CN110190603B - 基于pscada实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统及方法，系统包括供电系统拓扑分析单元、牵引计算单元、运行图生成单元和交直流潮流计算单元；首先读取电力监控系统PSCADA实时数据；然后依次启动拓扑分析接口，启动牵引计算接口，启动运行图生成接口，启动交直流潮流计算接口，计算全线的潮流分布，统计相关指标，若超过安全指标阈值，则调整运行图参数，返回启动牵引计算接口步骤，否则记录当前系统运行工况及当前运行图参数；最后通过改变开关开合情况调整系统的运行工况，包括主变电所解列和牵引变电所解列等，重复以上步骤。本发明能够计算城市轨道供电系统在应急工况下的最大排车能力，为应急工况下的行车调度提供技术支撑。

Description

基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统及方法

技术领域

本发明涉及电力调度技术领域，具体为基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统及方法。

背景技术

随着城市轨道交通建设的大力推进，轨道交通的路网结构网络化程度越来越高，国内多个城市先后步入网络化运营时期。城市轨道交通的客流量越来越大，发车密度越来越小，在此背景下，供电系统对可靠性有着更高的需求。然而在实际运营中，电力调度人员更多地依赖过往经验进行调度决策，在面临一些应急工况时，如牵引变电所故障，系统大双边供电等，决策往往犹豫不决。

潮流计算是指导电力调度的重要手段，在城市轨道交通中，潮流计算也称为牵引供电计算。城市轨道牵引供电计算一般将城市轨道供电系统交流侧和直流侧分开交替迭代，最终以交流侧收敛或直流侧收敛为最终收敛条件。

目前国内外已有不少成熟的软件能够进行城市轨道牵引供电计算的软件。这类软件基本上是在人机交互界面上进行操作，首先根据软件提供的设备图元搭建城市轨道供电系统，然后执行供电计算算法，这种模式存在以下不足之处：①为了减少计算时间，设备图元的建模往往进行了大量简化，忽略了开关刀闸部分；②当系统的运行工况发生改变时，需要在人机交互界面手动调整设备图元的状态信息，效率比较低下。

随着计算机技术和电力电子技术的发展，电力监控系统PSCADA在轨道交通中得到了广泛应用，PSCADA的实时数据库管理系统中存有供电系统中的设备信息，同时PSCADA能够监测供电系统各开关的开合状态信息，配电变电器的功率信息等。只要设计好相关信息转换接口，就能够从PSCADA获取城市轨道牵引供电计算所需的输入条件，开发相关算法包嵌入PSCADA中，调用该算法包，读入某一时刻供电系统的断面信息，在PSCADA的操作环境下，能够快速计算出供电系统的潮流分布，且能够提供良好的信息交互，为调度运行人员实现安全运行、经济调度提供技术支撑。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够为城市轨道供电系统的调度运行人员做行车调度决策提供一定的技术支撑的基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统及方法。技术方案如下：

一种基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统，包括供电系统拓扑分析单元、牵引计算单元、运行图生成单元和交直流潮流计算单元；

供电系统拓扑分析单元根据从电力监控系统PSCADA读取到的供电系统开关的开合状态信息，得到供电系统拓扑结构和变电所的运行状态；

牵引计算单元对单车进行牵引计算，输出单车在线路上运行的时间-距离曲线及时间-取流曲线；

运行图生成单元根据牵引计算单元的输出结果，将发车间隔作为输入条件，进行运行图的铺画，得到列车运行图；

交直流潮流计算单元读入供电系统拓扑结构，扫描某一时刻的列车运行图，得到该时刻下全线列车的位置分布及取流信息；根据所述输入条件进行连续潮流计算，得到一个发车间隔内全线的潮流分布；根据所述潮流分布，统计出相关的安全指标。

进一步的，所述安全指标包括：主变电所负载率η_main、中压网络电压偏差率ΔU、牵引变电所的负载率η_trac、列车运行区间牵引网网压U_ocs、列车运行区间钢轨电位U_rail和馈线电流I_i。

更进一步的，所述列车运行图包括列车的位置及取流信息。

一种基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策方法，包括以下步骤：

步骤1：读取电力监控系统PSCADA的实时数据，包括实时数据库系统中的设备信息，以及量测信息中的各开关开合状态、配电变压器功率和等值负荷功率；

步骤2：启动供电系统拓扑分析接口，根据供电系统开关的开合状态，结合变电所的运行状态，给出供电系统拓扑结构；

步骤3：启动牵引计算接口，对单车进行牵引计算，得到单车在线路上运行的时间-距离曲线及时间-取流曲线；

步骤4：启动运行图生成接口，根据牵引计算的输出结果，将发车间隔作为输入条件，进行运行图的铺画，得到列车运行图；

步骤5：启动交直流潮流计算接口，读入供电系统拓扑结构，扫描某一时刻的运行图，得到该时刻下全线列车的位置分布及取流信息，由上述输入条件进行连续潮流计算，得到一个发车间隔内全线的潮流分布；根据所述潮流分布，统计各安全指标；取各安全指标的最大值，如果某个安全指标的最大值超过对应的安全值阈值，则按照n秒的步长增大发车间隔，返回步骤3；否则输出当前供电系统运行工况及发车间隔；

步骤6：通过调整供电系统的开关状态，使供电系统处于应急工况，重新步骤1-5。

更进一步的，所述步骤1中，将公共信息模型CIM引入城市轨道交通供电系统建模中，以实现PSCADA实时数据的导入导出；将CIM分为多个包，包括核心包和拓扑包，核心包中包括设备容器和导电设备；拓扑包是核心包的拓展，通过定义终端和连接节点来描述供电系统中的设备的连接关系，从而构成供电网络；通过CIM/XML文档的导入导出，实现CIM的数据转换。

更进一步的，所述步骤2中拓扑分析采用分层搜索法，具体包括：

步骤1)构建一个虚拟节点连接所有的外部电源，；

步骤2)遍历各变电所内的带电设备，包括母线、变压器和整流机组；根据拓扑节点的连接关系得到各带电设备的连接关系，搜索连接路径上的开关，根据开关的开合状态得到各带电设备的连接状态；

步骤3)遍历主变电所进线上的所有开关，假定外部电源正常运行，根据开关开合状态得到主变电所高压侧母线带电情况，结合步骤2)分析结果，得到主变电所运行状态，存入相应容器；

步骤4)如果所有主变电所都解列，则拓扑分析结束，否则遍历所有牵引变电所和降压变电所，从牵引变电所和降压变电所高压侧母线出发，按照“母线—开关—母线”的顺序进行递归搜索，判断其高压侧母线与未解列的主变电所低压侧母线是否相连，根据连接路径上开关的开合状态，结合步骤2)得到各牵引变电所和降压变电所的运行状态，存入相应容器。

本发明的有益效果是：本发明根据电力监控系统PSCADA的实时数据库管理系统中的设备信息进行建模，当系统中的设备增加或者减少，系统的建模能够及时地作出调整；根据量测信息中的开关开合状态进行供电系统的拓扑分析，建模更加精细化；在PSCADA的平台上运行程序，计算速度快，且计算结果能够显示在人机交互界面上，信息交互快捷方便。

附图说明

图1为本发明所述城市轨道供电系统设备及层次关系图。

图2为本发明所述基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统不同运行工况下行车安排决策系统计算步骤框图。

图3为本发明所述某城市轨道交通供电系统图。

图4为本发明所述某城市轨道交通主变电所供电系统图。

图5为本发明所述某城市轨道交通牵引变电所供电系统图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明的技术方案提出了一种基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统应急工况下行车安排决策系统，包括供电系统拓扑分析单元、牵引计算单元、运行图生成单元和交直流潮流计算单元；供电系统拓扑分析单元根据从电力监控系统PSCADA读取到的供电系统开关的开合状态信息，结合变电所的运行状态，得到供电系统拓扑结构；牵引计算单元对单车进行牵引计算，输出单车在线路上运行的时间-距离曲线及时间-取流曲线；运行图生成单元根据牵引计算单元的输出结果，将发车间隔作为输入条件，进行运行图的铺画，得到列车运行图；交直流潮流计算单元读入供电系统拓扑结构，扫描某一时刻的列车运行图，得到该时刻下全线列车的位置分布及取流信息；根据所述输入条件进行连续潮流计算，得到一个发车间隔内全线的潮流分布；根据所述潮流分布，统计出相关的安全指标。

决策方法具体包括以下步骤：

步骤1：读取电力监控系统PSCADA的实时数据，包括实时数据库系统中的设备信息，以及量测信息中的各开关开合状态、配电变压器功率和等值负荷功率。

首先读取电力监控系统PSCADA实时数据库系统中的设备信息。图1中给出了城市轨道交通供电系统的设备及层次关系图。

为了实现PSCADA实时数据的导入导出，本技术方案将公共信息模型CIM引入城市轨道交通供电系统建模中。CIM是IEC 61970系列标准的主要内容之一，可用于描述电力系统所有实体对象结构和关系。为了便于管理，CIM被分为多个包(Package)，其中核心包(Core)和拓扑包(Topology)是重要的组成部分，核心包中包括设备容器(EquipmentContainer)、导电设备(ConductingEquipment)等对象，拓扑包是核心包的拓展，定义了终端(Terminal)和连接节点(ConnectivityNode)来描述供电系统中的设备的连接关系，从而构成供电网络。通过CIM/XML文档的导入导出，可以实现CIM的数据转换。

CIM是标准化的，也是可拓展的。因此，参照电力系统中CIM的拓展原则及方法，对城市轨道供电系统进行CIM拓展，分析城市轨道供电系统的设备及层次关系，并与现有CIM对比，对已有设备，考虑是否需要添加新的属性，对未出现的设备，则添加新的类和属性。

图1中，电力资源类(PowerSystemResource)为基类，整流机组类(Rectifier)和逆变回馈装置类(EnergyFeedbackSystem)继承设备类(Equipment)。Rectifier类关联整流机组端类(RectifierEnd)，每套整流机组设备包括4个整流机组端。EnergyFeedbackSystem类关联逆变回馈装置端类(EnergyFeedbackSystemEnd)，每套逆变回馈装置包括3个逆变回馈端。城市轨道牵引供电系统中的直流线路指的是接触网和钢轨，现有CIM规定的直流输电线路类(DCLineSegement)常指高压直流输电线路，本质上完全不同。

添加Rectifier、EnergyFeedbackSystem、RectifierEnd、EnergyFeedbackSystemEnd等类，DCLineSegement类则在原有基础上添加新的属性。

完成城市轨道供电系统CIM模型后，对城市轨道供电系统进行拓扑分析。

步骤2：启动供电系统拓扑分析接口，根据供电系统开关的开合状态，得出供电系统拓扑结构及各变电所的运行状态。

拓扑分析，是根据供电系统内开关的开合情况，得出供电系统拓扑结构的过程。在电力系统领域，常用的拓扑分析方法有搜索法和矩阵法。电力系统是交流系统，而城市轨道供电系统是交直流供电系统，交直流侧相互影响，所以电力系统的拓扑分析方法并不完全适用于城市轨道供电系统，需要进行一定改进。

图3为城市轨道供电系统的示意图。城市轨道供电系统包括主变电所、牵引变电所和降压变电所三种不同类型所，其中主变电所降压为牵引变电所和降压变电所供电，牵引变电所降压整流为列车供电，降压变电所为车站，所内及运行区间的低压设备供电。由图1可以看出，牵引变电所中装有整流机组和逆变回馈装置，在列车的运行过程中，整流机组和逆变回馈装置会处在不同的工作状态，使得牵引变电所的运行状态不断发生改变，因此，牵引所运行状态的辨识是城市轨道供电系统的拓扑分析的重点，这也是与电力系统拓扑分析主要的不同之处。

所述城市轨道供电系统的拓扑分析采用分层搜索的方法，包括以下步骤：

①构建一个虚拟节点连接所有的外部电源，使得拓扑分析无需对城市轨道供电系统划分电气岛。

②遍历各变电所内的带电设备，包括母线、变压器、整流机组等，根据拓扑节点(ConnectivityNode)的连接关系得到各带电设备的连接关系，搜索连接路径上的开关，根据开关的开合状态得到各带电设备的连接状态。

③遍历主变电所进线上的所有开关，假定外部电源正常运行，根据开关开合状态得到主变电所高压侧母线带电情况，结合步骤②分析结果，得到主变电所运行状态，存入相应容器。

④如果所有主变电所都解列，则拓扑分析结束，否则遍历所有牵引变电所和降压变电所，从牵引变电所和降压变电所高压侧母线出发，按照“母线—开关—母线”的顺序进行递归搜索，判断其高压侧母线与未解列的主变电所低压侧母线是否相连，根据连接路径上开关的开合状态。结合步骤②得到各牵引变电所和降压变电所的运行状态，存入相应容器。

步骤3：启动牵引计算接口，对单车进行牵引计算，得到单车在线路上运行的时间-距离曲线及时间-取流曲线。

步骤4：启动运行图生成接口，根据牵引计算的输出结果，将发车间隔作为输入条件，进行运行图的铺画，得到列车运行图。

完成城市轨道供电系统拓扑分析后，进行供电系统的潮流分析。城市轨道供电系统是一个交直流混合的系统，在直流侧的建模中，列车当作功率源处理，为了获取列车的位置和功率，常用运行图截面法。

所述运行图截面法，首先对单车进行牵引计算，获取单车在线路上运行的时间-距离曲线及时间-取流曲线，然后根据发车间隔，进行运行图铺画，得到列车运行图。列车运行图包括列车的位置及取流信息。

步骤5：启动交直流潮流计算接口，读入供电系统拓扑结构，扫描某一时刻的运行图，得到该时刻下全线列车的位置分布及取流信息，由上述输入条件进行连续潮流计算，得到一个发车间隔内全线的潮流分布；根据所述潮流分布，统计各安全指标；取各安全指标的最大值，如果某个安全指标的最大值超过对应的安全值阈值，则按照n秒的步长增大发车间隔，返回步骤3；否则输出当前供电系统运行工况及发车间隔。

所述安全相关指标，包括主变电所负载率η_main、中网络电压偏差率ΔU_max、牵引变电所的负载率η_trac、列车运行区间牵引网网压U_ocs、列车运行区间钢轨电位U_rail和馈线电流I_i。取其最大值η_m max、ΔU_max、η_t max、U_o max、U_r max和I_max。

中压网络电压偏差率计算公式为：

式中，U_a为中压网络实际电压，U_o为中压网络额定电压。

判断η_m max、ΔU_max、η_t max、U_o max、U_rmax和I_max是否超过安全阈值，如果超过安全阈值，则改变发车间隔，返回步骤3，否则记当前运行工况及运行图参数。

所述η_m max的安全阈值见表1所示。

表1主变电所负载率的安全阈值

所述ΔU_max的安全阈值为|ΔU_max|＜10％。

所述η_t max的安全阈值见表2所示。

表2牵引变电所的负载率的安全阈值

所述U_o max的安全阈值范围为1000V<U_o max<1800V。

所述U_o max的安全阈值范围为-120V<U_rmax<120V。

所述I_max的安全阈值为I_max<9000A。

本发明所述技术方案可以指导城市轨道供电系统在应急工况下的行车安排决策。通过调整供电系统的开关开合状态可以改变系统的运行工况。为了防止开关状态不合理，与供电系统的运行工况不能匹配的情况，可以制定情景表，列举出供电系统的运工况与开关状态的对应关系，调度运行人员参照该情景表进行操作。

步骤6：通过调整供电系统的开关状态，使供电系统处于应急工况，如主变电所解列、供电系统大双边供电(单牵引变电所解列)、供电系统大大双边供电(相邻两个牵引变电所解列)等，重新步骤1-5。

以图4、图5为例简要说明如何通过改变开关的开合状态调整系统运行状态。开关MS1和MS2为主变电所高压侧母线和主变压器连接路径上的开关，正常运行状态下是常闭的，打开这两个开关可使主变电所处于解列状态。同理，开关TS1和TS2为牵引变电所高压侧母线和主变压器连接路径上的开关，打开这两个开关使牵引变电所处于解列状态，供电系统大双边供电，两个相邻牵引变电所解列，供电系统大大双边供电。

Claims (6)

1.一种基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统，其特征在于，包括供电系统拓扑分析单元、牵引计算单元、运行图生成单元和交直流潮流计算单元；

供电系统拓扑分析单元根据从电力监控系统PSCADA读取到的供电系统开关的开合状态信息，得到供电系统拓扑结构及各个变电所的运行状态；

牵引计算单元对单车进行牵引计算，输出单车在线路上运行的时间-距离曲线及时间-取流曲线；

运行图生成单元根据牵引计算单元的输出结果，将发车间隔作为输入条件，进行运行图的铺画，得到列车运行图；

交直流潮流计算单元读入供电系统拓扑结构，扫描某一时刻的列车运行图，得到该时刻下全线列车的位置分布及取流信息；根据所述输入条件进行连续潮流计算，得到一个发车间隔内全线的潮流分布；根据所述潮流分布，统计出相关的安全指标。

2.根据权利要求1所述的基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统，其特征在于，所述安全指标包括：主变电所负载率η_main、中压网络电压偏差率ΔU、牵引变电所的负载率η_trac、列车运行区间牵引网网压U_ocs、列车运行区间钢轨电位U_rail和馈线电流I_i。

3.根据权利要求1所述的基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统，其特征在于，所述列车运行图包括列车的位置及取流信息。

4.一种基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策系统，具体包括以下步骤：

步骤1：读取电力监控系统PSCADA的实时数据，包括实时数据库系统中的设备信息，以及量测信息中的各开关开合状态、配电变压器功率和等值负荷功率；

步骤2：启动供电系统拓扑分析接口，根据供电系统开关的开合状态，结合变电所的运行状态，给出供电系统拓扑结构；

步骤3：启动牵引计算接口，对单车进行牵引计算，得到单车在线路上运行的时间-距离曲线及时间-取流曲线；

步骤4：启动运行图生成接口，根据牵引计算的输出结果，将发车间隔作为输入条件，进行运行图的铺画，得到列车运行图；

步骤5：启动交直流潮流计算接口，读入供电系统拓扑结构，扫描某一时刻的运行图，得到该时刻下全线列车的位置分布及取流信息，由上述输入条件进行连续潮流计算，得到一个发车间隔内全线的潮流分布；根据所述潮流分布，统计各安全指标；取各安全指标的最大值，如果某个安全指标的最大值超过对应的安全值阈值，则按照n秒的步长增大发车间隔，返回步骤3；否则输出当前供电系统运行工况及发车间隔；

步骤6：通过调整供电系统的开关状态，使供电系统处于应急工况，重新步骤1-5。

5.根据权利要求4所述的基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策方法，其特征在于，所述步骤1中，将公共信息模型CIM引入城市轨道交通供电系统建模中，以实现PSCADA实时数据的导入导出；将CIM分为多个包，包括核心包和拓扑包，核心包中包括设备容器和导电设备；拓扑包是核心包的拓展，通过定义终端和连接节点来描述供电系统中的设备的连接关系，从而构成供电网络；通过CIM/XML文档的导入导出，实现CIM的数据转换。

6.根据权利要求4所述的基于PSCADA实时数据的城市轨道供电系统行车安排决策方法，其特征在于，所述步骤2中拓扑分析采用分层搜索法，具体包括：

步骤1)构建一个虚拟节点连接所有的外部电源；

步骤2)遍历各变电所内的带电设备，包括母线、变压器和整流机组；根据拓扑节点的连接关系得到各带电设备的连接关系，搜索连接路径上的开关，根据开关的开合状态得到各带电设备的连接状态；

步骤3)遍历主变电所进线上的所有开关，假定外部电源正常运行，根据开关开合状态得到主变电所高压侧母线带电情况，结合步骤2)分析结果，得到主变电所运行状态，存入相应容器；

步骤4)如果所有主变电所都解列，则拓扑分析结束，否则遍历所有牵引变电所和降压变电所，从牵引变电所和降压变电所高压侧母线出发，按照“母线—开关—母线”的顺序进行递归搜索，判断其高压侧母线与未解列的主变电所低压侧母线是否相连，根据连接路径上开关的开合状态，结合步骤2)得到各牵引变电所和降压变电所的运行状态，存入相应容器。

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