EP4590545A1

EP4590545A1 - Verbesserung eines betriebs einer bahnstromanlage

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Publication number: EP4590545A1
Application number: EP23828975.5A
Authority: EP
Inventors: Friedemann KOOP; Andreas BÄRMANN; Lukas HAGER
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2023-12-04
Publication date: 2025-07-30
Also published as: DE102022214162A1; 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).

Description

202219370 1 Beschreibung Verbesserung eines Betriebs einer Bahnstromanlage Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Bahnstromanlage, eine Bahnstromanlage zur Durchführung des Verfahrens, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares 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 Anforderun- gen 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 Bahnstrom- anlage im Hinblick auf weitere Kenngrößen, wie Energieeffizi- enz oder Verschleiß, zu optimieren. Beispielsweise kann eine Energieeffizienz durch eine Reduzierung einer elektrischen Verlustleistung erreicht werden. Solche elektrische Verlust- leistungen werden überwiegend durch elektrische Übertragungs- verluste verursacht. Darüber hinaus kann eine Energieeffizi- enz gesteigert werden, indem im Falle eines Abbremsens eines Fahrzeugs kinetische Energie in elektrische Energie umgewan- delt 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 Be- triebsbedingungen. Zum Zwecke einer Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage, betreffend die vorgenannten weiteren Kenngrößen, wird bislang mehrfach eine Simulation des Be- triebs der Bahnstromanlage auf Basis unterschiedlicher Werte für variable Steuerkenngrößen durchgeführt. Eine Auswahl der 202219370 2 Werte findet üblicherweise durch Fachleute und auf Basis de- rer 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 Simulati- onsverlauf und damit das Simulationsergebnis maßgeblich be- einflusst wird, kann lediglich aus der Menge der durchgeführ- ten Simulationen das beste Ergebnis gewählt werden. Das Auf- finden eines globalen Maximums oder Minimums einer zu opti- mierenden Kenngröße ist im Rahmen dieser Vorgehensweise hin- gegen nicht möglich. 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. Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Steue- rung der Bahnstromanlage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe gelöst durch eine Bahnstrom- anlage gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungs- anspruchs. Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 14 und durch ein computerlesbares Medium gemäß den Merkmalen des ne- bengeordneten Anspruchs 15. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand abhängi- ger Unteransprüche. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Bahnstromanlage werden Betriebsparameter zum Zwecke eines Be- triebs der Bahnstromanlage mittels eines simulierten Betriebs eines virtuellen Abbilds der realen Bahnstromanlage ermit- telt. Des Weiteren wird eine Zielfunktion auf Basis wenigs- tens eines Teils der auf die zuvor genannte Weise ermittelten 202219370 3 Betriebsparameter sowie wenigstens einer variablen Steuer- kenngröße 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 höchs- tens um 2 % von einem absoluten Extremum der Zielfunktions- werte abweicht. Auf Basis des derart ermittelten Werts der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße wird der Betrieb der Bahnstromanlage gesteuert. Dabei ermöglicht das virtuelle Abbild der Bahnstromanlage ei- ne Bewegung von elektrischen Verbrauchern, wie beispielsweise Fahrzeugen, innerhalb der Infrastruktur der Bahnstromanlage zu simulieren. Beispielhaft können so geländebezogene Gege- benheiten, wie Steigungen oder Gefälle, eine Anzahl an Ver- brauchern und deren sich ändernde Standorte berücksichtigt werden. Insbesondere ermöglicht das virtuelle Abbild der rea- len Bahnstromanlage, Betriebsparameter verschiedener elektri- scher Quellen und elektrischer Senken zuverlässig zu ermit- teln. Bei den genannten Betriebsparametern kann es sich beispiels- weise um Admittanzen von Unterwerken und/oder Fahrleitungs- systemen, um einen räumlich und/oder zeitlich bedingten Leis- tungsbedarf der Lasten, um eine räumlich und/oder zeitlich zur Verfügung stehende elektrische Leistung und/oder Strom- Spannungskennlinien der Lasten und/oder der Unterwerke han- deln. 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. Vor- zugsweise 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 Fahr- 202219370 4 zeugs vorgesehene Betriebsspannung oder eine Rückspeisespan- nung, mittels welcher eine Energierückspeisung in ein elekt- risches Bahnstromnetz oder in ein anderes externes elektri- sches Stromnetz erfolgt, betreffen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es ferner, auf- wandsgünstig und schnell den Betrieb der Bahnstromanlage im Hinblick auf eine mittels der Zielfunktion abgebildeten Kenn- größe, 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 Ein- flussnahme auf einen Fahrbetrieb kann so einfach vermieden werden. Des Weiteren kann so auf die Durchführung einer Viel- zahl 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 Simula- tion durchzuführen und damit weiteres Optimierungspotenzial zu nutzen. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitpunkts der Bahnstromanlage ermit- telt wird. Vorzugsweise werden Werte der wenigstens einen Steuerkenngröße auf Basis unterschiedlicher Betriebszeitpunk- te der Bahnstromanlage ermittelt. Beispielhaft werden mittels der Simulation des Betriebs der Bahnstromanlage Betriebspara- meter bezogen auf verschiedene Betriebszeitpunkte ermittelt. Zum Zwecke der einfachen Ermittlung des Werts einer variablen Steuerkenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeit- punkts können die für einen vorbestimmten Betriebszeitpunkt bestimmten Betriebsparameter herangezogen werden. Sich zeit- lich ändernde Betriebszustände können so einfach und rasch berücksichtigt werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Steu- 202219370 5 erung des Betriebs der Bahnstromanlage unter Echtzeitbedin- gungen. 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 da- mit die Ermittlung der Betriebsparameter kann auf Basis der Standortinformation verbessert werden. Dies ermöglicht es, eine Abweichung eines simulativ ermittelten Betriebsparame- ters von realen Begebenheiten zu verringern. Weicht bei- spielsweise 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 verbes- sert werden. Des Weiteren sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass der Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitraums der Bahnstroman- lage ermittelt wird. Auf diese Weise können Unterschiede be- rücksichtigt werden, welche beispielsweise durch den Betrieb bei Tag oder den Betrieb bei Nacht auftreten, welche bedingt durch saisonale Veränderungen, wie beispielsweise äußere me- teorologische Einflüsse, auftreten sowie solche, welche durch vorhersehbare Fahrplanänderungen auftreten. Des Weiteren kön- nen auf diese Weise Werte für eine Steuerkenngröße ermittelt werden, welche während eines realen Betriebs der Bahnstroman- lage nur selten, nur zu vorbestimmten Zeitpunkten oder nur unter hohem Aufwand veränderbar sind. So kann der Betrieb un- ter Berücksichtigung einer zeitlichen Einschränkung einer möglichen Anpassung eines Werts für eine Steuerkenngröße ein- fach und zuverlässig optimiert werden. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird vorgese- hen, dass als die wenigstens eine variable Steuerkenngröße 202219370 6 eine elektrische Betriebsspannung eines Teilsystems der Bahnstromanlage ermittelt wird. Bei einem Teilsystem der Bahnstromanlage handelt es sich vorliegend um eine funktio- nelle 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 genann- ten 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 Fahrlei- tungssystems betrifft. Dies ermöglicht es, einen Betrieb ei- ner spannungsgesteuerten Bahnstromanlage einfach und auf- wandsgünstig zu steuern. Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass als die wenigstens eine variable Steuerkenngröße eine Einspeisespan- nung eines Unterwerks der Bahnstromanlage gewählt wird. Dabei ermöglicht ein Unterwerk als Teilsystem der Bahnstromanlage eine Transformation einer durch ein externes Stromnetz vorge- gebenen elektrischen Spannung hin zu einer elektrischen Span- nung, 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 Steu- erung der Einspeisespannung kann in der Praxis das größte Op- timierungspotential im Hinblick auf eine verbesserte Energie- effizienz während eines Betriebs der Bahnstromanlage ausge- nutzt werden. Denkbar ist, dass als variable Steuerkenngröße neben der oder alternativ zu der Einspeisespannung eine Be- triebsspannung eines Fahrzeugs und/oder eine Rückspeisespan- nung eines Unterwerks und/oder eines Fahrzeugs gewählt wer- den. Eine Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage im Hinblick auf eine Energieeffizienz kann so weiter verbessert werden. 202219370 7 Ferner sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass für mehrere Teilsysteme der Bahnstromanlage jeweils ein eigener Wert für die wenigstens eine variable Steuerkenngröße ermit- telt wird. Dies ermöglicht es, eine Vielzahl an Betriebsbe- dingungen zuverlässig zu berücksichtigen und damit einen prä- zisen Betrieb der Bahnstromanlage bereitzustellen. Individu- elle 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. Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass für verschiedene Unterwerke jeweils ein eigener Wert für die Ein- speisespannung ermittelt wird. Dies ermöglicht es, eine effi- ziente Steuerung des Betriebs der Bahnstromanlage bereitzu- stellen, bei welchem eine nur geringe Verlustleistung auf- tritt. 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 Betriebsparame- tern bei der Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage be- rücksichtigt werden. Zudem ermöglichen Messwerte, Fehler oder Abweichungen, welche in der Simulation begründet sind, zu er- kennen und so eine Verbesserung einer Genauigkeit des Simula- tionsergebnisses zu erreichen. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine Zielfunktion erstellt wird, mittels welcher eine elektrische Verlustleistung in Abhängigkeit der wenigstens einen variab- len 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 202219370 8 Zielfunktionswert oder einem geringfügig davon abweichenden Wert entspricht. Denkbar ist dabei, dass eine Summe aller Beiträge zur elektrischen Verlustleistung, welche während ei- nes 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 Berech- nung 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 Bahnstroman- lage realisiert werden. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass eine Zielfunktion erstellt wird, mittels welcher elekt- rische Übertragungsverluste, elektrische Verluste aufgrund einer Spannungstransformation und/oder elektrischer Verluste aufgrund ungenutzter, mittels einer Bremsvorrichtung eines Fahrzeugs generierten elektrischen Energie, abgebildet wer- den. Die Steuerkenngröße beeinflusst insbesondere die vorge- nannten Beiträge zur elektrischen Verlustleistung auf unter- schiedliche 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 Gesamtsys- tems reduziert werden kann. So kann ein energieeffizienter Betrieb der Bahnstromanlage unter Berücksichtigung konkurrie- render Kenngrößen erreicht werden. Darüber hinaus sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass der Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße mittels eines computerimplementierten mathematischen Prob- lemlösers ermittelt wird. Ein solcher computerimplementierter mathematischer Problemlöser ist dem Fachmann auch unter dem Begriff „Solver“ bekannt. Mittels eines Solvers wird es er- möglicht, mathematische Probleme numerisch zu lösen. Zudem ermöglicht die Anwendung des computerimplementierten mathema- 202219370 9 tischen Problemlösers zuverlässige Erkenntnisse über einen bevorzugt zu wählenden Wert der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße. Ferner kann mittels des computerimplemen- tierten mathematischen Problemlösers eine besonders rasche und zuverlässige Lösung eines mathematischen Modells erreicht werden. Dabei ist die Zielfunktion vorzugsweise Teil des ge- nannten mathematischen Modells. Besonders bevorzugt werden neben der Zielfunktion Nebenbedingungen berücksichtigt. Zweckmäßigerweise betreffen die Nebenbedingungen den Betrieb der Bahnstromanlage. Werte für eine Mehrzahl an Steuerkenn- größen und eine Vielzahl an Betriebszeitpunkten können so zu- verlässig unter Echtzeitbedingungen ermittelt werden. Die Er- mittlung 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 vorzugs- weise die dem Fachmann bekannte duale Schrankenmethode heran- gezogen. Diese eröffnet die Möglichkeit, die Berechnung eines absoluten Extremums der Zielfunktion zum Zwecke einer Einspa- rung von Zeit und Rechenkapazitäten abzubrechen. Diese Vorge- hensweise bietet zudem die Möglichkeit, die Ermittlung der Werte für die wenigstens eine Steuerkenngröße zu beschleuni- gen. Ergebnisse für eine Steuerung des Betriebs der Bahnstromanlage unter Echtzeitbedingungen können so unter Einsparung von Hardwareressourcen, wie Speicherplatz und Re- chenleistung, 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 einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem vorgenannten mathematischen Modell um ein ganzzahliges quad- ratisches Modell. Dabei wird die zuvor genannte Zielfunktion als Teil dieses ganzzahligen quadratischen Modells vorgese- 202219370 10 hen. Neben der Zielfunktion sind zweckmäßigerweise Nebenbe- dingungen als Teil des ganzzahligen mathematischen Modells vorgesehen. Bevorzugt werden mittels der Nebenbedingungen vorgegebene Anforderungen an einen Betrieb der Bahnstromanla- ge abgebildet. Mittels der erfindungsgemäßen Bahnstromanlage ist das erfin- dungsgemäße Verfahren durchführbar. Die Bahnstromanlage gemäß der Erfindung weist eine Steuervor- richtung auf, welche dazu eingerichtet ist, das erfindungsge- mäße Verfahren durchzuführen. Bei der Steuervorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Computer, einen Mikrocontrol- ler, einen Prozessor oder eine andere programmierbare Hard- warekomponente handeln. Alternativ oder zusätzlich ist denk- bar, dass die Steuervorrichtung ein elektrisches Bauteil mit veränderbaren physikalischen Eigenschaften aufweist. Dies kann beispielsweise ein Transformator mit veränderbarer Win- dungszahl einer Primärspule und/oder einer Sekundärspule sein. Ferner ist es denkbar, dass es sich bei der Steuervor- richtung um eine virtualisierte Hardwareressource einer Rech- nerwolke oder um eine Laufzeitumgebung mit veränderbaren Re- chen- und/oder Speicherkapazitäten handelt. Die genannte Laufzeitumgebung soll im Sinne der Informatik verstanden wer- den. Beispielsweise ist die Laufzeitumgebung dazu eingerich- tet, Daten einzulesen, zu schreiben, zu übertragen und/oder zu verwalten. Ein effizienter Betrieb der Bahnstromanlage kann auf diese Weise aufwandsgünstig und zuverlässig reali- siert werden. Zudem sieht die Erfindung ein Computerprogramm vor, welches bei dessen Ausführung die Steuervorrichtung der Bahnstroman- lage gemäß der Erfindung dazu veranlasst, das erfindungsgemä- ße Verfahren durchzuführen. Zudem sieht die Erfindung ein computerlesbares Medium vor. Dieses weist Instruktionen auf, welche die Steuervorrichtung der erfindungsgemäßen Bahnstromanlage dazu veranlassen, das 202219370 11 erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Bei dem computer- lesbaren 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 Daten- trägersignal handeln. Die voranstehend beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese er- reicht werden, werden im Zusammenhang mit den Figuren in der folgenden Beschreibung der Ausführungen der Erfindung näher erläutert. Soweit zweckdienlich, werden in den Figuren die- selben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechen- de Elemente der Erfindung verwendet. Das Ausführungsbeispiel sowie beschriebene Variationen davon dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die da- rin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Zudem können alle in dem Aus- führungsbeispiel angegebenen Merkmale isoliert betrachtet und in geeigneter Weise mit den Merkmalen eines beliebigen An- spruchs kombiniert werden. Es zeigen: FIG 1 eine schematische Illustration eines Beispiels eines Verfahrens zum Betrieb einer Bahnstromanlage; FIG 2 ein Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage, welche eine Steuervorrichtung aufweist, mittels welcher das in FIG 1 illustrierte Beispiel des Verfahrens durch- führbar ist. FIG 1 illustriert in einer schematischen Darstellung ein Bei- spiel eines Verfahrens 100 zum Betrieb einer Bahnstromanlage 10. Zum Zwecke des Betriebs der Bahnstromanlage 10 werden mittels eines simulierten Betriebs eines virtuellen Abbilds der rea- len Bahnstromanlage 10 zunächst Betriebsparameter ermittelt 202219370 12 102. Das virtuelle Abbild der realen Bahnstromanlage 10 er- möglicht es, einen Aufbau der Infrastruktur der Bahnstroman- lage 10, einen Bahnbetrieb, Eigenschaften der Fahrzeuge 18 sowie Begebenheiten eines Geländes und einer Umgebung zu be- rücksichtigen. Mittels des simulierten Betriebs können so Be- triebsparameter der Bahnstromanlage 10 ermittelt werden 102. Üblicherweise werden zu diesem Zweck bereits vorhandene kom- merzielle und bevorzugt validierte Simulationsprogramme her- angezogen. Dabei kann mittels des simulierten Betriebs der Bahnstromanlage 10 aufwandsgünstig überprüft und nachgewiesen werden, ob Vorgaben im Hinblick auf eine Zuverlässigkeit, ei- ne Verfügbarkeit und/oder eine Sicherheit des Betriebs der Bahnstromanlage 10 eingehalten werden. Solche Anforderungen sind unter anderem in technischen Normen geregelt, wie bei- spielsweise in EN 50163 oder EN 50122. Bei den vorgenannten Betriebsparametern handelt es sich beispielsweise um einen Leistungsbedarf einer Last, eine mittels einer Umwandlung ei- ner kinetischen Energie in elektrische Energie erzeugte elektrische Leistung einer Bremsvorrichtung 16, eine Admit- tanz, eine Spannung, eine Stromstärke oder Strom- Spannungskennlinien. Bei der Last kann es sich beispielsweise um ein Fahrzeug 18 handeln, welches mittels der Bahnstroman- lage 10 betrieben wird. Der Leistungsbedarf kann dabei sowohl vom Fahrzeug 18 selbst als auch von einem zu transportieren- den Gewicht, einer Art der Ladung und/oder einer Geländetopo- graphie abhängig sein. Die genannte Admittanz kann eine Admi- ttanz eines Unterwerks 12 oder eine Admittanz entlang eines vorbestimmten Abschnitts eines Fahrleitungssystems 17 betref- fen. Ein solcher vorbestimmter Abschnitt kann beispielsweise einen Abschnitt zwischen Fahrzeugen 18, zwischen einem Unter- werk 12 und einem Fahrzeug 18 oder zwischen verschiedenen Un- terwerken 12 sein. Des Weiteren können Strom- Spannungskennlinien einzelner Fahrzeuge 18, das Fahrleitungs- system 17 oder Abschnitte davon oder Unterwerke 12 sowie an- dere denkbare Teilsysteme 14 der Bahnstromanlage 10 betref- fen. 202219370 13 Des Weiteren ist im vorliegend beschriebenen Beispiel des Verfahrens 100 vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich zu den mittels der Simulation ermittelten Betriebsparametern we- nigstens ein Teil der Betriebsparameter mittels Messungen an der realen Bahnstromanlage 10 ermittelt werden 102. So können einerseits schwer simulativ zu ermittelnde oder mit hohen Un- genauigkeiten behaftete Betriebsparameter einfach und mit ho- her Genauigkeit bestimmt werden. Zudem können auf diese Weise in der Simulation begründete Fehler und/oder Abweichungen einfach erkannt werden. So kann eine Abweichung zwischen ei- ner ermittelten Optimierung des Betriebs der Bahnstromanlage 10 und eines tatsächlichen optimalen Betriebszustands der Bahnstromanlage 10 vermindert werden. In einem weiteren Schritt des vorliegenden Beispiels des Ver- fahrens 100 wird zum Zwecke einer Minimierung einer elektri- schen Verlustleistung der Bahnstromanlage 10 eine Zielfunkti- on erstellt 104. In Abhängigkeit der Begebenheiten einer be- trachteten Bahnstromanlage 10 oder des betrachteten Teils der Bahnstromanlage 10, werden hierzu die betreffende auf die zu- vor genannten Weisen ermittelte 102 Betriebsparameter heran- gezogen. 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, elektri- sche Verluste aufgrund einer Spannungstransformation in den Unterwerken 12 sowie elektrische Verluste aufgrund ungenutz- ter, mittels einer Bremsvorrichtung 16 eines Fahrzeugs 18 ge- nerierten elektrischen Energie, berücksichtigt. Als variable Steuerkenngröße kann eine beliebige, ein jewei- liges Teilsystem 12, 14, 16 der Bahnstromanlage 10 betreffen- de Steuerkenngröße gewählt werden 110. Beispielsweise bietet sich im Falle einer Betrachtung einer spannungsgesteuerten Bahnstromanlage 10 die Wahl einer zu steuernden Betriebsspan- nung eines Teilsystems 12, 14, 16 der Bahnstromanlage 10 an. 202219370 14 Eine solche Betriebsspannung kann unter anderem eine Einspei- sespannung 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 Bei- spiels des Verfahrens 100 wird beispielhaft eine Einspeise- spannung eines Unterwerks 12 der Bahnstromanlage 10 als vari- able Steuerkenngröße gewählt 110. In einer vorteilhaften Aus- führungsvariante wird die genannte Zielfunktion als Teil ei- nes mathematischen Modells vorgesehen. Dieses mathematische Modell weist neben der Zielfunktion des Weiteren Nebenbedin- gungen auf. Diese Nebenbedingungen dienen zweckmäßiger Weise dazu, Anforderungen an einen Betrieb der Bahnstromanlage 10 abzubilden. Für die beispielhaft gewählte Einspeisespannung wird unter Berücksichtigung der vorgenannten Bedingungen ein Wert ermit- telt 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 ab- weicht. Zum Zwecke einer Ermittlung 106 des Werts der Ein- speisespannung 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 vor- genannten Art berücksichtigt. Des Weiteren wird im Rahmen des vorliegend beschriebenen Beispiels des Verfahrens 100 das vorgenannte mathematische Modell, aufweisend die Zielfunkti- on, 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 mathemati- scher Probleme ermöglicht. Die Ermittlung eines exakten Werts für die wenigstens eine variable Steuerkenngröße im Hinblick 202219370 15 auf ein Extremum der Zielfunktion erfolgt iterativ. Dabei be- steht die Möglichkeit, abzuschätzen, wie groß ein Abstand ei- nes iterativ ermittelten Ergebnisses relativ zu einem exakten Ergebnis ist. Hierzu wird vorliegend die dem Fachmann bekann- te duale Schrankenmethode herangezogen. Diese eröffnet die Möglichkeit, die Berechnung eines absoluten Extremums zum Zwecke einer Einsparung von Zeit und Rechenkapazitäten abzu- brechen. Vorliegend erfolgt ein solcher Abbruch beispielhaft, sobald eine Wert der Einspeisespannung ermittelt wird, wel- chem mittels der Zielfunktion ein Zielfunktionswert zugeord- net wird, welcher um höchstens 10 % von dem absoluten Minimum der Zielfunktionswerte abweicht. Unter Anbetracht eines er- forderlichen Zeit- und Rechenaufwands ist die relative Abwei- chung vom absoluten Extremum an vorgegebene Erfordernisse an- passbar. So wird es ermöglicht, den Wert der Steuerkenngröße unter Echtzeitbedingungen zu bestimmen und eine energieeffi- ziente 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 vorgege- ben. Des Weiteren sieht das vorliegend im Zusammenhang mit FIG 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 Be- triebsparameter werden sodann in der Zielfunktion berücksich- tigt. 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 Ein- speisespannung auf Basis verschiedener Betriebszeitpunkte oder ein einzelner Wert einer Einspeisespannung auf Basis ei- 202219370 16 nes vorbestimmten Betriebszeitraums ermittelt 106. Des Weite- ren werden bei der Ermittlung 106 des Werts der Einspeise- spannung Standortinformationen der mittels der Bahnstromanla- ge 10 betriebenen Fahrzeuge 18 berücksichtigt. Diese Standor- tinformationen finden zunächst Eingang bei der Ermittlung der Betriebsparameter 102. Auf diese Weise können möglicherweise von Fahrplandaten oder Dienstplandaten abweichende tatsächli- che Standorte von Fahrzeugen 18 erkannt werden. Des Weiteren können so Fahrzeuge 18 berücksichtigt werden, welche sich we- der nach Maßgabe eines Fahrplans noch eines Dienstplans in der Bahnstromanlage 10 bewegen. Eine Ermittlung 106 eines Werts der Einspeisespannung auf Basis eines vorgegebenen Be- triebszeitraums 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 ein- stellbare Steuerkenngröße ermittelt werden 106. So kann auf Basis des genannten Werts ein möglichst effizienter Betrieb der Bahnstromanlage während des vorgegebenen Betriebszeit- raums realisiert werden. Ferner ermöglicht die Ermittlung 106 des Werts der Steuerkenngröße auf Basis eines Betriebszeit- raums, dass im Rahmen der Simulation für einen vorgegebenen Betriebszeitraum charakteristische Eigenschaften berücksich- tigt 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 wer- den. Beispielsweise werden sich ändernde elektrische Lasten aufgrund hoher Temperaturen im Sommer oder sehr niedriger Temperaturen im Winter berücksichtigt. FIG 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage 10, welches dazu eingerichtet ist, das zuvor im Zusammenhang mit FIG 1 beschriebene Beispiel des Verfahrens 100 durchzuführen. 202219370 17 Das in FIG 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage 10 ist schematisch dargestellt. Beispielhaft sind zwei Unter- werke 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 Un- terwerken 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 Un- terwerks 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 zurückzu- speisen. Mittels des in FIG 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Bahnstromanlage 10 werden drei Fahrzeuge 18 betrieben. Beispielhaft handelt es sich bei den Fahrzeugen 18 um schie- nengebundene 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. Des Weiteren sieht das in FIG 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Bahnstromanlage 10 eine Steuervorrichtung 20 vor. Diese Steuervorrichtung 20 ist dazu eingerichtet, das im Zusammen- hang mit FIG 1 beschriebene Verfahren 100 durchzuführen. Mit- tels des Verfahrens 100 wird hierbei für jedes der zwei ge- zeigten Unterwerke 12 jeweils ein eigener Wert für die bei- spielhaft als Steuerkenngröße gewählte Einspeisespannung er- mittelt 106. Darüber hinaus ist alternativ oder zusätzlich denkbar, dass sowohl für die Antriebe 14 der Fahrzeuge 18 als 202219370 18 auch für die Bremsvorrichtungen 16 der Fahrzeuge 18 jeweils ein eigener Betriebsspannungswert als Steuerkenngröße ermit- telt wird 106. Vorliegend ist die Steuervorrichtung 20 ferner dazu einge- richtet, Betriebsparameter mittels einer Messung während ei- nes laufenden Betriebs der Bahnstromanlage 10 zu ermitteln 102. Des Weiteren wird mittels der Steuervorrichtung 20 auf Basis der beispielhaft ermittelten Werte für die Einspeise- spannung 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. Betrachtet man vor diesem Hintergrund eine Bewegung der Fahr- zeuge 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 ei- ner mittels der Zielfunktion abgebildeten elektrischen Ver- lustleistung betrieben werden. Indem mittels des beschriebe- nen Beispiels des Verfahrens 100 rasch und zuverlässig Werte für die beispielhaft als Steuerkenngröße genannte Einspeise- spannung ermittelt werden 106, kann so eine optimierte Steue- rung 108 des Betriebs der Bahnstromanlage 10 unter Echtzeit- bedingungen realisiert werden. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh- rungen näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Er- findung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. 202219370 19 Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder ^{anderer Geschlechteridentität mit umfasst.}

Claims

202219370 20 Patentansprüche 1. Verfahren (100) zum Betrieb einer Bahnstromanlage (10), bei welchem - Betriebsparameter zum Zwecke eines Betriebs der Bahnstrom- anlage (10) mittels eines simulierten Betriebs eines virtuel- len Abbilds der realen Bahnstromanlage (10) ermittelt werden (102); - eine Zielfunktion auf Basis wenigstens eines Teils der auf die zuvor genannte Weise ermittelten (102) Betriebsparameter sowie wenigstens einer variablen Steuerkenngröße erstellt wird (104); - ein Wert der wenigstens einen Steuerkenngröße ermittelt wird (106), welchem mittels der Zielfunktion ein Zielfunkti- onswert 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 (106) Werts der wenigstens einen Steuerkenngröße der Betrieb der Bahnstromanlage (10) gesteuert wird (108). 2.Verfahren (100) nach Anspruch 1, bei welchem der Wert der wenigstens einen variablen Steuer- kenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitpunkts der Bahnstromanlage (10) ermittelt wird (106). 3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Wert der wenigstens einen variablen Steuer- kenngröße auf Basis einer Standortinformation eines mittels der Bahnstromanlage (10) betriebenen Fahrzeugs (18) ermittelt wird (106). 4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wert der wenigstens einen variablen Steuer- kenngröße auf Basis eines vorbestimmten Betriebszeitraums der Bahnstromanlage (10) ermittelt wird (106). 202219370 21 5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem als die wenigstens eine variable Steuerkenngröße eine elektrische Betriebsspannung eines Teilsystems (12, 14, 16) der Bahnstromanlage (10) gewählt wird (110). 6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, bei welchem als die wenigstens eine variable Steuerkenngröße eine Einspeisespannung eines Unterwerks (12) der Bahnstroman- lage (10) gewählt wird (110). 7. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem für mehrere Teilsysteme (12, 14, 16, 17) der Bahnstromanlage (10) jeweils ein eigener Wert für die wenigs- tens eine variable Steuerkenngröße ermittelt wird (106). 8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, bei welchem für verschiedene Unterwerke (12) jeweils ein ei- gener Wert für die Einspeisespannung ermittelt wird (106). 9. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem wenigstens ein Teil der Betriebsparameter zum Zwecke eines Betriebs der Bahnstromanlage (10) mittels Mes- sungen an der realen Bahnstromanlage (10) ermittelt werden (102). 10. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine Zielfunktion erstellt wird (104), mittels welcher eine elektrische Verlustleistung in Abhängigkeit der wenigstens einen variablen Steuerkenngröße abgebildet wird. 11. Verfahren (100) nach Anspruch 10, bei welchem eine Zielfunktion erstellt wird (104), mittels welcher elektrische Übertragungsverluste, elektrische Verlus- te aufgrund einer Spannungstransformation und/oder elektri- sche Verluste aufgrund ungenutzter, mittels einer Bremsvor- richtung (16) eines Fahrzeugs (18) generierten elektrischen Energie, abgebildet werden. 202219370 22 12. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wert der wenigstens einen variablen Steuer- kenngröße mittels eines computerimplementierten mathemati- schen Problemlösers ermittelt wird (106). 13. Bahnstromanlage (10) aufweisend eine Steuervorrichtung (20), welche dazu eingerichtet ist, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen. 14. Computerprogramm, welches bei dessen Ausführung die Steu- ervorrichtung (20) der Bahnstromanlage (10) nach Anspruch 13 dazu veranlasst, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen. 15. Computerlesbares Medium aufweisend Instruktionen, welche die Steuervorrichtung (20) der Bahnstromanlage (10) nach An- spruch 13 dazu veranlassen, das Verfahren (100) nach einem ^{der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.}