CN104260759B - 一种城市轨道交通节能优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通节能优化方法，该方法的步骤包括计算富余能量；若富余能量小于等于零时，则不做任何调整，若富余能量大于零时，则区域控制器对富余能量进行分配；同区段内其他列车根据所分配的富余能量计算惰行时间，并按照此惰行时间运行；区域控制器判断未来T时间内是否有列车制动，如有，则重复上述步骤，若无，则执行当前运行方案。本发明所述技术方案是将富余的列车再生制动能量被同一供电区段的邻次列车全部或部分吸收，来减少能量消耗；本发明所述技术方案对列车的局部速度曲线做出了一个等价的调整，调整阶段的平均速度与原始速度相同；富余的再生能量可以被实时分配，增强了该方案的实用性。

Description

一种城市轨道交通节能优化方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通列车运行控制，特别是涉及一种城市轨道交通节能优化方法及系统。

背景技术

城市轨道交通系统作为一种大运量、高效率的运输方式，承担着城市客流运输的重要任务，是城市交通系统中的重要组成部分。近年来，随着城市化进程的加快，中国进入了城市轨道交通蓬勃发展的时期。作为城市“公交系统”的重要组成部分，城市轨道交通的安全、准点、舒适度和运行效率也是衡量其运营质量的重要指标，影响服务质量和运营成本高低。

能耗是城市轨道交通运营成本的重要组成部分，常用来衡量城市轨道交通系统的运行效率。城市轨道交通的系统运营效率问题既涉及节约能源、建设节约型城市的问题，又直接关系到城市轨道交通运营企业效益和市政府财政补贴的问题。因此，在当前我国建设节约型社会、节约型城市交通的背景下，研究城市轨道交通系统的能耗情况，并对其运行指标进行综合优化便显得尤为重要。

列车驾驶工况包括四：加速、巡航、惰行和制动。列车加速工况是指列车在牵引力作用下加速的工况；巡航工况是指列车保持匀速运行的工况；惰行工况是指列车无牵引力的情况下运行的工况；制动工况是指列车在制动力作用下减速的工况。

目前地铁列车多采用再生制动和机械制动混合制动方式，当列车速度较高时通常采用再生制动，当列车速度较低再生制动力不足时，施加机械制动。再生制动可以把列车制动产生的能量进行回馈，除列车本身使用一部分外，其它的再生制动能量将反馈回电网。列车再生制动时产生的电能可以通过储能装置进行存储，储能装置包括电容、飞轮和蓄电池等，储能装置虽然可以把列车再生制动的能量部分或全部存储，但成本较高。

再生制动富余电能是指在指在列车再生制动产生的能量超超出同一供电区段内其它列车电能需求量的那部分再生制动能量，该部分能量可以通过供电区段的潮流计算获得。

如果没有储能装置，列车再生制动的富余电能需由列车本身或供电所的电阻耗散掉或者回馈至供电线路，回馈的方式仅限于有逆变装置的条件下。如果本供电区段内没有列车需要牵引供电或所需电量较小，那么再生制动回收的电能可能导致供电线路的电压超限，此时必须通过电阻耗电稳定电压。此时，再生制动的电能没有得到利用。

目前除了上述储能方式提高再生制动电能利用率外，还出现了通过列车时刻表优化，列车之间的牵引和制动的配对，实现多列车协同优化，以提高列车再生制动的使用效率。但列车牵引和制动配对方法并不能实现所有牵引和制动过程的配对，并且在无富余能量时无需牵引/制动配对。

因此，需要提供一种多车协同优化控制的方法，以实现列车再生制动富余能量全部或部分利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种城市轨道交通节能优化方法及系统，以解决现有技术未能合理利用制动富余能量的问题，并实现多车协同优化控制，减少或消除再生制动富余能量的耗散，稳定供电区段电压。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案一种城市轨道交通节能优化方法，该方法的步骤包括

S1、区域控制器根据当前控制区域内列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，计算富余能量；

S2、若富余能量小于等于零时，则无需调整同供电区段内其他列车速度距离曲线，若富余能量大于零时，则区域控制器对富余能量进行分配执行步骤S3；

S3、同区段内其他列车根据所分配的富余能量计算惰行时间，并按照此惰行时间运行；

S4、区域控制器判断未来T时间内是否有列车制动，如有，则重复步骤S1至S4，若无，则执行当前运行方案。

优选的，当前制动列车的制动时间内，同供电区段内的其他列车以惰行-加速-惰行的运行方式吸收当前制动列车的制动能量。

优选的，所述同供电区段内的其他列车的运行速度调整时间与当前制动列车的制动时间相同；

所述同供电区段内的其他列车在相同时间内得运行距离不变。

优选的，在时间和距离的约束条件下，以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)较原运行方案所节省的能耗之和最大为第一优化目标；以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车的最佳惰行时间为第二优化目标，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化。

优选的，所述区域控制器对富余能量分配的步骤包括

S21、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为该列车第一次惰行的时间t_a，若是，则列车开始惰行，执行步骤S22，若否，则重复当前步骤；

S22、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为当前制动列车的制动开始时间，若是，则根据分配牵引功率P_r(t)牵引列车，并执行步骤S23，若否，则重复当前步骤；

S23、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为当前制动列车制动结束时间，若是，则转入惰行模式，并执行步骤S24，若否，则重复当前步骤；

S24、同供电区域内的其它列车T_j判断其在原速度距离曲线x位置处的当前速度V_r(x)是否恢复为原速度距离曲线x位置处的速度V(x)，若是，则转入原速度距离曲线方式运行，若否，则重复当前步骤。

一种城市轨道交通节能优化系统，该系统包括

富余能计算模块，用于根据再生制动能量与同供电区段内其他列车计划运行所需能量的关系计算富余能量；

能量优化分配单元，根据计算得到的富余电能，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化，并将优化后的富余能量P_ri(t)分配给供电区段内非制动列车；

列车控制模块，用于根据能量优化分配单元所分配的电能，对原速度距离曲线进行调整，并按新的速度距离曲线运行。

优选的，所述能量优化分配单元包括

总能耗优化模块，用于以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)较原运行方案所节省的能耗之和最大为第一优化目标对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化；

惰行时间优化模块，用于以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车的最佳惰行时间为第二优化目标，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化。

优选的，该系统进一步包括线路基础数据库，用于存储区域控制器管辖范围内所有线路信息及特征。

优选的，该系统进一步包括通信单元，用于列车与能量优化分配模块进行实时通信。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案是将富余的列车再生制动能量被同一供供电区段的邻次列车全部或部分吸收，来减少能量消耗；本发明所述技术方案对列车的局部速度曲线做出了一个等价的调整，调整阶段的平均速度与原始速度相同；富余的再生能量可以被实时分配，也增强了该方案的实用性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明所述的一种城市轨道交通节能优化方法的示意图；

图2示出本发明所述的一种城市轨道交通节能优化方法的协同控制示意图

图3示出本发明所述的一种城市轨道交通节能优化系统的示意图；

图4示出本发明富余能量优化分配的示意图

图5示出本发明所述实施例中模拟路线示意图；

图6示出本发明所述实施例中列车运行状态示意图；

图7示出本发明所述实施例中速度与距离曲线；

图8示出本发明所述实施例中D2速度距离曲线；

图9示出本发明所述实施例中U1速度距离曲线对比图；

图10示出本发明所述实施例中D1速度距离曲线对比图。

具体实施方式

下面结合一组实施例及附图对本发明做进一步描述。

本发明所述的富余再生制动能量的是在同一供电站，再生制动能量中超过其他非制动车辆总能耗的那部分能量。富余再生制动能量的具体数值可以通过同一供电站的列车电路模型计算出来，它可以被供电站内的邻次列车吸收和分配。富余再生制动能量的目标是通过考虑邻次列车的动向和电源系统的结构以最大化所吸收的能量，在分配富余再生能量的方面应该考虑到以下几点：

1、相邻列车的位置：距离越近的列车应该分配到更多的能量；

2、相邻列车的运行工况：能量应该分配给处于加速、巡航和惰行阶段的列车，不能分配给处于制动过程的列车；

3列车的运行速度：当列车的速度逼近允许运行的最大速度时，应该少分配或不分配能量。

如图1所示，本发明公开了一种城市轨道交通节能优化方法，该方法首先区域控制器根据计划时刻表预测下一次制动过程，根据列车制动时间[t_b，t_c]内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，并计算富余能量；富余能量＝再生制动能量-同供电区段内其他列车计划运行所需能量，若富余能量小于等于零时，则无需调整同区段内其他列车速度曲线，若富余能量大一种城市轨道交通节能优化方法，该方法的具体步骤包括

S1、区域控制器根据计划时刻表预测下一次制动过程，根据列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，并计算富余能量；

S2、若富余能量小于等于零时，则无需调整同供电区段内其他列车速度距离曲线，若富余能量大于零时，则区域控制器对富余能量进行分配执行步骤S3；

富余能量分配方法进一步包括：

S21、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为该列车第一次惰行的时间t_a，若是，则列车开始惰行，执行步骤S22，若否，则重复当前步骤；

S22、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为当前制动列车的制动开始时间，若是，则根据分配牵引功率P_r(t)牵引列车，并执行步骤S23，若否，则重复当前步骤；

S23、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为当前制动列车制动结束时间，若是，则转入惰行模式，并执行步骤S24，若否，则重复当前步骤；

S24、同供电区域内的其它列车T_j判断其在原速度距离曲线x位置处的当前速度V_r(x)是否恢复为原速度距离曲线x位置处的速度V(x)，若是，则转入原速度距离曲线方式运行，若否，则重复当前步骤。

S3、同区段内其他列车根据所分配的富余能量计算惰行时间t_a，并按照此惰行时间运行；

S4、区域控制器判断未来T时间内是否有列车制动，如有，则重复步骤S1至S4，若无，则执行当前运行方案。

本发明中列车的局部速度曲线是指在当前供电区域内一辆或多辆列车制动的制动时间段内，同供电区域内其他列车采用惰行-加速-惰行的运行方式代替原始预计的运行方式，以此来吸收制动车的制动能量。

本发明进一步公开了一种城市轨道交通节能优化系统，该系统包括富余能计算模块，用于根据再生制动能量与同供电区段内其他列车计划运行所需能量的关系计算富余能量；能量优化分配单元，根据计算得到的富余电能，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化，并将优化后的富余能量P_ri(t)分配给供电区段内非制动列车，所述能量优化分配单元包括总能耗优化模块，用于以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)较原运行方案所节省的能耗之和最大为第一优化目标对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化；惰行时间优化模块，用于以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车的最佳惰行时间为第二优化目标，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化。；列车控制模块，用于根据能量优化分配单元所分配的电能，对原速度距离曲线进行调整，并按新的速度距离曲线运行。

该系统进一步包括线路基础数据库，用于存储区域控制器管辖范围内所有线路信息及特征；通信单元，用于列车与能量优化分配模块进行实时通信。区域控制器的子系统功能的实现需要与其他子系统相互合作，如联锁设备，车载控制器等，而来自外部的各种信息被储存在了区域控制器的内部数据库里。其中线路基础数据库包含了区域控制器管辖范围内所有线路信息以及特征。例如线路的曲线长度，坡道坡度，限制行车速度等。该数据来源于线路设计时的勘测数据，除非线路改造，否则绝大部分数据是不变的。该数据库主要包括区段表、道岔表及信号机表等。通信单元用于实现区域控制器和列车之间通信，通过双向的无线通信信道进行通信，保证区域控制器和列车之间交换大量信息，确保列车运行信息和列车移动授权的连续性、及时性。区域控制器ZC是信息处理中心，和车载设备VOBC、联锁设备、ATS系统以及相邻的区域控制器都在进行双向的数据通信。

本申请中用一段惰行-加速-再惰行的运行模式替代了列车原来的运行工况，且保证了运输效率。

下面通过一组实例对本发明做进一步说明

假设同一供电区间内有列车A和列车B，其中B按照原速度距离曲线运行，B车制动时A车正在区间运行，那么可通过优化A车的速度运行曲线实现B车的制动能量的吸收。以A车处于巡航状态为例，假设在B车制动前后，调整A车局部速度曲线，使得A车采用惰行-加速-惰行的运行方式来吸收B车的制动能量。该方法与传统的多车协同优化方法不同的是，A车是处于运行状态下，而在传统方法中A车是处于静止待加速的状态，但是由于资源条件和运输效率的限制，很难保证每一对列车都同时处于一个进站减速制动，一个出站加速牵引的状态下。以上仅以两车为例进行简述，本发明可以应用于多车协同控制。如图2所示，对本发明所述方法做进一步约束：

T_ab+T_bc+T_cd＝T

L_ab+L_bc+L_cd＝VT

第一个约束条件是：对时间的约束，A列车速度距离曲线调整的时间与B列车的制动时间匹配；第二个约束条件是对距离的约束，即调整前后A车在相同时间内的运行距离不变，以保证运输效率。

本申请中非制动列车第一次惰行时间t_a是通过制动列车T_i提前将自己的制动时间段[t_b，t_c]发送给同供电区段内的非制动列车T_j，再根据上面的两个约束条件，t_bc时间段以及原来的巡航速度V是确定的，在牵引力恒定和阻力已知的情况下，bc之间距离L_bc和列车在c点的速度就可以通过列车动力学模型计算出来，a,c,d三点速度确定之后，通过例如二分法的智能搜索算法计算出非制动列车在b点的速度，由于ab段惰行，只有阻力作用，结合ab两点速度便可计算出t_ab时间段的大小，进而确定t_a具体值。

如图3所示，本发明进一步公开了一种城市轨道交通节能优化系统，该系统包括富余能量计算模块、能量优化分配模块、列车控制模块、通信单元和线路基础数据库。

本发明利用富余能计算模块根据再生制动能量与同供电区段内其他列车计划运行所需能量的关系计算富余能量，再比较模块根据富余能量与再生制动能和同供电区段内其他列车计划运行所需能量的关系判断是否进行能量优化分配，判断依据富余能量＝再生制动能量-同供电区段内其他列车计划运行所需能量，若富余能量小于等于零时，则无需调整同区段内其他列车速度曲线，若富余能量大于零时，则对列车速度曲线和能量重新调整；能量优化分配模块根据当前时刻富余电能情况，为同供电区段内其他列车分配电能。

如图4所示，为本发明所述的能量分配优化的模型，该模型分为两部分，第一部分是实现富余电能P_r(t)的分配，优化的目标是其他列车通过利用所分配的富余电能P_ri(t)比原运行方案中速度距离曲线，节省的能耗之和最大，第二部分优化的目标是让每个列车在给定的P_ri(t)条件下调整运行方案，使其比原运行方案节能的能耗E(t_abi)最大，通过寻找最佳惰行提前时间t_abi实现E(t_abi)的最大化。

$\underset{t_{abi}}{max}(x_d-x_a)$

$\begin{array}{cc}s.t.& \frac{dt}{dx}=\frac{1}{v}\end{array}$

$v\frac{dv}{dx}=-r\left(v\right)+g\left(x\right)+\frac{P_{ri}\left(t\right)}{v}$

v_r(x_a)＝v(x_a)

v_r(x_d)＝v(x_d)

${\∫}_{x_a}^{x_d}{v}_r\left(x\right)dx={\∫}_{x_a}^{x_d}v\left(x\right)dx$

其中

$P_r\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t<t_b\\ P_r\left(t\right)& t_b\&le;x\&le;t_c\\ 0& t>t_c\end{array}\right.$

假设供电区段内有N个列车，假设车T_i将采用再生制动方式停车，其他列车T_j(j＝1,2,…,N,j≠i)将调整速度运行曲线吸收T_i车的再生制动能量。优化的目标是使得再生制动能量利用率最大，列车T_j在调整时间段内的运行距离最大化，约束条件为上式中列车的动力学方程以及三个边界条件。其中P_r(t)是T_j车所分配的制动回收电能。V为T_j车巡航速度，g(x)为列车重力所引起的牵引力，牵引力为列车重力在列车前进方向的分量，即坡度信息，r(v)为列车在速度为v时所对应的基本阻力，叫做戴维斯方程，通常定义为r(v)＝a+bv+cv²，其中a,b,c为非负的常数。

本发明所述城市轨道交通节能优化系统利用无线通信网络进行通信，根据能量优化分配模块的能量分配方案利用列车控制模块控制列车的运行状态。无线通信网络用于实现车地之间的双向通信。利用车载无线单元和轨道旁无线访问接入点之间的通信，实现地面与列车间的通信链路。接入点与列车构成了无线链路的两端，并连接到车载无线单元。

本实施例是基于北京地铁亦庄线数据对多车协同优化进行模拟。如图5所示，亦庄线有14个地铁站和7个供电变电站。以万源街至荣昌东街区段为例，坡度如图6所示，坡度值为表示坡度重力分量占列车重力的千分比，负值表示上坡，正值表示下坡。

如图7所示，通过多车协同吸收再生制动电能实现节能的实例，万源街和荣昌东街区段内的列车运行图，[0，210]时段内有五辆列车，分别为U₁，U₂，D₁，D₂和D₃。当D₂车开始制动时，D₁和U₁两车与其处于同一个供电区间，因此D₂产生的富余再生制动能量可以分配到这两车。如图8所示，首先已知D₂的运行曲线，其制动过程在73到90秒之间，此时D₁和U₁均处于惰行状态，要达到节能的目的就必须对二车的运行曲线做出调整。如图9和图10所示，调整后的D₁，U₁车运行曲线。

假设没有能量转换损失的情况下，D₂车的再生制动能量大约为6.47千瓦时，由于D₁车和D₂车处于同一个运行方向，所以将60％的能量分配给D₁车，剩余40％的能量分配给U₁车。数据表明，经过调整后的D₁从变电站吸收的能量由7.6千瓦时变到5.3千瓦时，节省了30.3％，而U₁车则由7.2千瓦时变到4.8千瓦时，节省了33.3％。

综上所述，本发明所述技术方案将富余的列车再生制动能量被同一供供电区段的邻次列车全部或部分吸收，来减少能量消耗；本发明所述技术方案对列车的局部速度曲线做出了一个等价的调整，调整阶段的平均速度与原始速度相同；富余的再生能量可以被实时分配，也增强了该方案的实用性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种城市轨道交通节能优化方法，其特征在于，该方法的步骤包括

S1、区域控制器根据当前控制区域内列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，计算富余能量；

S2、若富余能量小于等于零时，则无需调整同供电区段内其他列车速度距离曲线，若富余能量大于零时，则区域控制器对富余能量进行分配执行步骤S3；

S3、同区段内其他列车根据所分配的富余能量计算惰行时间，并按照此惰行时间运行；

S4、区域控制器判断未来T时间内是否有列车制动，如有，则重复步骤S1至S4，若无，则执行当前运行方案。

2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通节能优化方法，其特征在于，当前制动列车的制动时间内，同供电区段内的其他列车以惰行-加速-惰行的运行方式吸收当前制动列车的制动能量。

3.根据权利要求2所述的一种城市轨道交通节能优化方法，其特征在于，

所述同供电区段内的其他列车的运行速度调整时间与当前制动列车的制动时间相同；

所述同供电区段内的其他列车在相同时间内得运行距离不变。

4.根据权利要求3所述的一种城市轨道交通节能优化方法，其特征在于，在时间和距离的约束条件下，以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)较原运行方案所节省的能耗之和最大为第一优化目标；以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车的最佳惰行时间为第二优化目标，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化。

5.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通节能优化方法，其特征在于，所述区域控制器对富余能量分配的步骤包括

S21、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为该列车第一次惰行的时间t_a，若是，则列车开始惰行，执行步骤S22，若否，则重复当前步骤；

S22、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为当前制动列车的制动开始时间，若是，则根据分配牵引功率P_r(t)牵引列车，并执行步骤S23，若否，则重复当前步骤；

S23、同供电区域内的其它列车T_j判断当前时刻是否为当前制动列车制动结束时间，若是，则转入惰行模式，并执行步骤S24，若否，则重复当前步骤；

S24、同供电区域内的其它列车T_j判断其在原速度距离曲线x位置处的当前速度V_r(x)是否恢复为原速度距离曲线x位置处的速度V(x)，若是，则转入原速度距离曲线方式运行，若否，则重复当前步骤。

6.一种城市轨道交通节能优化系统，其特征在于，该系统包括

富余能计算模块，用于根据再生制动能量与同供电区段内其他列车计划运行所需能量的关系计算富余能量；

能量优化分配单元，根据计算得到的富余电能，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化，并将优化后的富余能量P_ri(t)分配给供电区段内非制动列车；

列车控制模块，用于根据能量优化分配单元所分配的电能，对原速度距离曲线进行调整，并按新的速度距离曲线运行。

7.根据权利要求6所述的一种城市轨道交通节能优化系统，其特征在于，所述能量优化分配单元包括

总能耗优化模块，用于以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)较原运行方案所节省的能耗之和最大为第一优化目标对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化；

惰行时间优化模块，用于以总的富余电能P_r(t)不变，每个非制动列车的最佳惰行时间为第二优化目标，对每个非制动列车所分配的富余能量P_ri(t)进行优化。

8.根据权利要求6所述的一种城市轨道交通节能优化系统，其特征在于，该系统进一步包括线路基础数据库，用于存储区域控制器管辖范围内所有线路信息及特征。

9.根据权利要求8所述的一种城市轨道交通节能优化系统其特征在于，该系统进一步包括通信单元，用于列车与能量优化分配模块进行实时通信。