CN107609262B - 一种城市轨道交通负荷功率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市轨道交通技术领域，具体涉及一种城市轨道交通负荷功率的计算方法，轨道交通负荷功率是牵引站总复功率、降压站总功率、主变电所变压器的无功损耗和电缆充电功率之和，通过计算牵引站总复功率、降压站总功率、主变电所变压器的无功损耗和电缆充电功率即可得到轨道交通负荷，本发明提供了一种城市轨道交通负荷功率的计算方法，通过计算城市轨道交通的负荷功率，可以全面了解城市轨道交通电能质量运行水平，以便准确把握轨道交通负荷的电能质量发射和传递特性，开展城市轨道交通负荷接入电网建模仿真及测试评估技术研究，为保障城市轨道交通负荷的安全供电及运行提供技术支撑和量化标准。

Description

一种城市轨道交通负荷功率的计算方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通技术领域，具体涉及一种城市轨道交通负荷功率的计算方法。

背景技术

随着我国城市规模的不断扩大以及经济建设快速发展，城市化进程在逐步加快，城市人口急剧增加，交通需求急剧增长，城市交通供需矛盾日趋紧张，道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象已经成为限制城市发展的“瓶颈”问题。城市轨道交通凭借快速、便捷、安全、运量大和运输效率高等特性，成为我国大中型城市解决交通拥堵问题的有效途径。据中国城市轨道交通协会发布的《城市轨道交通2016年度统计和分析报告》指出：截至2016年年底，中国大陆地区共有30个城市开通运营城市轨道交通，共计133条线路，运营线路总长度达4152.8公里。2016年度新增运营线路长度达534.8公里，首次超过500公里，同比增长20.2％。2016年，中国大陆地区城轨交通完成投资3847亿元，在建线路总长5636.5公里，均创历史新高。截至2016年底，共有58个城市的城轨线网规划获批(含地方政府批复的14个城市)，规划线路总长达7305.3公里。可见，我国城市正在经历着城市轨道交通快速发展的阶段。

由于城市轨道交通负荷的牵引变流机组以及降压站的照明、电梯、空调等设备均是典型的谐波污染源，谐波电流在配电网中传递，不仅会造成额外的功率损耗，还会造成供用电设备使用寿命的减少。同时牵引电网中含有大量的供电电缆，不仅会产生容性无功功率注入系统，还会随增加对谐波电流谐振放大的风险，给电网的安全稳定和经济运行造成威胁。为了全面了解城市轨道交通电能质量运行水平，准确把握轨道交通负荷的电能质量发射和传递特性，有必要研究一种计算城市轨道交通负荷功率，以便开展城市轨道交通负荷接入电网建模仿真及测试评估技术研究，为保障城市轨道交通负荷的安全供电及运行提供技术支撑。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种城市轨道交通负荷功率的计算方法，具体技术方案如下：

一种城市轨道交通负荷功率的计算方法包括以下步骤：

(1)确定单个牵引站的牵引复功率

根据列车的电机功率、编组方式、载荷率以及列车运行图确定单个牵引站的牵引复功率设每个牵引站的最大功率扰动水平相同，则：

其中，P_牵引为该牵引站的牵引有功功率，Q_牵引为该牵引站的牵引无功功率；

(2)设主变供电区间内牵引站个数为k，牵引站功率的同时率为α，则k个牵引站总复功率为：

(3)已知单个降压站功率为主变供电区间内降压站个数为l，则l个降压站的总功率为：

其中，为第m个降压站功率，P_降压,m为第m个降压站的有功功率，Q_降压,m为第m个降压站的无功功率；

(4)电缆充电功率Q_c：

其中，U为电缆两端的电压，C为电缆的电容值，L为电缆的长度，ε为电缆单位长度的充电电容值，f为流过电缆的电流的频率；

其中，C＝L×ε；⑤

(5)主变电所变压器的无功损耗Q_T,损：

Q_T,_损＝S_T,主变×U_k(％)×η²；⑥

其中，S_T,主变为主变电所变压器容量，U_k(％)为短路电压百分比，η为主变电所变压器负载率；(6)轨道交通负荷功率是牵引站总复功率降压站总功率主变电所变压器的无功损耗Q_T,损和电缆充电功率Q_c之和，即轨道交通负荷功率为：

进一步，所述步骤(1)确定牵引站的牵引复功率包括以下步骤：

1)根据列车编组方式，确定列车由a台动车和b台拖车组成，每台动车上安装c台电机，每台电机的额定功率为P_电机，则列车的额定功率P为：

P＝a×c×P_电机；⑧

2)计算列车的牵引复功率

其中P为列车的额定功率，η₁为列车牵引电机齿轮传动效率；η₂为电机效率；η₃为逆变器效率，为电机功率因数；

3)计算牵引站的牵引复功率

设牵引站左右相邻供电区间内所有列车的牵引功率有50％来自该牵引站，另外50％来自与该牵引站相邻的两个牵引站，则该牵引站的牵引复功率为：

其中，N为该牵引站左右相邻供电区间内列车数量；为相邻两供电区间内第n辆列车的牵引复功率。

进一步，所述计算牵引站的牵引复功率的另一种计算方式包括以下步骤：

(1)设超员状态下列车的最大牵引复功率为列车的牵引复功率的d倍，则列车的最大牵引复功率为：

(2)列车在加速到最大速度时，列车的牵引复功率达到最大，为设每辆列车载荷状态相同，即列车的最大牵引复功率相同，则设λ为列车启动的同时率，λ为表示两供电区间内所有列车同时启动的量值，则：

其中，N为该牵引站左右相邻供电区间内列车数量。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种城市轨道交通负荷功率的计算方法，可以计算城市轨道交通的负荷功率，可以全面了解城市轨道交通电能质量运行水平，以便准确把握轨道交通负荷的电能质量发射和传递特性，开展城市轨道交通负荷接入电网建模仿真及测试评估技术研究，为保障城市轨道交通负荷的安全供电及运行提供技术支撑和量化标准。

附图说明

图1为本发明的计算流程图；

图2为本发明中轨道交通列车牵引特性曲线示意图；

图3为本发明中轨道交通牵引供电系统的结构示意图；

图4为城市轨道交通列车运行图的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种城市轨道交通负荷功率的计算方法包括以下步骤：

1、确定单个牵引站的牵引复功率

根据列车的电机功率、编组方式、载荷率以及列车运行图确定单个牵引站的牵引复功率设每个牵引站的最大功率扰动水平相同，则：

其中，P_牵引为该牵引站的牵引有功功率，Q_牵引为该牵引站的牵引无功功率；

具体步骤包括：

(1)根据列车编组方式，确定列车由a台动车和b台拖车组成，每台动车上安装c台电机，每台电机的额定功率为P_电机，则列车的额定功率P为：

P＝a×c×P_电机；②

例如，某地铁1号线列车采用B型车，列车采用Tc-Mp-M-M-Mp-Tc形式的6节编组，其中有4节动车，2节拖车，每节动车上装有4台电机，4节动车共16台电机，每台电机的额定功率P_电机为170kW，列车的额定功率P为：

P＝a×c×P_电机＝4×4×180＝2880kW＝2.88MW；③

(2)轨道交通列车的牵引性能取决于给定速度下的加速能力，其牵引特性曲线如图2所示，曲线主要分为三个阶段，即恒力区、恒功率区和自然特性。列车在起动开始到某一速度内为恒力区，列车具有恒定的牵引力，速度逐渐增大，牵引功率逐渐增大，均牵引功率达到最大值之后，进入恒功率区，牵引力与速度成反比，牵引功率保持不变。当列车速度达到最大后，牵引电机电压保持恒定，采取降低功率的方法减小列车的运行速度，这一区域为自然特性区。综上所述，列车运行到恒力区终端时，列车的牵引复功率达到最大。在运行过程中，列车在不同的时间段会有不同的运载负荷，即载荷率，而列车的牵引复功率与其载荷工况有关系。载荷工况可以分为如下表1中的四种情况：

表1轨道交通列车载荷工况

载荷状态	解释说明
		AW0	空载，无乘客，列车完全满足运营要求
AW1	满座载荷，所有固定座位均被乘客坐满
		AW2	定员载荷
AW3	超员载荷

在AW1载荷状态下，列车运行过程中的最大牵引功率约等于电机的额定功率。根据相关调研和统计，列车在定员载荷和超员载荷条件下的负载率可达到150％，由于在潮流计算过程中，需要获得列车从直流牵引网获取的复功率，即包含有功率和无功功率，则列车的牵引复功率计算公式如下：

其中P为列车的额定功率，η₁为列车牵引电机齿轮传动效率；η₂为电机效率；η₃为逆变器效率，为电机功率因数；η₁可取0.975，η₂为0.93，η₃为0.98，为0.98。

(3)计算牵引站的牵引复功率

轨道交通牵引供电系统通用模型是牵引供电计算的依据，轨道交通牵引供电系统一般为多导线系统，轨道交通牵引供电系统主要由上行接触网、下行接触网、上行钢轨、下行钢轨组成，如图3所示，轨道交通牵引供电系统下面是道床和隧道钢筋，轨道交通列车在线路上取流来自与接触网连成一体的同一供电区间所有牵引变电所。而传统的供电计算方法为：根据运行图截面法做牵引供电计算时，每次计算仅仅涉及两个变电所，认为正常双边供电时，列车仅从相邻的左右两个牵引变电所取流。为方便计算采用第二种供电计算方法，设牵引站左右相邻供电区间内所有列车的牵引功率有50％来自该牵引站，另外50％来自与该牵引站相邻的两个牵引站，则该牵引站的牵引复功率为：

其中，N为该牵引站左右相邻供电区间内列车数量；为相邻两供电区间内第n辆列车的牵引复功率。

为计算牵引站的最大功率，可以做进一步简化，由轨道交通牵引负荷理论可知，列车在加速到最大速度时，列车的牵引复功率达到最大，为设每辆列车载荷状态相同，即列车的最大牵引复功率相同，则设λ为列车启动的同时率，λ为表示两供电区间内所有列车同时启动的量值，λ＝1，表示所有列车同时启动，运动状态相同，则：

其中，列车启动的同时率λ为牵引站内所有列车同时启动的衡量值，可由城市轨道交通列车运行图上该牵引站内列车运行情况决定，一般取值为0.5；N为该牵引站左右相邻供电区间内列车数量，可由城市轨道交通列车运行图上在某一时刻，该牵引站左右相邻供电区间内所有列车数得到。

其中的计算方式为：设超员状态下列车的最大牵引复功率为列车的牵引复功率的d倍，则列车的最大牵引复功率为：

如上所述，列车在定员载荷和超员载荷条件下的负载率可达到150％，即d＝1.5，则

2、设主变供电区间内牵引站个数为k，牵引站功率的同时率为α，则k个牵引站总复功率为：

牵引站功率的同时率α为牵引站功率同时达到最大值的衡量值，可由城市轨道交通列车运行图的列车运行情况决定，一般取值为0.6；

3、已知单个降压站功率为主变供电区间内降压站个数为l，则l个降压站的总功率为：

其中，为第m个降压站功率，P_降压,m为第m个降压站的有功功率，Q_降压,m为第m个降压站的无功功率；

4、电缆充电功率Q_c：

其中，U为电缆两端的电压，C为电缆的电容值，L为电缆的长度，ε为电缆单位长度的充电电容值，f为流过电缆的电流的频率，其中，C＝L×ε；参数U、C、L、ε、f从轨道交通的设计方案中得知。

5、主变电所变压器的无功损耗Q_T,损：

其中，S_T,主变为主变电所变压器容量，U_k(％)为短路电压百分比，η为主变电所变压器负载率；其中，S_T,主变、U_k(％)、η可从主变电所变压器的铭牌中得知。

6、轨道交通负荷功率是牵引站总复功率降压站总功率主变电所变压器的无功损耗Q_T，损和电缆充电功率Q_c之和，即轨道交通负荷功率为：

即：

城市轨道交通列车运行图如图4所示，图4为列车运行20分钟的列车运行图，将坐标原理的思想应用于列车的运行控制中，就形成了城市轨道交通列车运行图。列车运行图上运行方向通过线段的方向来说明，下行列车的运行线由左上方向右下方倾斜，如图4中的实线表示下行列车的运行线，上行列车的运行线由左下方向右上方倾斜，如图4中的虚线表示上行列车的运行线，

在城市轨道交通列车运行图中采用车站和时间的坐标关系，其中横坐标代表时间，纵轴表示车站中心线，垂直的等分线将时间分为不同的时间段，而水平的等分线代表不同的车站中心。城市轨道交通列车运行图中的斜线用于模拟列车的运行轨迹，城市轨道交通列车运行图中垂直线和水平线表示列车到达该站的时间，其中包括出发时间、到达时间以及停留时间。其中，列车启动的同时率λ、牵引站左右相邻供电区间内列车数量N、牵引站功率的同时率α可由城市轨道交通列车运行图计算获取。

本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种城市轨道交通负荷功率的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)确定单个牵引站的牵引复功率

根据列车的电机功率、编组方式、载荷率以及列车运行图确定单个牵引站的牵引复功率设每个牵引站的最大功率扰动水平相同，则：

其中，P_牵引为该牵引站的牵引有功功率，Q_牵引为该牵引站的牵引无功功率；

(2)设主变供电区间内牵引站个数为k，牵引站功率的同时率为α，则k个牵引站总复功率为：

(3)已知单个降压站功率为主变供电区间内降压站个数为l，则l个降压站的总功率为：

其中，为第m个降压站功率，P_降压,m为第m个降压站的有功功率，Q_降压,m为第m个降压站的无功功率；

(4)电缆充电功率Q_c：

其中，U为电缆两端的电压，C为电缆的电容值，L为电缆的长度，ε为电缆单位长度的充电电容值，f为流过电缆的电流的频率；

其中，C＝L×ε；⑤

(5)主变电所变压器的无功损耗Q_T,损：

Q_T,损＝S_T,主变×U_k(％)×η²；⑥

其中，S_T,主变为主变电所变压器容量，U_k(％)为短路电压百分比，η为主变电所变压器负载率；

(6)轨道交通负荷功率是牵引站总复功率降压站总功率主变电所变压器的无功损耗Q_T,损和电缆充电功率Q_c之和，即轨道交通负荷功率为：

2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通负荷功率的计算方法，其特征在于：所述步骤(1)确定牵引站的牵引复功率包括以下步骤：

1)根据列车编组方式，确定列车由a台动车和b台拖车组成，每台动车上安装c台电机，每台电机的额定功率为P_电机，则列车的额定功率P为：

P＝a×c×P_电机；⑧

2)计算列车的牵引复功率

其中P为列车的额定功率，η₁为列车牵引电机齿轮传动效率；η₂为电机效率；η₃为逆变器效率，为电机功率因数；

3)计算牵引站的牵引复功率设牵引站左右相邻供电区间内所有列车的牵引功率有50％来自该牵引站，另外50％来自与该牵引站相邻的两个牵引站，则该牵引站的牵引复功率为：

其中，N为该牵引站左右相邻供电区间内列车数量；为相邻两供电区间内第n辆列车的牵引复功率。

3.根据权利要求2所述的一种城市轨道交通负荷功率的计算方法，其特征在于：所述计算牵引站的牵引复功率的另一种计算方式包括以下步骤：

(1)设超员状态下列车的最大牵引复功率为列车的牵引复功率的d倍，则列车的最大牵引复功率为：

(2)列车在加速到最大速度时，列车的牵引复功率达到最大，为设每辆列车载荷状态相同，即列车的最大牵引复功率相同，则设λ为列车启动的同时率，λ为表示两供电区间内所有列车同时启动的量值，则：

其中，N为该牵引站左右相邻供电区间内列车数量。