CN113486541B - 基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，包括以下步骤：步骤1：获取仿真计算所需的线路资料、车辆资料、列车发车时刻表和供电网络参数；步骤2：根据列车发车时刻表初始化所有列车的初始运行位置、初始供电电压和发车时间；步骤3：依据线路资料、车辆资料、列车发车时刻表、线路上所有列车在上一个仿真步长计算得到的运行位置和供电电压，对线路上所有列车均进行运行计算；步骤4：再结合供电网络参数，进行供电系统等效电路潮流计算求解；步骤5：仿真结束或进入步骤3。本发明对于所有列车的运行计算都实时考虑列车间安全距离和各车供电电压的影响，与实际情况相符，提高仿真结果的准确性。

Description

基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法
技术领域
本发明属于城市轨道交通直流供电系统仿真领域，特别涉及一种基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法。
背景技术
城市轨道交通在我国正处于高速发展阶段，国内多个大中型城市均在进行城市轨道交通建设。对城市轨道交通供电系统进行合理准确的潮流仿真计算，可以检验城市轨道交通供电系统的各项指标和性能是否合理，检查电压、电流等电气参数分布的情况，保证城市轨道交通供电系统在设计和运行时的安全可靠性，为调整列车运行方案提供负荷依据，也可以为城市轨道交通供电系统研发新技术和新设备提供研究条件。
城市轨道交通直流供电系统示意图如图1所示。各牵引变电所经整流变压器和整流器将三相交流电转换为直流电，再通过馈线和回流线将正负极直流电连接至接触网和钢轨。列车通过受电弓和车轮分别与接触网和钢轨连接获得直流电源。
城市轨道交通直流供电系统传统仿真计算方法的原理示意图如图2所示。
1）先进行列车单车运行计算（全程）。在计算中，列车供电电压始终按照额定电压考虑。列车单车运行计算输出单车全程的运行时间、功率和位置。
2）再进行列车多车运行计算（全程）。基于上一步输出的单车全程的运行时间、功率和位置，结合列车发车时刻表，复制得到多车全程的运行时间、功率和位置，不考虑列车间安全距离对于列车运行的影响。
3）再进行含多车的直流供电系统仿真计算。基于多车全程的运行时间、功率和位置，再结合供电网络参数，即可进行含多车的直流供电系统的仿真计算。直流供电系统等效电路潮流计算的求解可考虑采用节点电压法、回路电流法等，得到全线各节点电压及各回路电流。
上述城市轨道交通直流供电系统的传统仿真计算方法无法考虑列车间安全距离和供电电压对于列车运行计算的影响，这与实际情况存在差异。
1）当列车与前车距离小于安全距离时，为了保证列车安全运行，列车应开始制动并减速到停止运行。当列车与前车距离恢复到大于安全距离时，列车开始恢复运行。
2）当列车供电电压较低或较高时，列车电机牵引能力受到限制，另外也为了保证列车和供电系统安全运行，列车将限制从牵引网吸收的最大牵引功率。以图3的国内某车辆厂家列车最大牵引功率限制比例与供电电压关系曲线图为例进行说明，其中横坐标为列车供电电压，纵坐标为列车可以达到的最大牵引功率比例。当列车电压低于1350V时，列车最大牵引功率开始受到限制，不能达到100%最大牵引功率；当列车供电电压低于950V时，列车的最大牵引功率为0，即列车将逐渐减速到停止运行；当列车供电电压高于1900V时，列车的最大牵引功率为0，即列车将逐渐减速到停止运行。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，对于所有列车的运行计算都实时考虑列车间安全距离和各列车供电电压的影响，与实际情况相符，提高仿真结果的准确性。
本发明采用的技术方案是：一种基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，包括以下步骤：
步骤1：获取仿真计算所需的线路资料、车辆资料、列车发车时刻表和供电网络参数；
步骤2：根据列车发车时刻表初始化所有列车的初始运行位置、初始供电电压和发车时间；
步骤3：在当前仿真步长下，依据线路资料、车辆资料、列车发车时刻表、线路上所有列车在上一个仿真步长计算得到的运行位置和供电电压，对线路上所有列车均进行运行计算，输出线路上所有列车在当前仿真步长下的功率和位置；
对所有列车进行运行计算时，需要读取每辆列车在上一个仿真步长计算得到的运行位置，对于与前车距离小于安全距离的列车，按照减速停止运行处理；
对所有列车进行运行计算时，需要读取每辆列车在上一个仿真步长计算得到的供电电压，依据列车最大牵引功率限制比例与供电电压的关系曲线，考虑供电电压对所有列车当前仿真步长牵引功率的限制影响，分别限制每辆列车当前仿真步长的牵引功率；
步骤4：在当前仿真步长下，基于步骤3得到的线路上所有列车功率和位置，并结合供电网络参数，进行供电系统等效电路潮流计算求解，计算后输出全线各节点电压及各回路电流，并输出计算得到的所有列车的运行位置和供电电压，作为下一个仿真步长的输入；
步骤5：判断当前仿真步长是否为设定的最后一个仿真步长；若是，则仿真结束；若不是，则开始下一个仿真步长，进入步骤3。
作为优选，在步骤1中，所述车辆资料包括列车安全距离、列车最大牵引功率限制比例与供电电压的关系曲线。
作为优选，在步骤2中，所有列车的初始运行位置设定为起点车站，所有列车的初始供电电压设定为列车额定电压。
作为优选，在步骤3中，若某一辆列车是在当前仿真步长刚发车，其未参与上一个仿真步长的计算，则其运行位置和供电电压采用步骤2初始化的初始运行位置和初始供电电压；若某一辆列车在上一个仿真步长结束运行，则其不参与本次仿真步长的计算。
作为优选，在步骤4中，求解方法采用节点电压法或回路电流法。
作为优选，每个仿真步长不超过0.1s。以提高仿真结果精度。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1.本发明在仿真中实时考虑列车间安全距离和每辆列车供电电压对于各列车运行计算的影响，与实际情况相符，提高仿真结果的准确性，例如列车运行计算结果、供电系统潮流计算结果等。
2.本发明通用性强、实现简单、计算精度高，该方法可以在各类仿真软件上实现，如Visual Studio C#、Matlab、Pscad等。
3.本发明可以根据需要进一步拓展，例如列车运行计算可以进一步实时考虑信号系统的影响。
附图说明
图1是现有技术的城市轨道交通直流供电系统示意图；
图2是现有技术的城市轨道交通直流供电系统传统仿真计算方法的原理示意图；
图3是现有技术的国内某车辆厂家列车最大牵引功率限制比例与供电电压关系曲线图；
图4是本发明实施例的仿真方法原理示意图；
图5是本发明实施例的不考虑安全距离对列车运行影响的仿真结果；
图6是本发明实施例的考虑安全距离对列车运行影响的仿真结果；
图7是本发明实施例的考虑和不考虑供电电压影响情况下的列车电压对比曲线图；
图8是本发明实施例的考虑和不考虑供电电压影响情况下的列车牵引功率对比曲线图；
图9是本发明实施例的考虑和不考虑供电电压影响情况下的列车速度对比曲线图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
本发明的实施例提供了一种基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，如图4所示，其包括以下步骤：
步骤1：获取仿真计算所需的线路资料、车辆资料、列车发车时刻表和供电网络参数；所述车辆资料包括列车安全距离、列车最大牵引功率限制比例与供电电压的关系曲线。
步骤2：根据列车发车时刻表初始化所有列车的初始运行位置、初始供电电压和发车时间；所有列车的初始运行位置设定为起点车站，所有列车的初始供电电压设定为列车额定电压。
步骤3：在当前仿真步长下，依据线路资料、车辆资料、列车发车时刻表、线路上所有列车在上一个仿真步长计算得到的运行位置和供电电压，对线路上所有列车均进行运行计算，输出线路上所有列车在当前仿真步长下的功率和位置；
对所有列车进行运行计算时，需要读取每辆列车在上一个仿真步长计算得到的运行位置，对于与前车距离小于安全距离的列车，按照减速停止运行处理。
对所有列车进行运行计算时，需要读取每辆列车在上一个仿真步长计算得到的供电电压，依据列车最大牵引功率限制比例与供电电压的关系曲线，考虑供电电压对所有列车当前仿真步长牵引功率的限制影响。
若某一辆列车是在当前仿真步长刚发车，其未参与上一个仿真步长的计算，则其运行位置和供电电压采用步骤2初始化的初始运行位置和初始供电电压；若某一辆列车在上一个仿真步长结束运行，则其不参与本次仿真步长的计算。
步骤4：在当前仿真步长下，基于步骤3得到的线路上所有列车功率和位置，并结合供电网络参数，进行供电系统等效电路潮流计算求解，求解方法采用节点电压法或回路电流法等，计算后输出全线各节点电压及各回路电流，并输出计算得到的所有列车的运行位置和供电电压。所有列车的运行位置和供电电压作为下一个仿真步长的输入。
步骤5：判断当前仿真步长是否为设定的最后一个仿真步长；若是，则仿真结束；若不是，则开始下一个仿真步长，进入步骤3。为提高仿真结果精度，每个仿真步长不宜超过0.1s。
本实施例基于仿真软件Matlab/ Simulink，完成了两个仿真对比验证。
第一个仿真对比验证为，在城市轨道交通供电系统参数完全一致的前提下，完成两次仿真计算。第一次仿真计算按照城市轨道交通直流供电系统传统仿真计算方法，不考虑安全距离对列车运行的影响，仿真结果如图5所示；第二次仿真计算按照本发明所述方法，考虑安全距离对列车运行的影响，列车安全距离设置为400米，仿真结果如图6所示。从图5的仿真结果可以看出，城市轨道交通直流供电系统传统仿真计算方法无法保证后车与前车的距离实时大于安全距离，这与实际运行情况不符。从图6的仿真结果可以看出，按照本发明所述的城市轨道交通直流供电系统仿真计算方法，在仿真中可以实时考虑安全距离对列车运行的影响，保证后车与前车的距离实时大于安全距离，与实际运行情况相符。
第二个仿真对比验证为，在城市轨道交通供电系统参数完全一致的前提下，列车1和列车2分别驶过同一条线路。列车1考虑供电电压对其运行影响，而列车2不考虑供电电压对其运行影响。图7-9为列车1和列车2各自驶过该线路的列车电压、列车牵引功率、列车速度对比曲线图。从图中的对比可以看出，列车1在供电电压较低时（例如运行里程为1至4km时），为了保证列车和供电系统安全运行，列车1牵引功率受到了限制。相应地，列车1的牵引力和加速度也受到了限制。因此列车1在里程为5.7公里时才加速到160km/h，而列车2在里程为4.8公里时就加速到160km/h，列车2未考虑供电电压对其运行的影响。从图7-9的仿真结果可以看出，本发明所述方法可以实现考虑供电电压对列车运行计算影响的城市轨道交通供电系统仿真计算。这种仿真计算方法与实际运行情况更为相符，提高了仿真结果的准确性。
以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (6)

1.基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获取仿真计算所需的线路资料、车辆资料、列车发车时刻表和供电网络参数；
步骤2：根据列车发车时刻表初始化所有列车的初始运行位置、初始供电电压和发车时间；
步骤3：在当前仿真步长下，依据线路资料、车辆资料、列车发车时刻表、线路上所有列车在上一个仿真步长计算得到的运行位置和供电电压，对线路上所有列车均进行运行计算，输出线路上所有列车在当前仿真步长下的功率和位置；
对所有列车进行运行计算时，需要读取每辆列车在上一个仿真步长计算得到的运行位置，对于与前车距离小于安全距离的列车，按照减速停止运行处理；
对所有列车进行运行计算时，需要读取每辆列车在上一个仿真步长计算得到的供电电压，依据列车最大牵引功率限制比例与供电电压的关系曲线，分别限制每辆列车当前仿真步长的牵引功率；
步骤4：在当前仿真步长下，基于步骤3得到的线路上所有列车功率和位置，并结合供电网络参数，进行供电系统等效电路潮流计算求解，计算后输出全线各节点电压及各回路电流，并输出计算得到的所有列车的运行位置和供电电压；
步骤5：判断当前仿真步长是否为设定的最后一个仿真步长；若是，则仿真结束；若不是，则开始下一个仿真步长，进入步骤3。
2.如权利要求1所述的基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，其特征在于：所述车辆资料包括列车安全距离、列车最大牵引功率限制比例与供电电压的关系曲线。
3.如权利要求1所述的基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，其特征在于：在步骤2中，所有列车的初始运行位置设定为起点车站，所有列车的初始供电电压设定为列车额定电压。
4.如权利要求3所述的基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，其特征在于：在步骤3中，若某一辆列车是在当前仿真步长刚发车，其未参与上一个仿真步长的计算，则其运行位置和供电电压采用步骤2初始化的初始运行位置和初始供电电压；若某一辆列车在上一个仿真步长结束运行，则其不参与本次仿真步长的计算。
5.如权利要求1所述的基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，其特征在于：在步骤4中，求解方法采用节点电压法或回路电流法。
6.如权利要求1所述的基于列车安全距离和电压的城轨直流供电系统仿真方法，其特征在于：每个仿真步长不超过0.1s。
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