CN113991660B - 地铁供电系统的动力照明负荷建模方法 - Google Patents

地铁供电系统的动力照明负荷建模方法 Download PDF

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Abstract

公开了地铁供电系统的动力照明负荷建模方法，方法中，分类地铁供电系统的动力照明负荷为恒定负荷和变化负荷，恒定负荷包括照明负荷、广告牌负荷、通信负荷及保障负荷，变化负荷包括空调负荷、扶梯和新风系统，所述变化负荷基于温度和客流量变化；测量地铁供电系统的动力照明负荷的实测数据，建立恒定负荷功率模型，基于温度和客流量建立变化负荷功率模型，基于恒定负荷功率模型和变化负荷功率模型建立动力照明负荷总模型，获取历史实测数据以优化所述动力照明负荷总模型。

Description

地铁供电系统的动力照明负荷建模方法
技术领域
本发明属于地铁供电技术领域，尤其涉及一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法。
背景技术
在快速城市化的趋势之下，常规公共交通方式已经难以满足庞大的客运需求和效率需求，新型交通方式亟需发展。随着城市轨道交通的快速发展，人们的日常生活已经与其紧密联系，其中地铁具有快速、准时、安全、节能等特点，在便利出行中担当着重要的角色，地铁负荷也已经成为电力系统中特殊的一类重要负荷，其耗能较大，同时呈现出移动性、时变性、非线性等特征。
地铁供电的安全可靠性十分重要，一旦供电系统出现故障或某段线路长时间失电，就会给整个地区造成生活上、经济上等各方面的严重损失，更严重者会危及到公民的生命安全。为了更好地掌握地铁负荷对电网的影响，提高地铁供电系统的稳定性，保障其正常工作和应对突发事件的能力，对其进行一系列的预防性研究就显得极为必要。对电力系统进行仿真模拟是进行电网规划、运行等研究时必不可少的工具，它能够模拟不同条件下电网的运行状态从而为假设提供有力的支撑。对负荷建立模型是进行仿真分析的基础，建立准确的负荷模型才能进一步建立准确的电力系统仿真模型从而提高分析的精度和正确性，因此如何建立尽可能贴近实际的负荷模型也成为了研究热点。
地铁的用电负荷按其功能不同可以分为两大用电群体：一是地铁列车运行所需要的牵引负荷，二是确保地铁正常运行必需的动力照明负荷，即车站和区间内各类空调、照明以及风机、水泵、电梯等动力设备的通信、信号等自动化设备的用电。由于地铁的特征就是列车频繁启停，牵引负荷的随机性和波动性较强，对电网造成的影响也极大，所以目前针对牵引负荷的建模方法的研究很多。但是动力照明负荷也是地铁用电负荷中不可缺少的一部分，对其进行精准的建模也是十分必要的。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法。为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法包括：
第一步骤，分类地铁供电系统的动力照明负荷为恒定负荷和变化负荷，恒定负荷包括照明负荷、广告牌负荷、通信负荷及保障负荷，变化负荷包括空调负荷、扶梯和新风系统，所述变化负荷基于温度和客流量变化；
第二步骤，测量地铁供电系统的动力照明负荷的实测数据，建立恒定负荷功率模型，其中，恒定负荷功率模型包括照明负荷模型、广告牌负荷模型、通信负荷模型及保障负荷模型，照明负荷模型为P1gt＝k1gt·S，广告牌负荷模型为Pad＝kad·nad，通信负荷模型为Psc＝ksc·nstate，保障负荷模型Poth＝koth·nstate，恒定负荷功率模型为Psta＝P1gt+Pad+Psc+Poth，其中，P1gt为照明负荷功率，Pad为广告牌负荷功率，Psc为通信负荷功率，Poth为保障负荷功率，Psta为恒定负荷功率，k1gt为照明负荷系数，S为站厅照明负荷所覆盖的面积，kad为广告牌负荷系数，nad为广告牌个数，ksc为通信负荷系数，koth为保障负荷系数，nstate为车站个数，基于所述实测数据确定照明负荷系数k1gt、广告牌负荷系数kad、通信负荷系数ksc和保障负荷系数koth，
第三步骤，基于温度和客流量建立变化负荷功率模型，Pa.c.＝(PQ1gt+PQad+PQes+PQdor+PQflow+PQtem)·T/ηa.c.，其中，时间系数Pa.c.为变化负荷功率；PQ1gt为照明产热功率；PQad为广告牌产热功率；PQes为扶梯产热功率；PQdor为屏蔽门产热功率；PQflow为客流产热功率；PQtem为交换热功率；ηa.c.为空调效能比，交换热功率PQtem为：PQtem＝shρc(Tt-25)[k1+aln(bnd+1)]，客流产热功率PQflow为：PQflow＝Ft·PQper，其中，PQtem为交换热功率；s为车站面积；h为车站高度；ρ为空气密度；c为比热容；Tt为室外温度；k1为高架或地下站系数；nd为出入口数量；a、b为可调系数，PQflow为客流产热功率；PQper为单人产热功率；Ft为每小时客流量，
第四步骤，基于恒定负荷功率模型和变化负荷功率模型建立动力照明负荷总模型，获取历史实测数据以优化所述动力照明负荷总模型。
所述的一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法中，客流量插值公式为：Ft＝Fsum·λt·Nt/∑λt·Nt，其中，Ft为t时刻的客流；Fsum为一天的总客流；λt为t时刻的满载率；Nt为t时刻在线列车数。
所述的一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法中，照明产热功率PQ1gt、广告牌产热功率PQad、扶梯产热功率PQes和屏蔽门产热功率PQdor基于温度变化。
在上述技术方案中，本发明提供的一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法，具有以下有益效果：地铁供电系统的动力照明负荷建模方法所需的实测数据易于获取；同时本发明针对动力照明负荷所建立的功率计算模型可信度较高，有利于提高地铁负荷模型的准确性，为地铁用电负荷中占较大比例的动力照明负荷建模提供了有效的建模方法，为后续研究奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中地铁供电系统的动力照明负荷建模方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。如图1所示，一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法包括，
第一步骤，分类地铁供电系统的动力照明负荷为恒定负荷和变化负荷，恒定负荷包括照明负荷、广告牌负荷、通信负荷及保障负荷，变化负荷包括空调负荷、扶梯和新风系统，所述变化负荷基于温度和客流量变化；
第二步骤，测量地铁供电系统的动力照明负荷的实测数据，建立恒定负荷功率模型，其中，恒定负荷功率模型包括照明负荷模型、广告牌负荷模型、通信负荷模型及保障负荷模型，照明负荷模型为P1gt＝k1gt·S，广告牌负荷模型为Pad＝kad·nad，通信负荷模型为Psc＝ksc·nstate，保障负荷模型Poth＝koth·nstate，恒定负荷功率模型为Psta＝P1gt+Pad+Psc+Poth，其中，P1gt为照明负荷功率，Pad为广告牌负荷功率，Psc为通信负荷功率，Poth为保障负荷功率，Psta为恒定负荷功率，k1gt为照明负荷系数，S为站厅照明负荷所覆盖的面积，kad为广告牌负荷系数，nad为广告牌个数，ksc为通信负荷系数，koth为保障负荷系数，nstate为车站个数，基于所述实测数据确定照明负荷系数k1gt、广告牌负荷系数kad、通信负荷系数ksc和保障负荷系数koth，
第三步骤，基于温度和客流量建立变化负荷功率模型，Pa.c.＝(PQ1gt+PQad+PQes+PQdor+PQflow+PQtem)·T/ηa.c.，其中，时间系数Pa.c.为变化负荷功率；PQ1gt为照明产热功率；PQad为广告牌产热功率；PQes为扶梯产热功率；PQdor为屏蔽门产热功率；PQflow为客流产热功率；PQtem为交换热功率；ηa.c.为空调效能比，交换热功率PQtem为：PQtem＝shρc(Tt-25)[k1+aln(bnd+1)]，客流产热功率PQflow为：PQflow＝Ft·PQper，其中，PQtem为交换热功率；s为车站面积；h为车站高度；ρ为空气密度；c为比热容；Tt为室外温度；k1为高架或地下站系数；nd为出入口数量；a、b为可调系数，PQflow为客流产热功率；PQper为单人产热功率；Ft为每小时客流量，
第四步骤，基于恒定负荷功率模型和变化负荷功率模型建立动力照明负荷总模型，获取历史实测数据以优化所述动力照明负荷总模型。
所述的一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法的优选实施方式中，客流量插值公式为：Ft＝Fsum·λt·Nt/∑λt·Nt，其中，Ft为t时刻的客流；Fsum为一天的总客流；λt为t时刻的满载率；Nt为t时刻在线列车数。
所述的一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法的优选实施方式中，照明产热功率PQ1gt、广告牌产热功率PQad、扶梯产热功率PQes和屏蔽门产热功率PQdor基于温度变化。
地铁供电系统的动力照明负荷种类众多，是地铁用电负荷中重要的一部分。现阶段针对地铁供电系统的动力照明负荷没有系统的建模方法，因此需要对其进行详细的分解，分类分析各种负荷的特性，制定出一套完整的动力照明负荷建模方法，证明其有效性，为地铁的全负荷分析奠定基础。
在一个实施例中，一种地铁供电系统动力照明负荷建模方法具体步骤包括：
步骤1：分析地铁动力照明负荷构成，整体分为恒定负荷和变化负荷两类，并进行更细致的划分；
步骤2：根据实测数据，建立恒定负荷功率模型；
步骤3：考虑客流量与温度的影响因数，建立变化负荷功率模型；
步骤4：结合步骤2与步骤3，建立动力照明负荷总模型；
步骤5：获取历史实测数据，将建立的动力照明负荷模型计算结果与实测数据进行比对，验证模型建立的准确性。
地铁供电系统动力照明负荷是确保地铁正常运行必需的，例如车站和区间内各类空调、照明以及风机、水泵、电梯等动力设备的通信、信号等自动化设备的用电，其种类众多，所以需要对它们的负荷特性进行详细的分类。
首先，在步骤1中将地铁动力照明负荷分类为恒定负荷和变化负荷两类。恒定负荷分为照明负荷、广告牌、通信负荷和其他小负荷(如污水泵、灭火系统等)的保障负荷，变化负荷分为空调负荷、扶梯和新风系统，影响变化负荷的因素主要就是温度和客流量，其中温度与客流量又有一定的关联。
在一个实施例中，照明负荷占总照明负荷的21％-27％，保障负荷占总照明负荷的2％-5％、
在一个实施例中，扶梯负荷占总照明负荷的14％-21％，空调负荷占总照明负荷的54％-71％。进一步地，恒定负荷还包括排水负荷，其占总照明负荷的9％-12％。
其次，在步骤2中建立恒定负荷功率模型，其具体步骤如下：
由于地铁站每天所运行的照明负荷基本是完全相同的，所以每天照明负荷的总功率可以看作是恒定不变的，只需设定一个基本系数。此处认为照明负荷的功率与站厅面积成正比，因此设定照明负荷的模型为：
P1gt＝k1gt·S
其中，P1gt为照明负荷功率，k1gt为根据实测数据设定的比例值，一般取为9w/m2，S为站厅照明负荷所覆盖的面积。
认为广告牌负荷的功率与广告牌个数成正比，因此设定广告牌负荷的模型为：
Pad＝kad·nad
其中，Pad为广告牌负荷功率，kad为广告牌负荷功率比例值，一般取为150w，nad为广告牌个数。
认为通信负荷的功率与车站个数成正比，因此设定通信负荷的模型为：
Psc＝ksc·nstate
其中，Psc为通信负荷功率，ksc为通信负荷功率比例值，nstate为车站个数。
认为保障负荷的功率与车站个数成正比，因此设定保障负荷的模型为：
Poth＝koth·nstate
其中，Poth为保障负荷功率，koth为保障负荷功率比例值，nstate为车站个数。
则恒定负荷功率总模型为：Psta＝P1gt+Pad+Psc+Poth
接着，在步骤3中建立变化负荷功率模型，其具体步骤如下：
首先，对地铁的温度作出假设：假设地铁温度冬天不得低于12℃，夏天不得高于30℃；假设将地铁站厅的温度控制目标设为25℃；假设实时气温与设定温度的差值，乘以车站面积应正比于空调负载；假设车站进出口的数目与站内外热量交换成正相关。
将站厅站台的热量分为客流、照明灯、广告牌、扶梯、车站进出口和屏蔽门，此处的变化负荷主要以空调负荷为主，则列出空调功率的计算公式为：
Pa.c.＝(PQ1gt+PQad+PQes+PQdor+PQflow+PQtem)·T/ηa.c.
其中，时间系数即我们只取部分时间段分析，在此时间段之外的我们将值取为0；Pa.c.为空调负载；PQ1gt为照明产热功率；PQad为广告牌产热功率；PQes为扶梯产热功率；PQdor为屏蔽门产热功率；PQflow为客流产热功率；PQtem为交换热功率；ηa.c.为空调效能比。
上面模型中所用到的热交换功率计算公式为：
PQtem＝shρc(Tt-25)[k1+aln(bnd+1)]
其中，PQtem为外界交换热功率；s为车站面积；h为车站高度；ρ为空气密度；c为比热容；Tt为室外温度；k1为高架或地下站系数；nd为出入口数量；a、b为可调系数。
上面模型中所用到的客流产热功率计算公式为：
PQflow＝Ft·PQper
其中，PQflow为客流产热功率；PQper为单人产热功率；Ft为每小时客流。
客流量插值公式为：
Ft＝Fsum·λt·Nt/∑λt·Nt
其中，Ft为t时刻的客流；Fsum为一天的总客流；λt为t时刻的满载率；Nt为t时刻在线列车数。
在步骤4中建立地铁动力照明负荷总功率模型，具体步骤如下：
在步骤2中建立的恒定负荷功率模型和在步骤3中建立的变化负荷功率模型的基础上，得到某一时间断面下的地铁动力照明负荷总功率模型。
Ptotal＝Psta+Pa.c.
在步骤5中验证模型建立的准确性，为了验证本动力照明负荷功率模型的正确性与实用性，考虑先用本模型模拟一整年某地铁站的动力照明负荷消耗电量，再与实测数据对比。通过可靠的方式获取某地某年历史实际总电量数据，里面包括动力照明负荷总消耗电量，再将建立的动力照明负荷模型计算结果与实测数据进行比对，计算其误差率，若控制在5％内则认为本动力照明负荷功率模型符合实际，具有较好的适用性与有效性。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (2)

1.一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法，其特征在于，其包括以下步骤：
第一步骤，分类地铁供电系统的动力照明负荷为恒定负荷和变化负荷，恒定负荷包括照明负荷、广告牌负荷、通信负荷及保障负荷，变化负荷包括空调负荷、扶梯和新风系统，所述变化负荷基于温度和客流量变化；
第二步骤，测量地铁供电系统的动力照明负荷的实测数据，建立恒定负荷功率模型，其中，恒定负荷功率模型包括照明负荷模型、广告牌负荷模型、通信负荷模型及保障负荷模型，照明负荷模型为，广告牌负荷模型为/>，通信负荷模型为 />，保障负荷模型/>，恒定负荷功率模型为/>，其中，为照明负荷功率，/>为广告牌负荷功率，/>为通信负荷功率，/>为保障负荷功率，为恒定负荷功率，/>为照明负荷系数，/>为站厅照明负荷所覆盖的面积，/>为广告牌负荷系数，/>为广告牌个数，/>为通信负荷系数，/>为保障负荷系数，/>为车站个数，基于所述实测数据确定照明负荷系数/>、广告牌负荷系数/>、通信负荷系数/>和保障负荷系数/>，
第三步骤，基于温度和客流量建立变化负荷功率模型，，其中，时间系数/>，为变化负荷功率；/>为照明产热功率；/>为广告牌产热功率；/>为扶梯产热功率；/>为屏蔽门产热功率；/>为客流产热功率；/>为交换热功率；/>为空调效能比，交换热功率/>为：/>，客流产热功率/>为：，其中，/>为交换热功率；/>为车站面积；/>为车站高度；/>为空气密度；/>为比热容；/>为室外温度；/>为高架或地下站系数；/>为出入口数量；a、b为可调系数，为客流产热功率；/>为单人产热功率；/>为每小时客流量，
第四步骤，基于恒定负荷功率模型和变化负荷功率模型建立动力照明负荷总模型，获取历史实测数据以优化所述动力照明负荷总模型。
2.根据权利要求1所述的一种地铁供电系统的动力照明负荷建模方法，其特征在于，照明产热功率、广告牌产热功率/>、扶梯产热功率/>和屏蔽门产热功率/>基于温度变化。
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