CN112329991B - 基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法,涉及电网规划技术领域。所述方法包括如下步骤:进行地铁供电系统的负荷特性分析;输入地铁供电系统资源共享的优化指标;综合地铁供电系统的负荷特性以及所述优化指标构建基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型。通过所述方法构建的地铁供电系统双层规划模型能够提高供电质量和资源利用率,证明了所提出双层规划模型的有效性和优越性。
Description
技术领域
本发明涉及电网规划技术领域,尤其涉及一种基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法。
背景技术
地铁作为城市轨道交通的代表,具有快速、安全、准时、无污染以及载客量大等特点,成为了环节大中型城市交通拥堵压力的首选方案。南京的地铁建设已走在同等级城市中的前列,可靠、有效、完善的供电,是地铁其它系统正常运行的基础,是所有地铁用户的基本要求。与常规的配电网相比,地铁供电系统有其独特的特点。它由牵引供电系统、动力照明供电系统组成,牵引供电系统采用直流供电的方式。在对城市地铁进行施工建设中,选择正确的外部供电方式并进行合理的规划会对地铁的运营和建设有着重要的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够提高供电质量和资源利用率的地铁供电系统双层规划模型构建方法。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:一种基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法,其特征在于包括如下步骤:
进行地铁供电系统的负荷特性分析;
输入地铁供电系统资源共享的优化指标;
综合地铁供电系统的负荷特性以及所述优化指标构建基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型。
进一步的技术方案在于,进行地铁供电系统的负荷特性分析的方法如下:
首先针对地铁供电系统负荷进行特性分析,主要针对地铁牵引性负荷,动力照明负荷和商用负荷,提取其时序性、非线性、移动性的关键特征;基于地铁供电系统负荷特性分析结果,以及实时数据采集,对地铁供电系统未来规划线路的负荷进行模拟计算,仿真各个运营阶段全线列车运行状态,其产生的数据作为运行图模拟和供电节点网络规划的数据基础。
进一步的技术方案在于,所述优化指标综合考虑共享性、经济性和可靠性三个指标;可靠性为地铁供电系统规划的首要目标,主要利用地铁供电系统的故障率以及负荷裕度来衡量;
经济性指标是在满足功率平衡,线路容量,节点电压等约束条件基础上,以初始投资,运行维护费用年最小以及线路损失功率最小为目标:
经济性:minC=C1+Cyx+Cxs
可靠性:minP=Pss+Pls
式中:C1表示地铁方案一次投资费用;Cyx表示供电系统年运行维护费用;Cxs表示线路年损耗折合成电价的费用;Pss表示主站发生事故的概率;Pls表示线路发生事故的概率。
进一步的技术方案在于,结合经济性和电量特征得出共享性指标,其中共享的经济性为通过已有主站进行共享供电能够降低的费用,其数学表达式为:
C=Csum-Cad+Cla
其中Csum为已建主站中,共享到该线路上的设备及其低压侧线路的总投资估算到每年的投资费用以及运行费用;Cad为主站共享到该线路的新增扩容设备投资,估算到每年的投资费用以及运行费用;Si1为主站i的共享到该线路的总容量;N为共享的主站数量;f(Si1)为主站i共享到该线路上的设备及其低压侧线路的总投资费用;f(Si2)为主站i共享到该线路的设备新增扩容设备费用;r0为贴现率;m为主站设备折旧年限;h(Si1)为主站i年运行费用;h(Si2)为主站i共享到该线路的新增扩容设备设备年运行费用;Cla为变电站土地费用估算到每年的投资费用;Cmini为变电站i的土地最低价格;Cmaxi为变电站i的土地最高价格;α为土地不确定系数;n为土地使用年限;
新建线路共享负荷的数学表达式为:
其中N为所有投入该线路运行的的主站数量;Ssc为主站a的所用电负荷;M为所有地铁站站点数量;Spl为地铁站点b动力照明负荷;H为该线路的投入运行的区间;Sbl为列车区间的牵引性负荷;Fq为地铁的牵引力;v为列车行进速度。
进一步的技术方案在于,地铁供电系统双层规划模型包含有上层规划模型和下层规划模型。
进一步的技术方案在于,在上层规划模型的基础上,利用已建主站以及原有网架满足资源共享性要求,针对具体一条线路进行规划,制定相应的下层规划模型;下层规划模型是根据基于资源共享性的优化指标以及具体线路优化所建立的规划模型,其中包括牵混所选址定容和降压变电所的选址定容。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:通过所述方法构建的地铁供电系统双层规划模型,包含有以共享性目标为指导,针对地铁多条线路建设规划所建立的宏观规划模型,以及利用已建主站以及原有网架满足资源共享性要求,针对具体一条线路进行规划的微观规划模型。提出了地铁供电系统共享性的优化指标,包括有供电节约成本以及已建主站投入负荷两项具体参考指标,以检验地铁供电系统规划方案共享性的优劣。针对含有牵引性负荷,动力照明负荷和商用负荷等的地铁供电系统负荷进行了特性分析,提取其时序性,非线性,移动性的关键特征,为地铁供电系统负荷的模拟计算提供数据基础。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述方法的流程图;
图2是本发明实施例中工程列车运行模拟结果图;
图3是本发明实施例中双层规划模型原理图;
图4是本发明实施例中南京地铁线路及主站分布图;
图5a为考虑地铁供电系统双层规划模型的方案;
图5b为不考虑地铁供电系统双层规划模型的方案。
具体实施方式
下面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的一部分实施例,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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示,本发明实施例公开了一种基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法,包括如下步骤:
进行地铁供电系统的负荷特性分析;
输入地铁供电系统资源共享的优化指标;
综合地铁供电系统的负荷特性以及所述优化指标构建基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型,如图3所示。
进一步,首先针对地铁供电系统负荷进行特性分析,主要针对地铁牵引性负荷,动力照明负荷和商用负荷等,提取其时序性、非线性、移动性的关键特征。基于地铁供电系统负荷特性分析结果,以及实时数据采集,对地铁供电系统未来规划线路的负荷进行模拟计算,仿真各个运营阶段全线列车运行状态,其产生的数据作为运行图模拟和供电节点网络规划的数据基础。
进一步,所提出的基于资源共享性的地铁供电系统优化指标综合考虑了共享性、经济性和可靠性三个指标。可靠性为地铁供电系统规划的首要目标,主要利用地铁供电系统的故障率以及负荷裕度来衡量;
经济性指标是在满足功率平衡,线路容量,节点电压等约束条件基础上,以初始投资,运行维护费用年最小以及线路损失功率最小为目标:
经济性:minC=C1+Cyx+Cxs
可靠性:minP=Pss+Pls
式中:C1表示地铁方案一次投资费用;Cyx表示供电系统年运行维护费用;Cxs表示线路年损耗折合成电价的费用;Pss表示主站发生事故的概率;Pls表示线路发生事故的概率。
更进一步,所述的共享性指标,其特征在于:地铁供电系统规划为提高资源共享性、减少投资,在已建成主站的基础上进行扩容。为此,为了基于资源共享进行地铁供电系统的规划,拟提出结合经济性和电量特征的共享性指标。其中共享的经济性为通过已有主站进行共享供电能够降低的费用,其数学表达式为:
C=Csum-Cad+Cla
其中Csum为已建主站中,共享到该线路上的设备及其低压侧线路的总投资估算到每年的投资费用以及运行费用;Cad为主站共享到该线路的新增扩容设备投资,估算到每年的投资费用以及运行费用;Si1为主站i的共享到该线路的总容量;N为共享的主站数量;f(Si1)为主站i共享到该线路上的设备及其低压侧线路的总投资费用;f(Si2)为主站i共享到该线路的设备新增扩容设备费用;r0为贴现率;m为主站设备折旧年限;h(Si1)为主站i年运行费用;h(Si2)为主站i共享到该线路的新增扩容设备设备年运行费用;Cla为变电站土地费用估算到每年的投资费用;Cmini为变电站i的土地最低价格;Cmaxi为变电站i的土地最高价格;α为土地不确定系数;n为土地使用年限。
新建线路共享负荷的数学表达式为:
其中N为所有投入该线路运行的的主站数量;Ssc为主站a的所用电负荷;M为所有地铁站站点数量;Spl为地铁站点b动力照明负荷;H为该线路的投入运行的区间;Sbl为列车区间的牵引性负荷;Fq为地铁的牵引力;v为列车行进速度。
进一步,提出一种提出地铁供电系统双层规划模型。其中地铁供电系统双层规划模型包含有上层规划模型和下层规划模型。
更进一步,所述的上层规划模型,其特征在于:在完成地铁供电系统负荷特性分析和对当前城市地铁供电系统的现状分析的基础上,结合城市未来规划发展,整体考虑未来规划地铁的线路以及总负荷,以共享性为指导,针对地铁多条线路建设规划所建立的模型,其中包含以主站及其低压侧线路的初始投资和运行维护费用年最小为主要目标的主站规划模型。
更进一步,所述的下层规划模型,其特征在于:在上层规划模型的基础上,利用已建主站以及原有网架满足资源共享性要求,针对具体一条线路进行规划,制定相应的下层规划模型。下层规划模型是根据基于资源共享性的优化指标以及具体线路优化所建立的规划模型,其中包括牵混所选址定容和降压变电所的选址定容等。
以南京地铁实际线路供电系统规划为例,目前南京地铁拟建以及正在建设地铁为五号线、六号线、九号线、十一号线地铁,南京地铁线路及主站分布如图4所示。分别经过路径如表1所示。
表1地铁5号线、6号线、9号线和11号线概况
针对地铁十一号线进行具体负荷分析以及模拟计算,南京地铁11号线一期工程整体呈西南-东北走向,南起马骡圩站,北至浦洲路站,沿浦滨路、万寿路、浦珠北路、江山路敷设,线路全长约26.7km,其中高架段长约1.04km,U型槽段长约0.3km,地下段长约25.36km。全线设车站20座(其中换乘站9座),其中高架站1座,地下站19座,最大站间距3.516km(马骡圩站至石塘公园站区间),最小站间距0.633km(中央商务区站至商务东街站区间),平均站间距约1.36km。
根据算例实际数据对牵引系统进行负荷模拟和特性分析。列车运行仿真模拟是根据设计线路纵断面、列车牵引特性、供电特性、列车阻力特性、牵引网电压以及运营组织要求等各种资料仿真各个运营阶段全线列车运行状态,其产生的数据作为运行图模拟和供电节点网络模拟的数据基础。本工程列车运行模拟结果见图2。
为验证本发明的有效性,考虑地铁供电系统规划如下:
工况1:应用本发明提出的地铁供电系统双层规划模型进行规划
构建地铁供电系统上层规划模型,其中包括主站的选址定容。主站的建设投资高,受限外界因素多,新线建设主站的设置方案,首先应考虑资源共享性,结合就近线路现有主站的预留条件或富裕条件,尽量减少主站的建设,在条件不具备或改造困难时,设置新的主站,并充分预留共享线路的容量及出线间隔,避免后期扩容改造。在满足供电约束半径以及主站负载率约束条件情况下,以主站及其低压侧线路初始投资和运行费用最小为目标的选址定容模型,同时需要考虑地理影响因素,以及设备寿命等因素。其数学表达式为:
minC=Css+Cls+Chs
dij≤Yi
式中:Css为主站折算到每年的投资费用;Si为主站i容量;f(Si)为主站i总投资费用;r0为贴现率;m为主站设备折旧年限;dij为主站i到负荷点j的欧氏距离;Yi为主站i的供电半径;Cls为主站低压侧线路折算到每年的投资费用;h(dij)为主站低压侧线路的总投资费用;n为低压侧线路的折旧年限;Chs为主站及其低压侧线路设备年维护费用。
构建上层规划线路如下:五号线工程新建两座主变电站,分别位于大校场车辆段内和方家营站附近;六号线工程新建新生圩主变1座,利用既有南京南站和紫金山主变各1座;九号线利用在建方家营主变电所,新建绿博园主变电所。以地铁十一号线为例进行具体分析。
由于电源规划经济性的要求,应首先考虑利用原有主所,增加供电设备,实现资源的共享性。因此设计方案:利用既有朱石路主所及新建浦江主所供电;
各已有主站情况如表2所示
表2共享主站情况
方案综合性指标数据如表3所示:
表3方案指标
在上层规划模型基础上,针对地铁十一号线构建地铁供电系统下层规划模型,其中包括牵引变电所规划,降压变电所规划等。
影响牵引变电所布点的因素有许多,在线路、列车选型以及运营组织确定的情况下,牵引变电所的布点主要与整流机组的内阻及牵引网的电阻关系较为密切。牵引所优先考虑设置在车站,方便运营维护并节省投资,在不能满足供电质量要求的情况下,增设区间牵引所。
基于以上要求,设计以下供电方案:
正线设置12座牵引变电所,牵引变电所最大间距为3.06km,最小间距1.43km,平均间距2.35km;车辆段设置1座。正线牵引所分布及间距如表4所示。
表4牵引变电所布点方案
方案指标比较如表5所示:
表5各方案比较
即正线设置12座牵引变电所,分别设在马骡圩、马石区间、石塘公园、行知路、珠江南、浦口万汇城、七里河西、中央商务区、新马路、柳州路、南浦路、浦州路;车辆段设1座牵引所。
工况2:应用传统地铁供电系统规划模型
一般地铁供电系统传统规划不利用原有主站,而是只利用新建主站。如不考虑双层规划模型,则无法对于地铁线路进行一个统一的规划,同时也会导致资源无法共享。以地铁11号线进行分析。
如不考虑上层规划模型,以及资源共享性,地铁十一号线主站将设计如下方案:
利用新建浦江主所供电。
通过已有数据进行计算,可得到数据如表6所示:
表6方案指标
对于地铁线路中牵混所规划,由于牵混所部署在地铁站点,所以其规划方案与采用双层规划模型的下层规划模型相同。
两种工况比较,采用基于资源共享性的地铁双层规划模型的规划方案具有更为良好的经济性和共享性。对于地铁规划方法提供了新的思路,如图5a-图5b所示。
对方案一和方案二进行综合比较,其方案的对比指标如表7所示。
表7各方案比较
由上表所知:考虑地铁供电系统双层规划模型的方案一拥有良好的经济性和共享性,明显优于只考虑传统规划的地铁供电系统。且在供电质量,可靠性等方面也完全符合地铁供电系统规划要求。
综上所述,本发明提出的地铁供电系统双层规划模型能够提高供电质量和资源利用率,这证明了所提出双层规划模型的有效性和优越性。
Claims (4)
1.一种基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法,其特征在于包括如下步骤:
进行地铁供电系统的负荷特性分析;
输入地铁供电系统资源共享的优化指标;
综合地铁供电系统的负荷特性以及所述优化指标构建基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型;
所述优化指标综合考虑共享性、经济性和可靠性三个指标;可靠性为地铁供电系统规划的首要目标,主要利用地铁供电系统的故障率以及负荷裕度来衡量;
经济性指标是在满足功率平衡,线路容量,节点电压约束条件基础上,以初始投资,运行维护费用年最小以及线路损失功率最小为目标:
经济性:minC=C1+Cyx+Cxs
可靠性:minP=Pss+Pls
式中:C1表示地铁方案一次投资费用;Cyx表示供电系统年运行维护费用;Cxs表示线路年损耗折合成电价的费用;Pss表示主站发生事故的概率;Pls表示线路发生事故的概率;
结合经济性和电量特征得出共享性指标,其中共享的经济性为通过已有主站进行共享供电能够降低的费用,其数学表达式为:
Ce=Csum-Cad+Cla
其中Csum为已建主站中,共享到该线路上的设备及其低压侧线路的总投资估算到每年的投资费用以及运行费用;Cad为主站共享到该线路的新增扩容设备投资,估算到每年的投资费用以及运行费用;Si1为主站i的共享到该线路的总容量;K为共享的主站数量;f(Si1)为主站i共享到该线路上的设备及其低压侧线路的总投资费用;f(Si2)为主站i共享到该线路的设备新增扩容设备费用;r0为贴现率;m为主站设备折旧年限;h(Si1)为主站i年运行费用;h(Si2)为主站i共享到该线路的新增扩容设备年运行费用;Cla为变电站土地费用估算到每年的投资费用;Cmini为变电站i的土地最低价格;Cmaxi为变电站i的土地最高价格;α为土地不确定系数;n为土地使用年限;
新建线路共享负荷的数学表达式为:
Sbl=Fq·v
其中N为所有投入该线路运行的主站数量;Ssc为主站a的所用电负荷;M为所有地铁站站点数量;Spl为地铁站点b动力照明负荷;H为该线路的投入运行的区间;Sbl为列车区间的牵引性负荷;Fq为地铁的牵引力;v为列车行进速度。
2.如权利要求1所述的基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法,其特征在于进行地铁供电系统的负荷特性分析的方法如下:
首先针对地铁供电系统负荷进行特性分析,主要针对地铁牵引性负荷,动力照明负荷和商用负荷,提取其时序性、非线性、移动性的关键特征;基于地铁供电系统负荷特性分析结果,以及实时数据采集,对地铁供电系统未来规划线路的负荷进行模拟计算,仿真各个运营阶段全线列车运行状态,其产生的数据作为运行图模拟和供电节点网络规划的数据基础。
3.如权利要求1所述的基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法,其特征在于:地铁供电系统双层规划模型包含有上层规划模型和下层规划模型。
4.如权利要求1所述的基于资源共享的地铁供电系统双层规划模型构建方法,其特征在于:
在上层规划模型的基础上,利用已建主站以及原有网架满足资源共享性要求,针对具体一条线路进行规划,制定相应的下层规划模型;下层规划模型是根据基于资源共享性的优化指标以及具体线路优化所建立的规划模型,其中包括牵混所选址定容和降压变电所的选址定容。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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