DE19654960A1

DE19654960A1 - Verfahren und Einrichtung zur gleichmäßigen Lastverteilung in Unterwerken für elektrisch betriebene Fahrzeuge

Info

Publication number: DE19654960A1
Application number: DE19654960A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Prof Dr Ing Balzer; Horst Dr Ing Gerlach; Hans-Werner Dipl Ing Schmidt; Heinz-Dietrich Dipl I Hoffmann; Martin Prof Dr Ing Polke
Original assignee: Elpro AG
Current assignee: ELPRO PROZESSINDUSTRIE UND ENERGIEANLAGEN GMBH, 13
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-07-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur gleichmäßigen Lastverteilung in Unterwerken für elektrisch betriebene Fahrzeuge.

Um einen zuverlässigen Fahrbetrieb zu gewährleisten, ist die Energiezuführung sicher und ausreichend zu bemessen. Um dies zu erreichen, sind die Fahrleitungen in Streckenabschnitte unterteilt, die in der Regel zweiseitig eingespeist sind. Es gibt darüber hinaus auch Querverbinder, mit und ohne Schaltgerät, die die entgegengesetzten Richtungen miteinander verbinden. Unabhängig davon, ob die Streckenabschnitte einzeln oder durchgeschaltet mit einem Energieanschluß versehen sind, haben alle Fahrzeuge die Freiheit, zu beliebigen Zeitpunkten Anfahrvorgänge einzuleiten. In den Zeiten hoher Zugfolge treten dann Überlappungen zweier oder mehrerer Anfahrvorgänge bzw. Bei nahe-Überlappungen von Anfahr- und Bremsvorgängen auf. Dadurch entstehen Lastspitzen bzw. ein Energieausgleich zwischen Anfahr- und Bremsenergie von auf der Strecke befindlichen Fahrzeugen kann nur zufällig stattfinden. Das bedeutet einerseits, daß die Unterwerke auf die maximal mögliche Energieabnahme ausgelegt werden müssen und für entnommene Lastspitzen erhöhte Tarife seitens der Energieversorgungsunternehmen zur Anwendung kommen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben und eine Einrichtung zu schaffen, die es gestatten, Lastspitzen in den Unterwerken zu vermeiden und einen Energieausgleich zwischen Anfahr- und Bremsenergie von auf der Strecke befindlichen Fahrzeugen zu ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 5. Nach der Lehre des Anspruchs 1 wird bei Vorhandensein durchgeschalteter Strecken, die durch mehrere Unterwerke, welche über gesteuerte Umrichter verfügen, gespeist werden, zur Vermeidung von Lastspitzen in einem Unterwerk, verursacht durch gleichzeitiges Anfahren mehrerer Fahrzeuge, ein hierarchisch aufgebautes Prozeßleitsystem mit drei Ebenen verwendet, bei dem der Leitrechner im Regelbetrieb eine Koordinierung von Abfahr- und Bremsvorgängen von den sich auf der Strecke befindenden Fahrzeugen vornimmt.

Der Leitrechner erfaßt dazu von den Fahrzeugen die übermittelten und um ihre spezielle Fahrzeugkennung ergänzten Statusdaten, die mindestens aus Informationen zu Fahrbereitschaft, Laststrom, Bremsstrom, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Standort/Streckeninformationen und Fahrtrichtung bestehen, welche er in Echtzeit verarbeitet. Eine Standortidentifikation der Fahrzeuge erfolgt mittels bekannter Methoden, beispielsweise durch Satellitennavigation, wobei eine Standortkorrektur jeweils an Streckeneinrichtungen, die entlang der Strecke angeordnet sind, erfolgt.

Der Leitrechner verarbeitet die Fahrzeugdaten sowie die von den Steuereinrichtungen der Unterwerke übermittelten Informationen über den Summenstrom in Verbindung mit eingespeicherten Informationen, die mindestens den Fahrplan, Stationshaltezeiten, Besonderheiten der Strecke/Topologie und mathematische Modelle für die Brems- und Anfahr-Prognose eines jeden Fahrzeuges enthalten, nach einem vorgegebenen Algorithmus und nimmt eine Optimierung des Fahrregimes durch Koordinierung der Anfahr- und Bremsvorgänge der Fahrzeuge vor. Die ermittelten Ergebnisse werden als Befehle zur Fahrzeugsteuerung an die jeweiligen Fahrzeugrechner der Fahrzeuge übermittelt, welche daraus die Stellgrößen zur Steuerung der Fahrzeugantriebe ableiten und an die Steuereinrichtungen der Unterwerke die einzustellenden Spannungswerte, zur Ermittlung und Steuerung des Umrichters, übermittelt. Wenn durch den Triebfahrzeugführer durch Betätigen des Fahrschalters die Fahrbereitschaft seines Fahrzeuges gemeldet wird, beginnt der Leitrechner nach dem Algorithmus die für dieses Fahrzeug geltenden Fahr- oder Wartebefehle bzw. eine Beschleunigungsbegrenzung durch Festlegung einer Stromobergrenze für die Fahrzeugantriebe zu ermitteln. Stellt der Leitrechner fest, daß durch ein unmittelbares Anfahren dieses Fahrzeuges keine Lastspitze im Unterwerk entsteht, wird ein Fahrbefehl erteilt und das Fahrzeug wird ohne Einschränkungen anfahren. Stellt der Leitrechner dagegen fest, daß durch ein unmittelbares Anfahren dieses Fahrzeuges eine Lastspitze im Unterwerk entstehen würde, ermittelt er unter Berücksichtigung aller Nebenbedingungen, ob das Fahrzeug für einen vorgegebenen Zeitraum Δt warten kann, in dem ein anderes Fahrzeug seine Stromaufnahme beenden wird bzw. ein anderes Fahrzeug durch Beginn eines Bremsvorganges Energie in den Streckenabschnitt einspeisen wird.

Wird durch den Leitrechner ermittelt, daß dieses Fahrzeug warten kann, wird kein Fahrbefehl erteilt und der Prüfalgorithmus wird wiederholt bis ein Fahrbefehl erteilt werden kann bzw. der Triebfahrzeugführer, auf Grund äußerer Bedingungen die Fahrbereitschaft seines Fahrzeuges, durch Loslassen des Fahrschalters, zurückgenommen hat. Der Leitrechner kann unter Berücksichtigung aller Nebenbedingungen auch zu dem Ergebnis kommen, daß eine Beschleunigungsbegrenzung für dieses oder mehrere Fahrzeuge die optimale Lösung darstellt; dann wird ein Fahrbefehl mit einer Festlegung der Stromobergrenze für jedes betroffene Fahrzeug erteilt. Eine weitere Lösung kann darin bestehen, daß die Versorgungsspannung des betroffenen Unterwerkes abgesenkt und/oder die Versorgungsspannung der benachbarten Unterwerke heraufgesetzt werden, um somit eine gleichmäßigere Lastverteilung auf die Unterwerke entlang der Strecke zu erreichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gleichmäßigen Lastverteilung in Unterwerken für elektrisch betriebene Fahrzeuge sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nach der Lehre des Anspruchs 2 wird durch den Leitrechner bei Überschreiten eines voreingestellten Summenstromes an einem Unterwerk zuerst überprüft, ob unter Berücksichtigung der aktuellen und voraussichtlichen Belastung der angrenzenden Unterwerke diese in die Energieversorgung des entsprechenden Streckenabschnitts einbezogen werden können. Bei einem positivem Ergebnis werden durch den Leitrechner entsprechende Befehle an die Steuereinrichtungen übermittelt die durch eine dementsprechende Steuerung des Umrichters die Versorgungsspannung im belasteten Unterwerk so weit herabsetzen, daß der resultierende Summenstrom des Unterwerkes unter den voreingestellten Wert sinkt, und/oder durch entsprechende Steuerung der Umrichter die Versorgungsspannung in den benachbarten Unterwerken so weit heraufgesetzt wird, daß die Fahrzeuge ihren Energiebedarf auch aus den angrenzenden Unterwerken beziehen.

Die Lehre nach dem Anspruch 3 gibt an, daß die vom Leitrechner ermittelten und an die Fahrzeugrechner übermittelten Befehle nicht direkt zur Fahrzeugsteuerung genutzt werden, sondern dem Triebfahrzeugführer in geeigneter Weise als Informationen auf dem Führerstand, zur Ableitung notwendiger Handlungen angezeigt werden.

Nach der Lehre des Anspruchs 4 kann der Triebfahrzeugführer in Ausnahmesituationen die Befehle des Leitrechners LR unterdrücken und direkt auf den Fahrzeugrechner, zur Ableitung der Stellgrößen zur Steuerung der Fahrzeugantriebe, zugreifen, um so direkt eine Beeinflussung der Zugfahrt vorzunehmen.

Eine Einrichtung zur Durchführung der Verfahren zur Vermeidung von Lastspitzen und einer gleichmäßigen Lastverteilung in Unterwerken ist im Anspruch 5 beschrieben.

Für die Einrichtung findet ein hierarchisch aufgebautes Prozeßleitsystem mit drei Ebenen Verwendung, das als prozeßferne Komponente einen Leitrechner, als prozeßnahe Komponenten Steuereinrichtungen, von denen jeweils eine einem Unterwerk zugeordnet ist und in der Prozeßebene Fahrzeugrechner, die sich auf jedem Fahrzeug befinden, aufweist.

Der Leitrechner verarbeitet alle eingehenden Informationen in Echtzeit und gibt Steuerbefehle an die Steuereinrichtungen, sowie die Fahrzeugrechner der Fahrzeuge aus.

Die Fahrzeugrechner sind mit Sende- und Empfangseinrichtungen gekoppelt, um einerseits die Informationen an den Leitrechner zu übermitteln und andererseits die Steuerbefehle zu empfangen. Die empfangenen Befehle werden in den Fahrzeugrechnern in Steuerbefehle für die Fahrzeugantriebe umgesetzt und gleichzeitig oder ausschließlich als Informationen dem Triebfahrzeugführer im Führerstand in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt.

Die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs wird durch Betätigung des Fahrschalters durch den Triebfahrzeugführer dem Fahrzeugrechner übermittelt, der diese Information mit den weiteren Statusdaten des Fahrzeugs an den Leitrechner übermittelt.

Die Informationsübertragung zwischen dem Leitrechner und den Fahrzeugrechnern auf den Fahrzeugen, sowie den Steuereinrichtungen in den Unterwerken erfolgt vorzugsweise mittels Funkübertragung.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Darstellung der entnommenen Leistung und des resultierenden Stromes im Unterwerk

Fig. 1a Anfahren mehrerer Fahrzeuge ohne Koordinierung,

Fig. 1b Anfahren mehrerer Fahrzeuge mit Koordinierung,

Fig. 1c Anfahren und Bremsen mehrerer Fahrzeuge ohne Koordinierung,

Fig. 1d Anfahren und Bremsen mehrerer Fahrzeuge mit Koordinierung,

Fig. 2 Einrichtung zur Begrenzung von Lastspitzen und zur Koordinierung von Anfahr- und Bremsvorgängen,

Fig. 3 Programmablaufplan zur Koordinierung der Anfahr- und Bremsvorgängen.

Im Ausführungsbeispiel wird eine gleichstrombetriebene Bahnstrecke gewählt, die durch Gleichrichter-Unterwerke gespeist wird, wobei die Gleichrichter einen gesteuerten Thyristorblock aufweisen. Durch eine Steuerung des Phasenanschnittwinkels α kann die Versorgungsspannung des Gleich richter-Unterwerkes verändert werden.

In der Fig. 1 wird die entnommene Leistung und der resultierende Strom eines Gleichrichter-Unterwerkes bei unterschiedlicher Betriebsweise dargestellt.

Die Fig. 1a zeigt den möglichen Stromverlauf und die Leistungsentnahme in einem Gleichrichter-Unterwerk bei gleichzeitigem Anfahren mehrerer Fahrzeuge Fz1, Fz2, Fz3. Die auftretende Lastspitze ist deutlich erkennbar.

In Fig. 1b wurde durch ein Eingreifen der erfindungsgemäßen Einrichtung ein gleichzeitiges Anfahren mehrerer Fahrzeuge verhindert, so daß keine Lastspitzen auftreten und eine über einen längeren Zeitraum gleichmäßige Belastung des Gleichrichter-Unterwerkes durch ein nacheinander erfolgendes Anfahren der Fahrzeuge auf der Strecke Fz1, Fz2, Fz3 erreicht wird.

Fig. 1c zeigt den möglichen Stromverlauf und die Leistungsentnahme in einem Gleichrichter-Unterwerk bei gleichzeitigem Anfahren und Bremsen verschiedener Fahrzeuge auf einer Strecke dar. Die auftretende Lastspitze ist erkennbar, ein Energieausgleich von Anfahr- und Bremsenergie findet nicht statt. Da die Bremsenergie durch kein anderes Fahrzeug auf der Strecke aufgenommen wird und eine Rückspeisung in das Drehstromnetz nicht möglich ist, muß die Bremsenergie über Widerstände in Wärmeenergie umgesetzt und als Verluste abgeführt werden.

Fig. 1d zeigt dagegen den möglichen Stromverlauf und die Leistungsentnahme in einem Gleichrichter-Unterwerk bei gleichzeitigem Anfahren und Bremsen verschiedener Fahrzeuge auf einer Strecke unter Nutzung des erfindungs gemäßen Verfahrens. Es tritt keine Lastspitze auf, ein Energieausgleich von Anfahr- und Bremsenergie findet statt, da die Bremsenergie des bremsenden Fahrzeugs Fz3 durch die nacheinander anfahrenden Fahrzeuge Fz1 und Fz2 als Anfahrenergie aufgenommen wird.

In der Fig. 2 wird die Einrichtung zur Begrenzung von Lastspitzen und zur Koordinierung von Anfahr- und Bremsvorgängen elektrisch betriebener Fahrzeuge auf einer Strecke dargestellt.

Die Gleichrichter-Unterwerke UW1, UW2, UW3 bestehen im wesentlichen aus einem Stromrichter-Transformator und einem gesteuerten Gleichrichter, die jeweils auf eine Sammelschiene SS1, SS2, SS3 speisen. Der Summenstrom der Gleichrichter-Unterwerke UW1, UW2, UW3 wird jeweils an einem Wandler M1, M2, M3 ermittelt. Über Kuppelschalter S1.1, S1.2, S2.1, S2.2, S3.1, S3.2 werden die Sammelschienen SS1, SS2, SS3 mit den Streckenabschnitten SA01, SA12, SA23, SA34 verbunden und somit mit Gleichspannung versorgt. Durch die Kuppelschalter S1.1, S1.2, S2.1, S2.2, S3.1, S3.2 können die Streckenabschnitte durchgeschaltet werden und es ist eine Stromversorgung eines Streckenabschnittes durch ein entfernter liegendes Gleichrichter-Unterwerk UW1, UW2, UW3 möglich.

Das Prozeßleitsystem ist hierarchisch aufgebaut und besteht aus den drei Ebenen: als prozeßferne Komponente ein Leitrechner LR, als prozeßnahe Komponenten Steuereinrichtungen STEU1, STEU2, STEU3, von denen jeweils eine einem Gleichrichter-Unterwerk UW1, UW2, UW3 zugeordnet ist und in der Prozeßebene verfügt jedes Fahrzeug Fz1, Fz2, Fz3 über einen Fahrzeugrechner. Der Fahrzeugrechner ist einerseits die Schnittstelle nach außen; über an sich bekannte Einrichtungen, wie Modem, Empfänger und Sender kommuniziert er mit den Streckeneinrichtungen S1, S2, S3, S4 und dem Leitrechner LR.

Durch den Fahrzeugrechner werden die vom Leitrechner und den Streckeneinrichtungen empfangenen Befehle und Informationen in Stellgrößen zur Steuerung der Anfahrleistungen/Bremsleistungen der Fahrzeugantriebe verarbeitet und/oder als Befehl bzw. Information dem Triebfahrzeugführer in geeigneter Weise, z. B. auf Display und/oder Instrumenten und/oder Signallampen zur Verfügung gestellt. Andererseits ermittelt der Fahrzeugrechner die für den Optimierungsprozeß erforderlichen Fahrzeuginformationen und übermittelt diese an den Leitrechner. Darüber hinaus realisiert der Fahrzeugrechner die Mensch-Prozeß-Kommunikation.

Nachstehend wird das Verfahren zur Vermeidung von Lastspitzen in den Gleichrichter-Unterwerken UW1, UW2, UW3 beschrieben.

Auf der Strecke, die in mehrere Streckenabschnitte SA01, SA12, SA23, SA34 aufgeteilt ist, welche durch Kuppelschalter miteinander verbunden sind und durch mehrere Gleichrichter-Unterwerke UW1, UW2, UW3 eingespeist werden, befinden sich mehrere Fahrzeuge Fz1, Fz2 und Fz3.

Befinden sich die beiden Fahrzeuge Fz1 und Fz2 auf dem Streckenabschnitt SA12 in der Nähe des Gleichrichter-Unterwerkes UW2 und das Fahrzeug Fz3 befindet sich auf dem Streckenabschnitt SA23 ebenfalls in der Nähe des Gleichrichter-Unterwerkes UW2, so entsteht bei einem gleichzeitigen oder zeitlich überlappenden Anfahren der drei Fahrzeuge eine Lastspitze entsprechend Fig. 1a.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 wird durch Koordinierung von Anfahr- und Bremsvorgängen aller auf der Strecke befindlichen Fahrzeuge Fz1, Fz2 und Fz3 erreicht, daß einerseits keine Überlappungen von Anfahrvorgängen der Fahrzeuge Fz1, Fz2 und Fz3 entsprechend Fig. 1a auftreten und andererseits gezielt Überlappungen von Anfahr- und Bremsvorgängen verschiedener Fahrzeuge Fz1, Fz2 und Fz3 entsprechend Fig. 1d erreicht werden, wodurch ein Energieaustausch zwischen dem anfahrenden Fahrzeug Fz1 bzw. Fz2 und dem bremsenden Fahrzeug Fz3 ermöglicht wird.

Die sich auf der Strecke befindenden Fahrzeuge Fz1, Fz2 und Fz3 übermitteln, zusammen mit ihrer speziellen Fahrzeugkennung, mindestens folgende Informationen, die den Status der Fahrzeuge definieren, an den Leitrechner LR:

- Fahrzeugkennung
- Fahrbereitschaft
- Laststrom
- Bremsstrom
- Beschleunigung
- Geschwindigkeit
- Standort/Streckeninformationen
- Fahrtrichtung.

Eine Standortidentifikation der Fahrzeuge erfolgt mittels bekannter Methoden, beispielsweise durch Satellitennavigation, wobei eine Standortkorrektur jeweils an Streckeneinrichtungen S1, S2, S3, S4, die entlang der Strecke angeordnet sind, erfolgt.

Außerdem erhält der Leitrechner LR von den Steuereinrichtungen STEU1, STEU2 und STEU3 mindestens eine Information über die Größe des jeweiligen Summenstromes der Gleichrichter-Unterwerke UW1, UW2 und UW3 von den Wandlern M1, M2, M3.

Im Leitrechner sind weitere, zur Lösung der Optimierungsaufgabe notwendige Informationen gespeichert, wie beispielsweise

- Fahrplan
- Stationshaltezeiten
- Besonderheiten der Strecke/Topologie
- mathematische Modelle für die Brems- und Anfahr-Prognose eines jeden Fahrzeuges.

Der Leitrechner LR verarbeitet in Echtzeit alle Informationen nach einem vorgeschriebenen Algorithmus und ständig aktualisierten Opti mierungs-Rechenergebnissen. Als Lösungsmethoden werden sowohl algebraische Optimierungsmethoden als auch heuristische Methoden (Nutzung von Erfahrungswissen) eingesetzt.

Der Optimierungsalgorithmus enthält zwei Etappen:

- Situationserkennung
- Abarbeitung vorgefertigter und abgespeicherter Steuerfunktionen in Abhängigkeit von der Situation, die erkannt wurde.

Das ermittelte Ergebnis wird genutzt, um jedes Fahrzeug in seinen Aktionen, Anfahr- bzw. Bremsvorgängen oder durch Begrenzung der Beschleunigung gezielt zu beeinflussen.

Um einen resultierenden Stromverlauf entsprechend Fig. 1b zu erreichen, wird beispielsweise wie folgt verfahren: Das Fahrzeug Fz1 fährt gerade an und wird in einigen Sekunden, einem vorgegebenen Zeitintervall Δt, seine Beschleunigung beenden, weil es seine für diesen Streckenabschnitt vorgesehene Geschwindigkeit nahezu erreicht hat, und wird dann keinen Strom mehr aufnehmen. In diesem Augenblick ist das Fahrzeug Fz2 zur Abfahrt bereit, der Triebfahrzeugführer hat den Fahrschalter betätigt, und will anfahren; durch den Leitrechner LR wird ein Befehl ausgegeben, der ein Anfahren des Fahrzeugs Fz2 für das Zeitintervall Δt verzögert, bis das Fahrzeug Fz1 seine Beschleunigung beendet hat.

Oder es wird erkannt, daß die Fahrzeuge Fz2 und Fz3 fast gleichzeitig anfahren/beschleunigen und zum Zwecke der Spitzenstrombeschneidung an der Meßstelle M2 wird die Beschleunigung beider Fahrzeuge oder nur für ein Fahrzeug, beispielsweise in Abhängigkeit von der Streckentopologie und der Einhaltung des Fahrplanes, zurückgesetzt.

Die Herabsetzung der Beschleunigung für eines der beiden Fahrzeuge Fz2 oder Fz3 erfolgt durch Übermittlung entsprechender Steuerbefehle vom Leitrechner LR an den Fahrzeugrechner des betreffenden Fahrzeuges, welcher die Stellgrößen zur Steuerung der Anfahrleistung der Fahrzeugantriebe ermittelt, die ein Überschreiten des vorgegebenen Summenstromes am Wandler M2 verhindern. Auf diese Weise kann aber auch die Beschleunigung beider Fahrzeuge, Fz2 und Fz3, beeinflußt werden.

Um einen resultierenden Stromverlauf entsprechend Fig. 1d zu erreichen, wird dagegen wie folgt verfahren: Das Fahrzeug Fz1 steht zur Abfahrt bereit und will anfahren; das Fahrzeug Fz3 nähert sich einer Haltestelle und wird in einigen Sekunden, einem vorgegebenen Zeitintervall Δt, seinen Bremsvorgang beginnen.

Durch den Leitrechner wird, unter Einhaltung aller Nebenbedingungen, ein Befehl ausgegeben, der ein Anfahren des Fahrzeugs Fz1 für das Zeitintervall Δt verzögert, bis das Fahrzeug Fz3 seinen Bremsstrom in den Streckenabschnitt einspeist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens, entsprechend Anspruch 2 wird zur Vermeidung von Lastspitzen durch den Leitrechner überprüft, ob bei gleichzeitigem Anfahren mehrerer Fahrzeuge die anderen Gleich richter-Unterwerke UW1, UW3 den benötigten Energiebedarf decken können. Erst danach wird durch den Leitrechner LR eine einfache Beschneidung der Lastspitze im Gleichrichter-Unterwerk UW2 dadurch bewirkt, daß bei Überschreiten eines voreingestellten Summenstromes des Gleichrichter-Unterwerkes UW2 am Wandler M2 durch die zugeordnete Steuereinrichtung STEU2 eine entsprechende Steuerung des Phasenanschnittwinkels α des Thyristorblockes der Stelleinheit SE2 im Gleichrichter-Unterwerke UW2 in Richtung einer Reduzierung der Versorgungsspannung realisiert wird. Dadurch wird erreicht, daß das Fahrzeug Fz1 seinen Energiebedarf zu einem höheren Anteil aus dem entfernter liegenden Gleichrichter-Unterwerk UW1 deckt, während das Fahrzeug Fz3 analog seinen Energiebedarf zu einem höheren Anteil aus dem entfernter liegenden Gleichrichter-Unterwerk UW3 deckt. Dadurch wird das bisher hoch belastete Gleichrichter-Unterwerk UW2 entsprechend entlastet, so daß eine Lastspitze nicht mehr auftritt bzw. wesentlich flacher ausfällt. Um eine Energieversorgung der Fahrzeuge aus entfernteren Gleichrichter-Unterwerken UW1 und UW2 zu unterstützen, kann alternativ oder zusätzlich eine Verstellung des Phasenanschnittwinkels α der Thyristorblöcke in den Gleich richter-Unterwerken UW1 und UW2 in Richtung einer Erhöhung der Versorgungsspannung erfolgen. Durch diesen Eingriff in die Steuerung der Gleichrichter-Unterwerke UW1, UW2, UW3 wird außerdem eine gleichmäßigere Auslastung aller Gleichrichter-Unterwerke entlang einer Strecke erreicht. Die Voreinstellung des Summenstromes wird so vorgenommen, daß der voreingestellte Strom hinreichend weit unter dem technisch und wirtschaftlich maximal zulässigen Stromwert liegt.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 3 ein Beispiel eines möglichen Programmablaufplanes, der im Leitrechner LR zur Koordinierung der Anfahr- und Bremsvorgänge abläuft, beschrieben.

Das Fahrzeug Fz1 befindet sich auf dem Streckenabschnitt SA12, der vom Gleichrichter-Unterwerk UW2 eingespeist wird, und meldet, solange der Triebfahrzeugführer den Fahrschalter betätigt, an den Leitrechner LR seine Bereitschaft zum Anfahren.

Durch den Leitrechner LR wird überprüft ob sich weitere Fahrzeuge Fz2, Fz3 auf dem gleichen Streckenabschnitt SA12 bzw. einem angrenzenden Streckenabschnitt SA23, der durch das gleiche Gleichrichter-Unterwerk UW2 eingespeist wird, befinden.

Befinden sich keine weiteren Fahrzeuge in diesem Bereich wird durch den Leitrechner LR eine Fahrtfreigabe an das Fahrzeug Fz1 erteilt und dieses Fahrzeug kann anfahren.

Befinden sich weitere Fahrzeuge Fz2, Fz3 in diesem Bereich wird durch den Leitrechner LR überprüft welchen Status diese anderen Fahrzeuge Fz2, Fz3 aufweisen.

Fährt das andere Fahrzeug Fz2, Fz3 für einen absehbaren Zeitraum, der in Abhängigkeit von festzulegenden Bedingungen als Zeitintervall Δt vorgegeben wird, ohne Beschleunigung, wird durch den Leitrechner LR eine Fahrtfreigabe an das Fahrzeug Fz1 erteilt und dieses Fahrzeug kann anfahren.

Wird das andere Fahrzeug Fz2, Fz3 im Zeitintervall Δt bremsen, wird durch den Leitrechner LR überprüft, ob unter Beachtung der Nebenbedingungen, beispielsweise Fahrplan, Stationshaltezeiten, oder anderer Prioritäten (z. B. in Abhängigkeit der Streckentopologie), das Fahrzeug Fz1, für das Zeitintervall Δt, warten kann bis das andere Fahrzeug Fz3 zu bremsen beginnt.

Durch den Leitrechner LR wird bei positiver Entscheidung keine Fahrtfreigabe an das Fahrzeug Fz1 erteilt; dieses Fahrzeug kann noch nicht anfahren. Wenn nun das andere Fahrzeug Fz2, Fz3 zu bremsen beginnt, wird eine Fahrtfreigabe an das Fahrzeug Fz1 erteilt, das Fahrzeug Fz1 kann anfahren und es erfolgt ein Energieaustausch zwischen dem bremsenden Fahrzeug Fz3 und dem anfahrenden Fahrzeug Fz1.

oder

Durch den Leitrechner LR wird überprüft, ob unter Beachtung der Nebenbedingungen, beispielsweise Fahrplan, Stationshaltezeiten, oder anderer Prioritäten, (z. B. das Fahrzeug hält auf einer Kreuzung) das Fahrzeug Fz1 nicht warten kann bis das andere Fahrzeug Fz2, Fz3 bremst.

Durch den Leitrechner LR wird nun überprüft ob ein sich ebenfalls auf der Strecke befindliches Fahrzeug Fz2, Fz3 gerade beschleunigt wird.

Durch den Leitrechner LR wird überprüft, ob unter Beachtung der Nebenbedingungen, beispielsweise Fahrplan, Stationshaltezeiten, oder anderer Prioritäten, das Fahrzeug Fz1 für das Zeitintervall Δt warten kann bis das andere Fahrzeug Fz2, Fz3 nicht mehr beschleunigt und somit keinen Strom mehr zieht.

Durch den Leitrechner LR wird bei positiver Entscheidung keine Fahrtfreigabe an das Fahrzeug Fz1 erteilt; dieses Fahrzeug kann noch nicht anfahren.

oder

Durch den Leitrechner LR wird bei negativer Entscheidung überprüft, ob unter Beachtung der aktuellen und voraussichtlichen Belastung der angrenzenden Gleichrichter-Unterwerke UW1, UW3 eine Absenkung der Versorgungsspannung im Gleichrichter-Unterwerke UW2 durch Änderung des Phasenanschnittwinkels möglich ist um somit die angrenzenden Gleichrichter-Unterwerke UW1, UW3 stärker in die Energieversorgung der Fahrzeuge Fz1, Fz2 einzubeziehen. Durch den Leitrechner LR werden entsprechende Steuerbefehle zur Änderung des Phasenanschnittwinkels α über die Steuereinheit STEU2 an die Stelleinheit SE2 des Gleichrichter-Unterwerks UW2 übermittelt.

oder

Durch den Leitrechner LR wird überprüft, ob unter Beachtung der Nebenbedingungen, beispielsweise Fahrplan, Stationshaltezeiten, oder anderer Prioritäten, das Fahrzeug Fz1 und 1 oder für das andere Fahrzeug Fz2, Fz3 eine Beschleunigungsbegrenzung durch Festlegung einer Stromobergrenze möglich ist.

Durch den Leitrechner LR wird eine Strombegrenzung an das Fahrzeug Fz1 und/oder das Fahrzeug Fz2 übermittelt und durch den Fahrzeugrechner aktiviert; das betreffende Fahrzeug kann mit begrenzter Leistung anfahren.

Bei einem negativen Ergebnis dieser Überprüfung wird eine Fahrtfreigabe erteilt, die in diesem Falle eine Lastspitze nicht vermeiden kann.

Sofern sich die Situation für das Fahrzeug Fz1 ändert, d. h. ein Anfahren auf Grund äußerer Bedingungen nicht möglich ist, (z. B. die vorausliegende Kreuzung/Streckenabschnitt kann nicht befahren werden) wird die Bereitschaft zum Anfahren durch den Triebfahrzeugführer zurückgenommen; der Fahrschalter wird nicht mehr betätigt. Bei erneutem Betätigen des Fahrschalters läuft der Algorithmus erneut ab.

Zur Vervollkommnung des Algorithmus und verbesserten Optimierung der Prozesse zur Koordinierung des Fahrregimes werden selbstlernende Systeme eingesetzt.

Die vom Leitrechner ausgegebenen Befehle werden auf die Fahrzeuge, vorzugsweise über Funk, übertragen.

Zur Verarbeitung dieser Befehle bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

1. Die vom Leitrechner LR ausgegebenen Befehle werden im Führerstand dem Triebfahrzeugführer signalisiert. Beispielsweise bedeutet das Leuchten einer roten Lampe, daß zur Zeit nicht angefahren werden darf; bzw. das Leuchten einer grünen Lampe signalisiert die Möglichkeit des Anfahrens. Zusätzlich zum Aufleuchten der Signallampen kann auf einem Display ein Zeitintervall Δt angezeigt werden, das angibt zu welchem Zeitpunkt ein Abfahren voraussichtlich gestattet wird.
2. Die vom Leitrechner LR ausgegebenen Befehle werden durch den Fahrzeugrechner direkt in Stellgrößen zur Steuerung der Anfahrleistungen/Bremsleistungen der Fahrzeugantriebe verarbeitet, so daß der Fahrstrom ausgelöst wird, wenn der Triebfahrzeugführer die Bereitschaft zum Anfahren durch Betätigen eines Fahrschalters anzeigt.

Parallel werden die ermittelten und ausgegebenen Befehle als Information dem Triebfahrzeugführer in geeigneter Weise, z. B. auf Display und/oder Instrumenten und/oder Signallampen zur Verfügung stellt.

Zur Gewährleistung eines sicheren Fahrbetriebes wird ein Eingreifen des Leitrechners in die Anfahrvorgänge nur im Regelbetrieb erfolgen, ein Eingreifen in das Bremsen wird ausgeschlossen, in Ausnahmesituationen kann der Triebfahrzeugführer die Befehle des Leitrechners unterdrücken.

Eine weitgehende Beeinflussung und Koordinierung der Anfahr- und Bremsvorgänge führt dazu, daß Lastspitzen vermieden werden und insbesondere durch den Austausch von Brems- und Anfahrenergie der Energieverbrauch sinkt. Andererseits ist es möglich bei gleichem integralen Energieverbrauch bzw. bei gleicher Anzahl der Fahrzeuge preisgünstigere Gleichrichter-Unterwerke einzusetzen, da bisher erforderliche Überdimensionierungen entfallen können.

Claims

1. Verfahren zur gleichmäßigen Lastverteilung in Unterwerken für elektrisch betriebene Fahrzeuge, die über gesteuerte Umrichter und mittels Kuppelschalter durchgeschaltete Strecken verfügen, wobei ein aus drei Ebenen bestehendes hierarchisch gegliedertes Leitsystem verwendet wird, das aus der Leitebene mit einem Leitrechner (LR), der Steuerungsebene mit Steuereinrichtungen (STEU1, STEU2, STEU3) und der Prozeßebene mit Fahrzeugrechnern auf jedem Fahrzeug (Fz1, Fz2, Fz3) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelbetrieb der Leitrechner die eingespeicherten Informationen

- Fahrplan
- Stationshaltezeiten
- Besonderheiten der Strecke/Topologie
- mathematische Modelle für die Brems- und Anfahr-Prognose eines jeden Fahrzeuges

und die von den Fahrzeugen übermittelten sowie mit ihrer speziellen Fahrzeugkennung versehenen Statusberichte sowie von den Unterwerken empfangenen Informationen

- Fahrzeugkennung
- Fahrbereitschaft
- Laststrom
- Bremsstrom
- Beschleunigung
- Geschwindigkeit
- Standort/Streckeninformationen
- Fahrtrichtung
- Summenstrom

in Echtzeit verarbeitet und nach einem vorgegebenen Algorithmus eine Optimierung des Fahrregimes durch Koordinierung der Anfahr- und Bremsvorgänge der Fahrzeuge vornimmt und danach die ermittelten Befehle zur Fahrzeugsteuerung an die jeweiligen Fahrzeugrechner der Fahrzeuge (Fz1, Fz2, Fz3), welche die Stellgrößen zur Steuerung der Fahrzeugantriebe ermitteln, und die einzustellenden Spannungswerte an die Steuereinrichtungenen (STEU1, STEU2, STEU3) der Unterwerke (UW1, UW2, UW3) zur Steuerung Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3) übermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten eines voreingestellten Summenstromes am Wandler (M2) des Unterwerkes (UW2) durch den Leitrechner LR überprüft wird, ob unter Berücksichtigung der aktuellen und voraussichtlichen Belastung der angrenzenden Unterwerke (UW1, UW3) diese in die Energieversorgung des entsprechenden Streckenabschnitts einbezogen werden können; bei positivem Ergebnis werden durch den Leitrechner LR entsprechende Befehle an die Steuereinrichtungen (STEU1, STEU2, STEU3) übermittelt und mittels der Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3) die Versorgungsspannung im belasteten Unterwerk (UW2) so weit herabgesetzt, daß der resultierende Summenstrom am Stromwandler (M2) des Unterwerkes (UW2) unter den voreingestellten Wert sinkt, und/oder die Versorgungsspannung in den benachbarten Unterwerken (UW1, UW3) so weit heraufgesetzt wird, daß die Fahrzeuge (Fz1, Fz2, Fz3) ihren Energiebedarf auch aus den angrenzenden Unterwerken (UW1, UW3) beziehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Leitrechner (LR) übermittelten und von den Fahrzeugrechnern auf den jeweiligen Fahrzeugen (Fz1, Fz2, Fz3) ermittelten Befehle und Informationen dem Triebfahrzeugführer in geeigneter Weise auf dem Führerstand, zur Ableitung notwendiger Handlungen angezeigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Triebfahrzeugführer in Ausnahmesituationen die Befehle des Leitrechners (LR) unterdrücken kann und direkt auf den Fahrzeugrechner seines Fahrzeuges (Fz1, Fz2, Fz3) zur Beeinflussung der Zugfahrt zugreifen kann.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

5.1 bestehend aus einem hierarchisch aufgebauten Prozeßleitsystem mit drei Ebenen:
- als prozeßferne Komponente ein Leitrechner (LR),
- als prozeßnahe Komponenten Steuereinrichtungen (SE1, SE2, SE3) von denen jeweils eine einem Unterwerk (UW1, UW2, UW3) zugeordnet ist,
- als Prozeßebene Fahrzeugrechner, die sich auf jedem Fahrzeug (Fz1, Fz2, Fz3) befinden;
5.2 die Energieversorgung der Fahrzeuge (Fz1, Fz2, Fz3) erfolgt durch Unterwerke (UW1, UW2, UW3)
- - die über Sammelschienen (SS1, SS2, SS3) und Kuppelschalter (S1.1, S1.2, S2.1, S2.2, S3.1, S3.2) mit den Streckenabschnitten (SA01, SA12, SA23, SA34) verbunden sind
- - wobei die Unterwerke (UW1, UW2, UW3) über Stelleinheiten (SE1, SE2, SE3) verfügen, die als gesteuerte Umrichter ausgeführt sind
- - und eine Steuerung des Umrichters durch die Steuereinrichtungen (STEU1, STEU2, STEU3) erfolgt
- - und der resultierende Summenstrom des Unterwerkes (UW1, UW2, UW3) mittels eines Stromwandlers (M2) ermittelt wird;
5.3 der Leitrechner (LR) verarbeitet alle eingehenden Informationen in Echtzeit und gibt Steuerbefehle an die Steuereinrichtungen (STEU1, STEU2, STEU3), sowie die Fahrzeugrechner der Fahrzeuge (Fz1, Fz2, Fz3)
5.4 die Fahrzeugrechner sind
- - mit Modem sowie Sende- und Empfangseinrichtungen gekoppelt, um Informationen an den Leitrechner (LR) zu übermitteln und die Steuerbefehle zu empfangen
- - die empfangenen Befehle werden im Fahrzeugrechner in Steuerbefehle für die Fahrzeugantriebe umgesetzt
- - und als Informationen dem Triebfahrzeugführer im Führerstand in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt
- - die Fahrbereitschaft wird durch Betätigung des Fahrschalters durch den Triebfahrzeugführer dem Fahrzeugrechner übermittelt;
5.5 die Informationsübertragung zwischen dem Leitrechner (LR) und den Fahrzeugrechnern auf den Fahrzeugen (Fz1, Fz2, Fz3) sowie den Steuereinrichtungen (STEU1, STEU2, STEU3) in den Unterwerken (UW1, UW2, UW3) erfolgt vorzugsweise mittels Funkübertragung.