CN116680850B - 考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法及系统，通过获取车站、列车位置信息；构建地铁模型和地铁网络模型，建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵，进一步得到地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵；再计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件；若回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。不仅可以明确网络化地铁中杂散电流分布特征，同时还能探究回流设备对杂散电流分布特征的影响，减少了计算量，缩短了计算周期，并且建模简单、模型扩展能力得到有效增强。除此之外，将该方法与列车负荷特性结合还能对杂散电流进行动态分析。
Description
技术领域
本发明涉及杂散电流计算领域，尤其涉及考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法及系统。
背景技术
随着科技的发展，社会的进步，人们的出行方式多元化，地铁便是最受欢迎的出行方式之一，但是，地铁在带来的便利的同时，也带来相应的问题。
地铁的牵引电流从牵引变电所正极出发，以架空接触网、地铁列车、轨道作为电流通道，最终流回牵引变电所负极。但是，由于轨道与地面之间不可能做到完全绝缘，因而导致一部分电流从钢轨泄露到大地，通过钢筋结构、金属管线等非常规通道流回牵引变电所，这部分电流则称为杂散电流。杂散电流是一种有害电流，会对地下结构内部钢筋、金属管线等设备造成电化学腐蚀。相关资料表明，在自然条件下，大小为1 A的杂散电流可以在1年内腐蚀掉9.13 kg钢铁或33.5 kg铅。同时，当杂散电流流入大地时会导致大地的接地电位升高，这不仅可能导致地铁某些设备无法正常使用，还会对乘客的安全造成威胁。
由于为了获得更加稳定的接地效果，地铁车站换乘站通常使用电缆或者扁铜将各线路接地网相连，这为杂散电流在地铁网络中的传播提供了条件，可能导致地铁网络中杂散电流叠加增大，对人员安全以及工作设备造成更严重的危害。除此之外，大量研究发现，杂散电流水平会受到OVPD以及DD等回流设备的影响。根据资料显示，当OVPD闭合时，泄露的杂散电流会影响线路其他车站钢轨电位，严重时可能会引起各线路车站OVPD连锁动作，使地铁网络中的杂散电流叠加增大。因此，为了明确地铁网络中杂散电流的分布规律，同时探究回流设备对地铁网络杂散电流的影响，急需一种考虑回流设备的网络化地铁建模计算方法。
目前，杂散电流计算方法可以分为仿真计算方法以及解析计算方法这两种计算方法。仿真计算方法则可细分为CDEGS仿真计算和ANSYS有限元仿真计算。解析计算方法则分为传输线理论计算方法、集总参数计算方法这两种。CDEG仿真计算方法是根据地铁隧道建筑结构和电气结构建立模拟地铁杂散电流的三维立体模型，由于该计算方法的模型是地铁结构的现实模拟而非转化为电阻网络，因此其计算结果具有较高的可信度。ANSYS有限元仿真计算方法将三维地铁结构离散划分为一个个的小单元，并对每个小单元进行设置属性并进行计算，该计算方法不仅能对模型中的杂散电流计算，同时还可以对三维土壤区域内的电势偏移情况进行分析。传输线理论计算方法通过推导地铁回流系统杂散电流分布的各种网络结构的分布数学模型，并求解出钢轨电压，钢轨电流、杂散电流等未知量的函数表达式，以此分析各主要参数改变时对杂散电流分布的影响。集总参数计算方法则是利用微元法推导出地铁系统中杂散电流以及钢轨电位的微分方程，进而对杂散电流与钢轨电位进行求解。
综上所述，现有的杂散电流仿真计算方法存在计算量大、计算周期长、建模复杂、模型扩展能力差以及无法明确地铁系统中各个结构中杂散电流分布特性的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法及系统，旨在解决上述全部或部分技术问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为提供一种考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法，包括：
获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流；
构建地铁模型进行等效模型转化，并基于所述等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵；
构建地铁网络模型进行等效模型转化，并基于所述地铁导纳矩阵与所述激励源矩阵，得到所述地铁网络模型的地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵；
根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件；
若所述回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。
可选的，所述获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流，包括：
选取地铁线路顶端车站为原点，建立坐标系，得到地铁普通车站坐标和地铁牵引变电站坐标；
基于所述地铁普通车站坐标和地铁牵引变电站坐标，采用公式、计算得到各普通车站与牵引变电站距离原点的距离，其中，qn是车站到原点的距离，0表示牵引变电站，1表示普通车站，x和y分别表示地铁普通车站和牵引变电站的坐标值；
获取牵引变电站电压以及经列车牵引后获得的各列车牵引功率，计算得到每个列车的牵引电流。
可选的，所述构建地铁模型进行等效模型转化，并基于所述等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵，包括：
构建包括牵引供电系统、回流系统、列车的地铁模型，所述牵引供电系统包括牵引变电所、接触网，所述回流系统包括钢轨、排流网、贯通接地线、排流柜和钢轨限位装置；
将所述地铁模型进行等效模型转化；
基于所述等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵。
可选的，所述建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵的方法包括：
根据地铁线路拓扑，将地铁线路正线等效为集中参数的直流电阻模型；
提取所述直流电阻模型中包含的车站节点和列车节点；
将场段与正线之间单向导通装置等效成直流电阻，且两端分别连接场段钢轨和正线钢轨；
基于所述车站节点和列车节点建立地铁导纳矩阵，并将各节点之间的电导置入所述地铁导纳矩阵的对应位置；
获取列车激励源和牵引变电站激励源，并基于获取的列车激励源和牵引变电站激励源建立地铁激励源矩阵。
可选的，所述构建地铁网络模型进行等效模型转化，并基于所述地铁导纳矩阵与所述激励源矩阵，得到所述地铁网络模型的地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵，包括：
将各个地铁线路通过换乘站处接地网以及贯通地线连接形成地铁网络，构建地铁网络模型，等效转化为两地铁线路处贯通地线节点之间通过直流电阻连接，得到各地铁节点总数为N1、N2…NN，将网络中各个地铁线路的导纳矩阵置入地铁网络导纳矩阵Y的对应位置，Y的大小为Nz×Nz，地铁网络电导矩阵Y的表达式为：，其中，T1、T2……TN为地铁网络中的节点导纳矩阵，Nz为地铁网络中总结点数量，H12，H1N分别为线路1和线路2之间的关联矩阵，线路1和线路N之间的关联矩阵，如果两线路没有交汇，则H12全为0，由此得到地铁网络激励矩阵C：/>，其中，T为地铁导纳矩阵，AN是线路N的激励源矩阵。
可选的，所述根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，包括：
根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压V：，其中，VN是线路N节点电压，具体的VN：/>，其中，Vc是接触网节点电压，Vr是钢轨节点电压，Vs是排流网节点电压，Vt是贯通地线节点电压。
可选的，所述导通条件被配置为：
牵引变电所—排流网之间的排流柜：；牵引变电所—贯通接地线之间的排流柜：/>；其中，Ups为车站排流网节点电压，Urs为车站钢轨节点电压，Uws为车站贯通地线节点电压，Uth为二极管导通电压；单向导通装置：/>；其中，Urd为单向导通装置场段侧钢轨电压，Urm为单向导通装置正线侧钢轨电压，Uth为二极管导通电压；
具体的，当设置排流柜合闸且满足导通条件时，排流柜才能开启；当单向导通装置满足导通条件时，单向导通装置开启。
可选的，所述若所述回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和，包括：
分别计算钢轨上牵引变电站节点、普通车站节点、场段节点、列车节点泄露出去的杂散电流，具体的，牵引变电站杂散电流：；普通车站杂散电流：；场段杂散电流：/>；列车杂散电流：/>，其中，Urt、Ust、Utt分别为牵引变电站节点的钢轨电位、排流网电位、贯通地线电位，Uro、Uso、Uto分别为普通车站节点的钢轨电位、排流网电位、贯通地线电位，Urd、Utd分别为场段节点的钢轨电位与贯通地线电位，Urb、Usb分别为列车节点的钢轨电位与排流网电位，Rg1为正线钢轨与排流网之间的过渡电阻，Rg3为场段钢轨与贯通地线之间的过渡电阻，Rov为车站钢轨限位装置，Rd为直流电阻；
将各部分杂散电流，采用公式进行加和计算，得到杂散电流总和。其中，ITi、IOi、IDi、IBi分别是钢轨上牵引变电站节点、普通车站节点、场段节点、列车节点泄露出去的杂散电流。x、y、z、w分别为钢轨上牵引变电站、普通车站、场段、列车节点的数量。
可选的，还包括若所述回流设备工作状态满足导通条件，则更改排流柜和单向导通装置的等效电阻，并重新计算网络节点电压，直至不满足导通条件为止。
相应的，本发明还提供一种考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算系统，包括：
参数获取模块，用于获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流；
地铁模型模块，用于构建地铁模型进行等效模型转化，并基于所述等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵；
网络模型模块，用于构建地铁网络模型进行等效模型转化，并基于所述地铁导纳矩阵与所述激励源矩阵，得到所述地铁网络模型的地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵；
导通判断模块，用于根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件；
杂散电流计算模块，用于若所述回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。
本发明的有益之处在于：
1、以集总参数计算方法为基础，计算方法简单，计算周期短；
2、采用该杂散电流计算方法时，地铁建模简单，同时模型扩展性强；
3、将地铁系统拆分成各种单元，可以明确地铁系统中各个结构中杂散电流分布特性；
4、可以结合列车运行数据，实现动态杂散电流的计算。
基于本发明所提及的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法及系统，不仅可以明确网络化地铁中杂散电流分布特征，同时还能探究回流设备对杂散电流分布特征的影响。除此之外，将该计算方法与列车负荷特性结合还能对杂散电流进行动态分析。这不仅为地铁工作人员以及相关研究人员提供一种杂散电流快速计算方法，同时也为杂散电流防治提供了依据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明一实施例提供的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法的步骤示意图；
图2是本发明一实施例提供的牵引变电所等效模型示意图；
图3是本发明一实施例提供的接触网等效模型示意图；
图4是本发明一实施例提供的钢轨、排流网、贯通接地线等效模型示意图；
图5是本发明一实施例提供的钢轨限位装置的结构示意图；
图6是本发明一实施例提供的钢轨限位装置的动态模型原理图；
图7是本发明一实施例提供的排流柜结构示意图；
图8是本发明一实施例提供的列车等效模型示意图；
图9是本发明一实施例提供的换乘站接地网及电缆等效模型；
图10是本发明一实施例提供的地铁网络仿真模型示意图；
图11是本发明一实施例提供的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算系统的结构示意图；
图12是本发明一实施例提供的仿真验证采用的地铁线路结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1是本发明一实施例提供的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法的步骤示意图。
S11、获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流。
设置牵引变电站内阻r，地铁牵引变电站电压Vs，钢轨直流电阻Rr，排流网电阻Rs，贯通地线电阻Rt，接触网电阻Rc，钢轨对排流网直流过渡电阻Gg1，排流网对贯通地线直流过渡电阻率Gg2，钢轨对贯通地线直流过渡电阻Gg3，接地电阻Re的数值；
进一步的，设置地铁牵引变电车站数量n1，普通地铁车站数量n2，地铁线路选取地铁线路顶端车站为原点，建立坐标系，得到地铁普通车站坐标和地铁牵引变电所坐标，其中，wn（xn，yn）是普通车站的坐标，Bn（xn，yn）是牵引变电车站的坐标；
进一步的，根据坐标W与坐标B，采用公式、/>计算出各普通车站与牵引变电站距离原点的距离，其中，qn是车站到原点的距离，0表示牵引变电站，1表示普通车站；
进一步的，设置场段个数C，场段长度L，有，其中，Ln是场段n的长度；
进一步的，设置回流设备工作状态，所述回流设备包括钢轨限位装置和排流柜，各车站钢轨限位装置的工作状态为，各车站的排流柜工作状态为，其中，Covn与Cdn分别是车站n中钢轨限位装置和排流柜的工作状态，当Covn与Cdn为1时表示车站n上的钢轨限位装置和排流柜开启，为0时则表示关闭；
进一步的，设置地铁线路中行驶列车数量m，设置列车在线路中的位置D为，其中Dm是列车m到原点车站的距离；
进一步的，经列车牵引计算后获得各列车牵引功率P为，其中Pm是列车m的牵引功率，根据P与牵引变电站电压Vs计算每个列车的牵引电流I，有。
S12、构建地铁模型进行等效模型转化，并基于等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵。
构建包括牵引供电系统、回流系统、列车的地铁模型，其中牵引供电系统包括牵引变电所、接触网，回流系统包括钢轨、排流网、贯通接地线、排流柜和钢轨限位装置，将地铁模型进行等效模型转化，具体的：
直流牵引变电所的主要设备有整流变压器和整流器。其整流机组采用2个12相整流电路匹配组合而成，这样整流电压Ud的波形就成为了24脉波。分析12相整流机组整流电压Vd和输出电流Id，其外特性曲线虽然呈现曲线状态，但在简化计算时可以将其近似看作直线。因此在建模时牵引变电所则可用电压源Vs和内阻Req的戴维南等效电路来代替，如图2所示。其中，Vs是牵引变电站电压，Req是牵引变电站内阻。
进一步的，接触网是地铁牵引供电系统的主要组成部分，它接收来自牵引变电所的直流电流并输送至列车为其供电。接触网一端与牵引变电所的正母线相连，另一端通过与列车相连。在模型中，用两行电阻串联而成的长导体来等效上下行接触网，如图3所示，其中，Rc是接触网电阻。
进一步的，钢轨除为列车提供运行通道外，同时引导牵引电流顺利回到牵引变电所负极。排流网则是在钢轨下方铺设一层结构钢筋网络，用于收集从钢轨泄露的杂散电流，防止其向外扩散。贯通接地线是将轨道沿线的其他电子信息系统、建筑物等需要接地的装置通过贯通地线连成一体的接地线，同时该贯通地线也是牵引回流的一个主要回路。在建模时，将钢轨、排流网、贯通接地线均等效成一根多电阻串联而成的长导体，如图4所示，其中Rr是钢轨电阻，Rs是排流网电阻，Rt是贯通接地线电阻。
进一步的，由于钢轨无法做到完全对地绝缘，且钢轨电阻不可避免的存在，因此当牵引电流通过钢轨回流时，钢轨和地之间存在钢轨对地电位，为保证人身安全需通过钢轨限位装置短接钢轨与大地来降低钢轨电位，如图5所示，由一个接触器和双向晶闸管组成，一端与车站钢轨相连，另一端与车站贯通地线相连，根据钢轨限位装置工作特性，可以将其等效成一可控直流电阻。
进一步的，结合钢轨限位装置的控制特性提出了一种动态钢轨限位装置的等效模型，当仿真列车运行的动态杂散电流时，钢轨限位装置可以根据钢轨电位自动合闸及分闸，其原理如图6所示。
进一步的，如图7所示，是排流柜的结构示意图，主要结构是大功率二极管以及一个限流电阻，其一端连接牵引变电所负极柜的直流负母排，另一端连接牵引变电所的地母排、排流网、隧道结构钢筋。由监测装置监测排流网等金属结构钢筋结构极化电位正向偏移平均值，当监测值超过限定时，控制装置发出调节控制信号，控制IGBT导通后控制电压输出，投入排流，由于流经排流装置的杂散电流与两端电压呈线性变化，因此建模时可以将排流柜等效为可控直流电阻。
进一步的，单相导通装置安装在场段出口，其主要由二极管回路、消弧装置、隔离开关组成。单相导通装置主要运用二极管的单向导通特性原理，从而确保电流流向只能从场段流向正线，以此来减小杂散电流的泄露。根据其工作特性，可以将其等效成直流电阻。
进一步的，列车的牵引功率与列车自身的速度和工况密切相关的，当列车牵引运行时，其功率为正值，当列车再生制动时，其功率为负值。在建模过程中，列车通常被等效成的功率源模型或者电流源模型，可以将其等效成功率源模型，如图8所示，其中P是列车牵引功率。
进一步的，地铁换乘站为了使各线路接地网有更稳定的接地效果，将各线路接地网经铠装电缆以及金属结构相连，同一线路接地网又经贯通接地线实现电气连接，这为杂散电流在地铁网络中流通提供了条件。在建模时，将换乘站接地网以及用于电气连接的铠装电缆等效成直流电阻，连接在贯通接地线的两端，如图9所示，其中Rj是换乘站接地网及电缆等效电阻。
基于等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵，其方法在于：根据地铁线路拓扑，将地铁线路正线等效为集中参数的直流电阻模型，模型节点总数Nm，有，上/下行接触网结构模型包含牵引变电站节点及列车节点，地铁牵引变电站等效为直流电阻串联电压源结构，连接在接触网牵引变电站节点与钢轨牵引变电站节点之间，列车等效成功率源，连接在接触网节点与钢轨节点之间，根据地铁牵引变电所位置B与列车位置D得到接触网各节点的位置Z，/>以及接触网各节点之间的距离Oc，/>，根据Oc得到接触网节点之间的电导Tc，，接触网节点与钢轨节点之间的电导Tg，/>。
进一步的，根据地铁车站位置W，B与列车位置D获得钢轨各节点的位置S，与钢轨节点之间的距离Or，/>，由于排流网节点以及贯通地线节点位置与钢轨节点一致，因此根据Or可以得到钢轨节点、排流网、贯通地线之间的电导Tr、Ts、Tt：/>，由此，得到地铁线路中钢轨节点与排流网之间的电导Tg1：/>以及地铁线路中排流网节点与贯通地线节点之间的电导Tg2：，车站钢轨限位装置Rov连接在钢轨车站节点与贯通地线节点之间，所有车站均设有，排流柜等效为两个直流电阻Rp，一个连接在钢轨牵引变电站节点与排流网节点之间，另一个连接在钢轨牵引变电站节点与贯通地线节点之间，只在牵引车站设有，根据Cov，Cd确定钢轨限位装置的电导Tov：，排流柜的电导Tp：/>，其中，Govc，Gpc表示钢轨限位装置和排流柜关闭时的电导，Govo和Gpo表示钢轨限位装置和排流柜开启时的电导,车站接地电阻Re连接在车站贯通地线节点与参考地节点之间，接地电导Te：/>;
进一步的，单向导通装置被等效成直流电阻Rd，一端与场段钢轨相连，另一端与正线钢轨相连，根据L得到场段钢轨电导Tdr，场段贯通地线电导Tdt：，过渡电阻Gg3连接在场段钢轨节点与场段贯通地线节点之间，场段单向导通装置电导计算方法及位置与正线等同；
进一步的，建立地铁导纳矩阵T，其阶数等于牵引供电网络的节点数Nm×Nm，将各节点之间的电导放入T的对应位置，导纳矩阵T中各非对角元素T(i,j) 等于节点i与节点j之间电导的负数：，导纳矩阵T各对角元素T(i,i)等于相应节点所连支路的电导之和：/>，激励源包括列车激励源，牵引变电站激励源，其它节点的激励源均为零，地铁激励源矩阵A：/>，其中，当节点i中流入电流时A(i)为正，当节点i流出电流时A(i)为负。
S13、构建地铁网络模型进行等效模型转化，并基于地铁导纳矩阵与激励源矩阵，得到地铁网络模型的地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵。
按照步骤S12中建模方式建立‘接触网-钢轨-排流网-贯通接地线’四层地铁网络仿真模型，结构如图10所示。该模型的回流系统由四种微分单元组成，包括单元A、单元B、单元C和单元D。单元A为牵引变电站回流系统，由钢轨、排流网、贯通接地线、钢轨限位装置和排流柜组成。单元B为普通车站回流系统，由钢轨、排流网、贯通接地线和钢轨限位装置组成。单元C为列车位置回流系统，由钢轨、排流网和贯通接地线组成。单元D则代表场段回流系统，由钢轨、贯通接地线和钢轨限位装置组成。其中Rr、Rs和Rt分别为钢轨、排流网和贯通接地线电阻。Rp、Rov和Rd分别为排流柜装置等效电阻、钢轨限位装置等效电阻和单向导通装置等效电阻。Gg1、Gg2和Gg3分别为钢轨对排流网的电导、排流网对贯通地线的电导和钢轨对贯通地线的电导。Re和Rj分别为车站接地电阻和换乘站接地网及铠装电缆等效电阻。
进一步的，将各个地铁线路通过换乘站处接地网以及贯通地线连接形成地铁网络，构建地铁网络模型，等效转化为两地铁线路处贯通地线节点之间通过直流电阻连接，得到各地铁节点总数为N1、N2…NN，将网络中各个地铁线路的导纳矩阵置入地铁网络导纳矩阵Y的对应位置，Y的大小为Nz×Nz，地铁网络电导矩阵Y的表达式为：，其中T1、T2……TN为地铁网络中的节点导纳矩阵，Nz为地铁网络中总结点数量，H12，H1N分别为线路1和线路2之间的关联矩阵，线路1和线路N之间的关联矩阵，当线路1上贯通接地导体节点位置为a的车站与线路2上贯通接地导体节点位置为b的车站是换乘站，则H12中：/>，其中，H12=H21 T，如果两线路没有交汇，则H12全为0，由此得到地铁网络激励矩阵C：/>，其中，AN是线路N的激励源矩阵。
S14、根据地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件。
根据地铁网络导纳矩阵和地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压V：，其中，VN是线路N节点电压，具体的VN：/>，其中，Vc是接触网节点电压，Vr是钢轨节点电压，Vs是排流网节点电压，Vt是贯通地线节点电压。
需要说明的是，钢轨限位装置按照三段式整定，当钢轨限位装置监测钢轨对地电位大于90V时，接触器延时1s合闸，并在10s后分闸。当监测到钢轨电位对地电位大于150V时，接触器延时1s合闸，且闭锁，需要工作人员到现场或远程解锁。当监测到钢轨电位大于600V时，接触器无延迟合闸。可见，钢轨限位装置具有分段性质，当监测的钢轨电位的大于限定电压时，钢轨限位装置将钢轨接地，钢轨对地过渡电阻为0。当钢轨电位在限定电压范围内时，钢轨保持对地绝缘，其过渡电阻等同于绝缘扣件电阻。根据钢轨限位装置工作特性，可以将其等效成一可控直流电阻：，其中，Rov是钢轨限位装置的等效电阻。当设置钢轨限位装置合闸时，钢轨限位装置开启。
此外，由于流经排流装置的杂散电流与两端电压呈线性变化，因此建模时可以将排流柜等效为可控直流电阻，排流柜的限流电阻通常设置为0.2Ω，并且不同位置的排流柜工作特性不同：牵引变电所—排流网之间的排流柜：；牵引变电所—贯通接地线之间的排流柜：/>；其中，Ups为车站排流网节点电压，Urs为车站钢轨节点电压，Uws为车站贯通地线节点电压，Uth为二极管导通电压；当设置排流柜合闸且满足导通条件时，排流柜才能开启。单向导通装置：；其中，Urd为单向导通装置场段侧钢轨电压，Urm为单向导通装置正线侧钢轨电压，Uth为二极管导通电压；当单向导通装置满足导通条件，单向导通装置开启。
S15、若回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。
若回流设备工作状态不满足导通条件，分别计算钢轨上牵引变电站节点、普通车站节点、场段节点、列车节点泄露出去的杂散电流，具体的，牵引变电站杂散电流：；普通车站杂散电流：/>；场段杂散电流：；列车杂散电流：/>，其中，Urt、Ust、Utt分别为牵引变电站节点的钢轨电位、排流网电位、贯通地线电位，Uro、Uso、Uto分别为普通车站节点的钢轨电位、排流网电位、贯通地线电位，Urd、Utd分别为场段节点的钢轨电位与贯通地线电位，Urb、Usb分别为列车节点的钢轨电位与排流网电位，Rg1为正线钢轨与排流网之间的过渡电阻，Rg3为场段钢轨与贯通地线之间的过渡电阻，Rov为车站钢轨限位装置，Rd为直流电阻；
将各部分杂散电流，采用公式进行加和计算，得到杂散电流总和。其中，ITi、IOi、IDi、IBi分别是钢轨上牵引变电站节点、普通车站节点、场段节点、列车节点泄露出去的杂散电流。x、y、z、w分别为钢轨上牵引变电站、普通车站、场段、列车节点的数量。
进一步的，若回流设备工作状态满足导通条件，则更改排流柜和单向导通装置的等效电阻，并重新计算网络节点电压，直至不满足导通条件为止。
本发明实施例提供一种考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法及系统，通过获取地铁相关参数并设置回流设备工作状态；构建地铁模型和地铁网络模型，建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵，进一步得到地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵；再计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件；若回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。不仅可以明确网络化地铁中杂散电流分布特征，同时还能探究回流设备对杂散电流分布特征的影响，减少了计算量，缩短了计算周期，并且建模简单、模型扩展能力得到有效增强。除此之外，将该方法与列车负荷特性结合还能对杂散电流进行动态分析。
相应的，参照图11，是本发明一实施例提供的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算系统，包括：
参数获取模块，用于获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流；
地铁模型模块，用于构建地铁模型进行等效模型转化，并基于所述等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵；
网络模型模块，用于构建地铁网络模型进行等效模型转化，并基于所述地铁导纳矩阵与所述激励源矩阵，得到所述地铁网络模型的地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵；
导通判断模块，用于根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件；
杂散电流计算模块，用于若所述回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。
进一步的，根据上述实施例中提供的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法及系统，利用MATLAB仿真软件搭建地铁仿真模型，与传输线理论计算方法进行对比，验证本发明所提计算方法的可行性，具体的，采用本发明计算方法以及传输线理论计算方法，对如图12所示的地铁线路杂散电流及钢轨电位进行计算，该线路为“钢轨-排流网-贯通地线”三层金属结构，采用双边供电，列车位于供电区间正中位置。计算结果显示为上述两种计算方法计算出的钢轨电位及杂散电流变化趋势基本一致。钢轨电位平均百分比误差为0.35%，杂散电流平均百分比误差为2.52%，因此可以证明本发明所提计算方法是有效的。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法，其特征在于，包括：
获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流；
构建地铁模型进行等效模型转化，并基于所述等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵，具体的，构建包括牵引供电系统、回流系统、列车的地铁模型，所述牵引供电系统包括牵引变电所、接触网，所述回流系统包括钢轨、排流网、贯通接地线、排流柜和钢轨限位装置；
将所述地铁模型进行等效模型转化；
根据地铁线路拓扑，将地铁线路正线等效为集中参数的直流电阻模型；
提取所述直流电阻模型中包含的车站节点和列车节点；
将场段与正线之间单向导通装置等效成直流电阻，且两端分别连接场段钢轨和正线钢轨；
基于所述车站节点和列车节点建立地铁导纳矩阵，并将各节点之间的电导置入所述地铁导纳矩阵的对应位置；
获取列车激励源和牵引变电站激励源，并基于获取的列车激励源和牵引变电站激励源建立地铁激励源矩阵；
构建地铁网络模型进行等效模型转化，并基于所述地铁导纳矩阵与所述激励源矩阵，得到所述地铁网络模型的地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵，具体的，将各个地铁线路通过换乘站处接地网以及贯通地线连接形成地铁网络，构建地铁网络模型，等效转化为两地铁线路处贯通地线节点之间通过直流电阻连接，得到各地铁节点总数为N1、N2…NN，将网络中各个地铁线路的导纳矩阵置入地铁网络导纳矩阵Y的对应位置，Y的大小为Nz×Nz，地铁网络电导矩阵Y的表达式为：其中T1、T2……TN为地铁网络中的节点导纳矩阵，Nz为地铁网络中总结点数量，H12，H1N分别为线路1和线路2之间的关联矩阵，线路1和线路N之间的关联矩阵，如果两线路没有交汇，则H12全为0，由此得到地铁网络激励矩阵C：C＝[A1,A2,…,AN]T，其中，T为地铁导纳矩阵，AN是线路N的激励源矩阵；
根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件；
若所述回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。
2.根据权利要求1所述的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法，其特征在于，所述获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流，包括：
选取地铁线路顶端车站为原点，建立坐标系，得到地铁普通车站坐标和地铁牵引变电站坐标；
基于所述地铁普通车站坐标和地铁牵引变电站坐标，采用公式 计算得到各普通车站与牵引变电站距离原点的距离，其中，qn是车站到原点的距离，0表示牵引变电站，1表示普通车站，x和y分别表示地铁普通车站和牵引变电站的坐标值；
获取牵引变电站电压以及经列车牵引后获得的各列车牵引功率，计算得到每个列车的牵引电流。
3.根据权利要求1所述的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法，其特征在于，所述根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，包括：
根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压V：V＝Y-1·C＝[V1 V2 … VN]T，其中，VN是线路N节点电压，具体的VN：VN＝[Vc Vr Vs Vt]T，其中，Vc是接触网节点电压，Vr是钢轨节点电压，Vs是排流网节点电压，Vt是贯通地线节点电压。
4.根据权利要求1所述的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法，其特征在于，所述导通条件被配置为：
牵引变电所—排流网之间的排流柜：牵引变电所—贯通接地线之间的排流柜：/>其中，Ups为车站排流网节点电压，Urs为车站钢轨节点电压，Uws为车站贯通地线节点电压，Uth为二极管导通电压；单向导通装置：/>其中，Urd为单向导通装置场段侧钢轨电压，Urm为单向导通装置正线侧钢轨电压，Uth为二极管导通电压；
具体的，当设置排流柜合闸且满足导通条件时，排流柜才能开启；当单向导通装置满足导通条件时，单向导通装置开启。
5.根据权利要求4所述的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法，其特征在于，所述若所述回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和，包括：
分别计算钢轨上牵引变电站节点、普通车站节点、场段节点、列车节点泄露出去的杂散电流，具体的，牵引变电站杂散电流：普通车站杂散电流：场段杂散电流：/>列车杂散电流：其中，Urt、Ust、Utt分别为牵引变电站节点的钢轨电位、排流网电位、贯通地线电位，Uro、Uso、Uto分别为普通车站节点的钢轨电位、排流网电位、贯通地线电位，Urd、Utd分别为场段节点的钢轨电位与贯通地线电位，Urb、Usb分别为列车节点的钢轨电位与排流网电位，Rg1为正线钢轨与排流网之间的过渡电阻，Rg3为场段钢轨与贯通地线之间的过渡电阻，Rov为车站钢轨限位装置，Rd为直流电阻；
将各部分杂散电流，采用公式进行加和计算，得到杂散电流总和，其中，ITi、IOi、IDi、IBi分别是钢轨上牵引变电站节点、普通车站节点、场段节点、列车节点泄露出去的杂散电流，x、y、z、w分别为钢轨上牵引变电站、普通车站、场段、列车节点的数量。
6.根据权利要求1所述的考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算方法，其特征在于，还包括：
若所述回流设备工作状态满足导通条件，则更改排流柜和单向导通装置的等效电阻，并重新计算网络节点电压，直至不满足导通条件为止。
7.考虑回流设备的网络化地铁杂散电流建模计算系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取车站、列车位置信息，并基于预设的地铁相关电气参数，计算得到经列车牵引后各列车的牵引电流；
地铁模型模块，用于构建地铁模型进行等效模型转化，并基于所述等效模型建立地铁导纳矩阵与激励源矩阵，具体的，构建包括牵引供电系统、回流系统、列车的地铁模型，所述牵引供电系统包括牵引变电所、接触网，所述回流系统包括钢轨、排流网、贯通接地线、排流柜和钢轨限位装置；将所述地铁模型进行等效模型转化；根据地铁线路拓扑，将地铁线路正线等效为集中参数的直流电阻模型；提取所述直流电阻模型中包含的车站节点和列车节点；将场段与正线之间单向导通装置等效成直流电阻，且两端分别连接场段钢轨和正线钢轨；基于所述车站节点和列车节点建立地铁导纳矩阵，并将各节点之间的电导置入所述地铁导纳矩阵的对应位置；获取列车激励源和牵引变电站激励源，并基于获取的列车激励源和牵引变电站激励源建立地铁激励源矩阵；
网络模型模块，用于构建地铁网络模型进行等效模型转化，并基于所述地铁导纳矩阵与所述激励源矩阵，得到所述地铁网络模型的地铁网络导纳矩阵与地铁网络激励源矩阵，具体的，将各个地铁线路通过换乘站处接地网以及贯通地线连接形成地铁网络，构建地铁网络模型，等效转化为两地铁线路处贯通地线节点之间通过直流电阻连接，得到各地铁节点总数为N1、N2…NN，将网络中各个地铁线路的导纳矩阵置入地铁网络导纳矩阵Y的对应位置，Y的大小为Nz×Nz，地铁网络电导矩阵Y的表达式为：其中T1、T2……TN为地铁网络中的节点导纳矩阵，Nz为地铁网络中总结点数量，H12，H1N分别为线路1和线路2之间的关联矩阵，线路1和线路N之间的关联矩阵，如果两线路没有交汇，则H12全为0，由此得到地铁网络激励矩阵C：C＝[A1,A2,…,AN]T，其中，T为地铁导纳矩阵，AN是线路N的激励源矩阵；
导通判断模块，用于根据所述地铁网络导纳矩阵和所述地铁网络激励源矩阵，计算地铁网络节点电压，判断回流设备工作状态是否满足导通条件；
杂散电流计算模块，用于若所述回流设备工作状态不满足导通条件，则分别计算不同位置的部分杂散电流，进行加和计算，得到杂散电流总和。
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