CN114725975A - 基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法 - Google Patents

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CN114725975A CN202210219688.7A CN202210219688A CN114725975A CN 114725975 A CN114725975 A CN 114725975A CN 202210219688 A CN202210219688 A CN 202210219688A CN 114725975 A CN114725975 A CN 114725975A
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Abstract

本申请公开了一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法，其中，方法包括：获取柔性直流牵引供电系统的牵引所端口电压、牵引所钢轨电位；由牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，并根据牵引所负荷电流和钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，基于牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值；根据牵引所协同电流参考值和牵引所电压参考值，生成牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令，根据牵引所电压参考指令和电流参考指令控制对供电系统进行控制。由此，有效消纳机车再生制动能量，降低轨电位，保证系统可靠性，为轨道交通柔性直流牵引供电技术的实际运行控制提供技术方案。

Description

基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法
技术领域
本申请涉及轨道工程的电气自动化技术领域，特别涉及一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
柔性直流牵引供电系统，具有灵活可控的优势，可以在很大程度克服二极管整流供电系统、能馈式供电系统的缺陷，是未来的重要发展趋势。柔性直流牵引供电系统可以降低系统的建设成本，提升电能质量，灵活调控电压，便于接入可再生能源，通过系统级的能量管理方法可以提高机车再生制动能量利用率，降低网络损耗，降低钢轨电压。而城市轨道交通的迅速发展，对其牵引供电系统提出了新挑战。随着地铁、轻轨等城市轨道交通运载能力和里程的迅速增长，直流牵引供电系统的耗电量快速增长，地铁运营的电费成本不断上升，钢轨电压面临超标的风险。为响应绿色发展理念，保证地铁系统的安全可靠运行，亟需提高直流牵引供电系统的能量利用效率。
目前柔性直流牵引供电方案的能量管理方法研究较少，而能量管理方法对该系统的经济节能和安全可靠运行具有重要的作用。因此，有必要研究柔性直流牵引供电系统的能量管理方法，有效地协调控制系统中的所有牵引所。
发明内容
本申请提供一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法、装置、电子设备及存储介质，无需实时通信、量测机车信息，计算量小，能够有效降低直流牵引供电系统的运行成本，提高机车再生制动能量利用率，降低钢轨电位，为轨道交通柔性直流牵引供电技术的实际运行控制提供技术方案。
本申请第一方面实施例提供一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法，包括以下步骤：获取柔性直流牵引供电系统的牵引所端口电压、牵引所钢轨电位和牵引所电流；由所述牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由所述牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，并根据所述牵引所负荷电流和所述牵引所钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，基于所述牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值；根据所述牵引所协同电流参考值和所述牵引所电压参考值，生成牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令，根据所述牵引所电压参考指令和所述牵引所电流参考指令控制所述柔性直流牵引供电系统供电。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述由所述牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由所述牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，包括：基于电路叠加原理，将所述柔性直流牵引供电系统拆分为负荷子系统和协同子系统，并对所述柔性直流牵引供电系统中的负荷和牵引所进行等效变换，以及将所述牵引所电压分解为共模电压和差模电压；对所述负荷子系统和所述协同子系统中的电流源和电压源进行设置后进行电路计算，以将所述牵引所电流拆解为所述牵引所负荷电流和牵引所协同电流，将所述牵引所钢轨电位拆解为所述牵引所钢轨电位负荷分量和所述牵引所钢轨电位协同分量。
可选地，在本申请的一个实施例中，生成所述牵引所电流参考指令，包括：在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流大于等于预设牵引所电流限幅值时，根据第一预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以转移牵引所的负荷电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流小于牵引所动力照明负荷电流时，根据第二预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以吸收牵引所附近的机车再生制动电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所处钢轨电位超过预设牵引所钢轨电位限幅值时，根据第三预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以调整钢轨电位分布，其中，提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零。
可选地，在本申请的一个实施例中，生成所述牵引所电压参考指令，包括：基于拆分后的所述柔性直流牵引供电系统，根据所述协同子系统中的支路电压向量和所述协同子系统中的支路电流向量，以及共模电压和差模电压，生成所述牵引所电压参考指令。
本申请第二方面实施例提供一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置，包括：获取模块，用于获取柔性直流牵引供电系统的牵引所端口电压，牵引所钢轨电位和牵引所电流；计算模块，用于由所述牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由所述牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，并根据所述牵引所负荷电流和所述牵引所钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，基于所述牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值；管理模块，用于根据所述牵引所协同电流参考值和所述牵引所电压参考值，生成牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令，根据所述牵引所电压参考指令和所述牵引所电流参考指令控制所述柔性直流牵引供电系统供电。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述计算模块，具体用于，基于电路叠加原理，将所述柔性直流牵引供电系统拆分为负荷子系统和协同子系统，并对所述柔性直流牵引供电系统中的负荷和牵引所进行等效变换，以及将所述牵引所电压分解为共模电压和差模电压，对所述负荷子系统和所述协同子系统中的电流源和电压源进行设置后进行电路计算，以将所述牵引所电流拆解为所述牵引所负荷电流和牵引所协同电流，将所述牵引所钢轨电位拆解为所述牵引所钢轨电位负荷分量和所述牵引所钢轨电位协同分量。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述管理模块，具体用于，在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流大于等于预设牵引所电流限幅值时，根据第一预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以转移牵引所的负荷电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流小于牵引所动力照明负荷电流时，根据第二预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以吸收牵引所附近的机车再生制动电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所处钢轨电位超过预设牵引所钢轨电位限幅值时，根据第三预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以调整钢轨电位分布，其中，提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述管理模块，具体用于，基于拆分后的所述柔性直流牵引供电系统，根据所述协同子系统中的支路电压向量和所述协同子系统中的支路电流向量，以及共模电压和差模电压，生成所述牵引所电压参考指令。
本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以执行如上述实施例所述的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法。
本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以执行如上述实施例所述的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法。
本申请实施例具有以下有益效果：
1)控制参数易于调节。仅需要确定牵引所的电压波动范围，除此之外无需调节其它控制参数。
2)在不量测机车信息的条件下，通过计算求解机车能量需求在牵引所之间的自然分布，估计出负荷的大致信息。从而可以根据负荷信息，有针对性地实现牵引所协同控制，达到再生能量消纳、防止变流器电流越限的目的。
3)能够通过牵引所的协同控制，实现降低钢轨电位的功能。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例所提供的一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法的流程示意图；
图2为本申请实施例所提供的柔性直流牵引供电系统及其能量管理方法架构示意图；
图3为本申请实施例所提供的上层协同控制过程示意图；
图4为本申请实施例所提供的基于叠加电路的原系统等效方法示意图；
图5为本申请实施例所提供的钢轨电位建模与计算示意图；
图6为本申请实施例所提供的基于叠加电路的被控系统等效方法示意图；
图7为根据本申请实施例的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置的示例图；
图8为申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在柔性直流牵引供电系统的能量管理中，相关技术中的技术方案为基于柔性直流电网中常用的下垂控制方法或者最优控制方法。下垂控制方法在低压、电压波动范围有限的直流牵引供电系统中，难以确定控制参数；较大的下垂系数会使得系统电压波动范围过大，超过电压允许范围；较小的下垂系数不能有效地实现牵引所间的功率转移。而且，下垂控制的方案没有降低钢轨电位的功能。在设备功率达到容量约束时，下垂控制方案失去控制电压的能力，不利于在故障方式下保障系统的供电可靠性。最优控制方法中需要包括机车信息在内的全部实时信息，且最优控制算法的计算量大，其计算量正比于系统节点数目的三次方。最优控制方法对牵引供电系统的计算系统的计算速度、信号系统的实时性提出了过高的要求，因此难以实际应用到实时控制当中。
基于上述问题，本申请针对柔性直流牵引供电系统的具体特点，提出一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法，可以根据不同的控制目标组合，实现快速实时控制。该方法无需采集机车实时信息，对信号系统的要求低；计算速度快，每次控制的计算量正比于牵引所个数的一次方，计算量远远小于最优控制方法；可以实现降低变流器峰值电流或峰值功率，消纳机车再生制动能量，降低钢轨电位的功能，显著提升系统运行的可靠性、经济性和节能效益。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法的流程示意图。
如图1所示，该基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取柔性直流牵引供电系统的全部牵引所的端口电压、牵引所钢轨电位和牵引所电流。
如图2所示，令柔性直流牵引供电系统包括N个牵引变电所，每个牵引变电所包括k个双向变流器。
首先，基于量测系统获取全部N个牵引变流器量测值，其中第i个牵引所的量测值包括牵引所端口电压Usi，牵引所电流Isi，牵引所钢轨电位Uwi，并由信号系统把牵引所的量测值送到上层协同控制器。若第i个牵引所所内k个双向变流器部分退出情况下，继续采集牵引所端口电压Usi，牵引所电流Isi，牵引所钢轨电位Uw；若第i个牵引所解列，继续采集牵引所端口电压Usi，和牵引所钢轨电位Uw。
其次，上层协同控制器根据N个牵引变流器量测值，计算N个牵引所的电压参考指令和电流参考指令。其中，Urefi，Irefi分别表示第i个牵引所的电压参考指令和电流参考指令。
再次，通过信号系统把N个牵引变电所的电压参考指令和电流参考指令下发给各个对应的牵引所的本地变流器控制器。
需要说明的是，在控制过程中，上层协同控制器需要在满足系统电压约束，在牵引所电流约束或功率约束，牵引所钢轨电位约束的约束条件下，尽可能满足控制目标及其组合。
针对不同的供电制式，不同的运行方式，可以采取不同的控制目标。基本的控制目标有：降低变流器峰值电流或峰值功率，即主动限制变流器的峰值电流或峰值功率；消纳机车再生制动能量，即通过消纳机车的再生制动能量的方式提升系统的经济性；降低钢轨电位，从而保障安全可靠运行。在采用分散式外电源的牵引供电系统中正常运行方式下，控制目标组合为降低变流器峰值电流或峰值功率，消纳机车再生制动能量和降低钢轨电位；在采用分散式外电源的牵引供电系统中故障运行方式下，控制目标组合为降低变流器峰值电流或峰值功率和降低钢轨电位；在采用集中式外电源的牵引供电系统中正常运行方式下，控制目标组合为降低变流器峰值电流或峰值功率和降低钢轨电位；在采用集中式外电源的牵引供电系统中故障运行方式下，控制目标组合为降低变流器峰值电流或峰值功率和降低钢轨电位。
在步骤S102中，由牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由牵引所钢轨电位拆解为钢轨电位负荷分量，并根据牵引所负荷电流和钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，基于牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值。
具体地，由牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，用Isvi表示第i个牵引所的负荷电流；由牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，用Uwvi表示第i个牵引所的钢轨电位负荷分量；并根据牵引所负荷电流和牵引所钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，用Irci表示第i个牵引所在控制之后实现的合理的协同电流值；基于牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值，用Urefi表示第i个牵引所的电压参考值。
在本申请的实施例中，如图3所示，需要量测所有牵引所的电流和电压，用Us和Is分别表示测量得到的牵引所电压向量和牵引所电流向量，即Us＝[Us1，Us2，…Usi，…UsN]T，Is＝[Is1，Is2，…Isi，…IsN]T。用Uw表示测量得到的牵引所钢轨电位向量，即Uw＝[Uw1，Uw2，…Uwi，…UwN]T。基于信号系统汇总所有牵引所的电流和电压、钢轨电位信息。协同控制以Uw、Us和Is作为输入，执行三步核心运算：1)将牵引所电流基于系统建模方法拆解为负荷电流向量Isv和协同电流向量Isc，将牵引所钢轨电位基于系统建模方法拆解为负荷分量向量Uwv和协同分量向量Uwc，基于负荷电流可以估计机车负荷的信息，其中Isv＝[Isv1，Isv2，…Isvi，…IsvN]T，Isc＝[Isc1，Isc2，…Isci，…IscN]T，Isci表示第i个牵引所的协同电流，Uwv＝[Uwv1，Uwv2，…Uwvi，…UwvN]T，Uwc＝[Uwc1，Uwc2，…Uwci，…UwcN]T，Uwci表示第i个牵引所的钢轨电位协同分量；2)基于第1步计算中的负荷电流Isv和钢轨电位负荷分量Uwv，计算合理的协同电流值向量Irc，其中Irc＝[Irc1，Irc2，…Irci，…IrcN]T，Irci表示第i个牵引所在控制之后实现的合理的协同电流值，基于协同电流值Irc，牵引所之间可以有效地进行协同支援；3)根据第2步计算中的协同电流值Irc，计算牵引所电压参考值向量Uref，Uref＝[Uref1，Uref2，…Urefi，…UrefN]T。协同控制输出电压参考值Uref并用信号系统将其传输给各个牵引所的变流器控制器。变流器控制器控制各个牵引所内的变流器按照电压指令运行。
由量测获取到柔性直流牵引供电系统的牵引所电压和牵引所电流后，由牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，作为一种具体的实现方式，由牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，包括：基于电路叠加原理，将柔性直流牵引供电系统拆分为负荷子系统和协同子系统，并对柔性直流牵引供电系统中的负荷和牵引所进行等效变换，以及将牵引所电压分解为共模电压和差模电压；对负荷子系统和协同子系统中的电流源和电压源进行设置后进行电路计算，以将牵引所电流拆解为牵引所负荷电流和牵引所协同电流，将牵引所钢轨电位拆解为所述钢轨电位负荷分量和钢轨电位协同分量。
由叠加网络分解牵引所负荷电流和钢轨电位负荷分量，如图4所示，将原始系统分解为负荷子系统和协同子系统。假设机车为电流源，牵引所为电压源；牵引所电压可以分解为共模电压和差模电压，用Usg和ΔUsi分别表示第i个牵引所的共模电压和差模电压。在负荷子系统中，只保留表示机车能量需求的电流源和表示牵引所共模电压的电压源；在协同子系统中，只保留了表示牵引所差模电压的电压源。由于负荷子系统中的牵引所电压均相同，所以负荷子系统的潮流分布反映了机车能量需求在牵引所间的自然分布。由于协同子系统仅保留了牵引所之间的电压之差，该子系统的潮流分布反映了协同控制的效果。
如图4的(a)所示，对于第j个轨道车辆，其假定车辆电流为Ivj。图4的(a)等价于图4的(b)，第i个牵引所的电压被分解为了共模电压Usg和差模电压ΔUsi。在负荷子系统中，如图4的(c)，牵引所的电流即为负荷电流Isvi；在协同子系统中，如图4的(d)，牵引所的电流即为协同电流Isci。用Usg，ΔUs分别表示牵引所的共模电压Usg向量，差模电压ΔUsi向量，即，Usg＝[Usg，…Usg，…Usg]T，ΔUs＝[ΔUs1，ΔUs2，…ΔUsi，…ΔUsN]T。共模电压Usg可选为任意值，为了减少计算量，选第N个牵引所的电压UsN为共模电压Usg。
由叠加原理：
ΔUs＝Us-Usg (1)
基于基尔霍夫电压定律：
Figure BDA0003536586990000071
其中，Ucb表示协同子系统中的支路电压向量，即Ucb＝[Ucb1，Ucb2，…Ucbi，…Ucb(N-1)]T，Ucbi表示第i个牵引所和第(i+1)个牵引所之间的支路电压。
定义导纳矩阵G：
G＝diag(r1 -1,r2 -1,K,rN-1 -1) (3)
其中，ri表示第i个牵引所和第i+1个牵引所之间的电阻。
Icb＝GUcb (4)
其中，Icb表示协同子系统中的支路电流向量，即Icb＝[Icb1，Icb2，…Icbi，…Icb(N-1)]T，Icbi表示第i个牵引所和第(i+1)个牵引所之间的支路电流。
由基尔霍夫电流定律：
Figure BDA0003536586990000072
由叠加原理：
Isv＝Is-Isc (6)
由此，完成了牵引所负荷电流的计算。
对于第i个牵引所，其对地电导为gwi。基于集中参数建模方法的协同子系统钢轨电位计算模型，如图5的(a)所示。忽略对地的杂散电流，图5的(a)等价于图5的(b)中的简化计算模型。在协同子系统中，如图5的(a)，牵引所钢轨电位即为协同分量Uwci。假设牵引所i和牵引所i+1之间的接触网电阻、钢轨电阻分别为rqi和rhi，接触网纵向压降、钢轨纵向压降分别为Uqci和Uhci。用Uqc，Uhc分别表示协同子系统中接触网纵向压降向量，协同子系统中钢轨纵向压降向量，即Uqc＝[Uqc1，Uqc2，…Uqci，…Uqc(N-1)]T，Uhc＝[Uhc1，Uhc2，…Uhci，…Uhc(N-1)]T。
由叠加原理：
Uw＝Uwc+Uwv (7)
基于基尔霍夫电流定律：
Figure BDA0003536586990000081
基于基尔霍夫电流定律：
Figure BDA0003536586990000082
求出Uwc1，从而由(8)(9)求出整个钢轨电位协同分量：
Figure BDA0003536586990000083
由
Uwv＝Uw-Uwc (13)
可计算出牵引所钢轨电位负荷分量。
在步骤S103中，根据牵引所协同电流参考值和牵引所电压参考值，生成牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令，根据牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令控制柔性直流牵引供电系统供电。
可选地，在本申请的一个实施例中，生成牵引所电流参考指令，包括：在柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的牵引所负荷电流大于等于预设牵引所电流限幅值时，根据第一预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以转移牵引所的负荷电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的牵引所负荷电流小于牵引所动力照明负荷电流时，根据第二预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以吸收牵引所附近的机车再生制动电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所处钢轨电位超过预设牵引所钢轨电位限幅值时，根据第三预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以调整钢轨电位分布，其中，提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零。
可选地，在本申请的一个实施例中，生成牵引所电压参考指令，包括：基于拆分后的柔性直流牵引供电系统，根据协同子系统中的支路电压向量和协同子系统中的支路电流向量，以及共模电压和差模电压，生成牵引所电压参考指令。
得到牵引所负荷电流后，计算正常运行方式下的协同电流参考值。
与图4所示的基于测量值的系统不同，图6所示的是被控之后的系统。图6的(a)中，对于第i个牵引所，其电压和电流分别为Urefi和Irefi。图6的(a)等价于图6的(b)，第i个牵引所的电压被分解为了共模电压Urg和差模电压ΔUri。在被控后的负荷子系统中，如图6的(c)，牵引所的电流仍然为图4的(c)中的负荷电流Isvi；在被控后的协同子系统中，如图6的(d)，牵引所的电流即为协同电流Irci。用Urg，ΔUr分别表示牵引所的共模电压Urg向量，差模电压ΔUri向量，即Urg＝[Urg，…Urg，…Urg]T，ΔUr＝[ΔUr1，ΔUr2，…ΔUri，…ΔUrN]T，共模电压Urg可选为任意值，为了减少计算量，选第N个牵引所的电压UrefN为共模电压Urg。
根据已知的牵引所负荷电流，可以确定理想的协同电流参考指令。如果第i个牵引所的负荷电流Isvi超过牵引所电流限幅值Ilimi，
Irci＝Ilimi-Isvi (14)
其负荷电流需要转移到附近的牵引所。附近的牵引所对第i个牵引所提供电流支援，来避免第i个牵引所的电流超过限幅值。提供支援的牵引所的协同电流参考指令与第i个牵引所的协同电流参考指令Irci总和为0。当不止一个牵引所同时为某个牵引所提供协同电流支援时，提供支援的牵引所的协同电流的大小与其和被支援的牵引所之间的阻抗成反比，即距离被支援牵引所越近的牵引所提供的协同电流支援越多。
如果第i个牵引所的负荷电流Isvi小于牵引所动力照明负荷电流Isali：
Irci＝ -Isali-Isvi (15)
其回馈电流需要转移到附近的牵引所。附近的牵引所吸收第i个牵引所附近的机车再生制动电流，来避免第i个牵引所的电流反送到交流电网，实现机车再生制动能量在直流牵引供电系统内部的消纳。提供支援的牵引所的协同电流参考指令与第i个牵引所的协同电流参考指令Irci总和为0。当不止一个牵引所同时为某个牵引所提供协同电流支援时，提供支援的牵引所的协同电流的大小与其和被支援的牵引所之间的阻抗成反比，即距离被支援牵引所越近的牵引所提供的协同电流支援越多。
如果第i个牵引所的牵引所钢轨电位负荷分量Uwvi超过限幅值Uwlim：
Uwci＝Uwlim-Uwvi (16)
附近的牵引所需要通过改变协同电流参考指令Irc来改变钢轨纵向压降Uhc，从而改变钢轨电位的纵向分布，防止局部区域钢轨电位幅值过高。为了产生理想的Uwci，选取附近某一牵引所j，通过牵引所j和牵引所j+1之间的协同电流改变钢轨纵向压降：
Figure BDA0003536586990000101
其中，提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为0。上述介绍了采用分散式外电源的牵引供电系统中正常运行方式下的协同电流参考值计算方法，在故障运行方式下，由于故障时间较短，系统的经济运行可以暂时忽略：即可以仅考虑牵引所电流限幅，和钢轨电位的限制，暂时不考虑机车再生制动能量的消纳。
在采用分散式外电源的牵引供电系统中，需要考虑牵引所电流限幅，钢轨电位的限制，和机车再生制动能量的消纳；在采用集中式外电源的牵引供电系统中，可以不考虑机车再生制动能量的消纳，仅保证系统的安全可靠运行即可。
计算牵引所电压参考指令，在被控后的系统中，如图6所示，用Urb表示协同子系统中的支路电压向量，即Urb＝[Urb1，Urb2，…Urbi，…Urb(N-1)]T，Urbi表示控制之后第i个牵引所和第(i+1)个牵引所之间的支路电压。Irb表示协同子系统中的支路电流向量，即Irb＝[Irb1，Irb2，…Irbi，…Irb(N-1)]T，Irbi表示控制之后第i个牵引所和第(i+1)个牵引所之间的支路电流。
由基尔霍夫电流定律：
Figure BDA0003536586990000102
定义矩阵R：
R＝diag(r1,r2,K,rN-1) (19)
可以算出
Urb＝RIrb (20)
基于基尔霍夫电压定律：
Figure BDA0003536586990000111
通过指定被控后的牵引所共模电压Urg，可以计算：
Uref＝Urg+ΔUr (22)
为了确保所有牵引所的电压在合理范围内，共模电压Urg应该在额定值附近：
Iref＝Isv+Irc (23)
需要说明的是，上述实施例的能量管理方法，在实际应用中可以采用集中式控制方法，也可以采用分区分级或者分组的分布式控制方法。
进一步地，本申请实施例可以综合使用保证牵引所电流不越限的能量管理方法，消纳机车再生能量的能量管理方法和降低钢轨电位的能量管理方法，也可以选择其中1个或者2个方法使用。3个能量管理方法都会对牵引所电压指令和电流指令产生影响，当同时使用多于1个能量管理方法时，控制指令可能会发生冲突。其中，保证牵引所电流不越限的能量管理方法有利于消纳机车再生能量，因此保证牵引所电流不越限的能量管理方法和消纳机车再生能量的能量管理方法之间并不会冲突。但是降低钢轨电位的能量管理方法不利于保证牵引所电流不越限和消纳机车再生能量，因此降低钢轨电位的能量管理方法和保证牵引所电流不越限的能量管理方法，降低钢轨电位的能量管理方法和消纳机车再生能量的能量管理方法之间均存在冲突。
控制指令发生冲突时，可以根据实际需求选择优先级。例如，3个能量管理方法同时使用时，可以首先根据保证牵引所电流不越限的能量管理方法计算牵引所的电压指令，保证牵引所电流被限幅，保障设备的安全性；再在不影响牵引所电流限幅的条件下，选择牵引所产生协同电流，改变钢轨电位分布，根据降低钢轨电位的能量管理方法限制局部过高的钢轨电位，避免轨电位限幅装置动作从而造成较大的杂散电流，最后根据消纳机车再生能量的能量管理方法，在不会影响牵引所电流限幅、钢轨电位限幅的区域进一步调节牵引所协同电流，减少机车再生制动能量向城市配电网的反送，实现经济节能的控制效果。
如果用电流源变流器替代了牵引所中的电压源变流器，本申请实施例的能量管理方法同样适用。只需要直接采用电流参考指令控制牵引所中的电流源变流器，而无需基于电流参考指令计算牵引所的电压参考指令。
本申请实施例的牵引所电流限幅值既可以是恒定值，也可以被实时更新。因此，本申请也适用于牵引所功率限幅的场景：牵引所的电流限幅值根据功率限幅值除以牵引所电压实时更新，就可以实现牵引所的功率限幅。
根据本申请实施例提出的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法，将原始系统分解为负荷子系统和协同子系统。负荷子系统的潮流分布反映了机车能量需求在牵引所间的自然分布，表征了原始系统中不可控的部分。协同子系统的潮流分布反映了协同控制的效果，表征了原始系统的可控部分。基于该建模方法中的负荷子系统，可以在不对机车负荷信息进行直接量测的条件下估计负荷信息，帮助能量管理方法实现有针对性地协调控制。该方法有效地利协同子系统的牵引所协同电流，通过计算合理的协同电流值以实现机车再生制动能量消纳、防止变流器电流越限的目的。
其次参照附图描述根据本申请实施例提出的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置。
图6为根据本申请实施例的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置的示例图。
如图6所示，该基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置10包括：获取模块100、计算模块200和管理模块300。
其中，获取模块100，用于获取柔性直流牵引供电系统的牵引所端口电压，牵引所钢轨电位和牵引所电流。计算模块200，用于由牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，并根据牵引所负荷电流和牵引所钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，基于牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值。管理模块300，用于根据牵引所协同电流参考值和牵引所电压参考值，生成牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令，根据牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令控制柔性直流牵引供电系统供电。
可选地，在本申请的一个实施例中，计算模块200，具体用于，基于电路叠加原理，将柔性直流牵引供电系统拆分为负荷子系统和协同子系统，并对柔性直流牵引供电系统中的负荷和牵引所进行等效变换，以及将牵引所电压分解为共模电压和差模电压，对负荷子系统和协同子系统中的电流源和电压源进行设置后进行电路计算，以将牵引所电流拆解为牵引所负荷电流和牵引所协同电流，将牵引所钢轨电位拆解为牵引所钢轨电位负荷分量和牵引所钢轨电位协同分量。
可选地，在本申请的一个实施例中，管理模块300，具体用于，在柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的牵引所负荷电流大于等于预设牵引所电流限幅值时，根据第一预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以转移牵引所的负荷电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的牵引所负荷电流小于牵引所动力照明负荷电流时，根据第二预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以吸收牵引所附近的机车再生制动电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所处钢轨电位超过预设牵引所钢轨电位限幅值时，根据第三预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以调整钢轨电位分布，其中，提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零。
可选地，在本申请的一个实施例中，管理模块300，具体用于，基于拆分后的柔性直流牵引供电系统，根据协同子系统中的支路电压向量和协同子系统中的支路电流向量，以及共模电压和差模电压，生成牵引所电压参考指令。
需要说明的是，前述对基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置，充分发挥柔性直流牵引供电系统灵活可控的特点，通过控制各个牵引所的电压实现系统级的协同优化控制，显著提高直流牵引供电系统的节能减排效果、经济效益，适用于采用柔性直流牵引供电系统的新建城市或城际轨道交通线路，以及适用于对供电能力存在不足的既有直流牵引供电系统的局部或全线技术改造。
图8为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
存储器801、处理器802及存储在存储器801上并可在处理器802上运行的计算机程序。
处理器802执行程序时实现上述实施例中提供的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法。
进一步地，电子设备还包括：
通信接口803，用于存储器801和处理器802之间的通信。
存储器801，用于存放可在处理器802上运行的计算机程序。
存储器801可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
如果存储器801、处理器802和通信接口803独立实现，则通信接口803、存储器801和处理器802可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果存储器801、处理器802及通信接口803，集成在一块芯片上实现，则存储器801、处理器802及通信接口803可以通过内部接口完成相互间的通信。
处理器802可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

Claims (10)

1.一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取柔性直流牵引供电系统的牵引所端口电压、牵引所钢轨电位和牵引所电流；
由所述牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由所述牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，并根据所述牵引所负荷电流和所述牵引所钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，基于所述牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值；以及
根据所述牵引所协同电流参考值和所述牵引所电压参考值，生成牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令，根据所述牵引所电压参考指令和所述牵引所电流参考指令控制所述柔性直流牵引供电系统供电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由所述牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由所述牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，包括：
基于电路叠加原理，将所述柔性直流牵引供电系统拆分为负荷子系统和协同子系统，并对所述柔性直流牵引供电系统中的负荷和牵引所进行等效变换，以及将所述牵引所电压分解为共模电压和差模电压；
对所述负荷子系统和所述协同子系统中的电流源和电压源进行设置后进行电路计算，以将所述牵引所电流拆解为所述牵引所负荷电流和牵引所协同电流，将所述牵引所钢轨电位拆解为所述牵引所钢轨电位负荷分量和所述牵引所钢轨电位协同分量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，生成所述牵引所电流参考指令，包括：
在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流大于等于预设牵引所电流限幅值时，根据第一预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以转移牵引所的负荷电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；
在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流小于牵引所动力照明负荷电流时，根据第二预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以吸收牵引所附近的机车再生制动电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；
在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所处钢轨电位超过预设牵引所钢轨电位限幅值时，根据第三预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以调整钢轨电位分布，其中，提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，生成所述牵引所电压参考指令，包括：
基于拆分后的所述柔性直流牵引供电系统，根据所述协同子系统中的支路电压向量和所述协同子系统中的支路电流向量，以及共模电压和差模电压，生成所述牵引所电压参考指令。
5.一种基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取柔性直流牵引供电系统的牵引所端口电压，牵引所钢轨电位和牵引所电流；
计算模块，用于由所述牵引所电流拆解得到牵引所负荷电流，由所述牵引所钢轨电位拆解得到牵引所钢轨电位负荷分量，并根据所述牵引所负荷电流和所述牵引所钢轨电位负荷分量计算牵引所协同电流参考值，基于所述牵引所协同电流参考值计算牵引所电压参考值；以及
管理模块，用于根据所述牵引所协同电流参考值和所述牵引所电压参考值，生成牵引所电压参考指令和牵引所电流参考指令，根据所述牵引所电压参考指令和所述牵引所电流参考指令控制所述柔性直流牵引供电系统供电。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算模块，具体用于，基于电路叠加原理，将所述柔性直流牵引供电系统拆分为负荷子系统和协同子系统，并对所述柔性直流牵引供电系统中的负荷和牵引所进行等效变换，以及将所述牵引所电压分解为共模电压和差模电压，对所述负荷子系统和所述协同子系统中的电流源和电压源进行设置后进行电路计算，以将所述牵引所电流拆解为所述牵引所负荷电流和牵引所协同电流，将所述牵引所钢轨电位拆解为所述牵引所钢轨电位负荷分量和所述牵引所钢轨电位协同分量。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述管理模块，具体用于，在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流大于等于预设牵引所电流限幅值时，根据第一预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以转移牵引所的负荷电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所的所述牵引所负荷电流小于牵引所动力照明负荷电流时，根据第二预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以吸收牵引所附近的机车再生制动电流，其中，牵引所的协同电流参考指令与提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零；在所述柔性直流牵引供电系统中任一个牵引所处钢轨电位超过预设牵引所钢轨电位限幅值时，根据第三预设条件选取其他牵引所中的至少一个牵引所进行支援，以调整钢轨电位分布，其中，提供支援的牵引所的协同电流参考指令总和为零。
8.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述管理模块，具体用于，基于拆分后的所述柔性直流牵引供电系统，根据所述协同子系统中的支路电压向量和所述协同子系统中的支路电流向量，以及共模电压和差模电压，生成所述牵引所电压参考指令。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-4任一项所述的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-4任一项所述的基于叠加电路的柔性直流牵引供电系统能量管理方法。
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