劉煒西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院手機(jī)手機(jī): +86話電話: +86 28 87600946地址地址: 成都二環(huán)路北一段成都二環(huán)路北一段111號，號，610031Wei LiuSchool of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong UniversityPhone: +86ork: +86 28 87600946Address: Erhuan Rd #111, Chengdu,

2、Sichuan, 610031v研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)分析牽引供電系統(tǒng)理論牽引供電系統(tǒng)理論牽引供電仿真軟件開發(fā)牽引供電仿真軟件開發(fā)v工作經(jīng)歷工作經(jīng)歷2010年年3月至今，西南交通大學(xué)，講師月至今，西南交通大學(xué)，講師2010年年9月至月至2012年年1月，田納西大學(xué)，月，田納西大學(xué)，ABB美國研究所，博士后美國研究所，博士后v愛好愛好編程，工作需要，談不上愛好編程，工作需要，談不上愛好拍照，離攝影還有段距離拍照，離攝影還有段距離 系統(tǒng)分析設(shè)計軟件一般包括列車牽引計算和供電計算兩部分。國內(nèi)外比較成熟的仿真分析設(shè)計軟件：uCarnegie-Mollon大學(xué)的EMM 軟件uBalfour

3、 Beatty公司的RailpoweruElbas 公司的WEBANET，SINANETu鐵科院機(jī)車車輛研究所的牽引電算軟件；北京交通大學(xué)的列車運(yùn)行計算模擬系統(tǒng)；城市軌道交通牽引供電仿真軟件URTPS；SUPPLY 2000等。一、研究現(xiàn)狀概述EMMEMM(Transportation Systems Energy Management Model)主體包括TPS(Train Perfermance Simulator), ENS(Electric Network Simulator) TPS模塊在額定電壓下、仿真單列車從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)行情況，即電流和速度的時間位移曲線。ENS(Electri

4、c Network Simulator)，以TPS的輸出數(shù)據(jù)為輸入，配合列車運(yùn)行時刻表，經(jīng)直流負(fù)載潮流分析，求出N組列車同時在線路上運(yùn)行時，線路上各指定點(diǎn)電壓、電流、功率的變化，以及交流側(cè)電氣網(wǎng)絡(luò)的潮流計算。RAILPOWER 20世紀(jì)80年代，Balfour Beatty 公司開發(fā)了軟件RAILPOWER。該軟件能夠模擬無分叉的單線和雙線線路，并且分為直流和交流兩個版本。但并沒有考慮AT供電系統(tǒng)，此系統(tǒng)可通過將交流系統(tǒng)的50kV電路等效成25kV電路而獲得。RAILPOWER軟件成功地應(yīng)用世界各國各工程領(lǐng)域，其較新的版本RAILPOWER。 RAILPOWER提供了一個對整個牽引供電系統(tǒng)在每

5、一時刻的完全的交互仿真。優(yōu)點(diǎn)：列車運(yùn)行情況將根據(jù)牽引網(wǎng)電壓不停地做調(diào)整，合理地引進(jìn)再生制動，實(shí)施控制策略防止列車發(fā)生追尾和在接合處碰撞。通過隨意設(shè)置車站的停留時間獲得不同時期的運(yùn)行圖(蒙特卡羅仿真)，對于一個真實(shí)的系統(tǒng)模型這是必需的。Elbas: Switzerland Ltd as Engineering Company for Electrical Railway. Founded in June 2001. Business fields Traction power supply; Catenary systems; Motive power unit technology; SCAD

6、A and Signaling; Telecommunications.Elbas：WEBANET，SINANETWEBANETu Simulation System for AC Railways in LRT and Long Distance Transport.uIntegrated Traction Simulation and Network Calculation Software.uIt contains digital traction simulation and the nodal potential method for electrical network calcu

7、lation.uTraction simulation permits any train types both of classical railway lines and of high speed lines. uAdvance: Universal network description permits the realization of all possible feeding situations;Considering regenerative braking; Effect for driving behavior caused by catenary voltage is

8、taken into accounts; SINANETuSimulation System for DC RailwaysuSuitable to several DC railway lines of standard voltage(600V, 750V, 1200V, 1500V and 3000V)uModels overlaid three-phase network supplying the DC substations. Mixed-Mode-Simulation.uPowerful energy storage devices for absorption and depo

9、sing of regenerate braking energy can be modeled. Stationary and installed at vehicle energy storage device. 北京交通大學(xué)開發(fā)的“城市列車運(yùn)行計算系統(tǒng)”，該系統(tǒng)于2001年開發(fā)成功，主要面向城市軌道交通列車牽引計算與運(yùn)行仿真。北京城建院基于運(yùn)行圖法，開發(fā)出的“城市軌道交通牽引供電仿真軟件URTPS V2.10”；基于平均運(yùn)量法，開發(fā)出的“SUPPLY 2000”牽引供電仿真軟件。這些軟件已多次成功應(yīng)用于國內(nèi)外城軌供電系統(tǒng)設(shè)計工作中，取得了理想的效果。 以國內(nèi)各設(shè)計院對城市軌道牽引供電系統(tǒng)

10、的設(shè)計研究為例，牽引計算結(jié)果一般由行車部門提供，是在假定牽引網(wǎng)電壓額定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，電化部門在提供的牽引計算結(jié)果的基礎(chǔ)上采用供電分析方法和軟件進(jìn)行牽引供電設(shè)計。實(shí)際上，開發(fā)包括列車運(yùn)行和牽引供電模型在內(nèi)的綜合仿真軟件是一個發(fā)展趨勢。 列車運(yùn)行過程模擬根據(jù)列車的牽引特性、制動特性，采用優(yōu)化牽引策略，解算列車運(yùn)行方程，模擬列車啟動、區(qū)間運(yùn)行及停車制動全過程。近些年來，遺傳進(jìn)化算法、模糊集理論、智能體技術(shù)，分布式仿真技術(shù)等在交通運(yùn)輸模擬系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。牽引計算牽引供電計算u平均運(yùn)量法：計算供電臂平均電流和有效電流，供電臂的平均電壓損失和電能損失。u概率統(tǒng)計法：利用概率統(tǒng)計的原理揭示牽引負(fù)荷這

11、一隨機(jī)變量的規(guī)律性。概率潮流計算主要包括解析法和蒙特卡洛模擬兩種基本方法。 解析法由于其計算量隨元件數(shù)增加而劇增，處理負(fù)荷潮流相關(guān)模式比較困難，因而在復(fù)雜系統(tǒng)的分析中應(yīng)用有限。蒙特卡洛模擬可考慮各種復(fù)雜情況、系統(tǒng)的各種隨機(jī)因素，輸出信息豐富而全面，故獲得普遍應(yīng)用。u列車運(yùn)行圖法 利用列車運(yùn)行圖和由牽引計算得到的列車電流、功率變化曲線，確定供電區(qū)段內(nèi)的牽引負(fù)荷變化規(guī)律。根據(jù)列車運(yùn)行圖，確定每一時刻區(qū)段上列車的位置、取流和功率，通過計算得到每一瞬間的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，包括牽引網(wǎng)網(wǎng)壓、整流變電所功率等。 根據(jù)列車運(yùn)行圖進(jìn)行牽引供電計算，能直觀地描述牽引負(fù)荷的變化特征，特別是瞬時特征。雖然這種計算方法比較復(fù)雜

12、，但隨著計算機(jī)的不斷發(fā)展和運(yùn)用，利用運(yùn)行圖進(jìn)行牽引供電計算無論從原理還是從今后發(fā)展方向考慮，都將得到廣泛的應(yīng)用。分析設(shè)計基本流程二、設(shè)計流程1、線路 線路專業(yè)需要提供線路的站點(diǎn)分布、車輛段和車場的設(shè)置方案；本工程的近遠(yuǎn)期的實(shí)施計劃，即建設(shè)工期，為近期實(shí)施和遠(yuǎn)期預(yù)留提供依據(jù)。線路專業(yè)需要提供具體資料包括：線路基本說明、線路的縱斷面圖和車站基本信息表(車站基本形式、與線網(wǎng)其他線路車站的換乘信息)。2、行車組織 行車組織專業(yè)提供的資料直接決定了牽引供電系統(tǒng)的容量和規(guī)模。其需要提供線路的配線方案、全日行車計劃表、近遠(yuǎn)期的停站時間表、系統(tǒng)運(yùn)輸能力、列車運(yùn)行圖和牽引計算數(shù)據(jù)。牽引計算數(shù)據(jù)應(yīng)包括列車的速度時

13、間曲線、速度里程曲線和運(yùn)行工況等。3、車輛 車輛是牽引供電系統(tǒng)的唯一用電負(fù)荷，與常規(guī)用電負(fù)荷相比最大的區(qū)別在于車輛是在時間和空間上的移動負(fù)荷。車輛專業(yè)需要提供基礎(chǔ)資料包括：車輛供電電壓、車輛類型、列車編組、列車重量、列車輔助設(shè)備用電和列車的牽引/制動特性。4、牽引供電系統(tǒng) 在開展設(shè)計的初期，牽引供電系統(tǒng)需要提供一些常規(guī)資料作為開展設(shè)計的前提，主要包括：接入端系統(tǒng)的短路容量、牽引網(wǎng)和回流網(wǎng)的基本電參數(shù)(電阻和電抗、鋼軌泄漏電阻)和整流機(jī)組的外特性曲線(直流牽引供電計算)。三、牽引計算列車運(yùn)行仿真 牽引計算仿真單一列車在線路上運(yùn)行時，列車速度位置曲線，運(yùn)行時間位置曲線，列車取用功率位置曲線。u牽引

14、計算的數(shù)學(xué)模型阻力部分02027600/100.00013irsirssssWWWWWWabvcvWiWRLvWL類別型號單位基本阻力計算系數(shù)取值A(chǔ)BC電力機(jī)車SS1、SS3、SS42.250.0190.000320SS71.400.00380.000348SS81.020.00350.0004266K3.250.00920.0003082.550.00830.000212內(nèi)燃機(jī)車DF2.930.00730.000271DF4、DF7D2.280.02930.000178DF82.400.00220.00039DF110.860.00540.000218ND51.310.01670.00039

15、1ND22.980.02020.000033DFH32.400.00950.000673DF8CJ1.140.00030.000369客車21、22型客車1.660.00750.00015525B、型客車1.820.01000.000145準(zhǔn)高速單層客車1.610.00400.000187準(zhǔn)高速雙層客車1.240.00350.000157貨車滾動軸承0.920.00480.000125油罐重車專列0.530.01210.000675空貨車1.070.00110.000236動車組先鋒號1.650.00010.000791中原之星號1.280.00120.000195中華之星號1.160.005

16、340.000182基本阻力公式u機(jī)車出力機(jī)車出力 機(jī)車牽引力是由動力傳動裝置產(chǎn)生的、與列車運(yùn)行方向相同、導(dǎo)致列車運(yùn)行并可由司機(jī)根據(jù)需要調(diào)節(jié)的外力。 牽引工況：牽引力F由列車牽引特性曲線決定 F=f1(U,n,v) U:列車牽引網(wǎng)網(wǎng)壓；v:列車速度; n: 列車控制手柄級位。SS8型電力機(jī)車第18級位下的牽引特性曲線無級調(diào)速的城軌列車牽引特性曲線u 制動力 由制動裝置引起的與列車方向相反的外力，稱為制動力。這個人為的阻力比自然產(chǎn)生的列車運(yùn)行阻力一般要大得多。空氣制動 中國鐵路目前主要使用閘瓦制動、盤形制動和動力制動。閘瓦制動又稱踏面制動，它通過閘瓦與車輪踏面的機(jī)械摩擦，把列車動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟?/p>

17、于大氣，并產(chǎn)生制動力。盤形制動是在車軸上或車輪側(cè)面安裝制動盤，通過閘片與制動盤側(cè)面的機(jī)械摩擦產(chǎn)生制動作用。動力制動是讓機(jī)車或動車的車輪帶動其動力傳動裝置，使它產(chǎn)生逆作用，從而消耗列車動能，產(chǎn)生制動作用。電阻制動 機(jī)車動力制動是利用機(jī)車動力裝置、機(jī)車傳動裝置或牽引電動機(jī)的逆動所產(chǎn)生的阻滯作用來限制或降低列車運(yùn)行速度以至停車。 例如：電阻制動、再生制動和反接制動 列車制動力B由列車電阻制動特性曲線或者再生制動特性曲線決定；B=f2(U,n,v)常用制動 常用制動，是正常情況下為調(diào)控列車速度或進(jìn)站停車所施行的制動，其作用較緩和，而且制動力可以調(diào)節(jié)，通常只用制動能力的20%80%，多數(shù)情況下只用50%

18、左右。緊急制動 緊急制動，是緊急情況下為使列車盡快停住而施行的制動，它不僅用上了全部制動能力，而且作用比較迅猛。u合力合力WFC牽引工況惰行工況WC制動工況BWC單位合力加速度gGPCc)(103gac)1 (1000u牽引策略a) 最大能力牽引策略列車以最大性能運(yùn)行，旅行時間最短。在給定線路條件下、線路限速的條件下，如果列車速度低于限速就采用全部牽引加速，如果列車速度接近或等于限速就保持恒速(若全力牽引仍不能保持恒速，那么就全力牽引)，當(dāng)限速降低時，采用全力制動。b) 手動駕駛 用戶直接手動干預(yù)牽引列車，手動駕駛功能。c) 定時節(jié)能運(yùn)行指定列車運(yùn)行時間的情況下，優(yōu)化列車的操縱策略，使列車在指

19、定時間下，能耗最低。(機(jī)械能模型與能耗模型)。優(yōu)化策略主要有兩種：一種是牽引、惰行更迭的策略，另一種是存在部分牽引工況，列車有巡航恒速階段。列車節(jié)能控制策略由全力牽引、部分牽引、惰行、部分制動和全力制動組成。全力牽引使用在臨近陡上坡或限速上升等情況；部分牽引可用在普通坡道上，使列車克服阻力保持恒速運(yùn)行；部分制動發(fā)生在陡下坡時，且列車運(yùn)行速度接近限速時；全力制動運(yùn)用在制動進(jìn)站或者限速下降的情況；惰行運(yùn)用在臨近陡下坡、限速下降的區(qū)域或者其他用來調(diào)整運(yùn)行時間的區(qū)域。u較傳統(tǒng)牽引計算的改進(jìn)考慮車長對列車受力的影響，即多質(zhì)點(diǎn)列車模型。 1600rijiisisiilwxi lwlLR單質(zhì)點(diǎn)模型多質(zhì)點(diǎn)模型

20、系統(tǒng)用例圖 列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的總體框架列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的總體框架列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊屏幕顯示模塊運(yùn)行仿真模塊運(yùn)行圖模塊結(jié)果輸出模塊數(shù)據(jù)處理模塊線路處理模塊列車處理模塊線路坡道編輯模塊線路曲線編輯模塊線路限速編輯模塊線路標(biāo)志編輯模塊線路轉(zhuǎn)換模塊機(jī)車數(shù)據(jù)編輯模塊客車數(shù)據(jù)編輯模塊貨車數(shù)據(jù)編輯模塊列車編組數(shù)據(jù)模塊 該模塊主要是對列車牽引計算所需要的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行輸入和編輯。并將這些數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)庫中。 運(yùn)行圖模塊運(yùn)行圖模塊運(yùn)行圖模塊運(yùn)行時刻表編輯運(yùn)行圖顯示 通過該模塊用戶可以根據(jù)自己的需求，編輯和修改列車運(yùn)行時刻表；然后根據(jù)運(yùn)行時刻表繪制列車運(yùn)行圖。 運(yùn)行仿真模塊運(yùn)行仿真

21、模塊 根據(jù)選擇的列車編組和線路數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)列車的手動駕駛、節(jié)時自動駕駛和定時節(jié)能運(yùn)行等。 運(yùn)行仿真模塊仿真條件設(shè)置模塊仿真算法模塊手動駕駛算法節(jié)時制動駕駛算法定時節(jié)能駕駛算法 屏幕顯示模塊屏幕顯示模塊 根據(jù)選擇的線路文件，將坡道、曲線、限速、公里標(biāo)等數(shù)據(jù)繪制在屏幕上，并實(shí)時繪制列車運(yùn)行信息。通過顯示控制模塊來控制其顯示的內(nèi)容和范圍。屏幕顯示模塊線路屬性顯示模塊列車顯示模塊運(yùn)行信息顯示模塊顯示控制模塊 結(jié)果處理模塊結(jié)果處理模塊結(jié)果處理模塊運(yùn)行結(jié)果顯示運(yùn)行結(jié)果保存 列車運(yùn)行仿真結(jié)束后，自動生成一運(yùn)行記錄文檔，該文檔用以記錄整個區(qū)間列車的運(yùn)行信息，同時將運(yùn)行結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。四、牽引供電系統(tǒng)仿真 列車

22、運(yùn)行仿真是牽引供電計算的基礎(chǔ)，牽引計算給出列車在線路上運(yùn)行的位置、取流、功率與運(yùn)行時間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)牽引計算結(jié)果與運(yùn)行圖可確定任一運(yùn)行時刻，線路上多列車位置和功率的分布，由牽引供電計算獲得牽引網(wǎng)網(wǎng)壓，變電所電壓、電流以及負(fù)荷變化過程。 牽引供電計算是牽引供電系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。它關(guān)系到供電系統(tǒng)構(gòu)成、牽引供電方式、變電所設(shè)置等多項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵因素。研究意義v牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷過程仿真，可以對各種供電方式、運(yùn)行方式及列車在各種運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)的供電指標(biāo)進(jìn)行核查，為最優(yōu)供電系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。v輔助牽引供電系統(tǒng)方案設(shè)計，如不同供電方式的牽引供電系統(tǒng)設(shè)計；同相供電系統(tǒng)設(shè)計；柔性牽引供

23、電系統(tǒng)設(shè)計等。v行車調(diào)度方案的驗(yàn)證，各種行調(diào)方案的比選。研究內(nèi)容牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷過程仿真分為兩個部分： 對交流牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，是實(shí)現(xiàn)仿真過程中任一時刻的關(guān)鍵； 實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)行圖的，是實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷動態(tài)過程的關(guān)鍵。仿真平臺的用途 新線牽引供電系統(tǒng)設(shè)計 既有線行車調(diào)度方案比選，供電能力的校驗(yàn) 電氣化鐵道對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀vElbas公司的Webanet(交流牽引供電仿真平臺)與Sinanet(直流牽引供電仿真平臺)。vOpenTrack來源于本世紀(jì)90年代中期瑞士聯(lián)邦研究院所承擔(dān)的鐵道網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理系統(tǒng)研究項(xiàng)目。vOpenPowerNet軟件由德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)軌

24、道交通技術(shù)研究所開發(fā)，該軟件在OpenTrack的列車運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)上，提供復(fù)雜路網(wǎng)及運(yùn)輸條件下軌道交通供電網(wǎng)絡(luò)電參量與能耗分析。既有牽引供電仿真軟件的不足Webanet與OpenTrack、OpenPowerNet，國內(nèi)鐵道設(shè)計院有引進(jìn)，其。由于國內(nèi)外在牽引供電系統(tǒng)設(shè)計的需求和分析方法上存在一定差異，在實(shí)際應(yīng)用過程中，存在不清楚，無法進(jìn)行維護(hù)和二次開發(fā)等問題。仿真軟件的牽引供電計算的結(jié)果均。牽引供電系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)狀 以國內(nèi)各設(shè)計院為例，列車運(yùn)行模擬一般由行車部門提供，電化部門則在牽引計算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行牽引供電設(shè)計。 前處理：重視牽引供電系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)。 后評估：缺乏實(shí)測驗(yàn)證，修正牽引供電計算模型

25、與參數(shù)的環(huán)節(jié)；忽視既有線牽引供電系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。仿真平臺前期工作基礎(chǔ)v早在上個世紀(jì)80年代中期，以西南交通大學(xué)張進(jìn)思為代表的一批教授和學(xué)者，利用計算機(jī)對牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷過程及其行為仿真，牽引網(wǎng)諧波模型的建立和分布計算、 AT牽引網(wǎng)中含并聯(lián)導(dǎo)體的多導(dǎo)體系統(tǒng)的支路阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣以及鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型做了大量而富有成果的工作。v李曙輝、鄒立平等人對基于牽引計算結(jié)果的牽引供電系統(tǒng)仿真進(jìn)行了開發(fā)，對由電力機(jī)車引發(fā)的諧波過程進(jìn)行了深入分析和數(shù)學(xué)建模。已有研究基礎(chǔ)和條件v西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院牽引供電與列車運(yùn)行仿真課題組，擁有扎實(shí)的電氣化鐵路牽引供電理論研究基礎(chǔ)和持續(xù)創(chuàng)新能力，熟諳電氣化鐵路牽引供電行業(yè)背景，具有豐富的現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn)和國家標(biāo)準(zhǔn)制定的經(jīng)驗(yàn)，是一支團(tuán)結(jié)穩(wěn)定、不斷引領(lǐng)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展方向的專業(yè)研究力量。軟件平臺總體架構(gòu)完整交流牽引供電仿真流程圖等效電路仿真u直接供電牽引網(wǎng)直接供電形式單線直接供電回路構(gòu)造單線等效電路復(fù)線牽引網(wǎng)布置情況復(fù)線牽引網(wǎng)模型電路合并后的等效電路uA