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1、直流牵引供电仿真分析软件 DC Traction Power System Simulator DCTPS 西南交通大学电气工程学院 城市轨道供电研究课题组 成都尚华电气有限公司 李群湛、刘炜 2013-5-5 第部分 城市轨道交通列车牵引计算 主要内容 背景、现状、主要研究工作 列车牵引计算理论基础 城市轨道列车运行控制策略研究 城市轨道列车运行模拟系统 城市轨道交通列车技术参数 算例 一、背景、现状和主要研究内容 到2020年我国城市轨道交通线路将达到2000公里至2500 公里。 虽然我国在列车自动控制系统(ATC)方面已经进行了多 年的研究和开发工作，但目前的发展水平还不能适应国内 城
2、市轨道交通的发展需要。 城市轨道交通运输采用高密度行车，有时甚至达到120 秒的运行间隔，节能问题更凸显其重要性。 对城市轨道列车的控制模式、操纵优化以及运行仿真 进行深入研究，可发现列车运行过程的影响因素，有助于 提高列车控制水平，在保证服务质量的同时降低运行能耗。 国内外研究现状 列车运行优化控制 机械能模型和能耗模型。 满意优化的列车优化控制。 根据专家知识和优秀司机经验，基于模糊控制的列车运 行优化方法。 基于经典搜索算法和遗传算法等的惰行控制策略。 移动闭塞下，基于事件的控制技术的单列车控制模型。 先局部再整体的求解方法，引入专家知识作为指导的城 轨列车运行计算模拟系统。 动态规划法
3、求解列车最小能量控制模型。 极小值原理推导的最优控制理论。 模糊神经网络下的列车运行控制。 软件仿真平台牵引计算部分主要内容 1. 研究了列车牵引计算理论并建立了仿真模型。 2. 三种列车牵引策略：列车节时运行策略、目标速度运行 策略和定时节能运行策略。 3. 收集并整理列车牵引计算和牵引供电设计用必需的车辆 参数。 4. 建立了城市轨道列车运行仿真模块(UrtSim-ITPS)模块。 牵引力F： 制动力B： 基本阻力w0： 列车运行的力学模型 , ft Fu f v E , bt Bu b v E 2 0 wabvcv 600 jis r r i w www i w R w 单位加算 坡道阻
4、力 1 600 ri jiisisi i l wxi lw l LR 二、列车牵引计算理论基础 列车运行模型的求解 合力 牵引工况 惰行工况 制动工况 运动方程 加速度 g a c )1 (1000 0 () j F cww PG g 0j cww 0 () j B cww PG g 21 22 21 21 2 VVa t VV SS a 离散求解 单质点模型与多质点模型 牵引力 基本阻力 附加阻力 制动力 牵引力 阻力 单质点 模型 多质点 模型 1 600 ri jiisisi i l wxi lw l LR 三、城市轨道列车运行控制策略的研究 节时运行控制策略 0 1 0 0 0 1 m
5、in 1 . . 0,0 ,0,1,0,1 ftf tx x fb j f fb Jdtdx v dt dxv st ux f vux b v dv vwvwx dxMg v xv x vV xuu 牵引策略：以全力牵引启动，采用最大能力加速至 限速，中间过程贴近线路限速匀速运行，当限速升高时， 采用全力牵引将列车速度提高至限速后保持恒速，当限 速降低时，最大能力制动减速，进站时，列车采用全力 制动进站停车。 定时节能运行控制策略 现代城轨列车多采用无级调速，列车牵引力和制动 力可在零和最大值之间连续取值，宜采用连续控制的机 械能模型建模。 0 2 0 00 min 1 . . 0,0,0 ,
6、0,1,0,1 f x f x fb j ff fb Jux f v dx dt dxv st ux f vux b v dv vwvwx dxMg t xt xT v xv x vV xuu 陡上坡 wj(x)f(v)/Mg-w0(v)，列车运行在陡上坡时，即使 用全力牵引，速度仍要降低。在陡上坡上，一般采用全 力牵引使列车的动能不致损失过多； 陡下坡 wj(x)-w0(v)，列车运行在陡下坡时，即使采用惰 行工况，速度仍要上升。在陡下坡上，可采用惰行工况， 以达到节能的效果； 普通坡道 除以上两种情况下，列车均运行在普通坡道上。 坡道分类坡道分类 节能操纵的控制策略集合S=si=全力牵引(
7、Full power，FP)， 部分牵引(Partial power，PP)，惰行(Coasting，C)，部分制动 (Partial braking，PB)，全力制动(Full braking，FB)。 FP使用在临近陡上坡或限速上升处；PP用在普通坡道上，使 列车克服阻力保持恒速；PB发生在陡下坡，列车运行速度接 近限速时；FB运用在制动进站或限速下降处；C运用在临近 陡下坡、限速下降的区域或其他调整运行时间的区域。 牵引策略牵引策略 目标速度运行控制策略 1、起始阶段，列车在启动阶段，以最大牵引力牵引， 当速度大于目标速度下限V2时，转入目标速度运行阶段。 2、目标速度运行阶段，当列车速
8、度大于目标速度下限 时，将进入该阶段。 3、制动停车阶段，为了保证列车停车精度，当列车距前 方停车站的距离小于设定的停车检查距离(300米)的时候， 开始进入列车进站停车制动验算，在进站停车制动验算 中，列车以最大制动力制动。 1 .V kmh 车站 全力制动工况下的 速度位置曲线 列车运行速 度位置曲线 S km 限速示意 反推的方法实 现精确停站 自动进站过程分析 已掌握的城轨列车参数 深圳地铁一期工程列车数据 广州地铁1号线列车数据 广州地铁2号线列车数据 广州地铁3号线列车数据 广州地铁4号线列车数据 上海地铁1号线列车数据 上海地铁2号线列车数据 天津地铁1号线列车数据 天津轻轨滨海
9、线列车数据 四、城市轨道列车运行模拟系统的开发 使用统一建模语言(Unified Modeling Language，简称 UML)，对城轨牵引供电仿真软件UrtSim的设计进行了描述 ；在Windows操作平台上，以Visual C+.Net2005为开发工 具，采用Factory、Prototype、Observer、Chain of Responsibility等设计模式开发。 用例图 类图 顺序图 合作图 对象图 活动图 状态图 构件图 配置图 需求分析与设计实现 功能分析 系统分析与设计 整体结构整体结构 类图设计类图设计 状态图状态图 序列图序列图 系统实现 结 论 列车运行仿真是
10、城市轨道牵引供电计算的基础，牵引 计算给出列车在线路上运行的位置、取流、功率与运行 时间的函数关系。 1、在本软件中，列车运行模拟采用多质点模型模拟，更 真实的反映列车运行。 2、在现阶段的运营实践中，列车运行接近节时运行策略。 在设计阶段的仿真中，可采取节时运行策略模拟列车运 行，以考虑较恶劣的运行情况。 3、在城市轨道列车牵引计算理论研究的基础上，实现了 城市轨道牵引供电系统DCTPS的ITPS(改进的列车运行模 拟)模块。该模块的输出可为直流牵引供电计算提供参数， 作为牵引供电系统设计的基础数据。 第部分 直流牵引供电仿真系统 主要内容 背景、现状、主要研究工作 考虑杂散电流收集网的多导
11、线直流牵引供电仿真 城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算 直流牵引供电系统稳态短路计算 城市轨道谐波分析计算 直流牵引供电仿真系统 一、背景、现状和主要研究内容 牵引供电计算在列车牵引计算、行车组织的基础上， 计算多列车在线路上运行时的牵引网网压、牵引供电系统 能耗等多项电能质量指标。 供电计算是开展城轨供电系统设计的基础和依据，供 电系统的主要电气参数、供电设备的性能指标要求，供电 方案的可行性和合理性、继电保护的动作整定值等都需要 通过供电计算来确定。牵引供电系统仿真可对供电系统工 程进行辅助设计，进行多方案的比选、优化设计方案、提 高设计效率、节省工程投资、减少运营成本、指导现有系 统的
12、运营。 城市轨道牵引供电计算 整流机组交直流变换模型六脉波、十二脉波。 多支路情况下考虑复杂地网模型的城市轨道直流牵引供电 仿真模型。 城轨杂散电流分布的数学模型，3层、4层网络模型。 城轨杂散电流综合监测与防治系统。 基于CAD技术、电路网络理论的城轨牵引供电仿真方法。 回路法求解的城轨牵引供电仿真软件URTPS。 RS模型及其算法。 城轨牵引网故障暂稳态过程。 考虑再生制动情况下的城市轨道铁道牵引供电计算方法。 地面制动电阻吸收装置的短时功率和持续功率等电气参数 的计算方法。 国内外研究现状 城市轨道牵引供电仿真分析软件 Carnegie-Mellon大学的EMM。 ELBAS公司的SIN
13、ANET。 OPEN TRACK & POWER NET 。 Balfour Beatty公司的RAILPOWER。 城市轨道列车运行仿真系统。 城市轨道交通牵引供电仿真软件URTPS 。 SUPPLY 2000。 牵引供电算法的分类 平均运量法 概率统计法 列车运行图法 直流牵引供电计算主要内容 1、建立了综合考虑杂散电流收集网的多导线直流牵引供电 仿真模型。 2、提出一种交直流统一的城市轨道牵引供电计算方法。 3、系统研究了城市轨道交流供电系统三相短路计算、两相 短路计算、单相接地短路计算、直流牵引网短路计算问题 4、建立城市轨道交通供电系统谐波渗透仿真系统。 5、实现了直流牵引供电仿真软
14、件DCTPS-MCENS和DCTPS- UENS模块。 二、考虑杂散电流收集网的多导线直流 牵引供电系统仿真 列车运行仿真是城市轨道牵引供电计算的基础，牵引计 算给出列车在线路上运行的位置、取流、功率与运行时间的 函数关系。城市轨道运行线路一般运行同型列车，根据牵引 计算结果与运行图可确定任一运行时刻，线路上多列车位置 和功率的分布，由牵引供电计算获得牵引网网压，变电所电 压、电流以及负荷变化过程。 课题提出了考虑杂散电流收集网在内的直流牵引供电系统 数学模型。在此基础上实现了多导线城市轨道交通直流牵引 供电仿真模块(Multi-Conductor Electric Network Simul
15、ator，简 称MCENS) 多导线牵引供电系统结构 上行接触网 下行接触网 上行钢轨 下行钢轨 道床、隧道钢筋 RS RS 多折线整流机组外特性模型 . . . . . . . . . . A i B i C i 1B i 2A i 1C i 2B i 2C i 1 A 1 C 1 B 1 a 2 a . . 1 b 1 c 2 b 2 c C X 159 7 3 210 11 6 8412 1d i 2d i d i 1a i 1b i 1c i 1A i 2a i 2b i 2c i 桥桥2 桥桥1 P N P N S N /3 S N d U S V 24脉波整流机组 12脉波整流机组原理 1 12 S s Xx k Xxx 耦合系数： 0 Cd d X I RF V 电抗因素： 33 * 0.52(1) xtNxBd xtNkd dK x I dxI 直流电压调整率： 变电所整流机组外特性曲线 1 3 2 ddocd VVX I 22 2 2( 31)13 423 () ddocd VVX I
