CN104271389B - 用于确定电力铁路电流供电网中的有功功率流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定包括轨道车辆的电力铁路电流供应网中的有功功率流的方法，其中，唯一的测量时间点传送器按照唯一预设的时钟信号向所有轨道车辆信号发送测量时间点，并且关于测量时间点获取电网电压和/或电网电流的相量信息，并且同时产生轨道车辆各当前位置的位置数据，并且向中央控制台传输相量信息和对应的位置数据和/或轨道车辆互相交换相量信息和对应的位置数据。另外，本发明还涉及一种用于确定电力铁路电流供应网中的有功功率流的装置。

Description

用于确定电力铁路电流供电网中的有功功率流的方法和装置
背景技术
长久以来，已知具有作为电网变流器的四象限调节器和三相驱动器的轨道车辆在铁路电网中会触发低频的有功功率波动和电压波动。低频的有功功率波动也被称为功率振荡。
从Lars Buhrkal的研究“Low-frequency oscillations in Scandinavianrailway power supply”中已知这样的功率振荡，该研究出版于2010年的“Railway PowerSystems”第二部分(第三册)。已经表明，对于在前述电力铁路供电网中运行最新一代的列车，需要对由轨道车辆引起的功率振荡进行主动抑制。
Steiner Danielsen在他的研究“Constant Power Load CharacteristicsInfluence on the Low-frequency interaction between advanced electrical railvehicle and railway traction power supply with rotary converters”，出版于2009年的Modern Electric Traction(会议集)，中得到了在电能供应系统中的低频功率振荡主要通过轨道车辆导致的结论。这可以由此来解释，即在出现功率振荡时，轨道车辆不仅能够补偿出现的干扰，而且由于其调节技术的实际情况会促成产生对功率振荡的过度补偿，并且以这种方式会使干扰逐步恶化。
在调节过程中，所对应的幅度可能会意外地按照一个限度被放大，使得在铁路网对应的区域出现供应电压的中断。然后，立即使铁路交通陷于瘫痪和/或出现对邻近供应区域中的铁路交通的妨碍。铁路中断的其它结果是对于铁路电网和轨道车辆的运营者的高额费用。另外，由于铁路中断使乘客满意度下降。
根据各自的车辆类型，基于本地测量的电压信号和电流信号，在轨道车辆中进行对于驱动器所需的供应电压的调节。如果增加决定轨道交通的变流器馈电的车辆，则在变流器的输入回路中测量的并用于调节过程的电压信号除了包含基频之外还包含围绕各自的振荡频率相对错开的边带。因此，制造商的每个轨道车辆或者每个轨道车辆组按照特殊方式对电网中的功率振荡做出反应。
另外，还已知利用仿真来研究电力铁路网中的低频功率振荡，并且由此能够实现对轨道车辆更好的调节。这样的仿真例如在Stefan Menth和Markus Meyer的研究“Low-frequency power oscillations in electric railway systems”中公知，该研究出版于2006年的Railway Power Supply Systems第五册。
在Hana Johannes Assefa出版于2009年EPE中的出版物“Impact of PWMSwitching on Modelling of low-frequency power oscillation in electrical railvehicle”中也探寻模型，借助该模型能够更好地理解轨道车辆在电力铁路供电网中的行为，特别是功率振荡的出现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，在铁路电流供应网中进行测量，其测量结果能够被用于降低在包括电驱动的轨道车辆的电力铁路电流供应网中的低频功率振荡。
为解决该技术问题，发明人建议一种用于确定在包括轨道车辆的电力电路铁路电流供应网中的有功功率流的方法，其中，唯一的测量时间点传送器按照唯一预设的时钟信号向所有轨道车辆信号发送测量时间点，并且关于测量时间点获取电网电压和/或电网电流的相量信息的测量，并且同时产生轨道车辆各当前位置的位置数据；并且向中央控制台传输相量信息和对应的位置数据和/或轨道车辆互相交换相量信息和对应的位置数据。
从欧洲专利文件EP 2 095 482 B1中已知，通过使用在电力供应系统中布置的多个相量测量设备的相量测量数据结合非相量测量数据，能够估计电力供应系统的状态，但是使用了位置固定的相量测量设备，来评估电力供应系统的各自状态。未采集位置数据。
根据本发明的方法以有利的方式为每个电力轨道车辆提供当前的和包含的电网信息，以便按照以下方式运行电压调节设备，使得由于电压调节本身引起的电网反馈作用产生尽可能小的功率振荡，或者调节过程寻求尽可能抵消现存的功率振荡。
如果测量时间点传送器例如每秒信号发送一个测量时间点，则能够分别按照秒时钟信号获取所有轨道车辆在相同时间点的相量信息。如果需要更高的时间分辨率，则也可以按照比秒时钟信号更小的时间间隔获取相量信息，例如每十分之一秒。这样的情况可以在轨道车辆中设置相应的计时装置，以便提供十分之一秒作为测量时间点。然而，分别通过外部测量时间点传送器的秒时钟信号每秒都再次同步该计时装置。
相量信息对于每个测量时间点提供在铁路电流供应网的不同点处的当前电网电压幅度和电网电压角度。相应地适用于电网电流。从不同测量位置之间的电压角度差中可以确定沿着供电线的各个有功功率流。
借助根据本发明的方法，能够以有利的方式主动抵消由于轨道车辆引起的功率振荡。由此能够避免电压中断和其产生的列车中断，这节省了费用并提高了乘客满意度。另外的优点是，通过根据本发明的方法，能够降低对于新的列车模型在一系列不同国家的轨道交通系统中的测试的要求，或者甚至能够完全省去在各个国家的轨道交通系统中的全面测试。由此降低新列车的研发费用，并且减少研发时间，这另外又节省了费用。
在根据本发明的方法的一个优选实施方式中，测量时间点传送器包括全球定位系统(GPS)。GPS信号的优点是，能够世界范围免费接收由卫星发射的时间信息。在使用其它卫星支持的系统的情况下，例如欧洲的卫星导航系统伽利略，也得到相同的优点。
但是，在本发明的范围内也可以使用具有地球表面上的发送器的测量时间点传送器。因此，也可以例如通过本地的无线电信号提供测量时间点，该无线电信号例如由原子钟在德国范围辐射，或者由铁路电流供应网的运营者发射。
在上述实施方式的一个扩展中，也可以通过高架线向轨道车辆传输测量时间点传送器的信号。
在根据本发明的方法的一个优选实施方式中，借助在轨道车辆中的相量测量设备获取相量信息。作为相量测量设备例如可以使用商用的相量测量设备，所谓的“phasormeasurement units(PMUs)”，其被设置在轨道车辆上和必要时设置在其它位置固定的点上，例如能量馈电站。使用相量测量设备的优点是，利用该测量设备不仅可以获取电网电压和电网电流，还可以获取关于电力铁路电流供应网在各自轨道车辆的当前位置处的电网电压和电网电流的相位的相量信息。在此，分别通过测量时间点传送器的信号预设测量时间点。因此，所有相量测量设备按照相同时间参考系统进行其测量，由此能够十分有效并简单地互相组合在电力铁路电流供应网中的不同轨道车辆的相量信息，以便反映电网状态。相量测量设备的相量信息的高时间分辨率能够获取特别是关于铁路电流供应网的状态的当前信息。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，借助位置确定装置采集轨道车辆的位置数据。采集轨道车辆的位置数据具有重要意义，因为由此能够使相量信息分别与在电力铁路电流供应系统中的位置对应。由此可以动态地并根据轨道车辆在铁路电流供应网中的位置产生电力铁路电流供应网的不同反映。
在上述实施方式的一个扩展中，位置确定装置对于每个轨道车辆具有评估测量时间点传送器的信号的位置确定单元。位置确定单元可以例如在商用GPS接收器的情况下借助不同卫星的信号的运行时间确定位置。通过在地球表面的不同发射器也可以实现借助信号的运行时间差确定位置的相同原理。
在另一个实施方式中，位置确定装置对于每个轨道车辆具有评估路段信号的位置确定单元。铁路网经常具有位置相关的信号设备，其通知经过的列车在铁路电网中的位置，即例如在两个城市之间的路段处的千米标志牌。位置确定单元可以借助位置相关的信号设备确定轨道车辆的位置。
在根据本发明的方法的一个特别优选的实施方式中，利用GSM无线电连接传输相量信息和对应的位置数据。GSM无线电连接是特别有利的，因为它能够借助通用的GSM移动无线电网络确保在各个轨道车辆互相之间和/或轨道车辆与中央控制台之间的可靠并廉价的通信。然而，在本发明的范围内，也可以使用不同于GSM无线电连接的其它类型的无线电连接。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，经过高架线传输相量信息和对应的位置数据。经由轨道车辆的高架线进行通信的有利之处在于，不必使用不属于各自铁路公司的通信工具。其它优点是，当列车例如穿过隧道行驶或地下行驶并因此不能通过常规的移动无线电网络进行GSM无线电连接时，经由高架线也能够持续地进行轨道车辆互相地或者与中央控制台的通信。
此外可考虑并有利的是，经由高架线和无线电连接进行相量信息和对应的位置数据的传输。如果同时应用了两个传输类型，则能够通过得到的冗余确保能始终可靠地传输相量信息和对应的位置数据。另外，除了当轨道车辆行驶在没有无线电的区域和/或隧道时以外，例如通过无线电连接执行传输是有利的。以这种方式确保进行传输。
在根据本发明的方法的一个特别优选的实施方式中，在使用相量信息和对应的位置数据的条件下，在中央控制台中产生电力铁路电流供应网中的有功功率流的动态模型，并且将其提供给轨道车辆。在此，在本发明的范围内，有功功率流的动态模型被理解为按照计算机可读格式采集的对电力铁路供应网内的电网电压和/或电网电流以及电网电压和/或电网电流的相位的数学描述。有功功率流的动态模型可以用于为轨道车辆获取电力铁路电流供应网的当前状态和稳定性的全面反映，并因此是有利的。该模型通过合适的通信连接经由高架线或经由无线电连接被传输到轨道车辆。
在另一优选实施方式中，在使用分别从其它轨道车辆传输的相量信息和对应的位置数据的条件下，在轨道车辆中产生在电力铁路电流供应网中的有功功率流的动态模型。本发明的该实施方式是有利的，因为取消了中央控制台的必要性。更确切地，每个轨道车辆可以借助提供给它的信息分散地建立动态模型。从该模型中类似地仍得到与开头对于中央控制台的情况相同的优点。
在根据本发明的方法的一个优选实施方式中，在考虑有功功率流的动态模型的条件下，轨道车辆通过相应调节其电力驱动器抵消在电力铁路电流供应网中的功率振荡。这是有利的，因为这样的动态模型允许轨道车辆不仅在其调节过程中考虑在其各自位置处的铁路供电网的测量数据，而且考虑整个铁路电流供应网的情况和稳定性。
通常，在根据本发明的方法中获取具有高时间分辨率的相量信息和位置数据，从而使控制过程以持续更新的、电力供应网的动态模型为基础。动态模型允许在轨道车辆中相对可靠的电压调节。由此保持尽可能小地出现功率振荡或者有针对性地抵消存在的振荡过程。通过由此对于避免产生振荡幅度和由此可能产生的铁路电流供应网的中断的可实现的改善，在铁路电流供应中并因此在轨道交通的运行中得到更高的可靠性。
本发明还建议一种用于确定在包括轨道车辆的电力铁路电流供应网中的有功功率流的装置，其中：所有轨道车辆对应唯一的测量时间点传送器；轨道车辆配备有相量测量设备，其产生关于测量时间点的在轨道车辆的各当前位置处的电网电压和/或电网电流的相量信息；给轨道车辆配备位置确定装置，其用于产生轨道车辆的位置数据；以及轨道车辆具有通信设备，其用于向中央控制台传输相量信息和对应的位置数据和/或用于在轨道车辆之间交换相量信息和对应的位置数据。
所述装置类似地得到与开头描述的根据本发明的方法相同的优点。
从权利要求13至20中得到根据本发明的装置的其它优选构造，利用它们类似地能够实现与以上结合根据本发明的方法描述的相同优点。
附图说明
为进一步解释本发明，附图中：
图1示出了根据本发明的装置的第一实施例，和
图2示出了根据本发明的装置的第二实施例。
具体实施方式
在图1中示出了电力铁路电流供应网1。按照示意方式通过高架线11表示电力铁路电流供应网1，在该处布置了电运行的轨道车辆4。通过箭头表示轨道车辆4的行驶方向。详细地示出了一个轨道车辆4，该轨道车辆4具有用于产生电网电压和/或电网电流的相量信息3的相量测量设备7。
在此，相量测量设备7按照一秒的时钟信号获得测量点传送器13的测量时间点信号，该测量点传送器在此情况下由发射GPS信号2的GPS卫星构成。为此，相量测量设备7具有GPS接收装置12。在相量测量设备7中借助信号发送的测量时间点形成相量信息3。相量信息例如包括电压角度Φ。为了提高时间分辨率，在相量测量设备7或轨道车辆4的其它位置中为每个轨道车辆设置精确的计时装置，借助来自GPS卫星的秒信号同步该计时装置，并且在需要时也可以信号发送其时钟信号小于一秒的测量时间点。
从由作为测量时间点传送器13的GPS卫星(未示出GPS网络的其它卫星)发射的GPS信号2中，由相量测量设备7利用测量时间点确定相量信息3，以便产生与铁路电流供应网中其它轨道车辆4同步的电网电压和电网电流的相量信息。
此外，轨道车辆具有带有位置确定单元22的位置确定装置，其适合用于借助GPS信号2确定轨道车辆4的位置。在此是通常的GPS接收器。
轨道车辆4具有合适的通信装置5，借助其轨道车辆例如可以通过GSM无线电信号8与中央控制台6通信，以便传输各个轨道车辆4的相量信息3和位置数据。在中央控制台6中，从轨道车辆4的相量信息3和位置数据中产生在电力铁路电流供应网1中的有功功率流的动态模型9，并且持续以高时间分辨率进行更新。然后，将该动态模型9提供给各个轨道车辆4。各个轨道车辆4于是可以在考虑有功功率流的动态模型9的条件下，通过相应地调节电力驱动器10，来抵消在电力铁路电流供应网1中的功率振荡。
在按照图2的实施例中，轨道车辆4具有扩展的相量测量设备27，其中，还是在相量测量单元7中产生电网电压和/或电网电流的相量信息；扩展的相量测量设备27的其它部件是GPS接收装置12、可以评估GPS位置信号2的位置确定单元22、和通信设备23。借助GPS接收装置12和位置确定单元22，使得扩展的相量测量设备27可以按照高时间分辨率为轨道车辆4确定电网电压和/或电网电流的相量信息以及轨道车辆4在铁路电流供应网中的位置。通过箭头示出了信息流的方向。
扩展的相量测量设备27借助通信设备23向中央控制台6传输相量信息和位置。在此，通信设备23借助GSM无线电连接8与中央控制台6进行通信。在中央控制台6中，借助模型产生单元24建立在铁路电流供应网1中的有功功率流的动态模型9。经由在中央控制台中设置的通信设备23向轨道车辆4通知该动态模型9。
代替这里示出的中央控制台6或者结合中央控制台6，也可以每个单个轨道车辆4都包括模型产生设备24。如果例如不存在与中央控制台6的联系，则轨道车辆4可以借助其自身的模型产生单元24从铁路电流供应网1中的其它轨道车辆30、31提供的相量信息和位置数据中产生模型9。相应地，反过来也适用于其它轨道车辆30、31。在所示的实施例中，模型产生单元24也是扩展的相量测量设备27的一部分。
轨道车辆4在其电力驱动器10处具有调节设备25，该调节设备在考虑有功功率流的动态模型9的条件下抵消在电力铁路电流供应网1中的功率振荡。

Claims (18)

1.一种用于确定包括轨道车辆(4)的电力铁路电流供应网(1)中的有功功率流的方法，其中：
-唯一的测量时间点传送器(13)按照唯一预设的时钟信号向所有轨道车辆(4)信号发送测量时间点；并且
-关于所述测量时间点借助在轨道车辆中的相量测量设备获取电网电压和/或电网电流的相量信息(3)，并且同时产生轨道车辆(4)各当前位置的位置数据；并且
-向中央控制台(6)传输所述相量信息(3)和对应的位置数据，和/或轨道车辆(4)互相交换所述相量信息(3)和对应的位置数据。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述测量时间点传送器(13)包括全球定位系统(GPS)。
3.按照权利要求1所述的方法，其中，借助在轨道车辆(4)中的相量测量设备(7)进行测量。
4.按照权利要求1所述的方法，其中，借助位置确定装置采集轨道车辆(4)的位置数据。
5.按照权利要求4所述的方法，其中，所述位置确定装置对于每个轨道车辆(4)具有评估所述测量时间点传送器(13)的信号的位置确定单元(22)。
6.按照上述权利要求4或5中任一项所述的方法，其中，所述位置确定装置对于每个轨道车辆(4)具有评估路段信号的位置确定单元(22)。
7.按照上述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，利用GSM无线电连接(8)传输所述相量信息(3)和对应的位置数据。
8.按照上述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，经由高架线(11)传输所述相量信息(3)和对应的位置数据。
9.按照上述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在使用所述相量信息(3)和对应的位置数据的条件下，在中央控制台(6)产生电力铁路电流供应网(1)中的有功功率流的动态模型(9)，并且将其提供给轨道车辆(4)，其中轨道车辆(4)在考虑有功功率流的动态模型(9)的条件下通过相应调节其电力驱动器(10)抵消在电力铁路电流供应网(1)中的功率振荡。
10.按照上述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在使用分别从其它轨道车辆(30，31)传输的相量信息(3)和对应的位置数据的条件下，在轨道车辆(4)中产生在电力铁路电流供应网(1)中的有功功率流的动态模型(9)，其中轨道车辆(4)在考虑有功功率流的动态模型(9)的条件下通过相应调节其电力驱动器(10)抵消在电力铁路电流供应网(1)中的功率振荡。
11.一种用于确定包括轨道车辆(4)的电力铁路电流供应网(1)中的有功功率流的装置(20)，其中：
-所有轨道车辆(4)对应唯一的测量时间点传送器(13)；
-轨道车辆(4)配备有相量测量设备(7)，该相量测量设备产生关于测量时间点的在轨道车辆(4)各当前位置处的电网电压和/或电网电流的相量信息(3)；以及
-给轨道车辆(4)配备位置确定装置，其用于产生轨道车辆(4)的位置数据；以及
-轨道车辆具有通信设备(23)，其用于向中央控制台(6)传输相量信息(3)和对应的位置数据和/或用于在轨道车辆(4)之间交换相量信息(3)和对应的位置数据。
12.按照权利要求11所述的装置(20)，其中，所述测量时间点传送器(13)包括全球定位系统(GPS)。
13.按照上述权利要求11所述的装置(20)，其中，所述位置确定装置对于每个轨道车辆(4)具有评估所述测量时间点传送器(13)的信号的位置确定单元(22)。
14.按照上述权利要求11至13中任一项所述的装置(20)，其中，所述位置确定装置对于每个轨道车辆(4)具有评估路段信号的位置确定单元(22)。
15.按照上述权利要求11至13中任一项所述的装置(20)，其中，所述通信设备(23)适合用于建立GSM无线电连接(2)。
16.按照上述权利要求11至13中任一项所述的装置(20)，其中，所述通信设备(23)适合用于经由高架线(11)传输电信号。
17.按照上述权利要求11至13中任一项所述的装置(20)，其中，所述中央控制台(6)具有模型产生设备(24)，该模型产生设备从所述相量信息(3)和对应的位置数据中产生电力铁路电流供应网(1)中的有功功率流的动态模型(9)，并且借助所述通信设备(23)向轨道车辆(4)传输所述动态模型(9)，其中轨道车辆(4)具有调节设备(25)，其在考虑动态模型(9)的条件下调节轨道车辆(4)的电力驱动器(10)，并且由此抵消电力铁路电流供应网(1)中的功率振荡。
18.按照上述权利要求11至13中任一项所述的装置(20)，其中，轨道车辆(4)分别具有模型产生设备(24)，该模型产生设备在使用分别由其它轨道车辆(30，31)传输的相量信息(3)和对应的位置数据的条件下，产生电力铁路电流供应网(1)中的有功功率流的动态模型(9)，其中轨道车辆(4)具有调节设备(25)，其在考虑动态模型(9)的条件下调节轨道车辆(4)的电力驱动器(10)，并且由此抵消电力铁路电流供应网(1)中的功率振荡。
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