CN114228765A - 一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法 - Google Patents

一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法 Download PDF

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CN114228765A CN202111567919.5A CN202111567919A CN114228765A CN 114228765 A CN114228765 A CN 114228765A CN 202111567919 A CN202111567919 A CN 202111567919A CN 114228765 A CN114228765 A CN 114228765A
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Abstract

本发明属于城轨交通储能、节能技术领域，具体涉及一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，包括：获取N辆目标列车的行车信息；根据所述行车信息计算每辆列车的功率曲线；设定有m个可以被携带的车载储能设备，m的初值设定为N；遍历全部m个储能设备在N辆车上全部可能的排列组合方案，根据每个组合在每组停站时间下的再生能量利用率，筛选出再生能量利用率最高的组合方案；判断组合方案的再生能量利用率是否超过设定阈值，若是，则减少可使用的储能设备数量，即m＝m‑1，重复执行步骤S4，若否，则输出m+1时的储能设备的排列组合方案和停站时间排布方案。其目的在于，优化储能设备排布方式，减小了对储能设备的投入，节约成本。

Description

一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法
技术领域
本发明属于城轨交通储能、节能技术领域，具体涉及一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法。
背景技术
在城轨系统中，加装车载储能设备是提高再生能量利用的有效手段，为了使再生能量利用率达到预期的标准，目前普遍采用所有列车都加装储能设备的方式，这种单纯通过增大储能容量提高再生能量的利用的方式，虽然可以使整条线路的再生能量利用率达到目标水平，但是其忽略了车载储能设备吸收其他列车的再生能量的能力，没有地充分利用储能空间，导致大多数储能只能吸收自身产生的再生能量，并且对所有列车加装储能设备将产生高额的成本。
如果使用合理的时刻表优化方法配合列车排布，充分利用安装的储能设备储能空间，将可以取消部分列车携带的储能设备，实现成本的大幅度降低。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，通过合理的时刻表优化方法配合列车排布，充分利用安装的储能设备储能空间，将可以取消部分列车携带的储能设备，实现成本的大幅度降低。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，其包括如下步骤:
S1:获取N辆目标列车的行车信息；
S2:根据所述行车信息计算每辆列车的功率曲线；
S3:设定有m个可以被携带的车载储能设备，m的初值设定为N；
S4:遍历全部m个储能设备在N辆车上全部可能的排列组合方案，根据每个组合在每组停站时间下的再生能量利用率，筛选出再生能量利用率最高的组合方案；
S5:判断组合方案的再生能量利用率是否超过设定阈值，该值为地铁运营部门设定，一般不超过60％，若是，则减少可使用的储能设备数量，即m＝m-1，重复执行步骤S4，若否，则输出m+1时的储能设备的排列组合方案和停站时间排布方案。
采用上述技术方案，采用时刻表优化配合科学的储能设备排布的方式，使得车群系统中即时使用的再生能量和被其他设备吸收的再生能量大幅度增加，能量不必全部由自身携带的储能设备吸收，从而取消部分列车携带的储能设备，在保持系统再生能量不变的前提下，实现车载储能容量的大幅度减小甚至取消，大大减小了对储能设备的投入，节约了成本。
可选择地，所述步骤S1中，所述目标列车的行车信息包括：列车、线路以及储能设备的标准化容量信息以及规定的发车时间间隔信息。
可选择地，所述列车信息包括列车车重信息、列车长度信息、单位基本阻力信息、应急牵引特性信息、应急制动特性信息、传动效率信息、辅助功率信息或能耗模型信息中的至少一种；所述线路信息包括车站公里标信息、限速信息、坡度信息、曲线信息或能最大最小停站时间信息中的至少一种。
可选择地，所述步骤S4包括以下分步骤：
S41：设定再生能量利用率初值为0；
S42：设定一个m个储能设备在N辆车上的排布方案；
S43：设定一个全部站点停站时间的排布方案；
S44：根据列车功率曲线、列车数量、发车间隔、停站时间的排布方案生成列车群的功率曲线集合，功率曲线集合为多辆车辆的功率曲线叠加；
S45：以时间为计算尺度，计算再生能量利用率为y；
Figure BDA0003422492740000021
式中ERBE表示列车群产生的全部再生能量，EIUE为车群中被牵引列车即时使用的再生能量，ESDUE为车群中被牵引列车自身储能设备吸收的再生能量，EODUE为车群中被牵引列车被其他储能设备吸收的再生能量大小；
S46：对比再生能量利用率和初值的大小，将该值更新为大的值；
S47：判断是否已经尝试了全部储能设备排布和停站时间排布的全部排列组合方案，若是，则输出该储能设备的排列组合方案和停站时间排布方案，若否，则重复执行步骤S42。
可选择地，所述步骤S45中，具体的EIUE由功率曲线中所有牵引、制动功率重叠情况决定，ESDUE由自身携带了储能设备的列车功率和储能设备容量决定，EODUE由列车功率和附近携带了储能设备的列车功率及储能容量决定。
可选择地，所述步骤S45中，ERBE计算方法为：
Figure BDA0003422492740000022
其中
Figure BDA0003422492740000023
表示车群中第i辆车产生的再生能量，
Figure BDA0003422492740000024
表示第i辆列车在t时刻的功率，vi(t)表示第i辆车在t时刻的速度，
Figure BDA0003422492740000025
表示第i辆列车在t时刻且速度v时的制动力。
可选择地，EIUE、ESDUE、EODUE的计算方法如下：
Figure BDA0003422492740000031
Figure BDA0003422492740000032
Figure BDA0003422492740000033
其中，
Figure BDA0003422492740000034
为第i辆列车即时使用的再生能量；
Figure BDA0003422492740000035
为第i辆列车即时使用的再生功率；
Figure BDA0003422492740000036
为车群中第i辆列车自身储能设备吸收的再生能量；
EODUE为第i辆列车被其他储能设备吸收的再生能量大小；
Figure BDA0003422492740000037
为第i辆列车t时刻可用的再生功率，其计算过程如下：
Figure BDA0003422492740000038
其中，
Figure BDA0003422492740000039
为第j辆列车的牵引功率；
Figure BDA00034224927400000310
为第i辆列车的再生制动功率；η为列车的再生能量转换效率；
Figure BDA00034224927400000311
为供电区判定因子，若列车i和列车j处于同一供电区，则该值为1，否则为0(只有处于同一供电区的列车才能使用再生能量)，
Figure BDA00034224927400000312
为第j辆车的辅助功率。
Figure BDA00034224927400000313
为列车i和列车j之间的牵引网传输效率(网损效率)，计算过程如下：
Figure BDA00034224927400000314
其中z为能量最大传输距离；fdis为基于距离的传输函数，具体数值示线路而定，需要测定；si(t)为列车i在时刻t的位置，sj(t)为列车j在时刻t的位置。
Figure BDA00034224927400000315
Figure BDA00034224927400000316
其中vi(t)为列车i在时刻t的速度；
Figure BDA00034224927400000317
为列车i在时刻t的再生制动力；
Figure BDA00034224927400000318
为列车i在时刻t的牵引力；ESDUE与EODUE的计算与车载储能的容量相关，容量未满时，优先采用ESDUE充电，其次用EODUE，容量充满后，不再进行充电。
Figure BDA00034224927400000319
充电过程；
Figure BDA00034224927400000320
放电过程；
Figure BDA0003422492740000041
Figure BDA0003422492740000042
其中，Ei(t)为第i辆车在i时刻的车载储能装置储存的能量；
Figure BDA0003422492740000043
为储存在自身储能设备的功率，对应ESDUE；
Figure BDA0003422492740000044
为储存在其他车储能设备的功率，对应EODUE；λ为储能设备充电效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中采用时刻表优化配合科学的储能设备排布的方式，使得车群系统中即时使用的再生能量和被其他设备吸收的再生能量大幅度增加，能量不必全部由自身携带的储能设备吸收，从而取消部分列车携带的储能设备，在保持系统再生能量不变的前提下，实现车载储能容量的大幅度减小甚至取消，现对于现有技术中对线路上全部列车都安装了标准化容量的车载储能设备的技术方案，大大减小了对储能设备的投入，节约了成本。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明实施例所提供的基于时刻表调整的车载储能设备配置方法的流程图；
图2是图1中步骤4的分步骤流程图；
图3是现有技术中常规车载储能排布模式示意图；
图4是本发明实施例所提供的时刻表优化后的车载储能排布模式示意图；
图5是现有技术中常规车载储能排布的列车运行图(对应彩图见其他证明文件的图5)；
图6是本发明实施例所提供的时刻表优化后的车载储能排布的列车运行图(对应彩图见其他证明文件的图6)。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合图1～图6对本发明作详细说明。
一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，包括如下步骤:
S1:获取N辆目标列车的行车信息，所述行车信息包括列车的区间运行时间、发车间隔、牵引传动效率、辅助功率、牵引/制动特性、车重、储能设备的容量、牵引网线损、最大最小停站时间、计算步长；
S2:根据所述行车信息计算每辆列车的功率曲线，根据运营部门制定的的列车驾驶策略和时刻表，计算所有列车的速度曲线P＝F*V得到功率曲线；
S3:设定有m个可以被携带的车载储能设备，m的初值设定为N；
S4:遍历全部m个储能设备在N辆车上全部可能的排列组合方案，总计
Figure BDA0003422492740000051
个组合，根据每个组合在每组停站时间下的再生能量利用率，筛选出再生能量利用率最高的组合方案；
S41：设定再生能量利用率初值为0；
S42：设定一个m个储能设备在N辆车上的排布方案；
作为一个优选的实施方式：
第一次计算时，初值为14个设备在14辆车上的排布方案，方案总数为
Figure BDA0003422492740000052
即1种，即全部车都搭载设备；
第二次计算时，由于S5，m＝m-1，此时该步骤为，设定13个储能设备在14辆车上的排布方案，排列组合
Figure BDA0003422492740000053
共有14个方案，0表示未搭载，1表示搭载了，方案如下：
方案一：01111111111111方案二：10111111111111方案三：11011111111111；
方案四-方案十四依次类推；
同理，m为12、11时如上所示。
S43：设定一个全部站点停站时间的排布方案；
作为一个优选的实施方式：
例如，输入最大停站时间为35秒，最小停站时间为25秒，计算步长为1秒，则每个站点存在10个停站时间方案，若整条线路有10个站点，则共存在100(10*10)种停站时间方案的组合，依次对每个停站时间方案和储能设备排布方案进行算。
例如，算法第二次循环时，m为13，有14种储能排布方案，有100种停站时间方案，因此共有14*100＝1400种组合方案，对这1400种方案按照以下步骤进行再生能量利用率的计算，执行后续步骤。
S44：根据列车功率曲线、列车数量、发车间隔、停站时间的排布方案生成列车群的功率曲线集合，功率曲线集合为多辆车辆的功率曲线叠加；
S45：以时间为计算尺度，计算再生能量利用率为y；
Figure BDA0003422492740000061
式中ERBE表示列车群产生的全部再生能量，EIUE为车群中被牵引列车即时使用的再生能量，ESDUE为车群中被牵引列车自身储能设备吸收的再生能量，EODUE为车群中被牵引列车被其他储能设备吸收的再生能量大小；
步骤S45中，ERBE计算方法为：
Figure BDA0003422492740000062
其中
Figure BDA0003422492740000063
表示车群中第i辆车产生的再生能量，
Figure BDA0003422492740000064
表示第i辆列车在t时刻的功率，vi(t)表示第i辆车在t时刻的速度，
Figure BDA0003422492740000065
表示第i辆列车在t时刻且速度v时的制动力；
步骤S45中，EIUE、ESDUE、EODUE的计算方法如下：
Figure BDA0003422492740000066
Figure BDA0003422492740000067
Figure BDA0003422492740000068
其中，
Figure BDA0003422492740000069
为第i辆列车即时使用的再生能量；
Figure BDA00034224927400000610
为第i辆列车即时使用的再生功率；
Figure BDA00034224927400000611
为车群中第i辆列车自身储能设备吸收的再生能量；
EODUE为第i辆列车被其他储能设备吸收的再生能量大小；
Figure BDA00034224927400000612
为第i辆列车t时刻可用的再生功率，其计算过程如下：
Figure BDA00034224927400000613
其中，
Figure BDA00034224927400000614
为第j辆列车的牵引功率；
Figure BDA00034224927400000615
为第i辆列车的再生制动功率；η为列车的再生能量转换效率；
Figure BDA00034224927400000616
为供电区判定因子，若列车i和列车j处于同一供电区，则该值为1，否则为0(只有处于同一供电区的列车才能使用再生能量)，
Figure BDA00034224927400000617
为第j辆车的辅助功率。
Figure BDA00034224927400000618
为列车i和列车j之间的牵引网传输效率(网损效率)，计算过程如下：
Figure BDA0003422492740000071
其中z为能量最大传输距离；fdis为基于距离的传输函数，具体数值示线路而定，需要测定；si(t)为列车i在时刻t的位置，sj(t)为列车j在时刻t的位置。
Figure BDA0003422492740000072
Figure BDA0003422492740000073
其中vi(t)为列车i在时刻t的速度；
Figure BDA0003422492740000074
为列车i在时刻t的再生制动力；
Figure BDA0003422492740000075
为列车i在时刻t的牵引力；ESDUE与EODUE的计算与车载储能的容量相关，容量未满时，优先采用ESDUE充电，其次用EODUE，容量充满后，不再进行充电。
Figure BDA0003422492740000076
充电过程；
Figure BDA0003422492740000077
放电过程；
Figure BDA0003422492740000078
Figure BDA0003422492740000079
其中，Ei(t)为第i辆车在i时刻的车载储能装置储存的能量；
Figure BDA00034224927400000710
为储存在自身储能设备的功率，对应ESDUE；
Figure BDA00034224927400000711
为储存在其他车储能设备的功率，对应EODUE；λ为储能设备充电效率。
S46：对比再生能量利用率和初值的大小，将该值更新为大的值；
S47：判断是否已经尝试了全部储能设备排布和停站时间排布的全部排列组合方案，若是，则输出该储能设备的排列组合方案和停站时间排布方案，若否，则重复执行步骤S42。
S5:判断组合方案的再生能量利用率是否超过设定阈值，该值为地铁运营部门设定，本实施例中设定为60％，若是，则减少可使用的储能设备数量，即m＝m-1，重复执行步骤S4，若否，则输出m+1时的储能设备的排列组合方案和停站时间排布方案。
仿真验证：
以北京地铁八通线四惠-临河里段为例进行仿真，仿真中采用双向各7列列车同时运行，结果如表1所示。
Figure BDA0003422492740000081
表1：
案例一为工程实际中采用的方式，时刻表没有优化，发车间隔均匀(均为400秒)，所有列车均携带了统一容量的车载储能装置(均为15kWh)，车群携带的储能总容量为210kWh，此时实现了60％的再生能量利用。
案例二为本专利提出的方法得到的结果，经过时刻表优化，对发车间隔进行了调整，同时列车5和列车11不再携带储能装置，列车群携带的车载储能系统总容量为180kWh，再生能量利用率仍然为60％。对比案例一，有两列列车不再需要携带储能装置，仍然实现了相同的再生能量利用。
案例一和案例二的列车运行图分别参照图5和图6，图中黄色表示该段再生能量储存在自身的储能装置中，蓝色表示该段再生能量储存在其他列车的储能装置中，红色表示该段再生能量被即时使用了。可以看到案例一发车间隔均匀，各类能量的使用也非常规律，由于所有车均携带了储能装置，因此所有车都存在黄色线。案例二的发车间隔不均匀，因此再生能量的使用也非常不均匀，但明显蓝色和红色增多，这意味着虽然容量减小了，但是再生能量以其他的方式得到了更充分的利用，从而达到了降低容量的效果。此外，可以看到5号列车和11号列车没有出现黄色段，由于自身没有携带储能装置，因此不会出现黄色段，这也验证了提出的方法。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，其特征在于，包括如下步骤:
S1:获取N辆目标列车的行车信息；
S2:根据所述行车信息计算每辆列车的功率曲线；
S3:设定有m个可以被携带的车载储能设备，m的初值设定为N；
S4:遍历全部m个储能设备在N辆车上全部可能的排列组合方案，根据每个组合在每组停站时间下的再生能量利用率，筛选出再生能量利用率最高的组合方案；
S5:判断组合方案的再生能量利用率是否超过设定阈值，若是，则减少可使用的储能设备数量，即m＝m-1，重复执行步骤S4，若否，则输出m+1时的储能设备的排列组合方案和停站时间排布方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述目标列车的行车信息包括：列车、线路以及储能设备的标准化容量信息以及规定的发车时间间隔信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，其特征在于，所述列车信息包括列车车重信息、列车长度信息、单位基本阻力信息、应急牵引特性信息、应急制动特性信息、传动效率信息、辅助功率信息或能耗模型信息中的至少一种；所述线路信息包括车站公里标信息、限速信息、坡度信息、曲线信息或能最大最小停站时间信息中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：
S41：设定再生能量利用率初值为0；
S42：设定一个m个储能设备在N辆车上的排布方案；
S43：设定一个全部站点停站时间的排布方案；
S44：根据列车功率曲线、列车数量、发车间隔、停站时间的排布方案生成列车群的功率曲线集合，功率曲线集合为多辆车辆的功率曲线叠加；
S45：以时间为计算尺度，计算再生能量利用率为y；
Figure FDA0003422492730000011
式中ERBE表示列车群产生的全部再生能量，EIUE为车群中被牵引列车即时使用的再生能量，ESDUE为车群中被牵引列车自身储能设备吸收的再生能量，EODUE为车群中被牵引列车被其他储能设备吸收的再生能量大小；
S46：对比再生能量利用率和初值的大小，将再生能量利用率y更新为大的值；
S47：判断是否已经尝试了全部储能设备排布和停站时间排布的全部排列组合方案，若是，则输出该储能设备的排列组合方案和停站时间排布方案，若否，则重复执行步骤S42。
5.根据权利要求4所述的一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，其特征在于，所述步骤S45中，具体的EIUE由功率曲线中所有牵引、制动功率重叠情况决定，ESDUE由自身携带了储能设备的列车功率和储能设备容量决定，DODUE由列车功率和附近携带了储能设备的列车功率及储能容量决定。
6.根据权利要求4所述的一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法，其特征在于，所述步骤S45中，ERBE计算方法为：
Figure FDA0003422492730000021
其中
Figure FDA0003422492730000022
表示车群中第i辆车产生的再生能量，
Figure FDA0003422492730000023
表示第i辆列车在t时刻的功率，vi(t)表示第i辆车在t时刻的速度，
Figure FDA0003422492730000024
表示第i辆列车在t时刻且速度v时的制动力。
CN202111567919.5A 2021-12-21 2021-12-21 一种基于时刻表调整的车载储能设备配置方法 Active CN114228765B (zh)

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