CN107590343B - 一种轨道交通全线路仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轨道交通全线路仿真系统，仿真系统包含一条轨道交通直流线路，连接了至少一个牵引站，牵引站之间包含线路等效电阻，牵引站内包含整流机组、能量回馈装置与交流电网，仿真系统中还包含至少一个等效电流源，等效电流源的电流数值由直流线路上运行机车的状态决定，自动根据机车的位置、重量、运行方向、运行速度计算，本发明通过等效电流源模拟机车刹车制动和启动的能量，并在每个牵引站设置了能量回馈装置，可实现对整条线路电压电流情况的仿真模拟，验证能量回馈装置配置容量是否能够满足要求。

Description

一种轨道交通全线路仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明应用于轨道交通领域，特别涉及一种应用于轨道交通全线路仿真系统。

背景技术

轨道交通领域中存在再生能量利用的需求，机车运行过程中进站时刻，刹车制动的能量将反馈给牵引网，优先被相邻车吸收利用，当产生的再生电能不能被相邻车利用时，列车制动将继续抬升直流牵引网网压，当达到设置在变电所的能量回馈装置的整定值时，该装置投入，开始吸收再生电能。在系统设计时，需要计算能量回馈装置的配置容量即最大回馈电流是否能够满足要求，容量配置过高产生浪费，配置低会造成直流母线电压过高，直流牵引网上的设备会因为过压损坏，因此需要校验再生能量回馈装置在牵引站中的配置容量。

整条直流牵引线路中包含多个牵引站，每个牵引站之间包含线路等效电阻，机车在运行过程中，机车位置和速度不同，使得各个参数耦合在一起，难以计算，能量回馈装置的引入使系统复杂度更高，很难通过理论计算的方式给出配置容量的计算，无法给出整条线路直流电压的变化趋势，目前也没有满足上述需求的解决方案，针对上述缺陷，本发明提出搭建全线路仿真系统，包含整条线路的主要设备，可校验能量回馈设备的容量配置。

发明内容

本发明的目的，在于设计一种轨道交通全线路仿真系统及仿真方法，可实现对全线直流线路电压、电流情况的实时仿真，校验能量回馈装置的容量配置是否满足要求。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种轨道交通全线路仿真系统，所述仿真系统包含一条轨道交通直流线路，所述直流线路连接了至少一个牵引站，牵引站之间包含线路等效电阻，所述牵引站内包含整流机组、能量回馈装置与交流电网，所述能量回馈装置的交流侧与交流电网连接，直流侧与直流线路连接，所述仿真系统中还包含至少一个等效电流源，所述等效电流源与直流线路连接，所述等效电流源的电流数值由直流线路上运行机车的状态决定，自动根据机车的位置、重量、运行方向、运行速度计算，当机车减速时，电流由直流线路的负极流入直流线路的正极，当机车加速时，由直流线路的整极流入直流线路的负极。

所述等效电阻的阻值由机车当前运行位置与牵引站之间的相对位置决定，阻值由相对位置之间的距离与单位长度的阻值相乘计算获得，是随时间变化的变量。

上述仿真模型的第一种具体实现方式：所述直流线路、等效电阻、牵引站中的整流机组、交流电网与等效电流源均为模拟仿真系统中的数值等效模型，所述能量回馈装置也为模拟仿真系统中的数值等效模型，通过电流源方式进行模拟，电流源的数值模拟能量回馈电流。

上述仿真模型的第一种具体实现方式：所述直流线路、等效电阻、牵引站中的整流机组、交流电网与等效电流源均为实时仿真系统中的数值等效模型，所述能量回馈装置为实体物理控制器，可自动检测直流电压，控制输出至交流电网的回馈电流。

所述回馈电流可设定限值，所述回馈电流设定限值由能量回馈装置的最大输出电流决定，当回馈电流达到限制时，即使直流电压继续上升，装置也以最大输出电流恒流输出。

本发明还公开了一种轨道交通全线路仿真系统的仿真方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)根据机车的位置、重量、运行方向、运行速度计算获得等效电流源的电流方向以及电流数值；

(2)由于等效电流源电流数值的变化，直流线路各个位置的直流电压值变化，所述牵引站内的能量回馈装置根据实时检测的电压值向交流电网回馈电流；

(3)记录直流线路上各个点的直流电压值，以及回馈电流值；

(4)根据回馈电流值计算回馈累积电能

(5)生成各个点的直流电压值以回馈累积电能的记录曲线。

其中所述方法步骤(2)中具体实现逻辑为：当电压大于第一设定值时，所述能量回馈装置开始向交流电网回馈电流，回馈电流设定限值，所述回馈电流设定限值由能量回馈装置的最大输出电流决定；当电压小于第二设定值时，所述能量回馈装置停止工作，回馈电流为0，所述第二设定值小于第一设定值。

进一步地，线路上的牵引站中的能量回馈装置的第一设定值与第二设定值可设置为相同。

另一种方式：当线路上有机车处于刹车状态时，牵引站中的能量回馈装置的第一设定值与第二设定值由装置所在牵引站与机车之间的距离相关，距离越远，第一设定值与第二设定值的数值越大。

上述方法步骤(4)中具体计算回馈累积电能的方法为：回馈电流与回馈电流处的交流电压相乘后获得回馈功率，回馈功率对时间进行积分获得回馈电能。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出采用等效电流源的方式以解决机车行进过程中动能与电能的变化关系，通过电流的方向模拟加速状态和减速状态，方法简单，易于实现。

(2)通过该仿真系统模拟全线路机车刹车、运行、启动时能量传输过程直流母线电压波动情况，并且通过该仿真系统，可以分析配置能量回馈装置的容量配置是否合理：

(3)本发明中能量回馈装置根据实时直流电压作为装置启动判据，回馈电流采用仿真实时计算电流，仿真结果真实可靠，可模拟出直流线路电压变化的趋势。

(4)本发明提出每个牵引站中能量回馈装置的启动值不相同，由距离决定，距离越远，启动值越高，这种方式可以使机车的刹车能量优先由就近的能量回馈装置回馈，有利于提高能量回馈装置的回馈效率。

(5)本发明提供的方案还能够计算能量回馈装置向交流电网回馈累积电能，可作为节能效果评估的重要依据。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的实现过程进行详细说明。

一种轨道交通全线路仿真系统，所述仿真系统包含一条轨道交通直流线路，所述直流线路连接了至少一个牵引站，牵引站之间包含线路等效电阻，在本实施中本发明应用于轨道交通的地铁直流牵引线路，直流电压额定值为1500V，在本实施例中包括N个牵引站，N＝2，两个牵引站之间包含线路等效电阻，本实施例中根据线路参数分两个线路等效电阻，每个牵引站内包含整流机组与交流电网，所述牵引站还包含一个能量回馈装置。

本实施例仿真系统中还包含三个等效电流源，等效电流源与直流线路连接，所述等效电流源的电流数值由直流线路上运行机车的状态决定，自动根据机车的位置、重量、运行方向、运行速度计算，当机车减速时，电流由直流线路的负极流入直流线路的正极，当机车加速时，由直流线路的整极流入直流线路的负极。在本实施例中，等效电流源1等效一列机车正在由牵引站2向牵引站1行驶，处于刹车制动状态，处于下行方向；等效电流源2等效一列机车由牵引站1向牵引站2行驶，处于加速状态，处于上行方向；等效电流源3等效一列机车由牵引站1向牵引站2行驶，处于刹车制动状态，处于上行方向。

等效电阻的阻值由机车当前运行位置与牵引站之间的相对位置决定，阻值由相对位置之间的距离与单位长度的阻值相乘计算获得，是随时间变化的变量，本实施例中等效电流源1与牵引站1实时距离假设为1.2km，每km等效阻抗为0.03Ω，该电阻阻值为0.036Ω，该值在下一时刻随着机车位置变化而变化。

下述具体描述实现方式：

其中一种实现方案是：所述直流线路、等效电阻、牵引站中的整流机组、交流电网与等效电流源均为模拟仿真系统中的等效模型，所述能量回馈装置为数值仿真系统中的等效模型，通过电流源方式进行模拟，电流源的数值模拟能量回馈电流，回馈电流设定限值，所述回馈电流设定限值由能量回馈装置的最大输出电流决定，该实现方案可借助电力系统仿真软件实现，如EMTDC/PSCAD,仿真系统为非实时仿真系统，通过数学模型等效的虚拟方式实现。

其中另一种实现方案是，所述直流线路、等效电阻、牵引站中的整流机组、交流电网与等效电流源均为实时仿真系统中的等效模型，所述能量回馈装置为物理实体控制器。该实现方案可借助如RTDS实时仿真系统，其中能量回馈装置采用真实的控制装置，仿真为实时仿真，运行时间为真实时间，速度更快，这种方式成本较高。

本发明公开了一种轨道交通全线路仿真系统的仿真方法：所述方法包括如下步骤：

(1)根据机车的位置、重量、运行方向、运行速度计算获得等效电流源的电流方向以及电流数值。本实施例中机车1与机车3处于减速状态，机车2处于加速状态，电流源方向与状态对应。

(2)由于等效电流源电流数值的变化，直流线路各个位置的直流电压值变化，所述牵引站内的能量回馈装置根据实时检测的电压值向交流电网回馈电流；

在本实施例中，牵引站1由于下行的机车处于刹车状态，电流源的方向是流入正极母线，牵引站1中能量回馈装置的启动门槛第一设定值为1670V，返回门槛第二设定值为1650V,牵引站2距离较远，牵引站2中的能量回馈装置的启动门槛第一设定值为1690V，返回门槛第二设定值为1670V.

当牵引站1中的能量回馈装置检测到直流电压超过第一设定值1670V,能量回馈装置开始向交流电网回馈电流，电流的设定限制为33A，即使直流电压超过1670V后继续上升，能量回馈装置最大输出33A，以33A恒流输出，如果直流电压继续上升，达到牵引站2的能量回馈装置的第一设定值1690V后，能量回馈装置向电网回馈电流，对牵引线路直流电压进行限制，当刹车结束时，直流电压值低于第二设定值后，能量回馈装置停止工作。

(3)记录直流线路上各个点的直流电压值，以及回馈电流值；

(4)根据回馈电流值计算回馈累积电能

(5)生成各个点的直流电压值以回馈累积电能的记录曲线。

生成直流电压记录曲线后，可根据曲线直观的观察到整条牵引线路直流电压的情况，本实施例中，假设直流电压最高允许值为1950V,如果仿真结果中出现了某个牵引站的直流电压超过最高允许值，即可认为能量回馈装置的配置容量不够，无法将机车的刹车制动能量消耗掉，再在模型中重新设定能量回馈装置的额定功率，在本实施例中可将额定功率2MW调整到3MW，电流限值为45A，重新进行仿真校验，通过反复校验，可获得能量回馈装置的最优容量配置。同时，还能够计算能量回馈装置向交流电网回馈累积电能，可作为节能效果评估的重要依据。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轨道交通全线路仿真系统的仿真方法，所述轨道交通全线路仿真系统包含一条轨道交通直流线路，所述直流线路连接了至少一个牵引站，牵引站之间包含线路等效电阻，所述牵引站内包含整流机组、能量回馈装置与交流电网，所述能量回馈装置的交流侧与交流电网连接，直流侧与直流线路连接，所述仿真系统中还包含至少一个等效电流源，所述等效电流源与直流线路连接，所述等效电流源的电流数值由直流线路上运行机车的状态决定，自动根据机车的位置、重量、运行方向、运行速度计算，当机车减速时，等效电流源的电流由直流线路的负极流入直流线路的正极，当机车加速时，等效电流源的电流由直流线路的正极流入直流线路的负极；所述等效电阻的阻值由机车当前运行位置与牵引站之间的相对位置决定，阻值由相对位置之间的距离与单位长度的阻值相乘计算获得，是随时间变化的变量；所述能量回馈装置根据实时直流电压作为装置启动判据，启动值由牵引站与机车之间的距离决定，距离越远，启动值越高；其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)根据机车的位置、重量、运行方向、运行速度计算获得等效电流源的电流方向以及电流数值；

(2)由于等效电流源电流数值的变化，直流线路各个位置的直流电压值变化，所述牵引站内的能量回馈装置根据实时检测的电压值向交流电网回馈电流；

(3)记录直流线路上各个点的直流电压值，以及回馈电流值；

(4)根据回馈电流值计算回馈累积电能；

(5)生成各个点的直流电压值以回馈累积电能的记录曲线。

2.如权利要求1所述的一种轨道交通全线路仿真系统的仿真方法，其特征在于：所述方法步骤(2)中具体实现逻辑为：当电压大于第一设定值时，所述能量回馈装置开始向交流电网回馈电流，回馈电流设定限值，所述回馈电流设定限值由能量回馈装置的最大输出电流决定；当电压小于第二设定值时，所述能量回馈装置停止工作，回馈电流为0，所述第二设定值小于第一设定值。

3.如权利要求2所述的一种轨道交通全线路仿真系统的仿真方法，其特征在于，线路上的牵引站中的能量回馈装置的第一设定值与第二设定值设置为相同。

4.如权利要求2所述的一种轨道交通全线路仿真系统的仿真方法，其特征在于，当线路上有机车处于刹车状态时，牵引站中的能量回馈装置的第一设定值与第二设定值由装置所在牵引站与机车之间的距离相关，距离越远，第一设定值与第二设定值的数值越大。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种轨道交通全线路仿真系统的仿真方法，其特征在于：所述方法步骤(4)中具体计算回馈累积电能的方法为：回馈电流与回馈电流处的交流电压相乘后获得回馈功率，回馈功率对时间进行积分获得回馈电能。

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