DE102022214162A1

DE102022214162A1 - Improving the operation of a traction power system

Info

Publication number: DE102022214162A1
Application number: DE102022214162.8A
Authority: DE
Inventors: Friedemann Koop; Andreas Bärmann; Lukas Hager
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-06-27
Also published as: WO2024132472A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betrieb einer Bahnstromanlage (10). Zum Zwecke eines Betriebs der Bahnstromanlage (10) werden mittels eines simulierten Betriebs eines virtuellen Abbilds der realen Bahnstromanlage (10) Betriebsparameter ermittelt (102). Des Weiteren wird eine Zielfunktion auf Basis wenigstens eines Teils der ermittelten (102) Betriebsparameter sowie wenigstens einer variablen Steuerkenngröße erstellt (104). Ferner wird ein Wert der wenigstens einen Steuerkenngröße ermittelt (106), welchem mittels der Zielfunktion ein Zielfunktionswert zugeordnet ist, der höchstens um 10 % von einem absoluten Extremum der Zielfunktionswerte abweicht. Auf Basis des so ermittelten (106) Werts der wenigstens einen Steuerkenngröße wird der Betrieb der Bahnstromanlage (10) gesteuert (108).

The invention relates to a method (100) for operating a traction power system (10). For the purpose of operating the traction power system (10), operating parameters are determined (102) by means of a simulated operation of a virtual image of the real traction power system (10). Furthermore, a target function is created on the basis of at least some of the determined (102) operating parameters and at least one variable control parameter (104). Furthermore, a value of the at least one control parameter is determined (106), to which a target function value is assigned by means of the target function, which deviates by at most 10% from an absolute extreme of the target function values. The operation of the traction power system (10) is controlled (108) on the basis of the value of the at least one control parameter determined in this way (106).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Bahnstromanlage, eine Bahnstromanlage zur Durchführung des Verfahrens, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares Medium.The invention relates to a method for controlling a traction power system, a traction power system for carrying out the method, a computer program and a computer-readable medium.

Der Betrieb einer Bahnstromanlage unterliegt Anforderungen unterschiedlicher Art. Beispielsweise ist ein zuverlässiger, sicherer und unterbrechungsfreier Betrieb zu gewährleisten. Solche Vorgaben sind unter anderem durch technische Normen geregelt, wie beispielsweise durch EN 50163 oder durch EN 50122. Ob die Bahnstromanlage die erforderlichen Anforderungen erfüllt, muss vor einer Aufnahme des Betriebs bestimmt werden. Daher wird eine Einhaltung vorgegebener Anforderungen üblicherweise mittels der Simulation eines Betriebs eines virtuellen Abbilds einer realen Bahnstromanlage überprüft und vorzugsweise auf diese Weise verifiziert. Neben den genannten Anforderungen besteht der Bedarf, den Betrieb der Bahnstromanlage im Hinblick auf weitere Kenngrößen, wie Energieeffizienz oder Verschleiß, zu optimieren. Beispielsweise kann eine Energieeffizienz durch eine Reduzierung einer elektrischen Verlustleistung erreicht werden. Solche elektrische Verlustleistungen werden überwiegend durch elektrische Übertragungsverluste verursacht. Darüber hinaus kann eine Energieeffizienz gesteigert werden, indem im Falle eines Abbremsens eines Fahrzeugs kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und diese Energie anstatt elektrischer Energie aus einem externen Stromnetz verbraucht wird. Dies erfordert aber eine präzise Steuerung des Betriebs der Bahnstromanlage unter räumlicher und zeitlicher Berücksichtigung gegebener Betriebsbedingungen. Zum Zwecke einer Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage, betreffend die vorgenannten weiteren Kenngrößen, wird bislang mehrfach eine Simulation des Betriebs der Bahnstromanlage auf Basis unterschiedlicher Werte für variable Steuerkenngrößen durchgeführt. Eine Auswahl der Werte findet üblicherweise durch Fachleute und auf Basis derer Erfahrungen statt. Zwar kann auf diese Weise der Betrieb der Bahnstromanlage im Rahmen der durchgeführten Simulationen verbessert werden. Da jedoch durch die Wahl unterschiedlicher Werte der variablen Steuerkenngrößen zugleich der Simulationsverlauf und damit das Simulationsergebnis maßgeblich beeinflusst wird, kann lediglich aus der Menge der durchgeführten Simulationen das beste Ergebnis gewählt werden. Das Auffinden eines globalen Maximums oder Minimums einer zu optimierenden Kenngröße ist im Rahmen dieser Vorgehensweise hingegen nicht möglich.The operation of a traction power system is subject to various requirements. For example, reliable, safe and uninterrupted operation must be guaranteed. Such requirements are regulated by technical standards, such as EN 50163 or EN 50122. Whether the traction power system meets the necessary requirements must be determined before operations begin. Compliance with specified requirements is therefore usually checked by simulating the operation of a virtual image of a real traction power system and preferably verified in this way. In addition to the requirements mentioned, there is a need to optimize the operation of the traction power system with regard to other parameters, such as energy efficiency or wear. For example, energy efficiency can be achieved by reducing electrical power losses. Such electrical power losses are mainly caused by electrical transmission losses. In addition, energy efficiency can be increased by converting kinetic energy into electrical energy when a vehicle brakes and consuming this energy instead of electrical energy from an external power grid. However, this requires precise control of the operation of the traction power system, taking spatial and temporal account of given operating conditions. In order to optimize the operation of the traction power system with regard to the other parameters mentioned above, a simulation of the operation of the traction power system has been carried out several times based on different values for variable control parameters. The values are usually selected by experts and on the basis of their experience. In this way, the operation of the traction power system can be improved within the framework of the simulations carried out. However, since the selection of different values for the variable control parameters also significantly influences the simulation process and thus the simulation result, only the best result can be selected from the set of simulations carried out. Finding a global maximum or minimum of a parameter to be optimized is not possible within the framework of this procedure.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufwandsgünstig einen Betrieb einer Bahnstromanlage zu verbessern. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Energieeffizienz eines Betriebs der Bahnstromanlage unter Echtzeitbedingungen zu verbessern.The object of the invention is to improve the operation of a traction power system at low cost. Furthermore, the object of the invention is to improve the energy efficiency of the operation of the traction power system under real-time conditions.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung der Bahnstromanlage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.These objects are achieved by a method for controlling the traction power system according to the features of claim 1.

Des Weiteren wird diese Aufgabe gelöst durch eine Bahnstromanlage gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs.Furthermore, this object is achieved by a traction power system according to the features of the independent device claim.

Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 14 und durch ein computerlesbares Medium gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 15.Furthermore, this object is achieved by a computer program according to the features of the independent claim 14 and by a computer-readable medium according to the features of the independent claim 15.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche.Advantageous further training is the subject of dependent subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Bahnstromanlage werden Betriebsparameter zum Zwecke eines Betriebs der Bahnstromanlage mittels eines simulierten Betriebs eines virtuellen Abbilds der realen Bahnstromanlage ermittelt. Des Weiteren wird eine Zielfunktion auf Basis wenigstens eines Teils der auf die zuvor genannte Weise ermittelten Betriebsparameter sowie wenigstens einer variablen Steuerkenngröße erstellt. Ferner wird ein Wert der wenigstens einen Steuerkenngröße ermittelt, welchem mittels der Zielfunktion ein Zielfunktionswert zugeordnet ist, der höchstens um 10 %, vorzugsweise höchstens um 5 % und besonders bevorzugt höchstens um 2 % von einem absoluten Extremum der Zielfunktionswerte abweicht. Auf Basis des derart ermittelten Werts der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße wird der Betrieb der Bahnstromanlage gesteuert.In the method according to the invention for operating a traction power system, operating parameters for the purpose of operating the traction power system are determined by means of a simulated operation of a virtual image of the real traction power system. Furthermore, a target function is created on the basis of at least a portion of the operating parameters determined in the aforementioned manner and at least one variable control parameter. Furthermore, a value of the at least one control parameter is determined, to which a target function value is assigned by means of the target function, which deviates by at most 10%, preferably by at most 5% and particularly preferably by at most 2% from an absolute extreme of the target function values. The operation of the traction power system is controlled on the basis of the value of the at least one variable control parameter determined in this way.

Dabei ermöglicht das virtuelle Abbild der Bahnstromanlage eine Bewegung von elektrischen Verbrauchern, wie beispielsweise Fahrzeugen, innerhalb der Infrastruktur der Bahnstromanlage zu simulieren. Beispielhaft können so geländebezogene Gegebenheiten, wie Steigungen oder Gefälle, eine Anzahl an Verbrauchern und deren sich ändernde Standorte berücksichtigt werden. Insbesondere ermöglicht das virtuelle Abbild der realen Bahnstromanlage, Betriebsparameter verschiedener elektrischer Quellen und elektrischer Senken zuverlässig zu ermitteln.The virtual image of the traction power system makes it possible to simulate the movement of electrical consumers, such as vehicles, within the infrastructure of the traction power system. For example, terrain-related conditions such as gradients, a number of consumers and their changing locations can be taken into account. In particular, the virtual image of the real traction power system makes it possible to reliably determine operating parameters of various electrical sources and electrical sinks.

Bei den genannten Betriebsparametern kann es sich beispielsweise um Admittanzen von Unterwerken und/oder Fahrleitungssystemen, um einen räumlich und/oder zeitlich bedingten Leistungsbedarf der Lasten, um eine räumlich und/oder zeitlich zur Verfügung stehende elektrische Leistung und/oder Strom-Spannungskennlinien der Lasten und/oder der Unterwerke handeln.The operating parameters mentioned may, for example, be admittances of substations and/or overhead line systems, a spatially and/or temporally determined power requirement of the loads, a spatially and/or temporally available electrical power and/or Current-voltage characteristics of the loads and/or the substations.

Bei der genannten Steuerkenngröße handelt es sich um eine physikalische Kenngröße, wie beispielsweise eine elektrische Stromstärke, eine elektrische Spannung, eine elektrische Leistung, eine Admittanz oder eine Strom-Spannungskennlinie. Üblicherweise sind Bahnstromanlagen spannungsgesteuert. Vorzugsweise handelt es sich daher bei der Steuerkenngröße um eine elektrische Spannung. Diese elektrische Spannung kann beispielsweise eine Einspeisespannung eines gesteuerten oder ungesteuerten Unterwerks, eine für einen Betrieb eines Fahrzeugs vorgesehene Betriebsspannung oder eine Rückspeisespannung, mittels welcher eine Energierückspeisung in ein elektrisches Bahnstromnetz oder in ein anderes externes elektrisches Stromnetz erfolgt, betreffen.The control parameter mentioned is a physical parameter, such as an electrical current, an electrical voltage, an electrical power, an admittance or a current-voltage characteristic curve. Traction power systems are usually voltage-controlled. The control parameter is therefore preferably an electrical voltage. This electrical voltage can, for example, relate to a feed-in voltage of a controlled or uncontrolled substation, an operating voltage intended for operating a vehicle or a feedback voltage by means of which energy is fed back into an electrical traction power network or into another external electrical power network.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es ferner, aufwandsgünstig und schnell den Betrieb der Bahnstromanlage im Hinblick auf eine mittels der Zielfunktion abgebildeten Kenngröße, wie beispielhaft einer elektrischen Verlustleistung, zu optimieren. So kann die Optimierung des Betriebs unter Echtzeitbedingungen realisiert werden. Zudem ermöglicht das genannte Verfahren, auf Basis einer einzigen Simulation des Betriebs der Bahnstromanlage eine Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage vorzunehmen. Eine Optimierung unter Einflussnahme auf einen Fahrbetrieb kann so einfach vermieden werden. Des Weiteren kann so auf die Durchführung einer Vielzahl an Simulationen zum Zwecke der Verbesserung des Betriebs der Bahnstromanlage verzichtet werden. Dennoch bleibt die Möglichkeit erhalten, auf Basis des ermittelten Werts einer variablen Steuerungskenngröße eine Nachberechnung der Simulation durchzuführen und damit weiteres Optimierungspotenzial zu nutzen.The method according to the invention also makes it possible to optimize the operation of the traction power system quickly and inexpensively with regard to a parameter represented by the target function, such as electrical power loss, for example. In this way, the optimization of the operation can be achieved under real-time conditions. In addition, the method mentioned makes it possible to optimize the operation of the traction power system on the basis of a single simulation of the operation of the traction power system. Optimization that influences driving operations can thus be easily avoided. Furthermore, it is possible to dispense with the need to carry out a large number of simulations for the purpose of improving the operation of the traction power system. Nevertheless, the option of carrying out a recalculation of the simulation on the basis of the determined value of a variable control parameter and thus exploiting further optimization potential remains.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitpunkts der Bahnstromanlage ermittelt wird. Vorzugsweise werden Werte der wenigstens einen Steuerkenngröße auf Basis unterschiedlicher Betriebszeitpunkte der Bahnstromanlage ermittelt. Beispielhaft werden mittels der Simulation des Betriebs der Bahnstromanlage Betriebsparameter bezogen auf verschiedene Betriebszeitpunkte ermittelt. Zum Zwecke der einfachen Ermittlung des Werts einer variablen Steuerkenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitpunkts können die für einen vorbestimmten Betriebszeitpunkt bestimmten Betriebsparameter herangezogen werden. Sich zeitlich ändernde Betriebszustände können so einfach und rasch berücksichtigt werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Steuerung des Betriebs der Bahnstromanlage unter Echtzeitbedingungen.An advantageous development provides that the value of the at least one variable control parameter is determined on the basis of a predetermined operating time of the traction power system. Preferably, values of the at least one control parameter are determined on the basis of different operating times of the traction power system. For example, operating parameters are determined in relation to different operating times by means of simulating the operation of the traction power system. For the purpose of simply determining the value of a variable control parameter on the basis of a predetermined operating time, the operating parameters determined for a predetermined operating time can be used. Operating states that change over time can thus be taken into account easily and quickly. This enables improved control of the operation of the traction power system under real-time conditions.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße auf Basis einer Standortinformation eines mittels der Bahnstromanlage betriebenen Fahrzeugs ermittelt wird. Die Simulation und damit die Ermittlung der Betriebsparameter kann auf Basis der Standortinformation verbessert werden. Dies ermöglicht es, eine Abweichung eines simulativ ermittelten Betriebsparameters von realen Begebenheiten zu verringern. Weicht beispielsweise ein Standort gemäß eines der Simulation zugrunde gelegten Fahrplans oder Dienstplans von einem tatsächlichen Standorte eines Fahrzeugs ab oder bewegen sich Fahrzeuge ohne Fahr- oder Dienstplan in der Bahnstromanlage, so können diese einfach und zuverlässig berücksichtigt werden. Eine Qualität des für die Steuerkenngröße ermittelten Werts kann so verbessert werden.A further advantageous development provides that the value of the at least one variable control parameter is determined on the basis of location information of a vehicle operated by means of the traction power system. The simulation and thus the determination of the operating parameters can be improved on the basis of the location information. This makes it possible to reduce a deviation of an operating parameter determined by simulation from real conditions. If, for example, a location according to a timetable or duty roster on which the simulation is based deviates from an actual location of a vehicle or if vehicles move in the traction power system without a timetable or duty roster, these can be taken into account easily and reliably. The quality of the value determined for the control parameter can thus be improved.

Des Weiteren sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass der Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitraums der Bahnstromanlage ermittelt wird. Auf diese Weise können Unterschiede berücksichtigt werden, welche beispielsweise durch den Betrieb bei Tag oder den Betrieb bei Nacht auftreten, welche bedingt durch saisonale Veränderungen, wie beispielsweise äußere meteorologische Einflüsse, auftreten sowie solche, welche durch vorhersehbare Fahrplanänderungen auftreten. Des Weiteren können auf diese Weise Werte für eine Steuerkenngröße ermittelt werden, welche während eines realen Betriebs der Bahnstromanlage nur selten, nur zu vorbestimmten Zeitpunkten oder nur unter hohem Aufwand veränderbar sind. So kann der Betrieb unter Berücksichtigung einer zeitlichen Einschränkung einer möglichen Anpassung eines Werts für eine Steuerkenngröße einfach und zuverlässig optimiert werden.Furthermore, an advantageous development provides that the value of the at least one variable control parameter is determined on the basis of a predetermined operating period of the traction power system. In this way, differences can be taken into account which, for example, occur due to operation during the day or operation at night, which occur due to seasonal changes such as external meteorological influences, and those which occur due to foreseeable timetable changes. Furthermore, values for a control parameter can be determined in this way which can only be changed rarely, only at predetermined times or only with great effort during actual operation of the traction power system. In this way, operation can be optimized easily and reliably, taking into account a time restriction on a possible adjustment of a value for a control parameter.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird vorgesehen, dass als die wenigstens eine variable Steuerkenngröße eine elektrische Betriebsspannung eines Teilsystems der Bahnstromanlage ermittelt wird. Bei einem Teilsystem der Bahnstromanlage handelt es sich vorliegend um eine funktionelle Baugruppe der Bahnstromanlage. Beispielhaft kann ein Teilsystem einen durch die Bahnstromanlage betriebenen elektrischen Verbraucher, einen elektrischen Generator, ein Leitungssystem oder ein Unterwerk betreffen. Bei dem genannten Verbraucher kann es sich beispielsweise um Verbraucher eines durch die Bahnstromanlage betriebenen Fahrzeugs, wie einen Antrieb oder eine Lichtanlage, handeln. Der genannte elektrische Generator kann beispielhaft eine Bremsvorrichtung eines Fahrzeugs sein, mittels welcher kinetische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Ferner ist denkbar, dass ein Teilsystem einen vorbestimmten Abschnitt des Fahrleitungssystems betrifft. Dies ermöglicht es, einen Betrieb einer spannungsgesteuerten Bahnstromanlage einfach und aufwandsgünstig zu steuern.In a further advantageous development, it is provided that an electrical operating voltage of a subsystem of the traction power system is determined as the at least one variable control parameter. A subsystem of the traction power system is a functional assembly of the traction power system. For example, a subsystem can relate to an electrical consumer operated by the traction power system, an electrical generator, a line system or a substation. The consumer mentioned can, for example, be a consumer of a vehicle operated by the traction power system, such as a drive or a lighting system. The electrical generator mentioned can, for example, be a braking device of a vehicle, by means of which kinetic energy can be converted into electrical energy. It is also conceivable that a subsystem relates to a predetermined section of the overhead line system. This enables It is possible to control the operation of a voltage-controlled traction power system simply and inexpensively.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass als die wenigstens eine variable Steuerkenngröße eine Einspeisespannung eines Unterwerks der Bahnstromanlage gewählt wird. Dabei ermöglicht ein Unterwerk als Teilsystem der Bahnstromanlage eine Transformation einer durch ein externes Stromnetz vorgegebenen elektrischen Spannung hin zu einer elektrischen Spannung, welche zum Zwecke des Betriebs der Bahnstromanlage in ein Fahrleitungssystem eingespeist wird. Vorzugsweise ist das Unterwerk dazu eingerichtet, auf Basis eines vorgegebenen Sollwerts die Einspeisespannung zu steuern. Mittels der Steuerung der Einspeisespannung kann in der Praxis das größte Optimierungspotential im Hinblick auf eine verbesserte Energieeffizienz während eines Betriebs der Bahnstromanlage ausgenutzt werden. Denkbar ist, dass als variable Steuerkenngröße neben der oder alternativ zu der Einspeisespannung eine Betriebsspannung eines Fahrzeugs und/oder eine Rückspeisespannung eines Unterwerks und/oder eines Fahrzeugs gewählt werden. Eine Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage im Hinblick auf eine Energieeffizienz kann so weiter verbessert werden.An advantageous embodiment provides that a feed voltage of a substation of the traction power system is selected as the at least one variable control parameter. A substation as a subsystem of the traction power system enables a transformation of an electrical voltage specified by an external power network into an electrical voltage which is fed into a contact line system for the purpose of operating the traction power system. The substation is preferably set up to control the feed voltage on the basis of a specified target value. By controlling the feed voltage, the greatest optimization potential with regard to improved energy efficiency during operation of the traction power system can be exploited in practice. It is conceivable that an operating voltage of a vehicle and/or a feedback voltage of a substation and/or a vehicle are selected as a variable control parameter in addition to or as an alternative to the feed voltage. Optimization of the operation of the traction power system with regard to energy efficiency can thus be further improved.

Ferner sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass für mehrere Teilsysteme der Bahnstromanlage jeweils ein eigener Wert für die wenigstens eine variable Steuerkenngröße ermittelt wird. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl an Betriebsbedingungen zuverlässig zu berücksichtigen und damit einen präzisen Betrieb der Bahnstromanlage bereitzustellen. Individuelle Konstellationen von Senken und Quellen elektrischer Energie sowie deren zeitliche und räumliche Verteilung können bei der Ermittlung des Werts der Steuerkenngröße einfach und zuverlässig berücksichtigt werden.Furthermore, an advantageous further development provides that a separate value for the at least one variable control parameter is determined for several subsystems of the traction power system. This makes it possible to reliably take into account a large number of operating conditions and thus provide precise operation of the traction power system. Individual constellations of sinks and sources of electrical energy as well as their temporal and spatial distribution can be easily and reliably taken into account when determining the value of the control parameter.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass für verschiedene Unterwerke jeweils ein eigener Wert für die Einspeisespannung ermittelt wird. Dies ermöglicht es, eine effiziente Steuerung des Betriebs der Bahnstromanlage bereitzustellen, bei welchem eine nur geringe Verlustleistung auftritt.An advantageous design variant provides that a separate value for the feed-in voltage is determined for each of the different substations. This makes it possible to provide efficient control of the operation of the traction power system, with only a low power loss.

Des Weiteren sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass wenigstens ein Teil der Betriebsparameter zum Zwecke eines Betriebs der Bahnstromanlage mittels Messungen an der realen Bahnstromanlage ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich zu den mittels der Simulation ermittelten Betriebsparametern können einfach und zuverlässig Messwerte von Betriebsparametern bei der Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage berücksichtigt werden. Zudem ermöglichen Messwerte, Fehler oder Abweichungen, welche in der Simulation begründet sind, zu erkennen und so eine Verbesserung einer Genauigkeit des Simulationsergebnisses zu erreichen.Furthermore, an advantageous development provides that at least some of the operating parameters for the purpose of operating the traction power system are determined by means of measurements on the real traction power system. Alternatively or in addition to the operating parameters determined by means of the simulation, measured values of operating parameters can be easily and reliably taken into account when optimizing the operation of the traction power system. In addition, measured values make it possible to identify errors or deviations that are based on the simulation and thus achieve an improvement in the accuracy of the simulation result.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine Zielfunktion erstellt wird, mittels welcher eine elektrische Verlustleistung in Abhängigkeit der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße abgebildet wird. So wird es ermöglicht, einen Wert für die variable Steuerkenngröße zu ermitteln, welchem mittels der Zielfunktion ein Wert der Verlustleistung als Zielfunktionswert zugeordnet wird, der einem kleinsten Zielfunktionswert oder einem geringfügig davon abweichenden Wert entspricht. Denkbar ist dabei, dass eine Summe aller Beiträge zur elektrischen Verlustleistung, welche während eines Betriebs der Bahnstromanlage auftreten, berücksichtigt werden. Abweichend von einer Berücksichtigung aller möglichen Beiträge zur elektrischen Verlustleistung ist es alternativ denkbar, dass ausgewählte Beiträge zum Zwecke einer Berechnung der Verlustleistung herangezogen werden. Dies ermöglicht es, einen Rechenaufwand zu reduzieren. Insbesondere kann eine Anzahl an in der Zielfunktion zu berücksichtigenden Beiträgen an der Verlustleistung einfach reduziert werden. So kann zeiteffizient ein energieeffizienter Betrieb der Bahnstromanlage realisiert werden.Another advantageous development provides that a target function is created by means of which an electrical power loss is mapped as a function of the at least one variable control parameter. This makes it possible to determine a value for the variable control parameter, to which a value of the power loss is assigned as a target function value by means of the target function, which corresponds to a smallest target function value or a value that deviates slightly therefrom. It is conceivable that a sum of all contributions to the electrical power loss that occur during operation of the traction power system are taken into account. As an alternative to taking all possible contributions to the electrical power loss into account, it is conceivable that selected contributions are used for the purpose of calculating the power loss. This makes it possible to reduce the amount of computation required. In particular, a number of contributions to the power loss to be taken into account in the target function can be easily reduced. In this way, energy-efficient operation of the traction power system can be achieved in a time-efficient manner.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass eine Zielfunktion erstellt wird, mittels welcher elektrische Übertragungsverluste, elektrische Verluste aufgrund einer Spannungstransformation und/oder elektrischer Verluste aufgrund ungenutzter, mittels einer Bremsvorrichtung eines Fahrzeugs generierten elektrischen Energie, abgebildet werden. Die Steuerkenngröße beeinflusst insbesondere die vorgenannten Beiträge zur elektrischen Verlustleistung auf unterschiedliche Weise. Durch eine Berücksichtigung zumindest der vorgenannten Beiträge zur elektrischen Verlustleistung können zuverlässig Werte der Steuerkenngröße ermittelt werden, auf Basis derer eine elektrische Verlustleistung des Gesamtsystems reduziert werden kann. So kann ein energieeffizienter Betrieb der Bahnstromanlage unter Berücksichtigung konkurrierender Kenngrößen erreicht werden.In an advantageous embodiment, it is provided that a target function is created by means of which electrical transmission losses, electrical losses due to voltage transformation and/or electrical losses due to unused electrical energy generated by a braking device of a vehicle are mapped. The control parameter influences in particular the aforementioned contributions to the electrical power loss in different ways. By taking into account at least the aforementioned contributions to the electrical power loss, values of the control parameter can be reliably determined on the basis of which the electrical power loss of the overall system can be reduced. In this way, energy-efficient operation of the traction power system can be achieved while taking competing parameters into account.

Darüber hinaus sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass der Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße mittels eines computerimplementierten mathematischen Problemlösers ermittelt wird. Ein solcher computerimplementierter mathematischer Problemlöser ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „Solver“ bekannt. Mittels eines Solvers wird es ermöglicht, mathematische Probleme numerisch zu lösen. Zudem ermöglicht die Anwendung des computerimplementierten mathematischen Problemlösers zuverlässige Erkenntnisse über einen bevorzugt zu wählenden Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße. Ferner kann mittels des computerimplementierten mathematischen Problemlösers eine besonders rasche und zuverlässige Lösung eines mathematischen Modells erreicht werden. Dabei ist die Zielfunktion vorzugsweise Teil des genannten mathematischen Modells. Besonders bevorzugt werden neben der Zielfunktion Nebenbedingungen berücksichtigt. Zweckmäßigerweise betreffen die Nebenbedingungen den Betrieb der Bahnstromanlage. Werte für eine Mehrzahl an Steuerkenngrößen und eine Vielzahl an Betriebszeitpunkten können so zuverlässig unter Echtzeitbedingungen ermittelt werden. Die Ermittlung eines exakten Werts für die wenigstens eine variable Steuerkenngröße im Hinblick auf ein Extremum der Zielfunktion erfolgt iterativ. Dabei besteht die Möglichkeit abzuschätzen, wie groß ein Abstand eines iterativ ermittelten Ergebnisses relativ zu einem gesuchten Ergebnis ist. Hierzu wird vorzugsweise die dem Fachmann bekannte duale Schrankenmethode herangezogen. Diese eröffnet die Möglichkeit, die Berechnung eines absoluten Extremums der Zielfunktion zum Zwecke einer Einsparung von Zeit und Rechenkapazitäten abzubrechen. Diese Vorgehensweise bietet zudem die Möglichkeit, die Ermittlung der Werte für die wenigstens eine Steuerkenngröße zu beschleunigen. Ergebnisse für eine Steuerung des Betriebs der Bahnstromanlage unter Echtzeitbedingungen können so unter Einsparung von Hardwareressourcen, wie Speicherplatz und Rechenleistung, realisiert werden. Des Weiteren kann so eine verlässliche Aussage darüber getroffen werden, wie nah ein ermittelter Wert für die Steuerkenngröße von einem absoluten Extremum der Zielfunktion abweicht. Damit kann verhindert werden, dass lediglich ein lokales Extremum zum Zwecke der Verbesserung des Betriebs der Bahnstromanlage herangezogen wird.In addition, an advantageous development provides that the value of the at least one variable control parameter is determined by means of a computer-implemented mathematical problem solver. Such a computer-implemented mathematical problem solver is also known to the person skilled in the art under the term "solver". A solver makes it possible to solve mathematical problems numerically. In addition, the use of the computer-implemented mathematical problem solver enables reliable findings about a preferred Value of the at least one variable control parameter. Furthermore, a particularly quick and reliable solution to a mathematical model can be achieved by means of the computer-implemented mathematical problem solver. The objective function is preferably part of the mathematical model mentioned. In addition to the objective function, additional conditions are particularly preferably taken into account. The additional conditions expediently relate to the operation of the traction power system. Values for a plurality of control parameters and a large number of operating times can thus be reliably determined under real-time conditions. The determination of an exact value for the at least one variable control parameter with regard to an extremum of the objective function is carried out iteratively. It is possible to estimate how large a distance between an iteratively determined result is relative to a desired result. The dual barrier method known to those skilled in the art is preferably used for this purpose. This opens up the possibility of aborting the calculation of an absolute extremum of the objective function in order to save time and computing capacity. This procedure also offers the possibility of accelerating the determination of the values for the at least one control parameter. Results for controlling the operation of the traction power system under real-time conditions can be achieved while saving hardware resources such as storage space and computing power. Furthermore, a reliable statement can be made about how close a determined value for the control parameter deviates from an absolute extremum of the target function. This can prevent only a local extremum from being used for the purpose of improving the operation of the traction power system.

In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem vorgenannten mathematischen Modell um ein ganzzahliges quadratisches Modell. Dabei wird die zuvor genannte Zielfunktion als Teil dieses ganzzahligen quadratischen Modells vorgesehen. Neben der Zielfunktion sind zweckmäßigerweise Nebenbedingungen als Teil des ganzzahligen mathematischen Modells vorgesehen. Bevorzugt werden mittels der Nebenbedingungen vorgegebene Anforderungen an einen Betrieb der Bahnstromanlage abgebildet.In a preferred embodiment, the aforementioned mathematical model is an integer quadratic model. The aforementioned objective function is provided as part of this integer quadratic model. In addition to the objective function, additional conditions are expediently provided as part of the integer mathematical model. Preferably, the additional conditions are used to map predetermined requirements for operation of the traction power system.

Mittels der erfindungsgemäßen Bahnstromanlage ist das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar.The method according to the invention can be carried out by means of the traction power system according to the invention.

Die Bahnstromanlage gemäß der Erfindung weist eine Steuervorrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Bei der Steuervorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Computer, einen Mikrocontroller, einen Prozessor oder eine andere programmierbare Hardwarekomponente handeln. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass die Steuervorrichtung ein elektrisches Bauteil mit veränderbaren physikalischen Eigenschaften aufweist. Dies kann beispielsweise ein Transformator mit veränderbarer Windungszahl einer Primärspule und/oder einer Sekundärspule sein. Ferner ist es denkbar, dass es sich bei der Steuervorrichtung um eine virtualisierte Hardwareressource einer Rechnerwolke oder um eine Laufzeitumgebung mit veränderbaren Rechen- und/oder Speicherkapazitäten handelt. Die genannte Laufzeitumgebung soll im Sinne der Informatik verstanden werden. Beispielsweise ist die Laufzeitumgebung dazu eingerichtet, Daten einzulesen, zu schreiben, zu übertragen und/oder zu verwalten. Ein effizienter Betrieb der Bahnstromanlage kann auf diese Weise aufwandsgünstig und zuverlässig realisiert werden.The traction power system according to the invention has a control device which is set up to carry out the method according to the invention. The control device can be, for example, a computer, a microcontroller, a processor or another programmable hardware component. Alternatively or additionally, it is conceivable that the control device has an electrical component with variable physical properties. This can be, for example, a transformer with a variable number of turns of a primary coil and/or a secondary coil. It is also conceivable that the control device is a virtualized hardware resource of a computer cloud or a runtime environment with variable computing and/or storage capacities. The runtime environment mentioned should be understood in the sense of computer science. For example, the runtime environment is set up to read, write, transmit and/or manage data. Efficient operation of the traction power system can be realized in this way in a cost-effective and reliable manner.

Zudem sieht die Erfindung ein Computerprogramm vor, welches bei dessen Ausführung die Steuervorrichtung der Bahnstromanlage gemäß der Erfindung dazu veranlasst, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.In addition, the invention provides a computer program which, when executed, causes the control device of the traction power system according to the invention to carry out the method according to the invention.

Zudem sieht die Erfindung ein computerlesbares Medium vor. Dieses weist Instruktionen auf, welche die Steuervorrichtung der erfindungsgemäßen Bahnstromanlage dazu veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich beispielsweise um eine CD-ROM, eine DVD, einen USB- oder Flash-Speicher oder um ein nicht körperliches Medium, wie ein Datenstrom und/oder ein Datenträgersignal handeln.The invention also provides a computer-readable medium. This has instructions which cause the control device of the traction power system according to the invention to carry out the method according to the invention. The computer-readable medium can be, for example, a CD-ROM, a DVD, a USB or flash memory or a non-physical medium such as a data stream and/or a data carrier signal.

Die voranstehend beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden im Zusammenhang mit den Figuren in der folgenden Beschreibung der Ausführungen der Erfindung näher erläutert. Soweit zweckdienlich, werden in den Figuren dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet. Das Ausführungsbeispiel sowie beschriebene Variationen davon dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Zudem können alle in dem Ausführungsbeispiel angegebenen Merkmale isoliert betrachtet und in geeigneter Weise mit den Merkmalen eines beliebigen Anspruchs kombiniert werden.The properties, features and advantages of the invention described above and the manner in which they are achieved are explained in more detail in connection with the figures in the following description of the embodiments of the invention. Where appropriate, the same reference numerals are used in the figures for the same or corresponding elements of the invention. The embodiment and described variations thereof serve to explain the invention and do not limit the invention to the combinations of features specified therein, including with regard to functional features. In addition, all features specified in the embodiment can be considered in isolation and combined in a suitable manner with the features of any claim.

Es zeigen:

1 eine schematische Illustration eines Beispiels eines Verfahrens zum Betrieb einer Bahnstromanlage;
2 ein Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage, welche eine Steuervorrichtung aufweist, mittels welcher das in 1 illustrierte Beispiel des Verfahrens durchführbar ist.

Show it:

1 a schematic illustration of an example of a method for operating a traction power system;
2 an embodiment of the traction power system, which has a control device by means of which the 1 illustrated example of the procedure is feasible.

1 illustriert in einer schematischen Darstellung ein Beispiel eines Verfahrens 100 zum Betrieb einer Bahnstromanlage 10. 1 illustrates in a schematic representation an example of a method 100 for operating a traction power system 10.

Zum Zwecke des Betriebs der Bahnstromanlage 10 werden mittels eines simulierten Betriebs eines virtuellen Abbilds der realen Bahnstromanlage 10 zunächst Betriebsparameter ermittelt 102. Das virtuelle Abbild der realen Bahnstromanlage 10 ermöglicht es, einen Aufbau der Infrastruktur der Bahnstromanlage 10, einen Bahnbetrieb, Eigenschaften der Fahrzeuge 18 sowie Begebenheiten eines Geländes und einer Umgebung zu berücksichtigen. Mittels des simulierten Betriebs können so Betriebsparameter der Bahnstromanlage 10 ermittelt werden 102. Üblicherweise werden zu diesem Zweck bereits vorhandene kommerzielle und bevorzugt validierte Simulationsprogramme herangezogen. Dabei kann mittels des simulierten Betriebs der Bahnstromanlage 10 aufwandsgünstig überprüft und nachgewiesen werden, ob Vorgaben im Hinblick auf eine Zuverlässigkeit, eine Verfügbarkeit und/oder eine Sicherheit des Betriebs der Bahnstromanlage 10 eingehalten werden. Solche Anforderungen sind unter anderem in technischen Normen geregelt, wie beispielsweise in EN 50163 oder EN 50122. Bei den vorgenannten Betriebsparametern handelt es sich beispielsweise um einen Leistungsbedarf einer Last, eine mittels einer Umwandlung einer kinetischen Energie in elektrische Energie erzeugte elektrische Leistung einer Bremsvorrichtung 16, eine Admittanz, eine Spannung, eine Stromstärke oder Strom-Spannungskennlinien. Bei der Last kann es sich beispielsweise um ein Fahrzeug 18 handeln, welches mittels der Bahnstromanlage 10 betrieben wird. Der Leistungsbedarf kann dabei sowohl vom Fahrzeug 18 selbst als auch von einem zu transportierenden Gewicht, einer Art der Ladung und/oder einer Geländetopographie abhängig sein. Die genannte Admittanz kann eine Admittanz eines Unterwerks 12 oder eine Admittanz entlang eines vorbestimmten Abschnitts eines Fahrleitungssystems 17 betreffen. Ein solcher vorbestimmter Abschnitt kann beispielsweise einen Abschnitt zwischen Fahrzeugen 18, zwischen einem Unterwerk 12 und einem Fahrzeug 18 oder zwischen verschiedenen Unterwerken 12 sein. Des Weiteren können Strom-Spannungskennlinien einzelner Fahrzeuge 18, das Fahrleitungssystem 17 oder Abschnitte davon oder Unterwerke 12 sowie andere denkbare Teilsysteme 14 der Bahnstromanlage 10 betreffen.For the purpose of operating the traction power system 10, operating parameters are first determined 102 by means of a simulated operation of a virtual image of the real traction power system 10. The virtual image of the real traction power system 10 makes it possible to take into account the structure of the infrastructure of the traction power system 10, rail operations, properties of the vehicles 18 and conditions of a terrain and an environment. Operating parameters of the traction power system 10 can thus be determined 102 by means of the simulated operation. Existing commercial and preferably validated simulation programs are usually used for this purpose. The simulated operation of the traction power system 10 can be used to check and prove in a cost-effective manner whether specifications with regard to reliability, availability and/or safety of the operation of the traction power system 10 are met. Such requirements are regulated, among other things, in technical standards such as EN 50163 or EN 50122. The aforementioned operating parameters are, for example, a power requirement of a load, an electrical power of a braking device 16 generated by converting kinetic energy into electrical energy, an admittance, a voltage, an amperage or current-voltage characteristics. The load can be, for example, a vehicle 18 which is operated by means of the traction power system 10. The power requirement can depend on the vehicle 18 itself as well as on a weight to be transported, a type of load and/or a terrain topography. The aforementioned admittance can relate to an admittance of a substation 12 or an admittance along a predetermined section of a contact line system 17. Such a predetermined section can, for example, be a section between vehicles 18, between a substation 12 and a vehicle 18 or between different substations 12. Furthermore, current-voltage characteristics may relate to individual vehicles 18, the overhead line system 17 or sections thereof or substations 12 as well as other conceivable subsystems 14 of the traction power system 10.

Des Weiteren ist im vorliegend beschriebenen Beispiel des Verfahrens 100 vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich zu den mittels der Simulation ermittelten Betriebsparametern wenigstens ein Teil der Betriebsparameter mittels Messungen an der realen Bahnstromanlage 10 ermittelt werden 102. So können einerseits schwer simulativ zu ermittelnde oder mit hohen Ungenauigkeiten behaftete Betriebsparameter einfach und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Zudem können auf diese Weise in der Simulation begründete Fehler und/oder Abweichungen einfach erkannt werden. So kann eine Abweichung zwischen einer ermittelten Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage 10 und eines tatsächlichen optimalen Betriebszustands der Bahnstromanlage 10 vermindert werden.Furthermore, in the example of the method 100 described here, it is provided that, alternatively or in addition to the operating parameters determined by means of the simulation, at least some of the operating parameters are determined by means of measurements on the real traction power system 10 102. In this way, operating parameters that are difficult to determine by simulation or that are subject to high inaccuracies can be determined easily and with high accuracy. In addition, errors and/or deviations caused by the simulation can be easily identified in this way. In this way, a deviation between a determined optimization of the operation of the traction power system 10 and an actual optimal operating state of the traction power system 10 can be reduced.

In einem weiteren Schritt des vorliegenden Beispiels des Verfahrens 100 wird zum Zwecke einer Minimierung einer elektrischen Verlustleistung der Bahnstromanlage 10 eine Zielfunktion erstellt 104. In Abhängigkeit der Begebenheiten einer betrachteten Bahnstromanlage 10 oder des betrachteten Teils der Bahnstromanlage 10, werden hierzu die betreffende auf die zuvor genannten Weisen ermittelte 102 Betriebsparameter herangezogen. Zudem wird wenigstens eine variable Steuerkenngröße bei der Erstellung 104 der Zielfunktion berücksichtigt. Bei der im vorliegend beschriebenen Beispiel des Verfahrens 100 erstellten 104 Zielfunktion werden zum vorgenannten Zwecke widerstandsbedingte elektrische Übertragungsverluste entlang vorbestimmter Abschnitte des Fahrleitungssystems 17, elektrische Verluste aufgrund einer Spannungstransformation in den Unterwerken 12 sowie elektrische Verluste aufgrund ungenutzter, mittels einer Bremsvorrichtung 16 eines Fahrzeugs 18 generierten elektrischen Energie, berücksichtigt.In a further step of the present example of the method 100, a target function is created 104 for the purpose of minimizing an electrical power loss of the traction power system 10. Depending on the circumstances of a traction power system 10 under consideration or of the part of the traction power system 10 under consideration, the relevant operating parameters 102 determined in the aforementioned ways are used for this purpose. In addition, at least one variable control parameter is taken into account when creating 104 the target function. In the 104 target function created in the present example of the method 100 described, resistance-related electrical transmission losses along predetermined sections of the overhead line system 17, electrical losses due to voltage transformation in the substations 12 and electrical losses due to unused electrical energy generated by means of a braking device 16 of a vehicle 18 are taken into account for the aforementioned purpose.

Als variable Steuerkenngröße kann eine beliebige, ein jeweiliges Teilsystem 12, 14, 16 der Bahnstromanlage 10 betreffende Steuerkenngröße gewählt werden 110. Beispielsweise bietet sich im Falle einer Betrachtung einer spannungsgesteuerten Bahnstromanlage 10 die Wahl einer zu steuernden Betriebsspannung eines Teilsystems 12, 14, 16 der Bahnstromanlage 10 an. Any control parameter relating to a respective subsystem 12, 14, 16 of the traction power system 10 can be selected 110 as a variable control parameter. For example, when considering a voltage-controlled traction power system 10, it is possible to select an operating voltage of a subsystem 12, 14, 16 of the traction power system 10 to be controlled.

Eine solche Betriebsspannung kann unter anderem eine Einspeisespannung eines Unterwerks 12, eine Strom-Spannungskennlinie eines Fahrzeugs 18 und/oder eine mögliche Rückspeisespannung eines Unterwerks 12, mittels welcher eine Steuerung einer Rückspeisung einer überschüssigen elektronischen Energie aus der Bahnstromanlage 10 in ein Bahnstromnetz 22 oder in ein anderes externes elektrisches Stromnetz erfolgt. Zum Zwecke einer Übersichtlichkeit der folgenden Beschreibung des Beispiels des Verfahrens 100 wird beispielhaft eine Einspeisespannung eines Unterwerks 12 der Bahnstromanlage 10 als variable Steuerkenngröße gewählt 110. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird die genannte Zielfunktion als Teil eines mathematischen Modells vorgesehen. Dieses mathematische Modell weist neben der Zielfunktion des Weiteren Nebenbedingungen auf. Diese Nebenbedingungen dienen zweckmäßiger Weise dazu, Anforderungen an einen Betrieb der Bahnstromanlage 10 abzubilden.Such an operating voltage can be, among other things, a feed voltage of a substation 12, a current-voltage characteristic of a vehicle 18 and/or a possible feed-back voltage of a substation 12, by means of which a feed-back of excess electronic energy from the traction power system 10 into a traction power network 22 or into another external electrical power network is controlled. For the purpose of clarity in the following description of the example of the method 100, a feed voltage of a substation 12 of the traction power system 10 is selected as a variable control parameter 110. In an advantageous embodiment, the target function mentioned is part of a mathematical model is provided. In addition to the objective function, this mathematical model also has additional constraints. These additional constraints are expediently used to depict requirements for the operation of the traction power system 10.

Für die beispielhaft gewählte Einspeisespannung wird unter Berücksichtigung der vorgenannten Bedingungen ein Wert ermittelt 106, welchem mittels der erstellten Zielfunktion 104 ein Zielfunktionswert zugeordnet ist, der höchstens um 10 % von einem absoluten Minimum der Zielfunktionswerte, also einem absoluten Minimum einer elektrischen Verlustleistung abweicht. Zum Zwecke einer Ermittlung 106 des Werts der Einspeisespannung wird im vorliegenden Beispiel des Verfahrens 100 als mathematisches Modell ein ganzzahliges quadratisches Modell erstellt. Als Teil dieses mathematischen Modells wird die Zielfunktion erstellt 104 sowie Nebenbedingungen der vorgenannten Art berücksichtigt. Des Weiteren wird im Rahmen des vorliegend beschriebenen Beispiels des Verfahrens 100 das vorgenannte mathematische Modell, aufweisend die Zielfunktion, mittels eines computerimplementierten mathematischen Problemlösers gelöst. Ein solcher mathematischer Problemlöser ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „Solver“ bekannt. Mittels dieses Solvers wird eine numerische Lösung mathematischer Probleme ermöglicht. Die Ermittlung eines exakten Werts für die wenigstens eine variable Steuerkenngröße im Hinblick auf ein Extremum der Zielfunktion erfolgt iterativ. Dabei besteht die Möglichkeit, abzuschätzen, wie groß ein Abstand eines iterativ ermittelten Ergebnisses relativ zu einem exakten Ergebnis ist. Hierzu wird vorliegend die dem Fachmann bekannte duale Schrankenmethode herangezogen. Diese eröffnet die Möglichkeit, die Berechnung eines absoluten Extremums zum Zwecke einer Einsparung von Zeit und Rechenkapazitäten abzubrechen. Vorliegend erfolgt ein solcher Abbruch beispielhaft, sobald eine Wert der Einspeisespannung ermittelt wird, welchem mittels der Zielfunktion ein Zielfunktionswert zugeordnet wird, welcher um höchstens 10 % von dem absoluten Minimum der Zielfunktionswerte abweicht. Unter Anbetracht eines erforderlichen Zeit- und Rechenaufwands ist die relative Abweichung vom absoluten Extremum an vorgegebene Erfordernisse anpassbar. So wird es ermöglicht, den Wert der Steuerkenngröße unter Echtzeitbedingungen zu bestimmen und eine energieeffiziente Steuerung 108 der Bahnstromanlage 10 zu realisieren. Zum Zwecke der Steuerung 108 der Bahnstromanlage 10 wird der ermittelte Wert 106 beispielhaft als Spannungssollwert für das betroffene Unterwerk 12 der Bahnstromanlage 10 vorgegeben.For the feed voltage selected as an example, a value is determined 106 taking the aforementioned conditions into account, to which a target function value is assigned by means of the created target function 104, which deviates by a maximum of 10% from an absolute minimum of the target function values, i.e. an absolute minimum of electrical power loss. For the purpose of determining 106 the value of the feed voltage, an integer quadratic model is created as a mathematical model in the present example of the method 100. As part of this mathematical model, the target function is created 104 and secondary conditions of the aforementioned type are taken into account. Furthermore, in the context of the presently described example of the method 100, the aforementioned mathematical model, having the target function, is solved by means of a computer-implemented mathematical problem solver. Such a mathematical problem solver is also known to those skilled in the art under the term "solver". This solver enables a numerical solution to mathematical problems. The determination of an exact value for the at least one variable control parameter with regard to an extremum of the target function is carried out iteratively. In this case, it is possible to estimate how large a distance is between an iteratively determined result and an exact result. For this purpose, the dual barrier method known to those skilled in the art is used here. This opens up the possibility of aborting the calculation of an absolute extremum in order to save time and computing capacity. In the present case, such an abort takes place, for example, as soon as a value of the feed voltage is determined to which a target function value is assigned by means of the target function, which deviates by a maximum of 10% from the absolute minimum of the target function values. Taking into account the required time and computing effort, the relative deviation from the absolute extremum can be adapted to predetermined requirements. This makes it possible to determine the value of the control parameter under real-time conditions and to implement an energy-efficient control 108 of the traction power system 10. For the purpose of controlling 108 the traction power system 10, the determined value 106 is specified as an example as a voltage setpoint for the affected substation 12 of the traction power system 10.

Des Weiteren sieht das vorliegend im Zusammenhang mit 1 beispielhaft beschriebene Verfahren 100 vor, dass Werte der Einspeisespannung auf Basis vorbestimmter Betriebszeitpunkte oder vorbestimmter Betriebszeiträume der Bahnstromanlage 10 ermittelt werden 106. Dies wird realisiert, indem mittels der Simulation Betriebsparameter für einzelne oder verschiedene Betriebszeitpunkte ermittelt werden 102. Wenigstens ein Teil dieser einen vorbestimmten Betriebszeitpunkt betreffenden Betriebsparameter werden sodann in der Zielfunktion berücksichtigt. So kann das mathematische Modell entweder im Hinblick auf einzelne Zeitschritte oder einen Zeitraum gelöst werden. Auf diese Weise können für verschiedene Betriebszeitpunkte jeweils Werte für entsprechend gewählte 110 Steuerkenngrößen ermittelt werden 106. Beispielhaft werden so Werte der Einspeisespannung auf Basis verschiedener Betriebszeitpunkte oder ein einzelner Wert einer Einspeisespannung auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitraums ermittelt 106. Des Weiteren werden bei der Ermittlung 106 des Werts der Einspeisespannung Standortinformationen der mittels der Bahnstromanlage 10 betriebenen Fahrzeuge 18 berücksichtigt. Diese Standortinformationen finden zunächst Eingang bei der Ermittlung der Betriebsparameter 102. Auf diese Weise können möglicherweise von Fahrplandaten oder Dienstplandaten abweichende tatsächliche Standorte von Fahrzeugen 18 erkannt werden. Des Weiteren können so Fahrzeuge 18 berücksichtigt werden, welche sich weder nach Maßgabe eines Fahrplans noch eines Dienstplans in der Bahnstromanlage 10 bewegen. Eine Ermittlung 106 eines Werts der Einspeisespannung auf Basis eines vorgegebenen Betriebszeitraums der Bahnstromanlage 10 erfolgt zweckmäßig dann, wenn eine Anpassung des Werts während des Betriebs der Bahnstromanlage 10 lediglich zu vorbestimmten Zeitpunkten oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne möglich ist. Indem solche zeitlichen Einflussgrößen berücksichtigt werden, kann dennoch ein Wert für eine entsprechend beschränkt einstellbare Steuerkenngröße ermittelt werden 106. So kann auf Basis des genannten Werts ein möglichst effizienter Betrieb der Bahnstromanlage während des vorgegebenen Betriebszeitraums realisiert werden. Ferner ermöglicht die Ermittlung 106 des Werts der Steuerkenngröße auf Basis eines Betriebszeitraums, dass im Rahmen der Simulation für einen vorgegebenen Betriebszeitraum charakteristische Eigenschaften berücksichtigt werden. Ein solcher Betriebszeitraum kann beispielsweise verschiedene Tageszeiten und damit einhergehende Unterschiede der Art von transportierten Gütern oder Personen sowie damit einhergehende Unterschiede in einem Bedarf an elektrischer Energie durch Beleuchtung oder Klimatisierung betreffen. Des Weiteren können so saisonale Unterschiede berücksichtigt werden. Beispielsweise werden sich ändernde elektrische Lasten aufgrund hoher Temperaturen im Sommer oder sehr niedriger Temperaturen im Winter berücksichtigt.Furthermore, in the present case, in connection with 1 The method 100 described by way of example provides that values of the feed-in voltage are determined 106 on the basis of predetermined operating times or predetermined operating periods of the traction power system 10. This is achieved by using the simulation to determine operating parameters for individual or different operating times 102. At least some of these operating parameters relating to a predetermined operating time are then taken into account in the objective function. The mathematical model can thus be solved either with regard to individual time steps or a period of time. In this way, values for correspondingly selected 110 control parameters can be determined 106 for different operating times. For example, values of the feed-in voltage are determined 106 on the basis of different operating times or an individual value of a feed-in voltage is determined 106 on the basis of a predetermined operating period. Furthermore, when determining 106 the value of the feed-in voltage, location information of the vehicles 18 operated by means of the traction power system 10 is taken into account. This location information is initially used to determine the operating parameters 102. In this way, actual locations of vehicles 18 that may deviate from timetable data or duty roster data can be identified. Furthermore, vehicles 18 that do not move in the traction power system 10 according to a timetable or duty roster can be taken into account. A determination 106 of a value of the feed voltage on the basis of a predetermined operating period of the traction power system 10 is expediently carried out when an adjustment of the value during operation of the traction power system 10 is only possible at predetermined times or after a predetermined period of time has elapsed. By taking such temporal influencing factors into account, a value for a correspondingly limited adjustable control parameter can still be determined 106. In this way, the traction power system can be operated as efficiently as possible during the predetermined operating period on the basis of the value mentioned. Furthermore, the determination 106 of the value of the control parameter on the basis of an operating period enables characteristic properties to be taken into account in the simulation for a given operating period. Such an operating period can, for example, relate to different times of day and the associated differences in the type of goods or people transported, as well as the associated differences in the need for electrical energy through lighting or air conditioning. Furthermore, seasonal differences can be taken into account in this way. For example, changing electrical loads due to high temperatures temperatures in summer or very low temperatures in winter.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage 10, welches dazu eingerichtet ist, das zuvor im Zusammenhang mit 1 beschriebene Beispiel des Verfahrens 100 durchzuführen. 2 shows an embodiment of the traction power system 10, which is designed to implement the previously described in connection with 1 described example of the method 100.

Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage 10 ist schematisch dargestellt. Beispielhaft sind zwei Unterwerke 12 vorgesehen, welche jeweils dazu eingerichtet sind, eine elektrische Energie aus einem externen Stromnetz 22 zu beziehen und entsprechend der Bedürfnisse der Bahnstromanlage 10 zu transformieren. Vorliegend handelt es sich bei den Unterwerken 12 jeweils um aktive steuerbare Unterwerke 12, bei denen ein Sollwert für eine Einspeisespannung vorgebbar ist. Eine von dem externen Stromnetz 22 bereitgestellte Spannung wird nach Maßgabe dieses Sollwerts mittels des jeweiligen Unterwerks 12 hin zu der jeweils gewünschten Einspeisespannung zum Zwecke eines Fahrbetriebs mittels des Fahrleitungssystems 17 transformiert. Zudem sind die Unterwerke 12 beispielhaft dazu eingerichtet, eine überschüssige elektrische Energie aus der Bahnstromanlage 10 in das externe Stromnetz 22 zurückzuspeisen. Mittels des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Bahnstromanlage 10 werden drei Fahrzeuge 18 betrieben. Beispielhaft handelt es sich bei den Fahrzeugen 18 um schienengebundene Fahrzeuge. Denkbar ist, dass es sich bei den Fahrzeugen 18 um Straßenfahrzeuge handeln kann, welche mit einem Fahrleitungssystem 17 betrieben werden. Vorliegend weist jedes der drei genannten Fahrzeuge 18 einen Antrieb 14 als einen beispielhaften elektrischen Verbraucher sowie eine Bremsvorrichtung 16 als einen elektrischen Generator auf. Mittels der Bremsvorrichtung 16 ist im Rahmen des vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiels eine kinetische Energie des Fahrzeugs 18 in eine elektrische Energie umwandelbar.This in 2 The embodiment of the traction power system 10 shown is shown schematically. Two substations 12 are provided as an example, each of which is set up to draw electrical energy from an external power grid 22 and to transform it according to the needs of the traction power system 10. In the present case, the substations 12 are each active controllable substations 12, in which a setpoint value for a feed-in voltage can be specified. A voltage provided by the external power grid 22 is transformed in accordance with this setpoint value by means of the respective substation 12 to the respective desired feed-in voltage for the purpose of driving operation by means of the overhead line system 17. In addition, the substations 12 are set up as an example to feed excess electrical energy from the traction power system 10 back into the external power grid 22. By means of the 2 In the exemplary embodiment of the traction power system 10 shown, three vehicles 18 are operated. For example, the vehicles 18 are rail-bound vehicles. It is conceivable that the vehicles 18 can be road vehicles that are operated with a catenary system 17. In the present case, each of the three vehicles 18 mentioned has a drive 14 as an exemplary electrical consumer and a braking device 16 as an electrical generator. By means of the braking device 16, a kinetic energy of the vehicle 18 can be converted into electrical energy within the scope of the exemplary embodiment described here.

Des Weiteren sieht das in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage 10 eine Steuervorrichtung 20 vor. Diese Steuervorrichtung 20 ist dazu eingerichtet, das im Zusammenhang mit 1 beschriebene Verfahren 100 durchzuführen. Mittels des Verfahrens 100 wird hierbei für jedes der zwei gezeigten Unterwerke 12 jeweils ein eigener Wert für die beispielhaft als Steuerkenngröße gewählte Einspeisespannung ermittelt 106. Darüber hinaus ist alternativ oder zusätzlich denkbar, dass sowohl für die Antriebe 14 der Fahrzeuge 18 als auch für die Bremsvorrichtungen 16 der Fahrzeuge 18 jeweils ein eigener Betriebsspannungswert als Steuerkenngröße ermittelt wird 106.Furthermore, the 2 shown embodiment of the traction power system 10 a control device 20. This control device 20 is set up to control the 1 described method 100. By means of the method 100, a separate value for the feed-in voltage selected as a control parameter is determined 106 for each of the two substations 12 shown. Furthermore, it is alternatively or additionally conceivable that a separate operating voltage value is determined 106 as a control parameter for both the drives 14 of the vehicles 18 and for the braking devices 16 of the vehicles 18.

Vorliegend ist die Steuervorrichtung 20 ferner dazu eingerichtet, Betriebsparameter mittels einer Messung während eines laufenden Betriebs der Bahnstromanlage 10 zu ermitteln 102. Des Weiteren wird mittels der Steuervorrichtung 20 auf Basis der beispielhaft ermittelten Werte für die Einspeisespannung der Betrieb der Bahnstromanlage 10 gesteuert 108. Dabei werden die ermittelten Werte 106 für die jeweiligen Einspeisespannungen eines entsprechenden Unterwerks 12 diesem als Sollwert mittels der Steuervorrichtung 20 zum Zwecke der Steuerung des Betriebs vorgegeben 108.In the present case, the control device 20 is further configured to determine operating parameters by means of a measurement during ongoing operation of the traction power system 10 102. Furthermore, the operation of the traction power system 10 is controlled 108 by means of the control device 20 on the basis of the exemplary determined values for the feed voltage. The determined values 106 for the respective feed voltages of a corresponding substation 12 are specified to the substation as a target value by means of the control device 20 for the purpose of controlling the operation 108.

Betrachtet man vor diesem Hintergrund eine Bewegung der Fahrzeuge 18, welche mittels der Bahnstromanlage 10 betrieben werden, so ermöglicht das Verfahren 100 unter Beachtung eines vorbestimmten Betriebszeitraums die schnelle Ermittlung eines möglichst energieeffizienten Betriebs der Bahnstromanlage 10. Vorliegend kann der Betrieb der Bahnstromanlage 10 mit einer Abweichung von höchstens 10 % zu einem absoluten Minimum einer mittels der Zielfunktion abgebildeten elektrischen Verlustleistung betrieben werden. Indem mittels des beschriebenen Beispiels des Verfahrens 100 rasch und zuverlässig Werte für die beispielhaft als Steuerkenngröße genannte Einspeisespannung ermittelt werden 106, kann so eine optimierte Steuerung 108 des Betriebs der Bahnstromanlage 10 unter Echtzeitbedingungen realisiert werden.If, against this background, one considers a movement of the vehicles 18, which are operated by means of the traction power system 10, the method 100 enables the rapid determination of the most energy-efficient operation of the traction power system 10, taking into account a predetermined operating period. In the present case, the operation of the traction power system 10 can be operated with a deviation of at most 10% from an absolute minimum of an electrical power loss represented by the target function. By quickly and reliably determining 106 values for the feed-in voltage, which is mentioned as an example as a control parameter, using the example of the method 100 described, an optimized control 108 of the operation of the traction power system 10 can be implemented under real-time conditions.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungen näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited to the disclosed examples and other variations may be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.Regardless of the grammatical gender of a particular term, persons with male, female or other gender identity are included.

Claims

Method (100) for operating a traction power system (10), in which - operating parameters for the purpose of operating the traction power system (10) are determined (102) by means of a simulated operation of a virtual image of the real traction power system (10); - a target function is created on the basis of at least a part of the operating parameters determined in the aforementioned manner (102) and at least one variable control parameter (104); - a value of the at least one control parameter is determined (106), to which a target function value is assigned by means of the target function, which deviates by at most 10%, preferably by at most 5% and particularly preferably by at most 2% from an absolute extreme of the target function values deviates; - the operation of the traction power system (10) is controlled (108) on the basis of the value of the at least one control parameter determined in this way (106).

Procedure (100) according to Claim 1 in which the value of the at least one variable control parameter is determined (106) on the basis of a predetermined operating time of the traction power system (10).

Procedure (100) according to Claim 1 or 2 in which the value of the at least one variable control parameter is determined (106) on the basis of location information of a vehicle (18) operated by means of the traction power system (10).

Method (100) according to one of the preceding claims, in which the value of the at least one variable control parameter is determined (106) on the basis of a predetermined operating period of the traction power system (10).

Method (100) according to one of the preceding claims, in which an electrical operating voltage of a subsystem (12, 14, 16) of the traction power system (10) is selected (110) as the at least one variable control parameter.

Procedure (100) according to Claim 5 in which a feed voltage of a substation (12) of the traction power system (10) is selected (110) as the at least one variable control parameter.

Method (100) according to one of the preceding claims, in which a separate value for the at least one variable control parameter is determined (106) for each of a plurality of subsystems (12, 14, 16, 17) of the traction power system (10).

Procedure (100) according to Claim 7 , in which a separate value for the feed-in voltage is determined for each of the different substations (12) (106).

Method (100) according to one of the preceding claims, in which at least some of the operating parameters for the purpose of operating the traction power system (10) are determined by means of measurements on the real traction power system (10) (102).

Method (100) according to one of the preceding claims, in which a target function is created (104) by means of which an electrical power loss is mapped as a function of the at least one variable control parameter.

Procedure (100) according to Claim 10 in which a target function is created (104) by means of which electrical transmission losses, electrical losses due to a voltage transformation and/or electrical losses due to unused electrical energy generated by means of a braking device (16) of a vehicle (18) are mapped.

Method (100) according to one of the preceding claims, in which the value of the at least one variable control parameter is determined by means of a computer-implemented mathematical problem solver (106).

Traction power system (10) comprising a control device (20) which is designed to carry out the method (100) according to one of the Claims 1 until 12 to carry out.

Computer program which, when executed, controls the control device (20) of the traction power system (10) according to Claim 13 prompted to implement the procedure (100) according to one of the Claims 1 until 12 to carry out.

Computer-readable medium comprising instructions which the control device (20) of the traction power system (10) according to Claim 13 to carry out the method (100) according to one of the Claims 1 until 12 to carry out.