CN116454879A - 一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统及控制方法。涉及电气化铁路牵引供电技术领域。虚拟电厂型铁路牵引供电系统包括牵引供电系统、友好供能系统、铁路虚拟电厂集控云台；其中友好供能系统与牵引供电系统电路连接，同时与配电网电路连接，牵引供电系统与大电网电路连接，各电路连接单元间基于铁路虚拟电厂集控云台指令进行内部潮流优化及有序路由；铁路虚拟电厂集控云台与大电网、配电网、牵引供电系统、友好供能系统、外部交易市场间可多向信息流交互，协调铁路牵引供电系统参与外部市场化交易服务。

Description

一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统及控制方法
技术领域
本发明属于电气化铁路技术领域，特别是涉及一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统及控制方法。
背景技术
电气化铁路牵引供电制式与常规供电系统存在显著差异，内部牵引负荷属于典型冲击性负荷，具有负序、无功、谐波等电能质量问题，不满足直接参与电网辅助服务的技术要求，即使返送到电网的再生制动能量，铁路也得不到任何电价补偿，甚至可能因为对上游电网造成冲击或污染而面临罚款。
此外，虽然电气化铁路是国民经济建设的重要基础设施，为我国国民经济和社会发展做出巨大贡献，但是也消耗了巨大能量，面临节能降碳严峻挑战，现有研究虽然涉及新能源接入铁路牵引供电系统，但仅仅考虑铁路自身对新能源的就近消纳，而牵引负荷的冲击性、波动性和间歇性，限制了新能源接入的规模，且铁路牵引供电系统及接入的新能源无法参与电网运行和电力市场交易。
为此，本发明拟提出一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统及控制方法，从而实现铁路牵引供电系统由传统“分段被动冲击型负荷”向“跨时空主动调度型虚拟电厂”方向的突破性转变。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统及控制方法，它能有效地解决对实现牵引供电系统与大电网间的友好自治的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统，包括大电网BG、配电网DEG、牵引供电系统TPSS、友好供能系统FPSS、铁路虚拟电厂集控云台ATS、外部交易市场ETM，其中，铁路虚拟电厂集控云台ATS包括本地自治控制中心FRC和市场化云交易平台CCP，外部交易市场ETM包括电力调度中心PDC、电力市场交易中心ECM、碳市场交易中心CCM，友好供能系统FPSS与牵引供电系统TPSS电路连接，同时与配电网DEG电路连接；牵引供电系统TPSS与大电网BG电路连接；各电路连接单元间能够基于铁路虚拟电厂集控云台ATS下发的指令进行能量双向流通和有序路由；铁路虚拟电厂集控云台ATS中，本地自治控制中心FRC的双向通信接口分别与大电网BG、配电网DEG、牵引供电系统TPSS、友好供能系统FPSS的双向通信接口进行信息流交互；铁路虚拟电厂集控云台ATS中，市场化云交易平台CCP的双向通信接口分别与本地自治控制中心FRC、电力调度中心PDC、电力市场交易中心ECM、碳市场交易中心CCM的双向通信接口进行信息流交互；牵引供电系统TPSS包括牵引变电所TS、分区所SP、牵引网TN，采用传统分相供电电路连接拓扑；友好供能系统FPSS包括相间友好供能子系统A-FPS、区段友好供能子系统B-FPS、融通供能子系统C-EPS；相间友好供能子系统A-FPS以各变电所TS与分区所SP过分相处作为备选接入点；区段友好供能子系统B-FPS和融通供能子系统C-EPS均以各供电区段任意位置作为备选接入点。
相间友好供能子系统A-FPS包括铁路电能路由装置RERA、新能源单元NEA、储能单元ESA、3～AC/DC接口装置TADA，其中，铁路电能路由装置RERA的两个交流端口分别与牵引变电所TS两相电路连接，或者与分区所SP两相电路连接，直流端口对外引出公共直流母线，新能源单元NEA的直流端、储能单元ESA的直流端、3～AC/DC接口装置TADA的直流端分别接入公共直流母线；3～AC/DC接口装置TADA的三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；区段友好供能子系统B-FPS包括AC/DC接口装置ADB、新能源单元NEB、储能单元ESB、3～AC/DC接口装置TADB，其中，AC/DC接口装置ADB的交流端口与牵引网TN任意一相电路相连，直流端口对外引出公共直流母线，新能源单元NEB的直流端、储能单元ESB的直流端与3～AC/DC接口装置TADB的直流端分别接入公共直流母线；3～AC/DC接口装置TADB的三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；融通供能子系统C-EPS包括3～AC/DC/AC接口装置JZJ，单相交流端接入牵引网TN任意一相电路，三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；其中，符号下标“A”代表对应的装置或单元属于相间友好供能子系统A-FPS，下标“B”代表对应的装置或单元属于区段友好供能子系统B-FPS。
铁路电能路由装置RERA和AC/DC接口装置ADB包括电能转换、电能质量补偿和电压适配子系统及功能；铁路电能路由装置RERA按需实现牵引网TN两相电路之间、牵引网TN两相电路与新能源单元NEA及储能单元ESA之间、新能源单元ESA与储能单元ESA之间的功率分配和电能质量综合补偿；AC/DC接口装置ADB按需实现牵引网TN单相电路与新能源单元NEB及储能单元ESB之间、新能源单元NEB与储能单元ESB之间的功率流动和电能质量综合补偿；3～AC/DC/AC接口装置JZJ能够通过电能转换、电能质量补偿和电压适配，按需在牵引网TN单相电路与配电网DEG之间双向输送有功功率和无功功率；3～AC/DC接口装置TADA/TADB能够将直流侧公共直流母线电能转换到配电网DEG，或者将配电网DEG的电能转换直流送入公共直流母线。
新能源单元NEA/NEB包括但不限于风、光、氢发电系统与储能系统以及由此构成的微网；所述储能单元ESA/ESB包括但不限于锂离子电池、钠离子电池、铅酸电池、铅炭电池、压缩空气储能、液流电池、氢基储能。
所述本地自治控制中心FRC属于一种计算机设备，包括存储器、处理器和通信单元，其中存储器存储系统运行优化模型及模型求解算法，处理器执行存储器所存储的系统运行优化模型及算法以求解系统运行优化模型，通信单元实现与各电路组成单元间的信息交互；本地自治控制中心FRC的作用在于通过聚合铁路系统内部的分布式电力资源，主动优化控制牵引供电系统潮流，一方面实现系统内部能量状态友好自治，另一方面能够依据市场化云交易平台CCP邀约信号参与效益导向的外部能量响应；市场化云交易平台CCP属于一种计算机设备，包括存储器、处理器和通信单元，其中存储器存储交易优化决策模型及模型求解算法，处理器执行存储器所存储的交易优化决策模型及算法以求解交易优化决策模型，通信单元实现与本地自治控制中心FRC、外部交易市场ETM间的信息交互；市场化云交易平台CCP目的在于协调铁路牵引供电系统参与电力现货市场、辅助服务市场与碳交易市场，使传统铁路牵引供电系统不仅作为需求侧响应负荷，还能够作为跨空间自主调度型虚拟电厂，参与外部市场获取实际收益。
进一步的是，所述本地自治控制中心FRC中的系统运行优化模型，包括目标函数X、约束条件X、优化变量X，系统运行优化模型构建过程：
S101，所述目标函数X能够以铁路牵引供电系统独立或组合式地实现交易收益大、运行成本低、系统能效优、新能源弃电率低、资源利用率高、温室气体排放少、供电可靠性强为控制目标设立；
S102，所述约束条件X是依据目标函数X能够适应独立或组合式地使牵引变电所TS高压侧电能质量满足电力系统并网要求、接口装置TADA/TADB/JZJ交流端满足配电网DEG电能质量并网要求，同时以满足牵引网TN电能质量约束、新能源单元NEA/NEB出力上下限与调节速率约束、储能单元ESA/ESB荷电状态上下限与充放电倍率约束、牵引供电系统潮流约束、列车ET运行图约束、列车ET车内环境约束、配电网DEG运行约束而建立；
S103，所述优化变量X依据目标函数X能够独立或组合式地实现牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、新能源单元NEA/NEB出力、储能单元ESA/ESB充放电功率，以及铁路电能路由装置RERA交流端、AC/DC接口装置AD交流端、3～AC/DC接口装置TADA/TADB交流端、3～AC/DC/AC接口装置JZJ交流端的有功与无功参数的调节；
求解系统运行优化模型的过程是将数学规划法或智能优化算法的程序存储在存储器里，算法程序通过处理器执行。
进一步的是，所述市场化云交易平台CCP中，交易优化决策模型，包括目标函数Y、约束条件Y、优化变量Y，交易优化决策模型构建过程：
S201，所述目标函数Y能够以铁路牵引供电系统独立或组合式地实现电力市场交易收益大、碳市场交易收益大为控制目标设立；
S202，所述约束条件Y是依据目标函数Y能够独立或组合式地满足系统需求曲线、调节能力曲线、向上/向下爬坡能力曲线、调节速度/精度、响应持续时间、响应时延信息、电力市场激励价格、碳市场激励价格限定的条件而建立；
S203，所述优化变量Y是依据目标函数Y能够独立或组合式地实现牵引变电所TS高压侧参与市场交易的功率及能量、接口装置TADA/TADB/JZJ三相交流端与配电网DEG参与市场交易的功率及能量的调节；
求解交易优化决策模型的过程是将综合采用数学规划法或智能优化算法的程序存储在存储器里，算法程序通过处理器执行。
一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统的控制方法，所述虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP基于铁路虚拟电厂集控云台ATS能够执行内、外部两类运营模式：
S301，虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP内部运营模式，即铁路友好自洽模式，所述铁路虚拟电厂集控云台ATS通过聚合友好供能系统FPSS中各类新能源、储能，以及牵引供电系统TPSS中可调负荷，利用信息通讯技术、系统运行优化模型、市场交易价格激励进行区域电力调度，对内部实现牵引供电系统TPSS与大电网BG间的友好交互，主动抑制并削弱牵引负荷对大电网BG的刺性冲击，极小化多重电能质量问题并动态调整牵引负荷用能特性；
S302，虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP外部运营模式，即市场化交易模式，在保证铁路友好自洽模式的前提下，所述铁路虚拟电厂集控云台ATS能够聚合友好供能系统FPSS及牵引供电系统TPSS中剩余可调度分布式资源，主动参与大电网BG、配电网DEG的辅助服务交易、电力市场交易与碳市场交易，实现对既有铁路牵引供电设施资产利用率及综合效益最大化；进一步地，所述电力市场交易包括中长期市场交易和日前/日间实时市场交易，而实时市场交易又包括现货交易、辅助服务交易和需求侧响应；所述辅助服务交易包括独立或组合式进行调峰、调频、调压、备用、黑启动。
所述虚拟电厂型铁路牵引供电系统的控制方法，还包括以下运行步骤：
S401，本地自治控制中心FRC针对新能源NE、储能ES、列车ET、配电网DEG，开展不同周期不同时间尺度历史曲线的分析管理、实时数据的计量监测、未来数据的精准预测；
S402，本地自治控制中心FRC结合系统历史曲线、实时数据和预测数据，接收并执行市场化云交易平台CCP指令，执行系统运行优化模型求解过程，得到优化的牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、新能源单元NE出力、储能单元ES充放电功率和铁路电能路由装置RER交流侧、AC/DC接口装置AD交流侧、3～AC/DC接口装置TAD交流侧、3～AC/DC/AC接口装置JZJ三相交流侧及单相交流侧的有功与无功信息，实现对新能源NE、储能ES、铁路电能路由装置RER、AC/DC接口装置AD、3～AC/DC接口装置TAD、3～AC/DC/AC接口装置JZJ的控制，并向友好铁路云交易平台CCP发送下一时间段系统的需求曲线、调节能力曲线、向上/向下爬坡能力、调节速度/精度、响应持续时间、响应时延信息；
S403，市场化云交易平台CCP接收本地自治控制中心FRC的系统需求信息和调节能力信息、电力调度中心PDC的调度指令与价格激励信息、电力市场交易中心ECM的市场信息、碳市场交易中心CCM的市场信息，开展数据管理及计算分析，制定市场竞价交易策略和调度合约，执行交易优化决策模型求解过程，得到优化的牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、接口装置TAD/JZJ输出端与配电网DEG交互功率及能量；
S404，市场化云交易平台CCP向本地自治控制中心FRC发送市场交易结果与调度指令，向电力调度中心PDC发送调节能力曲线、容量需求与可调容量，向电力市场交易中心ECM和碳市场交易中心CCM上报需求信息并实施交易结算。
采用本技术方案的有益效果：
(1)现有铁路牵引供电系统是高压侧与大电网相连的典型冲击性负荷，存在三相不平衡负序、功率因素等电能质量问题，无法满足电力系统并网要求，大电网不接受铁路高压侧再生制动能量(给铁路带来能量浪费甚至罚金)，配电网无法与铁路低压侧相连。本发明所提虚拟电厂型铁路牵引供电系统能够在既有牵引供电系统基础上，通过聚合铁路基础设施、沿线分布式新能源、储能、可调负荷等资源，利用先进信息通讯技术、不同目标导向优化模型、市场交易价格激励等进行区域电力调度，对内实现牵引供电系统与大电网间的友好交互，主动抑制并削弱牵引负荷对大电网的刺性冲击，极小化多重电能质量问题并动态调整牵引负荷用能特性，促进电气化铁路向绿色、共享、友好的可持续发展模式转型；
(2)现有研究虽然涉及新能源接入铁路牵引供电系统，但仅仅考虑对新能源的消纳，无法实现铁路牵引供电系统参与电网运行和电力市场交易，限制了新能源接入的规模，也无法改善铁路牵引供电系统的运行效益。本发明所提虚拟电厂型铁路牵引供电系统在保证铁路内部友好自治前提下，能够聚合友好供能系统及牵引供电系统中剩余可调度分布式资源，并依据市场化邀约信号进行效益导向的外部能量响应，主动参与大电网、配电网的辅助服务交易(调峰、调频、调压、备用、黑启动等)、电力市场交易(中长期市场交易、日前/日间实时市场交易等)与碳市场交易(绿证交易、碳排交易等)，使传统铁路牵引供电系统不仅可作为需求侧响应负荷还可构成自主调度型虚拟服务电厂，实现对既有铁路牵引供电设施资产的潜在价值发掘，并支撑新型电力系统对电网辅助服务和需求侧响应的部分缺口，达到综合效益最大化。
(3)主动抑制并削弱牵引负荷对大电网的刺性冲击，极小化多重电能质量问题并动态调整牵引负荷用能特性，实现铁路牵引供电系统与电网友好互动；对外依据市场化邀约信号进行效益导向的外部能量响应，主动参与大电网、配电网的辅助服务交易、电力市场交易与碳市场交易，使传统铁路牵引供电系统不仅可作为需求侧响应负荷还可构成自主调度型虚拟服务电厂，实现对既有铁路牵引供电设施资产的潜在价值发掘，并支撑弥补新型电力系统对电网辅助服务和需求侧响应的部分缺口。
附图说明
图1本发明的一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统整体结构示意图；
图2本发明实施例中一种单牵引变电所虚拟电厂型铁路牵引供电系统内部结构示意图；
图3本发明实施例中一种#1～#n牵引变电所下虚拟电厂型铁路牵引供电系统结构示意图；
图4本发明实施例中本地自治控制中心FRC中系统运行优化模型构建过程图；
图5本发明实施例中市场化云交易平台CCP中交易优化决策模型构建过程图；
图6本发明实施例中一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统内外运营模式与关系图；
图7本发明一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统的控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下，基于本发明原理所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本实施例中，参见图1所示，为本发明一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP整体结构，包括大电网BG、配电网DEG、牵引供电系统TPSS、友好供能系统FPSS、铁路虚拟电厂集控云台ATS、外部交易市场ETM，其中，铁路虚拟电厂集控云台ATS包括本地自治控制中心FRC和市场化云交易平台CCP，外部交易市场ETM包括电力调度中心PDC、电力市场交易中心ECM、碳市场交易中心CCM，其特征在于：所述友好供能系统FPSS与牵引供电系统TPSS电路连接，同时与配电网DEG电路连接；所述牵引供电系统TPSS与大电网BG电路连接，各电路连接单元间能够基于铁路虚拟电厂集控云台ATS下发的指令进行能量双向流通和有序路由；所述铁路虚拟电厂集控云台ATS中本地自治控制中心FRC的双向通信接口分别与大电网BG、配电网DEG、牵引供电系统TPSS、友好供能系统FPSS的双向通信接口进行信息流交互；所述铁路虚拟电厂集控云台ATS中市场化云交易平台CCP的双向通信接口分别与本地自治控制中心FRC、电力调度中心PDC、电力市场交易中心ECM、碳市场交易中心CCM的双向通信接口进行信息流交互。
作为上述实施例的优化方案，参见图2所示，为本发明实施例中一种单牵引变电所虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP内部结构示意，所述牵引供电系统TPSS包括牵引变电所TS、分区所SP、牵引网TN，采用传统分相供电电路连接拓扑；所述友好供能系统FPSS包括相间友好供能子系统A-FPS、区段友好供能子系统B-FPS、融通供能子系统C-EPS；所述相间友好供能子系统A-FPS以各变电所TS与分区所SP过分相处作为备选接入点；区段友好供能子系统B-FPS和融通供能子系统C-EPS均以各供电区段任意位置作为备选接入点。
作为上述实施例的优化方案，所述相间友好供能子系统A-FPS包括铁路电能路由装置RERA、新能源单元NEA、储能单元ESA、3～AC/DC接口装置TADA，其中，铁路电能路由装置RERA的两个交流端口分别与牵引变电所TS两相电路连接，或者与分区所SP两相电路连接，直流端口对外引出公共直流母线，新能源单元NEA的直流端、储能单元ESA的直流端、3～AC/DC接口装置TADA的直流端分别接入公共直流母线；3～AC/DC接口装置TADA的三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；区段友好供能子系统B-FPS包括AC/DC接口装置ADB、新能源单元NEB、储能单元ESB、3～AC/DC接口装置TADB，其中，AC/DC接口装置ADB的交流端口与牵引网TN任意一相电路相连，直流端口对外引出公共直流母线，新能源单元NEB的直流端、储能单元ESB的直流端与3～AC/DC接口装置TADB的直流端分别接入公共直流母线；3～AC/DC接口装置TADB的三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；融通供能子系统C-EPS包括3～AC/DC/AC接口装置JZJ，单相交流端接入牵引网TN任意一相电路，三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线。
作为上述实施例的优化方案，所述铁路电能路由装置RERA和AC/DC接口装置ADB包括电能转换、电能质量补偿和电压适配子系统及功能；铁路电能路由装置RERA按需实现牵引网TN两相电路之间、牵引网TN两相电路与新能源单元NEA及储能单元ESA之间、新能源单元NEA与储能单元ESA之间的功率分配和电能质量综合补偿；AC/DC接口装置ADB按需实现牵引网TN单相电路与新能源单元NEB及储能单元ESB之间、新能源单元NEB与储能单元ESB之间的功率流动和电能质量综合补偿；3～AC/DC/AC接口装置JZJ能够通过电能转换、电能质量补偿和电压适配，按需在牵引网TN与配电网DEG之间双向输送有功功率和无功功率；3～AC/DC接口装置TADA/TADB能够将直流侧公共直流母线电能转换到配电网DEG，或者将配电网DEG的电能转换直流送入公共直流母线。
优选地，所述新能源单元NEA/NEB包括但不限于风、光、氢发电系统与储能系统以及由此构成的微网；所述储能单元ESA/ESB包括但不限于锂离子电池、钠离子电池、铅酸电池、铅炭电池、压缩空气储能、液流电池、氢基储能。
作为上述实施例的优化方案，所述本地自治控制中心FRC属于一种计算机设备，包括存储器、处理器和通信单元，其中存储器存储系统运行优化模型及模型求解算法，处理器执行存储器所存储的系统运行优化模型及算法以求解系统运行优化模型，通信单元实现与各电路组成单元间的信息交互；本地自治控制中心FRC的作用在于通过聚合铁路系统内部的分布式电力资源，主动优化控制牵引供电系统潮流，一方面实现系统内部能量状态友好自治，另一方面能够依据市场化云交易平台CCP邀约信号参与效益导向的外部能量响应；市场化云交易平台CCP属于一种计算机设备，包括存储器、处理器和通信单元，其中存储器存储交易优化决策模型及模型求解算法，处理器执行存储器所存储的交易优化决策模型及算法以求解交易优化决策模型，通信单元实现与本地自治控制中心FRC、外部交易市场ETM间的信息交互；市场化云交易平台CCP目的在于协调铁路牵引供电系统参与电力现货市场、辅助服务市场与碳交易市场，使传统铁路牵引供电系统不仅作为需求侧响应负荷，还能够作为跨空间自主调度型虚拟电厂，参与外部市场获取实际收益。
作为上述实施例的优化方案，参见图3所示，为本发明实施例中一种#1～#N牵引变电所下虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP结构，所述牵引供电系统TPSS包括#1～#N牵引变电所TS、#1～#M分区所SP、牵引网TN，采用传统分相供电电路连接拓扑；以单牵引变电所虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP结构为基础进行电气扩展，在N个牵引变电所TS#1～#N和M个分区所SP#1～#M中接入K个RERA1～RERAK，第k(k＝1,2,…,K)个RERAk的直流母线均接入新能源单元NEAk、储能单元ESAk以及3～AC/DC接口装置TADAk，沿线组合式构成多牵引变电所虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP，同样多牵引变电所虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP的友好供能系统FPSS中，所有电路连接单元仍依据信息网络与本地自治控制中心FRC进行双向通信，通过本地自治控制中心FRC的能量协同管理，友好供能系统FPSS各组成子系统均能与牵引供电系统TPSS、配电网DEG间进行双向能流交互；所述铁路虚拟电厂集控云台ATS中市场化云交易平台CCP可分别与本地自治控制中心FRC、电力调度中心PDC、电力市场交易中心ECM、碳市场交易中心CCM进行多向协调与外部市场化交易。
作为上述实施例的优化方案，参见图4所示，为本发明实施例中本地自治控制中心FRC中系统运行优化模型构建过程。所述本地自治控制中心FRC中系统运行优化模型，包括目标函数X、约束条件X、优化变量X，系统运行优化模型构建过程：
S101，所述目标函数X能够以铁路牵引供电系统独立或组合式地实现交易收益大、运行成本低、系统能效优、新能源弃电率低、资源利用率高、温室气体排放少、供电可靠性强为控制目标设立；
S102，所述约束条件X是依据目标函数X能够适应独立或组合式地使牵引变电所TS高压侧电能质量满足电力系统并网要求、接口装置TADA/TADB/JZJ交流端满足配电网DEG电能质量并网要求，同时以满足牵引网TN电能质量约束、新能源单元NEA/NEB出力上下限与调节速率约束、储能单元ESA/ESB荷电状态上下限与充放电倍率约束、牵引供电系统潮流约束、列车ET运行图约束、列车ET车内环境约束、配电网DEG运行约束而建立；
S103，所述优化变量X依据目标函数X能够独立或组合式地实现牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、新能源单元NEA/NEB出力、储能单元ESA/ESB充放电功率，以及铁路电能路由装置RERA交流端、AC/DC接口装置AD交流端、3～AC/DC接口装置TADA/TADB交流端、3～AC/DC/AC接口装置JZJ交流端的有功与无功参数的调节；
求解系统运行优化模型的过程是将综合采用数学规划法或智能优化算法的程序存储在存储器里，算法程序通过处理器执行。
作为上述实施例的优化方案，参见图5所示，为本发明实施例中市场化云交易平台CCP中交易优化决策模型Y构建过程。所述市场化云交易平台CCP中交易优化决策模型，包括目标函数Y、约束条件Y、优化变量Y，交易优化决策模型构建过程：
S201，所述目标函数Y能够以铁路牵引供电系统独立或组合式地实现电力市场交易收益大、碳市场交易收益大为控制目标设立；
S202，所述约束条件Y是依据目标函数Y能够独立或组合式地满足系统需求曲线、调节能力曲线、向上/向下爬坡能力曲线、调节速度/精度、响应持续时间、响应时延信息、电力市场激励价格、碳市场激励价格限定的条件而建立；
S203，所述优化变量Y是依据目标函数Y能够独立或组合式地实现牵引变电所TS高压侧参与市场交易的功率及能量、接口装置TADA/TADB/JZJ三相交流端与配电网DEG参与市场交易的功率及能量的调节；
求解交易优化决策模型的过程是将综合采用数学规划法或智能优化算法的程序存储在存储器里，算法程序通过处理器执行。
作为上述实施例的优化方案，参见图6所示，为本发明实施例中一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统内外运营模式及关系，所述虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP基于铁路虚拟电厂集控云台ATS能够执行内、外部两类运营模式：
S301，虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP内部运营模式，即铁路友好自洽模式，所述铁路虚拟电厂集控云台ATS通过聚合友好供能系统FPSS中各类新能源、储能，以及牵引供电系统TPSS中可调负荷，利用信息通讯技术、系统运行优化模型、市场交易价格激励进行区域电力调度，对内部实现牵引供电系统TPSS与大电网BG间的友好交互，主动抑制并削弱牵引负荷对大电网BG的刺性冲击，极小化多重电能质量问题并动态调整牵引负荷用能特性；
S302，虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP外部运营模式，即市场化交易模式，在保证铁路友好自洽模式的前提下，所述铁路虚拟电厂集控云台ATS能够聚合友好供能系统FPSS及牵引供电系统TPSS中剩余可调度分布式资源，主动参与大电网BG、配电网DEG的辅助服务交易、电力市场交易与碳市场交易，实现对既有铁路牵引供电设施资产利用率及综合效益最大化；进一步地，所述电力市场交易包括中长期市场交易和日前/日间实时市场交易，而实时市场交易又包括现货交易、辅助服务交易和需求侧响应；所述辅助服务交易包括独立或组合式进行调峰、调频、调压、备用、黑启动。
作为上述实施例的优化方案，参见图7所示，为本发明一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统的控制方法流程，包括以下运行步骤：
S401，本地自治控制中心FRC针对新能源NE、储能ES、列车ET、配电网DEG，开展不同周期不同时间尺度历史曲线的分析管理、实时数据的计量监测、未来数据的精准预测；
S402，本地自治控制中心FRC结合系统历史曲线、实时数据和预测数据，接收并执行市场化云交易平台CCP指令，执行系统运行优化模型求解过程，得到优化的牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、新能源单元NE出力、储能单元ES充放电功率和铁路电能路由装置RER交流侧、AC/DC接口装置AD交流侧、3～AC/DC接口装置TAD交流侧、3～AC/DC/AC接口装置JZJ三相交流侧及单相交流侧的有功与无功信息，实现对新能源NE、储能ES、铁路电能路由装置RER、AC/DC接口装置AD、3～AC/DC接口装置TAD、3～AC/DC/AC接口装置JZJ的控制，并向友好铁路云交易平台CCP发送下一时间段系统的需求曲线、调节能力曲线、向上/向下爬坡能力、调节速度/精度、响应持续时间、响应时延信息；
S403，市场化云交易平台CCP接收本地自治控制中心FRC的系统需求信息和调节能力信息、电力调度中心PDC的调度指令与价格激励信息、电力市场交易中心ECM的市场信息、碳市场交易中心CCM的市场信息，开展数据管理及计算分析，制定市场竞价交易策略和调度合约，执行交易优化决策模型求解过程，得到优化的牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、接口装置TAD/JZJ输出端与配电网DEG交互功率及能量；
S404，市场化云交易平台CCP向本地自治控制中心FRC发送市场交易结果与调度指令，向电力调度中心PDC发送调节能力曲线、容量需求与可调容量，向电力市场交易中心ECM和碳市场交易中心CCM上报需求信息并实施交易结算。
为了进一步解释上述实施例，以参与调峰辅助服务和电能量市场现货交易作为案例，针对图3所示系统，一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统的具体工作流程如下：
(1)在[0,T]预设时间周期内，基于列车运行图和牵引计算，得到t时段第n(n＝1,2,…,N)个牵引变电所TSn的初始牵引负荷Pload0,n,t及其上下限同时，得到新能源NEAk(k＝1,2,…,K)出力预测值/>及其上下限/>新能源NEB出力预测值/>及其上下限/>储能ESAk最大充放电功率/>t时段内储能ESA,k最大充放电能量/>储能ESB最大充放电功率/>t时段内储能ESB最大充放电能量/>t时段内储能ESA,k的能量满足：/> 其中Δt为t时段经历的时间步长，/>和/>为t时段充放电功率，ηc和ηd为储能充放电效率；本地自治控制中心FRC基于潮流优化，得到第n个牵引变电所TSn与大电网BG交互的需求功率及可调能力范围/>3～AC/DC接口装置TADA/TADB与配电网DEG交互的需求功率及可调能力范围3～AC/DC/AC接口装置JZJ与配电网DEG交互的需求功率及可调能力范围/>并发送给电力调度中心PDC。
(2)构建系统运行优化模型和交易优化决策模型
考虑虚拟电厂型铁路牵引供电系统参与调峰辅助服务和电能量市场现货交易，实施例中系统运行优化模型和交易优化决策模型如下：
1)系统运行优化模型
优化变量X：
其中：n＝1,2,…,N；k＝1,2,…,K；t＝1,2,…,T
目标函数X：
maxMX(VX)＝Mpeak+Mspot-Mcost，其中
约束条件X：
FPF,n,t>Fmin；
εn,t<ε0
其中：
PTS,n,t——第n个牵引变电所在t时段与大电网交互的功率；
——第k个3～AC/DC接口装置TADA在t时段与配电网DEG交互的功率；
——3～AC/DC接口装置TADB在t时段与配电网DEG交互的功率；
PJZJ,t——3～AC/DC/AC接口装置JZJ在t时段与配电网DEG交互的功率；
——t时段第k个铁路电能路由装置RERA交流侧α相的功率；
——t时段第k个铁路电能路由装置RERA交流侧β相的功率；
Mpeak——调峰辅助服务收益；Mspot——电能量现货交易收益；Mcost——内部运行成本；
Mpeak,t——t时段调峰辅助服务收益；λTS,vf,n,t——电力市场向第n个牵引变电所发布的t时段填谷调峰电价；PTS,vf,n,t——第n个牵引变电所在t时段参与填谷调峰服务的容量；λTS,pf,n,t——电力市场向第n个牵引变电所发布的t时段削峰调峰电价；PTS,pf,n,t——第n个牵引变电所在t时段参与削峰调峰服务的容量；——电力市场向第k个3～AC/DC接口装置TADA发布的t时段填谷调峰电价；/>——第k个3～AC/DC接口装置TADA在t时段参与填谷调峰服务的容量；/>——电力市场向第k个3～AC/DC接口装置TADA发布的t时段削峰调峰电价；/>——第k个3～AC/DC接口装置TADA在t时段参与削峰调峰服务的容量；/>——电力市场向3～AC/DC接口装置TADB发布的t时段填谷调峰电价；——3～AC/DC接口装置TADB在t时段参与填谷调峰服务的容量；/>——电力市场向3～AC/DC接口装置TADB发布的t时段削峰调峰电价；/>——3～AC/DC接口装置TADB在t时段参与削峰调峰服务的容量；λJZJ,vf,t——电力市场向3～AC/DC/AC接口装置JZJ发布的t时段填谷调峰电价；PJZJ,vf,t——3～AC/DC/AC接口装置JZJ在t时段参与填谷调峰服务的容量；λJZJ,pf,t——电力市场向3～AC/DC/AC接口装置JZJ发布的t时段削峰调峰电价；PJZJ,pf,t——3～AC/DC/AC接口装置JZJ在t时段参与削峰调峰服务的容量；λTS,e,n,t——电力市场向第n个牵引变电所发布的t时段现货市场电价；PTS,e,n,t——第n个牵引变电所在t时段参与现货市场的容量；/>——电力市场向第k个3～AC/DC接口装置TADA发布的t时段现货市场电价；/>——第k个3～AC/DC接口装置TADA在t时段参与现货市场的容量；——电力市场向3～AC/DC接口装置TADB发布的t时段现货市场电价；/>——3～AC/DC接口装置TADB在t时段参与现货市场的容量；λJZJ,e,t——电力市场向3～AC/DC/AC接口装置JZJ发布的t时段现货市场电价；PJZJ,e,t——3～AC/DC/AC接口装置JZJ在t时段参与现货市场的容量；/>——第k个新能源NEA在t时段的单位发电成本；/>——第k个新能源NEA在t时段的发电量；/>——第k个储能ESA在t时段的充放电单位成本；——第k个储能ESA在t时段的放电(充电)电量；/>——新能源NEB在t时段的单位发电成本；/>——新能源NEB在t时段的发电量；/>——储能ESB在t时段的充放电单位成本；/>——储能ESB在t时段的放电(充电)电量；λTS,s,n,t、PTS,s,n,t、/> λJZJ,s,t、PJZJ,s,t——下标s代表购电，其它变量意思与上述相同，因此这几个变量分别代表相应的购电电价和电量；FPF,n,t——第n个牵引变电所三相侧t时段的功率因数；Fmin——功率因数满足并网要求的阈值；εn,t——第n个牵引变电所三相侧t时段的三相不平衡度；ε0——三相不平衡度满足并网要求的阈值；ΔPt——t时段系统损耗，由潮流计算得到。
2)交易优化决策模型
优化变量Y：
其中n＝1,2,…,N；k＝1,2,…,K；t＝1,2,…,T
目标函数Y：
maxMY(VY)＝Mpeak+Mspot，其中
约束条件Y：
PTS,n,t＝PTS,e,n,t+PTS,pf,n,t-PTS,vf,n,t-PTS,s,n,t；
PJZJ,t＝PJZJ,e,t+PJZJ,pf,t-PJZJ,vf,t-PJZJ,s,t；
Pload,n,t＝Pload0,n,t-PFL,pf,n,t-PFL,e,n,t+PFL,vf,n,t；
(3)求解系统运行优化模型和交易优化决策模型，使得在[0,T]预设时间周期内同时取得最优。任何的优化算法，包括但不限于所有的数学规划法、智能优化算法及其综合算法，都能够用于求解系统运行优化模型和交易优化决策模型。需要说明的是，系统运行优化模型需要用到交易优化决策模型中的变量，因此求解过程中两个模型需要嵌套迭代，通过双层优化实现。

Claims (7)

1.一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统，包括大电网BG、配电网DEG、牵引供电系统TPSS、友好供能系统FPSS、铁路虚拟电厂集控云台ATS、外部交易市场ETM，其中，铁路虚拟电厂集控云台ATS包括本地自治控制中心FRC和市场化云交易平台CCP，外部交易市场ETM包括电力调度中心PDC、电力市场交易中心ECM、碳市场交易中心CCM，其特征在于：友好供能系统FPSS与牵引供电系统TPSS电路连接，同时与配电网DEG电路连接；牵引供电系统TPSS与大电网BG电路连接；各电路连接单元间能够基于铁路虚拟电厂集控云台ATS下发的指令进行能量双向流通和有序路由；铁路虚拟电厂集控云台ATS中，本地自治控制中心FRC的双向通信接口分别与大电网BG、配电网DEG、牵引供电系统TPSS、友好供能系统FPSS的双向通信接口进行信息流交互；铁路虚拟电厂集控云台ATS中，市场化云交易平台CCP的双向通信接口分别与本地自治控制中心FRC、电力调度中心PDC、电力市场交易中心ECM、碳市场交易中心CCM的双向通信接口进行信息流交互；牵引供电系统TPSS包括牵引变电所TS、分区所SP、牵引网TN，采用传统分相供电电路连接拓扑；友好供能系统FPSS包括相间友好供能子系统A-FPS、区段友好供能子系统B-FPS、融通供能子系统C-EPS；相间友好供能子系统A-FPS以各变电所TS与分区所SP过分相处作为备选接入点；区段友好供能子系统B-FPS和融通供能子系统C-EPS均以各供电区段任意位置作为备选接入点；
相间友好供能子系统A-FPS包括铁路电能路由装置RERA、新能源单元NEA、储能单元ESA、3～AC/DC接口装置TADA，其中，铁路电能路由装置RERA的两个交流端口分别与牵引变电所TS两相电路连接，或者与分区所SP两相电路连接，直流端口对外引出公共直流母线，新能源单元NEA的直流端、储能单元ESA的直流端、3～AC/DC接口装置TADA的直流端分别接入公共直流母线；3～AC/DC接口装置TADA的三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；区段友好供能子系统B-FPS包括AC/DC接口装置ADB、新能源单元NEB、储能单元ESB、3～AC/DC接口装置TADB，其中，AC/DC接口装置ADB的交流端口与牵引网TN任意一相电路相连，直流端口对外引出公共直流母线，新能源单元NEB的直流端、储能单元ESB的直流端与3～AC/DC接口装置TADB的直流端分别接入公共直流母线；3～AC/DC接口装置TADB的三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；融通供能子系统C-EPS包括3～AC/DC/AC接口装置JZJ，单相交流端接入牵引网TN任意一相电路，三相交流端接入配电网DEG引出的公共交流母线；其中，符号下标“A”代表对应的装置或单元属于相间友好供能子系统A-FPS，下标“B”代表对应的装置或单元属于区段友好供能子系统B-FPS；
铁路电能路由装置RERA和AC/DC接口装置ADB包括电能转换、电能质量补偿和电压适配子系统及功能；铁路电能路由装置RERA按需实现牵引网TN两相电路之间、牵引网TN两相电路与新能源单元NEA及储能单元ESA之间、新能源单元ESA与储能单元ESA之间的功率分配和电能质量综合补偿；AC/DC接口装置ADB按需实现牵引网TN单相电路与新能源单元NEB及储能单元ESB之间、新能源单元NEB与储能单元ESB之间的功率流动和电能质量综合补偿；3～AC/DC/AC接口装置JZJ能够通过电能转换、电能质量补偿和电压适配，按需在牵引网TN单相电路与配电网DEG之间双向输送有功功率和无功功率；3～AC/DC接口装置TADA/TADB能够将直流侧公共直流母线电能转换到配电网DEG，或者将配电网DEG的电能转换直流送入公共直流母线。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统，其特征在于：所述新能源单元ESA/NEB包括但不限于风、光、氢发电系统与储能系统以及由此构成的微网；储能单元ESA/ESB包括但不限于锂离子电池、钠离子电池、铅酸电池、铅炭电池、压缩空气储能、液流电池、氢基储能。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统，其特征在于：所述本地自治控制中心FRC属于一种计算机设备，包括存储器、处理器和通信单元，其中存储器存储系统运行优化模型及模型求解算法，处理器执行存储器所存储的系统运行优化模型及算法以求解系统运行优化模型，通信单元实现与各电路组成单元间的信息交互；本地自治控制中心FRC的作用在于通过聚合铁路系统内部的分布式电力资源，主动优化控制牵引供电系统潮流，一方面实现系统内部能量状态友好自治，另一方面能够依据市场化云交易平台CCP邀约信号参与效益导向的外部能量响应；市场化云交易平台CCP属于一种计算机设备，包括存储器、处理器和通信单元，其中存储器存储交易优化决策模型及模型求解算法，处理器执行存储器所存储的交易优化决策模型及算法以求解交易优化决策模型，通信单元实现与本地自治控制中心FRC、外部交易市场ETM间的信息交互；市场化云交易平台CCP目的在于协调铁路牵引供电系统参与电力现货市场、辅助服务市场与碳交易市场，使传统铁路牵引供电系统不仅作为需求侧响应负荷，还能够作为跨空间自主调度型虚拟电厂，参与外部市场获取实际收益。
4.根据权利要求3所述的一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统，其特征在于：所述本地自治控制中心FRC中的系统运行优化模型，包括目标函数X、约束条件X、优化变量X，系统运行优化模型构建过程：
S101，所述目标函数X能够以铁路牵引供电系统独立或组合式地实现交易收益大、运行成本低、系统能效优、新能源弃电率低、资源利用率高、温室气体排放少、供电可靠性强为控制目标设立；
S102，所述约束条件X是依据目标函数X能够适应独立或组合式地使牵引变电所TS高压侧电能质量满足电力系统并网要求、接口装置TADA/TADB/JZJ交流端满足配电网DEG电能质量并网要求，同时以满足牵引网TN电能质量约束、新能源单元NEA/NEB出力上下限与调节速率约束、储能单元ESA/ESB荷电状态上下限与充放电倍率约束、牵引供电系统潮流约束、列车ET运行图约束、列车ET车内环境约束、配电网DEG运行约束而建立；
S103，所述优化变量X依据目标函数X能够独立或组合式地实现牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、新能源单元NEA/NEB出力、储能单元ESA/ESB充放电功率，以及铁路电能路由装置RERA交流端、AC/DC接口装置AD交流端、3～AC/DC接口装置TADA/TADB交流端、3～AC/DC/AC接口装置JZJ交流端的有功与无功参数的调节；
求解系统运行优化模型的过程是将数学规划法或智能优化算法的程序存储在存储器里，算法程序通过处理器执行。
5.根据权利要求3所述的一种虚拟电厂型铁路牵引供电系统，其特征在于：所述市场化云交易平台CCP中的交易优化决策模型，包括目标函数Y、约束条件Y、优化变量Y，交易优化决策模型构建过程：
S201，所述目标函数Y能够以铁路牵引供电系统独立或组合式地实现电力市场交易收益大、碳市场交易收益大为控制目标设立；
S202，所述约束条件Y是依据目标函数Y能够独立或组合式地满足系统需求曲线、调节能力曲线、向上/向下爬坡能力曲线、调节速度/精度、响应持续时间、响应时延信息、电力市场激励价格、碳市场激励价格限定的条件而建立；
S203，所述优化变量Y是依据目标函数Y能够独立或组合式地实现牵引变电所TS高压侧参与市场交易的功率及能量、接口装置TADA/TADB/JZJ三相交流端与配电网DEG参与市场交易的功率及能量的调节；
求解交易优化决策模型的过程是将数学规划法或智能优化算法的程序存储在存储器里，算法程序通过处理器执行。
6.一种根据权利要求1所述的虚拟电厂型铁路牵引供电系统的控制方法，其特征在于：所述虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP基于铁路虚拟电厂集控云台ATS能够执行内、外部两类运营模式：
S301，虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP内部运营模式，即铁路友好自洽模式，所述铁路虚拟电厂集控云台ATS通过聚合友好供能系统FPSS中各类新能源、储能，以及牵引供电系统TPSS中可调负荷，利用信息通讯技术、系统运行优化模型、市场交易价格激励进行区域电力调度，对内部实现牵引供电系统TPSS与大电网BG间的友好交互，主动抑制并削弱牵引负荷对大电网BG的刺性冲击，极小化多重电能质量问题并动态调整牵引负荷用能特性；
S302，虚拟电厂型铁路牵引供电系统RVPP外部运营模式，即市场化交易模式，在保证铁路友好自洽模式的前提下，所述铁路虚拟电厂集控云台ATS能够聚合友好供能系统FPSS及牵引供电系统TPSS中剩余可调度分布式资源，主动参与大电网BG、配电网DEG的辅助服务交易、电力市场交易与碳市场交易，实现对既有铁路牵引供电设施资产利用率及综合效益最大化；电力市场交易包括中长期市场交易和日前/日间实时市场交易，而实时市场交易又包括现货交易、辅助服务交易和需求侧响应；辅助服务交易包括独立或组合式地进行调峰、调频、调压、备用、黑启动。
7.根据权利要求6所述虚拟电厂型铁路牵引供电系统的控制方法，包括以下运行步骤：
S401，本地自治控制中心FRC针对新能源NE、储能ES、列车ET、配电网DEG，开展不同周期不同时间尺度历史曲线的分析管理、实时数据的计量监测、未来数据的精准预测；
S402，本地自治控制中心FRC结合系统历史曲线、实时数据和预测数据，接收并执行市场化云交易平台CCP指令，执行系统运行优化模型求解过程，得到优化的牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、新能源单元NE出力、储能单元ES充放电功率和铁路电能路由装置RER交流侧、AC/DC接口装置AD交流侧、3～AC/DC接口装置TAD交流侧、3～AC/DC/AC接口装置JZJ三相交流侧及单相交流侧的有功与无功信息，实现对新能源NE、储能ES、铁路电能路由装置RER、AC/DC接口装置AD、3～AC/DC接口装置TAD、3～AC/DC/AC接口装置JZJ的控制，并向友好铁路云交易平台CCP发送下一时间段系统的需求曲线、调节能力曲线、向上/向下爬坡能力曲线、调节速度/精度、响应持续时间、响应时延信息；
S403，市场化云交易平台CCP接收本地自治控制中心FRC的系统需求信息和调节能力信息、电力调度中心PDC的调度指令与价格激励信息、电力市场交易中心ECM的市场信息、碳市场交易中心CCM的市场信息，开展数据管理及计算分析，制定市场竞价交易策略和调度合约，执行交易优化决策模型求解过程，得到优化的牵引变电所TS高压侧与大电网BG交互功率及能量、接口装置TAD/JZJ输出端与配电网DEG交互功率及能量；
S404，市场化云交易平台CCP向本地自治控制中心FRC发送市场交易结果与调度指令，向电力调度中心PDC发送调节能力曲线、容量需求与可调容量，向电力市场交易中心ECM和碳市场交易中心CCM上报需求信息并实施交易结算。
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CN117713088A (zh) * 2024-02-05 2024-03-15 云南电网有限责任公司 高铁电力机车并网对电网谐波影响的分析方法及系统
CN117937487A (zh) * 2024-03-22 2024-04-26 华东交通大学 一种重载铁路牵引供电系统分布式能量管理方法
CN117937487B (zh) * 2024-03-22 2024-05-28 华东交通大学 一种重载铁路牵引供电系统分布式能量管理方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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