CN104393594A - 一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法，其中每台牵引变电所或配电所与第一交流母线的连接点为一节点，方法包括：依据n台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则，对n台牵引变电所和配电所分别与第一交流母线连接的各个节点进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中；根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻节点编号数组中各节点的运算负荷；计算节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗；依据节点编号数组、节点编号数组中各节点的运算负荷以及节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，自动生成第一交流母线潮流计算等值电路。

Description

一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通供电系统中压网络潮流分析技术领域，更具体的说，涉及一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法。

背景技术

中压网络潮流是指负荷功率在中压网络的分布情况，通过对供电系统的潮流计算，能够准确地了解到中压网络负荷功率在各支路的分布、各节点的电压损失、线路能耗以及供电系统负荷总功率因数。通常，中压网络潮流分析计算的主要内容包括计算中压网络各节点的电压分布与功率分布。其中功率分布包括有功功率分布和无功功率分布。通过中压网络潮流分析计算，以验证以下内容：

1)各变电所的母线电压是否在设计允许范围内；

2)中压网络的中压电缆在各种运行方式情况下，是否会出现过负荷情况；

3)中压网络供电分区的功率分布是否均衡。

如果上述计算分析结果不满足中压网络的技术要求，则必须修正中压网络拓扑结构或运行方式，以保障城市轨道交通供电系统安全可靠地运行，且尽量满足节能要求。

目前现有的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法主要包括解析计算、模拟计算、数学模型计算三类方法。其中，

解析计算方法利用公式进行计算，其通常会采用各种近似假定条件进行简化计算。这种方法只适用较简单的中压网络，且计算结果误差较大。

模拟计算方法是利用一些装置来模拟城市轨道供电系统中压网络，进而对模拟的中压网络设备的各电量进行实时监测。通过将监测得到的结果乘以一定的比例系数以得到实际系统的运行参数。然而该类方法由于是采用模拟设备来模拟中压网络，非常耗费时间、人力、物力，成本较高。

数学模型计算方法是根据某个特定拓扑结构的中压网络，人工进行交流母线节点排序，并建立相应的数学模型及进行潮流分析计算。然而该方法适用范围窄，所建数学模型只是适合某个特定拓扑结构的中压网络，当改变城市轨道交通中压网络外部电源供电方式或中压网络接入的直流牵引变电所、配电所数量或位置时，就需要重新对新的中压网络拓扑进行相应数学建模和潮流分析计算，因此该传统的数学模型计算方法不能自适应任意中压网络拓扑结构，不具备通用性、灵活性、高效性。

发明内容

基于此，本发明提供一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法，以解决现有技术中传统的数学模型计算方法不能自适应任意中压网络拓扑结构，不具备通用性、灵活性、高效性的问题。技术方案如下：

本发明提供一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法，应用于中压网络系统，所述中压网络系统包括至少一个主变电所，其中一个所述主变电所至少包括第一主变压器；所述第一主变压器通过第一交流母线连接n台牵引变电所和配电所，所述n为正整数；每台所述牵引变电所与所述第一交流母线的连接点为一节点，每台所述配电所与所述第一交流母线的连接点为一节点，所述方法包括：

依据所述n台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则，对所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中；其中确定所述第一主变压器与所述第一交流母线连接的节点为第一节点；

根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻所述节点编号数组中各节点的运算负荷；t大于等于0；

计算所述节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗；

依据所述节点编号数组、所述节点编号数组中各节点的运算负荷以及所述节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，自动生成所述第一交流母线潮流计算等值电路。

优选地，所述计算所述第一交流母线潮流计算等值电路后，所述方法还包括：

根据所述等值电路，自判断所述第一交流母线的始端节点和终端节点；

依据所述第一交流母线的始端节点和终端节点，以及所述节点编号数组，识别正向潮流流通的节点路径和反向潮流流通的节点路径；

根据所述反向潮流流通的节点路径，由所述终端节点向所述始端节点反算功率；

根据所述正向潮流流通的节点路径，由所述始端节点向所述终端节点正算电压。

优选地，所述根据所述反向潮流流通的节点路径，由所述终端节点向所述始端节点反算功率包括：

根据所述反向潮流流通的节点路径，利用公式：

S_start＝S_end+ΔS计算所述反向潮流流通的节点路径的反算功率；

其中，

$\mathrm{\ΔS}={\left(\frac{S_{\mathrm{end}}}{U_{\mathrm{end}}}\right)}^2(R+\mathrm{jX})=\frac{P_{\mathrm{end}}^2+Q_{\mathrm{end}}^2}{U_{\mathrm{end}}^2}(R+\mathrm{jX});$ 其中S_end、P_end、Q_end、U_end分别为线路或变压器终端节点的视在功率、有功功率和无功功率；R+jX为线路或变压器等效支路阻抗。

优选地，所述根据所述正向潮流流通的节点路径，由所述始端节点向所述终端节点正算电压包括：

根据所述正向潮流流通的节点路径，利用公式：

计算所述正向潮流流通的节点路径的正算电压；

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔU}=\frac{P_{\mathrm{branch}}\×R+Q_{\mathrm{branch}}\×L}{U_{\mathrm{start}}}\\ \mathrm{\δU}=\frac{P_{\mathrm{branch}}\×L-Q_{\mathrm{branch}}\×R}{U_{\mathrm{start}}}\end{array}\right.;$ 其中，P_branch、Q_branch、U_start分别为线路或变压器支路流通的有功功率、无功功率、始端节点电压；ΔU、δU分别为电压降的纵分量和横分量。

优选地，还包括：

利用公式判断计算得到的节点路径中各节点的电压是否收敛；其中ξ为正数；

如果不收敛，则以当前各节点电压为初始电压重新反算各节点功率，进而在重新正算各节点电压，如此反复，直到节点路径中各节点的电压均满足 $\max \left\{\right|U_i^{k+1}-U_i^k\left|\right\}<\mathrm{\&xi;};$

如果收敛，结束所述t时刻中压网络潮流分析计算方法，并输出t时刻潮流分析计算结果，进入下一时刻的中压网络潮流分析计算方法流程。

优选地，所述对所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点进行独立编号前，所述方法还包括：

利用公式|l_i-l₁|<ξ，判断所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点中是否存在与所述第一节点重合的节点；所述第一节点为所述第一主变压器与所述第一交流母线连接的节点；其中l_i为各牵引变电所、配电所的位置信息；l₁为所述第一节点的位置信息；ξ为正数；

当判断所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点中存在与所述第一节点重合的节点时，则不再对与所述第一节点重合的节点进行编号；

当判断所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点中不存在与所述第一节点重合的节点时，以所述第一节点为中心，按照预设规则对所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点进行独立编号。

优选地，所述预设规则包括：以所述第一节点为中心，沿所述第一交流母线的第一方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第m节点，沿所述第一交流母线的第二方向依次将各个节点编号为第m+1节点、第m+2节点直至第n节点；其中，m为大于等于0的整数，m小于等于n；

或，所述预设规则包括：以所述第一节点为中心，沿所述第一交流母线的第一方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第n节点；或，沿所述第一交流母线的第二方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第n节点。

优选地，所述根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻所述节点编号数组中各节点的运算负荷包括：

利用公式 $\left\{\begin{array}{c}{S}^{\&prime;}=\sqrt{{\left(P^{\&prime;}\right)}^2+{\left(Q^{\&prime;}\right)}^2}\\ P^{\&prime;}=P^{\&prime;\&prime;}+\mathrm{\&Delta;P}\\ Q^{\&prime;}=Q^{\&prime;\&prime;}+\mathrm{\&Delta;Q}\end{array}\right.$ 分别计算所述节点编号数组中各节点的运算负荷；

其中，S'为所述牵引变电所或配电所的运算负荷；P'、Q'分别为牵引变电所变压器或配电所变压器高压侧的有功功率和无功功率；ΔP、ΔQ分别为牵引变电所变压器或配电所变压器的有功损耗和无功损耗；P"、Q"分别为牵引变电所变压器或配电所变压器低压侧的有功功率和无功功率。

优选地，所述配电所变压器低压侧的有功功率和无功功率由输入直接得到；

所述牵引变电所变压器低压侧的有功功率和无功功率根据公式：

计算得到；

其中，T_j为第j个牵引变电所变压器变比；V_dj、I_dj为第j个牵引变电所直流母线电压、电流；为功率因素角；B为换流器桥数；γ_j为换流器类型，其中γ_j＝1表示为整流器；θ为整流器触发角；X_cj为换流器换相电抗；V_acj为牵引变电所交流侧电压。

优选地，所述计算所述节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗包括：

将所述节点编号数组中相邻节点间的位置距离与单位长度中压网络线路阻抗相乘。

应用上述技术方案，本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法，通过预先输入城市轨道交通中压网络系统中每个主变压器的位置信息以及其管辖的交流母线所接牵引变电所、配电所个数及位置信息，确定每个牵引变电所、配电所分别与交流母线的连接点为一个节点，依据所述n台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则，对每个主变压器管辖的交流母线与牵引变电所或配电所连接的节点按照n台牵引变电所和配电所的位置信息进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中。进而根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻节点编号数组中各节点的运算负荷，进一步计算节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，最后根据节点编号数组、节点编号数组中各节点的运算负荷以及节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，自动生成第一交流母线潮流计算等值电路，从而依据该等值电路完成潮流分析计算。

应用本发明，当输入的外部电源供电方式或中压网络接入的直流牵引变电所、配电所数量或位置发生改变时，节点编号数组、节点所接运算负荷、相邻节点间线路阻抗会自适应随之发生改变，并自动生成相应的交流母线潮流计算等值电路，因此本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法可以适用于任意拓扑结构的城市轨道交通中压网络数学建模中，且本发明成本低，精度高，具备普遍适用性和较高的灵活性、高效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中城市轨道交通中压网络结构拓扑图；

图2为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法的一种流程图；

图3为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法中第一交流母线上各节点命名示意图；

图4为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法中第一交流母线上各节点命名的另一种示意图；

图5为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法中第一交流母线上各节点命名的再一种示意图；

图6为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法中第一交流母线上各节点命名的再一种示意图；

图7为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法中第一交流母线上各节点命名的再一种示意图；

图8为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法中第一交流母线上各节点命名的再一种示意图；

图9为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法中等值电路结构示意图；

图10为本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法的另一种流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在介绍本发明前，发明人首先对现有技术的相关内容进行说明。

中压网络指通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、配电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、配电所连接起来，形成了中压网络，其功能类似于电力系统中得输电线路。

潮流分析是指计算电网络各个节点和各条线路上的电压及功率分布情况。

现有技术中典型的城市轨道交通中压网络结构拓扑图如图1所示，在中压网络系统中全线设有多个主变电所，每个主变电所内包括两台主变压器，正常运行时两台主变压器同时工作。为了描述方便，本发明设定1#主变压器所接交流母线为1#交流母线，2#主变压器所接交流母线为2#交流母线。交流母线根据需要通过变压器连接多台牵引变电所和配电所。在中压网络正常运行时，各主变电所独立工作，即各主变电所管辖的交流母线之间没有电气连接，母联开关为断开状态。

本发明保护的技术方案正在基于上述现有技术提出的一种新的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法。

在介绍本发明前，发明人还需要说明的是，在发明人阐述本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法之前，在满足工程计算精度要求的前提下，先进行以下基本假设：

(a)假设公共电网短路容量为无穷大，主变电所内变压器二次侧的电源电压为恒定值；

(b)假定交流牵引网系统为均匀对称结构，整个交流牵引网系统具有一致的单位长度阻抗；

(c)对于35kV以下的线路，忽略线路分布电容的影响；

(d)牵引变电所和其相邻的配电所位置坐标(公里标)一致。

实施例一

请参阅图2，其示出了本发明提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法的流程图。在本实施例中，中压网络系统包括至少一个主变电所，其中一个主变电所至少包括第一主变压器；第一主变压器通过第一交流母线连接n台牵引变电所和配电所，所述n为正整数，且n为牵引变电所和配电所的台数和。

为了增强说明性，仍以图1为例，那么此时本发明中的主变电所具体包括第一主变压器和第二主变压器，其中第一主变压器通过第一交流母线连接n台牵引变电所和配电所，第二主变压器通过第二交流母线连接x台牵引变电所和配电所，所述x为正整数，且x为牵引变电所和配电所的台数和。本发明中x可以等于n。

应用本发明技术方案前，首先需要预先输入城市轨道交通中压网络系统中每个主变电所的位置信息以及其管辖的第一交流母线所接牵引变电所、配电所的总个数n及各牵引变电所、配电所的位置信息，以及第二交流母线所接牵引变电所、配电所的总个数x及各牵引变电所、配电所的位置信息。

具体实现方法包括：

步骤101，依据n台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则，对n台牵引变电所和配电所分别与第一交流母线连接的各个节点进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中。

其中，在编号过程中，首先确定第一主变压器与第一交流母线连接的节点为第一节点。此外，本发明还可以预先设定第一主变压器的始端节点为节点零，终端节点为节点一；所述节点一即为第一主变压器与第一交流母线连接的第一节点。

在本发明中，定义第一交流母线与每台牵引变电所的连接点，以及第一交流母线与每台配电所的连接点均为一个节点，第一交流母线根据输入的牵引变电所、配电所的总个数、主变电所的位置信息以及各牵引变电所、配电所的位置信息，依据n台牵引变电所和配电所的位置信息或x台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则对每个节点进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中。

在实际应用过程中，有时牵引变电所或配电所与第一交流母线连接的节点，同第一主变压器与第一交流母线连接的第一节点重合，此时本发明对于发生重合的节点不再编号。此时的第一节点的运算负荷即为与第一节点重合的牵引变电所或配电所的运算负荷。

具体地，本发明可以利用公式|l_i-l₁|<ξ，判断n台牵引变电所和配电所分别与第一交流母线连接的各个节点中是否存在与第一节点重合的节点；所述第一节点为第一主变压器与第一交流母线连接的节点；其中l_i为各牵引变电所、配电所的位置信息；l₁为第一节点的位置信息；ξ为一任意设定的正数。

当判断n台牵引变电所和配电所分别与第一交流母线连接的各个节点中存在与第一节点重合的节点时，则不再对与第一节点重合的节点进行编号，只对不与第一节点重合的其他节点进行编号。

当判断n台牵引变电所和配电所分别与第一交流母线连接的各个节点中不存在与第一节点重合的节点时，以第一节点为中心，按照预设规则对n台牵引变电所和配电所分别与第一交流母线连接的各个节点进行独立编号。

本发明中各交流母线上的所有节点的命名及处理方式相同，因此，本发明中发明人只以第一交流母线为例进行详细说明，其他交流母线上节点的命名及处理方式可相互参考。

在本发明中，首先确定编号第一主变压器与第一交流母线连接的节点为第一节点，进而按照预设规则对各个节点进行独立编号。其中，预设规则可以包括：如图3所示，以第一节点为中心，沿第一交流母线的第一方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第m节点，沿第一交流母线的第二方向依次将各个节点编号为第m+1节点、第m+2节点直至第n节点。其中，m为大于等于0的整数，m小于等于n。

为了便于更形象地说明，如图4所示，本发明以第一交流母线包括n个节点，其中在第一交流母线的第一方向只包括一台配电所，第一交流母线的第二方向包括n-2台牵引变电所和配电所为例进行说明。

此时，按照上述编号方式，节点编号数组N_d＝[2,1,3,4…n-1,n]。

需要说明的是，本发明中第一交流母线的第一方向为图3所示的以第一节点为中心，由右向左侧逐步编号的方向，第一交流母线的第二方向为图3所示的以第一节点为中心，由左向右侧逐步编号的方向。

其中，当本发明中的m等于0，n不等于0时，即本发明中第一节点的左侧无其他节点，其命名方式如图5所示；而当本发明中的m等于n时，即本发明中第一节点的右侧无其他节点，其命名方式如图6所示。

此外，本发明中的预设规则还可以包括：以第一节点为中心，沿第一交流母线的第一方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第n节点，如图7所示；或，沿第一交流母线的第二方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第n节点，如图8所示。

显然，本发明中关于各个节点的命名方式存在多种方式，本发明对此不做限定。

此外在本发明中，通过定义第一交流母线、第二交流母线的始端节点分别为其主变压器二次侧输出端点。根据始端节点和节点编号数组可以自判断每个主变电所管辖的第一交流母线、第二交流母线终端节点。

步骤102，根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻节点编号数组中各节点的运算负荷。其中t大于等于0。

各牵引变电所、配电所的参数信息包括牵引变电所变压器以及配电所变压器的参数信息。

具体地，利用公式 $\left\{\begin{array}{c}{S}^{\&prime;}=\sqrt{{\left(P^{\&prime;}\right)}^2+{\left(Q^{\&prime;}\right)}^2}\\ P^{\&prime;}=P^{\&prime;\&prime;}+\mathrm{\&Delta;P}\\ Q^{\&prime;}=Q^{\&prime;\&prime;}+\mathrm{\&Delta;Q}\end{array}\right.$ 分别计算节点编号数组中各节点的运算负荷。

其中，S'为所述牵引变电所或配电所的运算负荷；P'、Q'分别为牵引变电所变压器或配电所变压器高压侧的有功功率和无功功率；ΔP、ΔQ分别为牵引变电所变压器或配电所变压器的有功损耗和无功损耗；P"、Q"分别为牵引变电所变压器或配电所变压器低压侧的有功功率和无功功率。

在本实施例中，配电所变压器低压侧的有功功率和无功功率由输入直接得到；

所述牵引变电所变压器低压侧的有功功率和无功功率根据公式：

计算得到；

其中，T_j为第j个牵引变电所变压器变比；V_dj、I_dj为第j个牵引变电所直流母线电压、电流；为功率因素角；B为换流器桥数；γ_j为换流器类型，其中γ_j＝1表示为整流器；θ为整流器触发角；X_cj为换流器换相电抗；V_acj为牵引变电所交流侧电压。

步骤103，计算节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗。

具体地，将节点编号数组中相邻节点间的位置距离与单位长度中压网络线路阻抗相乘。在本发明中，节点编号数组中相邻节点之间的线路阻抗为相邻节点位置距离与单位长度中压网络线路阻抗的乘积。

步骤104，依据节点编号数组、节点编号数组中各节点的运算负荷以及节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，自动生成第一交流母线潮流计算等值电路。

在本实施例中，根据节点编号数组、各节点所接变电所运算负荷、相邻节点之间线路阻抗，即可自动生成第一交流母线潮流分析计算等值电路，如图9所示。其中图9中的箭头方向表示正向潮流方向；节点0、1之间的阻抗为主变压器等值阻抗；S'_j为牵引变电所或配电所的运算负荷；1～n为交流母线的节点编号；图中用RL串联支路来模拟两节点之间的线路阻抗。

在本发明中，当输入的外部电源供电方式或中压网络接入的直流牵引变电所、配电所数量或位置发生改变时，节点编号数组、节点所接运算负荷、相邻节点间线路阻抗都会自适应随之发生改变，并自动生成相应的交流母线潮流计算等值电路，因此本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法可以适用于任意拓扑结构的城市轨道交通中压网络数学建模及潮流分析计算，具备普遍适用性和较高的灵活性、高效性。

因此，应用本发明的上述技术方案，本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法，通过预先输入城市轨道交通中压网络系统中每个主变压器的位置信息以及其管辖的交流母线所接牵引变电所、配电所个数及位置信息，确定每个牵引变电所、配电所分别与交流母线的连接点为一个节点，依据所述n台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则，对每个主变压器管辖的交流母线与牵引变电所或配电所连接的节点按照n台牵引变电所和配电所的位置信息进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中。进而根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻节点编号数组中各节点的运算负荷，进一步计算节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，最后根据节点编号数组、节点编号数组中各节点的运算负荷以及节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，自动生成第一交流母线潮流计算等值电路，从而依据该等值电路完成潮流分析计算。

应用本发明，当输入的外部电源供电方式或中压网络接入的直流牵引变电所、配电所数量或位置发生改变时，节点编号数组、节点所接运算负荷、相邻节点间线路阻抗会自适应随之发生改变，并自动生成相应的交流母线潮流计算等值电路，因此本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法可以适用于任意拓扑结构的城市轨道交通中压网络数学建模中，且本发明成本低，精度高，具备普遍适用性和较高的灵活性、高效性。

同时，本发明由存储的节点编号数组自判断全线每个独立的交流母线的始端、末端节点，然后再综合节点编号数组智能识别其正、反向潮流流通节点路径，因此本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法的智能化程度较高。

实施例二

在上述实施例的基础上，如图10所示还包括，当计算得到第一交流母线潮流计算等值电路以及确定第一正向节点路径、第二正向节点路径、第一反向节点路径和第二反向节点路径后，方法包括：

步骤201，依据n台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则，对n台牵引变电所和配电所分别与第一交流母线连接的各个节点进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中。

步骤202，根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻节点编号数组中各节点的运算负荷。其中t大于等于0。

步骤203，计算节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗。

步骤204，依据节点编号数组、节点编号数组中各节点的运算负荷以及节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，自动生成第一交流母线潮流计算等值电路。

需要说明的是，本实施例中步骤201-步骤204同前实施例中的步骤101-步骤104相同，在此发明人不在赘述。

步骤205，根据等值电路，自判断第一交流母线的始端节点和终端节点。

步骤206，依据第一交流母线的始端节点和终端节点，以及节点编号数组，识别正向潮流流通的节点路径和反向潮流流通的节点路径。

以图3为例，本发明包括两条正向潮流流通的节点路径，分别为：

第一节点至第二节点至第三节点直至到第m节点的第一正向节点路径；

第一节点至第m+1节点至第m+2节点直至到第n节点的第二正向节点路径；

还包括两条反向潮流流通的节点路径，分别为：

第m节点至第m-1节点至第m-2节点直至到第二节点，最后至第一节点的第一反向节点路径；

第n节点至第n-1节点至第n-2节点直至到第m+1节点，最后至第一节点的第二反向节点路径。

具体在本实施例中，

第一正向节点路径为：1→2；第二正向节点路径为：1→3→4→……→n。

第一反向节点路径为：2→1；第二反向节点路径为：n→n-1→n-2→……→1。

现有技术中传统潮流计算方法不能自判断交流母线的始端、末端节点，也不能智能识别正、反向潮流流通节点路径，需要人工对每个主变电所管辖的中压交流母线逐一判断、识别，因此算法效率不仅低而且不具备智能化。

本发明由存储的节点编号数组自判断全线每个独立的交流母线的始端、末端节点，然后再综合节点编号数组智能识别其正、反向潮流流通节点路径，本发明智能化程度较高。

步骤207，根据反向潮流流通的节点路径，由终端节点向所述始端节点反算功率。

具体的，根据两条反向潮流流通的节点路径，利用公式S_start＝S_end+ΔS计算反向潮流流通的节点路径的反算功率。

其中， $\mathrm{\&Delta;S}={\left(\frac{S_{\mathrm{end}}}{U_{\mathrm{end}}}\right)}^2(R+\mathrm{jX})=\frac{P_{\mathrm{end}}^2+Q_{\mathrm{end}}^2}{U_{\mathrm{end}}^2}(R+\mathrm{jX});$ S_end、P_end、Q_end、U_end分别为线路或变压器终端节点的视在功率、有功功率和无功功率；R+jX为线路或变压器等效支路阻抗。

在本实施例中，设定第一交流母线各节点初始电压为交流网额定电压，即主变压二次侧额定电压。

对两条反向潮流流通的节点路径反算功率：

对于第一反向节点路径：2→1，其第二节点功率S₂＝S'₂，第二节点和第一节点之间的支路流通的功率为S_2→1＝S'₂+Δs_2→1，该支路功率流入第一节点。

对于第二反向节点路径：n→n-1→n-2→……→1，其第n节点功率S_n＝S'_n，第n节点和第n-1节点之间的支路流通的功率为S_n→n-1＝S'_n+Δs_n→n-1，该支路功率流入第n-1节点，则第n-1节点功率S_n-1＝S'_n+Δs_n→n-1+S'_n-1；对该路径节点功率依次计算，最终可得到第三节点流入第一节点的功率S_3→1。

第一节点功率为数组N_d第一节点和相邻节点之间支路流通功率与自带运算负荷之和，即S₁＝S′₁+S_2→1+S_3→1。

最后可求得第一主变压器的始端节点零功率为：S₀＝S₁+Δs_1→0。

步骤208，根据正向潮流流通的节点路径，由始端节点向所述终端节点正算电压。

具体地，根据两条正向潮流流通的节点路径，利用公式计算正向潮流流通的节点路径的正算电压。

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;U}=\frac{P_{\mathrm{branch}}\&times;R+Q_{\mathrm{branch}}\&times;L}{U_{\mathrm{start}}}\\ \mathrm{\&delta;U}=\frac{P_{\mathrm{branch}}\&times;L-Q_{\mathrm{branch}}\&times;R}{U_{\mathrm{start}}}\end{array}\right.;$ P_branch、Q_branch、U_start分别为线路或变压器支路流通的有功功率、无功功率、始端节点电压；ΔU、δU分别为电压降的纵分量和横分量。

在本实施例中，通常，电压降的横分量δU对计算结果影响很小，因此可以在上述计算公式中忽略该参数。

第一主变压器始端节点的电压U₀已知，根据计算得到的S₀计算ΔU_0→1，则第一节点电压U₁＝U₀-ΔU_0→1。

根据前文计算得到的节点编号数组中相邻节点之间支路流通的功率以及正向潮流流通的节点路径中的第一正向节点路径1→2和第二正向节点路径1→3→4→……→n，由始端节点向终端节点正算电压。

对于第一正向节点路径1→2：根据第一节点电压U₁、第二节点和第一节点之间支路流通的功率S_1→2计算第二节点电压U₂＝U₁-ΔU_1→2。

对于第二正向节点路径1→3→4→……→n：根据第一节点电压U₁、第三节点和第一节点之间支路流通的功率S_1→3计算第三节点电压U₃＝U₁-ΔU_1→3；进而根据第三节点电压U₃、第四节点和第三节点之间支路流通的功率S_3→4计算第四节点电压U₄＝U₃-ΔU_3→4，并依次计算，最终可得到第n节点的电压U_n＝U_n-1-ΔU_n-1→n。

步骤209，利用公式判断计算得到的节点路径中各节点的电压是否收敛。其中ξ为正数。如果不收敛，执行步骤210，如果收敛，直接执行步骤211。

步骤210，以当前各节点电压为初始电压重新反算各节点功率，进而在重新正算各节点电压，如此反复，直到节点路径中各节点的电压均满足 $\max \left\{\right|U_i^{k+1}-U_i^k\left|\right\}<\mathrm{\&xi;}.$

步骤211，结束t时刻中压网络潮流分析计算方法，并输出t时刻潮流分析计算结果，进入下一时刻的中压网络潮流分析计算方法流程。

本发明提供的城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法，可对城市轨道交通任意中压网络进行自适应数学建模及潮流分析计算，从而给城市轨道交通系统各种拓扑结构的中压网络各节点、各线路的电压分布及功率分布情况研究。外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及配电所的数量配置、牵引变电所与配电所的主接线方案设计与验证、能馈装置回馈给交流网的能量分析及管理研究提供了一个强有力的工具。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种城市轨道交通中压网络潮流分析计算方法，应用于中压网络系统，所述中压网络系统包括至少一个主变电所，其中一个所述主变电所至少包括第一主变压器；所述第一主变压器通过第一交流母线连接n台牵引变电所和配电所，所述n为正整数；其特征在于，每台所述牵引变电所与所述第一交流母线的连接点为一节点，每台所述配电所与所述第一交流母线的连接点为一节点，所述方法包括：

依据所述n台牵引变电所和配电所的位置信息，按照预设规则，对所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点进行独立编号，并将编号后的节点存储到节点编号数组中；其中确定所述第一主变压器与所述第一交流母线连接的节点为第一节点；

根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻所述节点编号数组中各节点的运算负荷；t大于等于0；

计算所述节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗；

依据所述节点编号数组、所述节点编号数组中各节点的运算负荷以及所述节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗，自动生成所述第一交流母线潮流计算等值电路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述第一交流母线潮流计算等值电路后，所述方法还包括：

根据所述等值电路，自判断所述第一交流母线的始端节点和终端节点；

依据所述第一交流母线的始端节点和终端节点，以及所述节点编号数组，识别正向潮流流通的节点路径和反向潮流流通的节点路径；

根据所述反向潮流流通的节点路径，由所述终端节点向所述始端节点反算功率；

根据所述正向潮流流通的节点路径，由所述始端节点向所述终端节点正算电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述反向潮流流通的节点路径，由所述终端节点向所述始端节点反算功率包括：

根据所述反向潮流流通的节点路径，利用公式：

S_start＝S_end+ΔS计算所述反向潮流流通的节点路径的反算功率；

其中，

$\mathrm{\&Delta;S}={\left(\frac{S_{\mathrm{end}}}{U_{\mathrm{end}}}\right)}^2(R+\mathrm{jX})=\frac{P_{\mathrm{end}}^2+Q_{\mathrm{end}}^2}{U_{\mathrm{end}}^2}(R+\mathrm{jX});$ 其中S_end、P_end、Q_end、U_end分别为线路或变压器终端节点的视在功率、有功功率和无功功率；R+jX为线路或变压器等效支路阻抗。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述正向潮流流通的节点路径，由所述始端节点向所述终端节点正算电压包括：

根据所述正向潮流流通的节点路径，利用公式：

计算所述正向潮流流通的节点路径的正算电压；

其中，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;U}=\frac{P_{\mathrm{branch}}\&times;R+Q_{\mathrm{branch}}\&times;L}{U_{\mathrm{start}}}\\ \mathrm{\&delta;U}=\frac{P_{\mathrm{branch}}\&times;L-Q_{\mathrm{branch}}\&times;R}{U_{\mathrm{start}}}\end{array}\right.;$ 其中，P_branch、Q_branch、U_start分别为线路或变压器支路流通的有功功率、无功功率、始端节点电压；ΔU、δU分别为电压降的纵分量和横分量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

利用公式判断计算得到的节点路径中各节点的电压是否收敛；其中ξ为正数；

如果不收敛，则以当前各节点电压为初始电压重新反算各节点功率，进而在重新正算各节点电压，如此反复，直到节点路径中各节点的电压均满足 $\max \left\{\right|U_i^{k+1}-U_i^k\left|\right\}<\mathrm{\&xi;};$

如果收敛，结束所述t时刻中压网络潮流分析计算方法，并输出t时刻潮流分析计算结果，进入下一时刻的中压网络潮流分析计算方法流程。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点进行独立编号前，所述方法还包括：

利用公式判断所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点中是否存在与所述第一节点重合的节点；所述第一节点为所述第一主变压器与所述第一交流母线连接的节点；其中l_i为各牵引变电所、配电所的位置信息；l₁为所述第一节点的位置信息；ξ为正数；

当判断所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点中存在与所述第一节点重合的节点时，则不再对与所述第一节点重合的节点进行编号；

当判断所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点中不存在与所述第一节点重合的节点时，以所述第一节点为中心，按照预设规则对所述n台牵引变电所和配电所分别与所述第一交流母线连接的各个节点进行独立编号。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述预设规则包括：以所述第一节点为中心，沿所述第一交流母线的第一方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第m节点，沿所述第一交流母线的第二方向依次将各个节点编号为第m+1节点、第m+2节点直至第n节点；其中，m为大于等于0的整数，m小于等于n；

或，所述预设规则包括：以所述第一节点为中心，沿所述第一交流母线的第一方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第n节点；或，沿所述第一交流母线的第二方向依次将各个节点编号为第二节点、第三节点直至第n节点。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各牵引变电所、配电所的位置信息、各牵引变电所、配电所的参数信息以及各牵引变电所、配电所t时刻的输出功率，计算t时刻所述节点编号数组中各节点的运算负荷包括：

利用公式 $\left\{\begin{array}{c}{S}^{\&prime;}=\sqrt{{\left(P^{\&prime;}\right)}^2+{\left(Q^{\&prime;}\right)}^2}\\ P^{\&prime;}=P^{\&prime;\&prime;}+\mathrm{\&Delta;P}\\ Q^{\&prime;}=Q^{\&prime;\&prime;}+\mathrm{\&Delta;Q}\end{array}\right.$ 分别计算所述节点编号数组中各节点的运算负荷；

其中，S'为所述牵引变电所或配电所的运算负荷；P'、Q′分别为牵引变电所变压器或配电所变压器高压侧的有功功率和无功功率；ΔP、ΔQ分别为牵引变电所变压器或配电所变压器的有功损耗和无功损耗；P"、Q"分别为牵引变电所变压器或配电所变压器低压侧的有功功率和无功功率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述配电所变压器低压侧的有功功率和无功功率由输入直接得到；

所述牵引变电所变压器低压侧的有功功率和无功功率根据公式：

计算得到；

其中，T_j为第j个牵引变电所变压器变比；V_dj、I_dj为第j个牵引变电所直流母线电压、电流；为功率因素角；B为换流器桥数；γ_j为换流器类型，其中γ_j＝1表示为整流器；θ为整流器触发角；X_cj为换流器换相电抗；V_acj为牵引变电所交流侧电压。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述节点编号数组中相邻节点之间的线性阻抗包括：

将所述节点编号数组中相邻节点间的位置距离与单位长度中压网络线路阻抗相乘。