CN114912068A - 一种dc牵引网络的潮流分析方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于DC牵引网络中的潮流分析技术领域,尤其涉及一种DC牵引网络的潮流分析方法,
背景技术
现代地铁系统由直流牵引系统驱动,该系统应用大量结点和电路来供给和传输电力。为了获得安全、经济的电力输送过程,潮流分析是获取和预测电压、电流和负载值的有效途径,其关键在于求解网络的潮流方程。由于牵引系统非常庞大且复杂,因此需要高效且快速收敛的潮流方程求解方法。
为此,DC潮流方程的求解方法已被广泛研究,其中Gauss-Seidel方法[1]是广为人知且广泛使用的方法,但是它需要大量的迭代。为减少迭代次数,Newton-Raphson方法[2]具有二次的收敛速度,但是它在每轮迭代中都需要额外地计算Jacobian矩阵及其逆矩阵。同时,一种基于LU分解的方法[3]也可以有效地减少潮流计算的迭代次数。
此外,在不使用Jacobian矩阵的情况下,[4]使用连续逼近方法可以减少计算负担,并且引入了充分的条件以保证解的唯一性和方法的收敛性。泰勒级数展开被用于将潮流计算问题线性化[5],它可以有效降低计算量。还有一些方法[6-8]可高效地求解具有径向结构的网络的潮流,但是它们要求网络中只有一个独立电压源,因此无法适用于DC牵引网络。
即使上述方法减少了每轮迭代所需的计算,但由于它们简化了潮流方程且没有利用到梯度信息,它们的收敛性能会变差。据作者所知,对于一般的DC潮流计算问题,现有的方法难以同时具有高效的收敛速度和计算复杂度。但通过利用牵引网络的贯通式结构特性,可将整个网络分解为多个独立的梯形网络并分别求解各梯形网络的潮流[8],从而减小了问题的规模。对于每个梯形网络,Jacobian矩阵可通过链式法则表示为一系列微分的乘积,但是该方法只适用于两辆列车同向行驶的网络。另外,对于两辆列车相向行驶的网络可以无需迭代地求解它的潮流[9]。但是,一般的DC牵引网络要求其上下行轨道上各有n辆和m辆列车,此时这两种方法不再适用。
参考文献:
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发明内容
为了实现高效地求解DC牵引网络的潮流方程,本发明提供一种DC牵引网络的潮流分析方法。
本发明的一种DC牵引网络的潮流分析方法,包括以下步骤:
步骤1:构建DC牵引网络模型。
采用第三轨供电的DC牵引网络由变电站、悬链线、回程轨道和列车组成,其中列车运行在上行或下行方向的轨道;两个变电站sL和sR分别位于网络的前后端,其位置分别为xL和xR,在两个变电站之间,有n辆列车运行在上行方向轨道,其位置分别为有m辆列车运行在下行方向轨道,其位置分别为
绘制DC牵引网络的等效电路,其中每辆列车等效为一个恒功率源,每个变电站等效为一个带有串联电阻Rs的恒定直流电压源,其电阻值和电压值分别为变电站的内阻和空载电压;等效电路中,为对应列车的功率,由下式计算;
P(v)=(Ft/ηt-αηbFb)v (4)
其中,0<ηt,ηb<1分别为列车在牵引模式和制动模式下的机电效率的有效值,0<α<1为列车制动能量的利用率;Ft和Fb分别为列车所受的牵引力和制动力,v为列车的速度。
其中,ρc和ρr分别为悬链线和回程轨道的电阻率。
步骤2:推导潮流方程。
DC牵引网络的等效电路的结点电压方程如下式:
步骤3:求解潮流方程。
将式(6)和(7)结合并重构得到:
在每一次迭代中具有前向传播和反向传播两个步骤。
在反向传播中,根据计算图以及微分的链式法则,fc对每个结点的偏导数可由式(11)计算,其计算顺序与前向传播过程中的相反。
由fc的定义,可得式(11)的初始条件为:
最终,根据是否满足终止条件来决定将结束还是进入下一次迭代。
迭代终止条件为:
k≥kmax or||ΔU||≤(ΔU)tol
本发明的有益技术效果为:
本发明具有二次的收敛速度和线性的单轮迭代计算复杂度。本发明提出的CNR方法是一个高效的针对DC牵引网络的潮流计算方法,它是NR方法的改进。基于潮流方程提出了一个等效的计算图,无论网络中的列车如何分布,CNR方法都只需要两个变量,并且以链式计算代替了矩阵运算。基于北京地铁亦庄线的实际数据进行的安利分析,CNR方法不仅将单轮迭代的计算复杂度降低到了O(s),而且还具有二次的收敛速度。
附图说明
图1为DC牵引网络的物理模型。
图2为DC牵引网络的等效电路图。
图3为函数fc的计算图。
图4为CNR方法的伪代码。
图5为北京地铁亦庄线的拓扑结构图。
图6为列车时刻表的各时间点关系示意图。
图7为CNR方法中第一辆车的电压曲线。
图8为仿真各方法的收敛性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种DC牵引网络的潮流分析方法,具体为:
步骤1:构建DC牵引网络模型。
单车的运行模型可基于牛顿第二定律描述如下:
Ma=Ft-Fb-R0(v)-Rr(s) (1)
其中,M,s,v,a分别为列车的质量,位置,速度和加速度,Ft和Fb分别为列车所受的牵引力和制动力,可由列车实时运行状态得到。R0表示列车所受的基本运行阻力,它可通过(2)中的Davis公式[9]计算。Rr表示列车所受的坡度附加运行阻力,它通过式(3)计算:
R0(v)=c0+c1v+c2v2 (2)
Rr(s)=Mgsin(θ) (3)
最终,列车的功率可由式(4)得到。当列车处于牵引模式时,功率为正值;当列车处于制动模式时,功率为负值。
P(v)=(Ft/ηt-αηbFb)v (4)
其中,0<ηt,ηb<1分别为列车在牵引模式和制动模式下的机电效率的有效值,0<a<1为列车制动能量的利用率,它由铁路系统中能量储存装置的电容等因素决定。
采用第三轨供电的DC牵引网络由变电站、悬链线、回程轨道和列车组成,其中列车运行在上行或下行方向的轨道。一般的DC牵引网络的物理模型如图1所示。图中两个变电站sL和sR分别位于网络的前后端,其位置分别为xL和xR,在两个变电站之间,有n辆列车运行在上行方向轨道,其位置分别为有m辆列车运行在下行方向轨道,其位置分别为
绘制DC牵引网络的等效电路如图2所示,其中每辆列车等效为一个恒功率源,每个变电站等效为一个带有串联电阻Rs的恒定直流电压源,其电阻值和电压值分别为变电站的内阻和空载电压;等效电路中,为对应列车的功率,它可由式(4)计算。为对应列车所处悬链线的电压,UL和UR为两个变电站的输出电压;为对应的列车与列车之间或列车与变电站之间的悬链线和回程轨道的等效电导值,由下式计算:
步骤2:推导潮流方程。
步骤3:求解潮流方程。
将式(6)和(7)结合并重构得到:
其中,当和给定时,U可被递推地计算得到。具体的,通过式(8a)可计算得到UL,然后按照i=1,2,...,n和j=1,2,...,m的顺序利用式(8b)和(8c),可依次计算得和最终利用式(8d)得到UR。到此,U的每一个分量都可被计算,只需给定和
因此,将和视为决策变量,即定义如前所述,U可由Uc计算得到,所以它们是等效的。分析可知,U满足潮流方程(6)和(7)当且仅当Uc满足即Uc为函数的根。根据前文所述的由和计算U的过程,可将函数fc的计算图绘制于图3。fc的Jacobian矩阵Jc由下式计算:
注意Jc是无法直接计算得到的,本发明使用了自动微分技术以计算Jc,为了讲述其过程,需要介绍两个重要的定义:
定义1:在计算图中有从结点wi指向wj的箭头,则wj称为wi的子结点,同时wi称为wj的父结点。需注意一个结点的子结点或父结点的数量可以大于1。
在每一次迭代中具有前向传播和反向传播两个步骤。
在反向传播中,根据计算图以及微分的链式法则,fc对每个结点的偏导数可由式(11)计算,其计算顺序与前向传播过程中的相反。
由fc的定义,可得式(11)的初始条件为:
最终,根据是否满足终止条件(见如图4所示的伪代码)来决定将结束还是进入下一次迭代。
迭代终止条件为:
k≥kmax or||ΔU||≤(ΔU)tol
本方法的主要计算量在于fc和Jc的计算,它们都是线性复杂度的。同时,本方法也具有二次的收敛速度。需要指出的是,要使CNR方法收敛到目标解需要一定的条件。首先,保证潮流方程(6)和(7)的解存在所需的条件在文献[4]中给出。在此基础上,可应用文献[12]提出的NR方法的收敛条件推导得CNR方法收敛的条件。
实施例
北京地铁亦庄线是一个典型的第三轨方式供电线路,其供电制式为DC-750V,因此可以用第二节中的模型对其描述。亦庄线共23.3km长,具有14座车站和6个变电站(即5个供电区间),它的拓扑结构图绘制于图5。各站点的位置信息和列车运行时刻表如表1[13]。
表1列车运行时刻表
其中,从列车在当前站点启动时开始计时,0~t1时段内为牵引工况,此时只受牵引力;t1~t2时段内为巡航工况,此时合力为0;t2~t3时段内为制动工况,此时只受制动力。在t3时刻列车到达下一站点,停留至t4时刻时再次启动并重新计时。该过程的示意图绘制于图6。根据地铁系统的运行特点,假设每辆列车从起点站出发,沿上行轨道运行至终点站,然后折返并沿着下行轨道回到起点站,并不断循环。在亦庄线的高峰时段(17:30–18:30),共14辆列车在轨道上循环地运行,其初始位置如表2所示。
表2各列车的初始位置
此外,亦庄线的坡度信息由表3给出[13]:
表3亦庄线的坡度信息表
位置 | 0 | 160 | 470 | 970 | 1370 | 1880 | 2500 | 2700 | 3170 | 3570 |
坡度 | -2 | -3 | 10.4 | 3 | -8 | 3 | -2 | -3 | 8.2 | 2 |
位置 | 3940 | 4200 | 4800 | 5200 | 5800 | 6050 | 6370 | 6770 | 7150 | 7415 |
坡度 | -20.4 | -24 | 0 | -2 | -3.2 | 0 | 3.3 | 2.8 | -15.6 | 9 |
位置 | 7675 | 8376 | 8736 | 9036 | 9366 | 9806 | 10206 | 10606 | 10866 | 11426 |
坡度 | 0 | 5 | -2 | 0 | -2 | 5 | 3 | 0 | 2 | -3 |
位置 | 11826 | 12116 | 12736 | 13116 | 13526 | 13926 | 14546 | 15176 | 15476 | 16006 |
坡度 | 0 | 3.5 | -1.8 | 0 | -0.5 | 1.5 | -1 | 6 | 0 | -8 |
位置 | 16326 | 16696 | 17136 | 17816 | 18136 | 18486 | 19186 | 19426 | 19776 | 20121 |
坡度 | -3 | 5 | 1.4 | 0 | 15.5 | 24 | -3 | 10.1 | 2 | -3 |
位置 | 20796 | 21231 | 21481 | 21681 | 22066 | 22416 | 22728 | |||
坡度 | 3 | 2 | 20 | 3 | -18.9 | 2 | \ |
其中位置的单位为(m),坡度的单位为弧度的千分数。上表数据读取方式为:0m至160m处的坡度为-2×10-3,160m至470m处的坡度为-3×10-3,以此类推。根据坡度信息和式(3),可得到列车所受的坡度附加阻力。
亦庄线使用DKZ32型电动车组,它的最高限速为80km/h。根据文献[14],可将列车的基本运行阻力、制动力和牵引力特性列于式(14)–(16)。式中,v的单位为km/h,Ft,Fb,R0,Rr的单位为kN。
R0(v)=2.965-0.064v+3.858×10-4v2 (16)
最终根据文献[15,16],可将列车和变电站的参数列于表4中。
表4测试环境的详细参数表
根据表1、表3以及式(14)~(16)、式(3)可得每辆列车在任意时刻的受力情况,再根据表2给出的列车初始位置和列车运动方程(1)可得列车任意时刻的位置x和速度v.进而根据x和变电站位置(在图5中标出)可判断各列车所在供电区间的编号,将v和列车受力情况用于式(4)可得列车功率P。在给定时刻,牵引网络的潮流可在5个供电区间中独立地分析,对于其中一个供电区间的分析过程如下:
选出该供电区间内的列车子集,记x和P为其位置和功率。将x代入到式(5)中可得该供电区间的导纳矩阵G。最终设置终止条件kmax和(ΔU)tol,即可应用潮流分析方法来计算网络的潮流。
仿真比较:
比较了几种高效的数值方法:经典Newton-Raphson方法(NR)[2],线性逼近方法(LA)[5],连续逼近方法(SA)[4]以及本文提出的压缩Newton-Raphson方法(CNR)。仿真测试在64位Windows10操作系统的台式机上运行,采用频率为4.10GHz的Inter(R)core(TM)i5-9300H的处理器和16GB的内存。为了公平地比较不同方法的性能,本发明为各方法设置相同的终止条件:kmax=100和(ΔU)tol=10-10。为验证方法的有效性,使用CNR方法求解得到的第一辆车的电压曲线绘制于图7,可见该方法收敛到的解在一个适当的区间内(700-850V)。
本发明使用Q-convergence定义分析各方法的收敛速度的阶数,设序列(Uk)收敛至U*,则若存在阶数q≥1使得式:
成立,其中M为正数,则称序列以q阶速度收敛。在实验中可通过序列的||Uk-U*||曲线比较其收敛速度,如图8。可见NR和CNR方法为二次收敛,然而LA和SA方法为线性收敛,且LA方法收敛得比SA方法更快。
各方法的平均迭代次数列于表5。当s从5增加至6时,LA和SA方法的平均迭代次数增长幅度较大,而NR和CNR方法则只有轻微的增长。
表5平均迭代次数
各方法的平均每轮迭代的运行时间列于表6。
表6单轮迭代运行时间
结果表明SA方法是单轮迭代计算效率最高的方法,因为它不需要计算Jacobian矩阵,也不含矩阵求逆运算。然而如前所述,SA方法仍含有矩阵运算,因此其计算复杂度为O(s2)。当s从5增加到6时,SA方法的计算时间增加了近一半。相比之下,不含任何矩阵运算的CNR方法的计算复杂度仅为O(s),s的增加只导致其计算时间有轻微的增长。然而,由于自动微分操作导致CNR方法的计算复杂度的常系数很大,所以当s较小时,其线性复杂度的优势不能充分体现。
Claims (2)
1.一种DC牵引网络的潮流分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:构建DC牵引网络模型:
采用第三轨供电的DC牵引网络由变电站、悬链线、回程轨道和列车组成,其中列车运行在上行或下行方向的轨道;两个变电站sL和sR分别位于网络的前后端,其位置分别为xL和xR,在两个变电站之间,有n辆列车运行在上行方向轨道,其位置分别为有m辆列车运行在下行方向轨道,其位置分别为
绘制DC牵引网络的等效电路,其中每辆列车等效为一个恒功率源,每个变电站等效为一个带有串联电阻Rs的恒定直流电压源,其电阻值和电压值分别为变电站的内阻和空载电压;等效电路中,为对应列车的功率,由下式计算;
P(v)=(Ft/ηt-αηbFb)v (4)
其中,0<ηt,ηb<1分别为列车在牵引模式和制动模式下的机电效率的有效值,0<α<1为列车制动能量的利用率;Ft和Fb分别为列车所受的牵引力和制动力,v为列车的速度;
其中,ρc和ρr分别为悬链线和回程轨道的电阻率;
步骤2:推导潮流方程:
DC牵引网络的等效电路的结点电压方程如下式:
步骤3:求解潮流方程:
将式(6)和(7)结合并重构得到:
在每一次迭代中具有前向传播和反向传播两个步骤;
在反向传播中,根据计算图以及微分的链式法则,fc对每个结点的偏导数可由式(11)计算,其计算顺序与前向传播过程中的相反;
由fc的定义,可得式(11)的初始条件为:
最终,根据是否满足终止条件来决定将结束还是进入下一次迭代。
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