基于区间临时限速的城市轨道交通供电电流尖峰抑制方法与流程

本发明涉及城市轨道交通技术领域，特别是一种基于区间临时限速的城市轨道交通供电电流尖峰抑制方法。

背景技术：

城市轨道交通供电系统是城市轨道交通运营的动力来源，负责电能的供应与运输，提供列车运行用电及车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力和照明用电。供电系统应具有较高的安全性和可靠性，以保障用电。在实际线路运营中，由于线路的行车密度过大、载客量过大、抢修及其他恶劣工况，会造成牵引降压混合变电站频繁出现电压冲击和电流冲击，导致供电电流尖峰，引发高速断路器跳闸，严重影响乘客服务质量和运营的安全。

针对由于供电电流尖峰引起的频繁跳闸事故，城市轨道交通供电系统设有大电流脱扣保护、ddl保护、定时限过电流保护以及接触网热保护。目前针对跳闸事故，常用的改进措施有：提高逻辑中差分电流的整定电流，扩大整定电流范围；适当延长高速断路器的过滤时间；改进高速断路器的控制回路和机械传动部分。但上述方案存在以下问题：(1)过度提高直流柜整定电流范围将增加设备发热量，降低元件灵敏度，导致元件老化，增大了供电系统的安全隐患；(2)适当延长高速断路器的过滤时间将违背高速断路器的保护本质，过滤时间难以明确；(3)高速断路器改造涉及变电站设备较多，增加了实施难度和预期成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够抑制供电电流尖峰、预防跳闸事故、可调性强的城市轨道交通供电电流尖峰抑制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于区间临时限速的城市轨道交通供电电流尖峰抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立列车牵引供电系统模型；

步骤2、建立列车运行数据模块；

步骤3、建立未设置区间临时限速的列车运行特性模块；

步骤4、建立已设置区间临时限速的列车运行特性模块；

步骤5、遍历所有时间得到临时限速模式下的变电站馈线柜电流，与未进行临时限速模式下的变电站馈线柜电流对比，检验临时限速对于抑制供电电流尖峰的效果。

进一步地，步骤1所述的建立列车牵引供电系统模型，包括列车模型、变电站模型、接触网模型和回流网模型；

所述列车模型中，受电弓电流为列车动车的牵引变流器电流与列车拖车的辅助变流器电流之和，即四个列车中每个列车上的两个受电弓之和，且为牵引电抗器箱滤波之前的电流；所述受电弓电流，取列车司机室内车辆控制单元vcu中的事件记录仪evr记录的受电弓电流，若列车司机室内车辆控制单元vcu中的事件记录仪evr为保护作用，其记录的受电弓电流仅为列车上牵引变流器电流及辅助变流器电流的较大值，则受电弓电流取车底的霍尔电流传感器测得的电流；

所述变电站模型中，列车取流自牵引变电站的四台直流馈线柜，其中两台为上行接触网供电，另外两台为下行接触网供电，且包含了有源逆变柜的能量回馈；

所述接触网模型中，接触网电阻与接触网长度呈线性关系；

所述回流网模型中，回流网电阻与轨道长度呈线性关系。

进一步地，步骤2所述的建立列车运行数据模块，包括列车数据模块、变电站数据模块和线路数据模块；

所述列车数据模块，提供列车车体编号、载客量、基本阻力参数、附加阻力参数和列车牵引制动特性；

所述变电站数据模块，提供变电站等效内阻、开路电压、分段开始电流和分段截止电流；

所述线路数据模块，提供站点位置、线路变电站分布位置、变电站数量、接触网单位阻抗和轨道单位阻抗。

进一步地，步骤3所述的建立未设置区间临时限速的列车运行特性模块，提供列车区间运行时间、功率、位置以及受电弓电流之间的动态对应关系，该动态对应关系从车辆控制单元vcu中的事件记录仪evr数据得到；并提供相邻列车间随时间偏移的动态接触网阻抗和动态轨道阻抗数据。

进一步地，步骤4所述的建立已设置区间临时限速的列车运行特性模块，包括根据允许供电电流峰值判断是否需要进行限速、设置与供电电流峰值匹配的限速模式；

所述根据允许供电电流峰值判断是否需要进行限速，具体为：若存在时刻，所有列车从接触网取流的总和高于允许的供电电流峰值，则进行限速，反之则无需限速；

所述设置与供电电流峰值匹配的限速模式，具体为：根据规则设置限速起始时间、限速结束时间和限速等级。

进一步地，所述根据允许供电电流峰值判断是否需要进行限速，具体为：

当列车未设置临时限速时，在一个供电分区内，所有列车从变电站取流为

如果ineed(t)＞ip，则必须设置限速，反之无需进行限速；

式中，ineed(t)为有多个列车接近同时启动时从牵引网取流的动态值；ip为变电站馈线柜在保护范围内允许的供电电流峰值；k为列车编号；ik(t)为编号为k的列车随时间变化的受电弓电流；ck为编号为k的列车从牵引网的取流系数；k为一个供电分区内的列车总数。

进一步地，所述设置与供电电流峰值匹配的限速模式，包括限速起始时间tma、限速结束时间tmb以及限速等级vmd，按照以下规则设置限速模式：

tmβ＝tmα+δtmαβ

vmin≤vki≤vmax

式中，ip为变电站馈线柜在保护范围内允许的供电电流峰值；m为设置区间临时限速的列车的编号；m为设置区间临时限速的列车的数目；n为未设置区间临时限速的列车的编号；n为未设置区间临时限速的列车的数目；cm、cn为编号为m、n的列车的取流系数，与距离变电站的长度成反比；im(t)、in(t)为编号为m、n的列车随时间变化的受电弓电流；tmα为编号为m的列车限速起始时间；tmβ为编号为m的列车限速结束时间；δtmαβ为编号为m的列车限速持续时间；λm为限速时间调整因子；vmd为限速等级；vk(t),tk分别为限速前的列车区间运行速度和区间运行时间；v'k(t),t'k分别为限速后的列车区间运行速度和区间运行时间；s为区间的距离；vmin、vmax为区间内允许的最低临时限速值和区间内允许的最高运行速度；

根据上述求得的限速模式，设置区间临时限速的列车运行特性模块，提供设置临时限速工况下，列车区间运行时间、功率、位置以及受电弓电流之间的动态关系，提供相邻列车间随时间偏移的动态接触网阻抗和动态轨道阻抗。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)无须对现有变电站设备速断保护值进行重新整定，仅须在对应区间内设置临时限速，即可缓解变电站负荷压力，抑制供电电流尖峰，预防跳闸事故；(2)可行性高，对现有的列车运行图影响不大；(3)成本低，仅对现有线路区段进行限速设置，无须添加任何电气设备；(4)可调性强，可以针对线路中供电电流尖峰的限定值调节各个变量达到期望值；(5)有效分配了相邻区间列车的启动取流的负荷需求，减轻了城市轨道交通牵引变电站的峰值压力。

附图说明

图1是本发明基于区间临时限速的城市轨道交通供电电流尖峰抑制方法的流程图。

图2是本发明实施例中某区间未设置限速和已设置限速模式(14.2s,40.5s，45km/h)下的速度曲线图。

图3是本发明实施例中某区间未设置限速和已设置限速工况(14.2s,40.5s，45km/h)下电流曲线图。

图4是本发明实施例中未设置临时限速的牵引变电站馈线电流幅值示意图。

图5是本发明实施例中区间ab设置临时限速的牵引变电站馈线电流幅值示意图。

图6是本发明实施例中区间bc设置临时限速的牵引变电站馈线电流幅值示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

结合图1，本发明基于区间临时限速的城市轨道交通供电电流尖峰抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立列车牵引供电系统模型，包括列车模型、变电站模型、接触网模型和回流网模型，具体如下：

所述列车模型中，受电弓电流为所有受电弓电流的总和，且为牵引电抗器箱滤波之前的电流；具体来说，受电弓电流为列车动车牵引变流器电流与车拖车的辅助变流器电流之和，即四个列车中每个列车上的两个受电弓之和，且为牵引电抗器箱滤波之前的电流；所述受电弓电流，取列车司机室内车辆控制单元vcu中的事件记录仪evr记录的受电弓电流，若列车司机室内车辆控制单元vcu中的事件记录仪evr为保护作用，其记录的受电弓电流仅为列车上牵引变流器电流及辅助变流器电流的较大值，则受电弓电流取车底的霍尔电流传感器测得的电流；

所述变电站模型中，列车取流自牵引变电站的四台直流馈线柜，其中两台为上行接触网供电，另外两台为下行接触网供电，且包含了有源逆变柜的能量回馈；

所述接触网模型中，接触网电阻与接触网长度呈线性关系；

所述回流网模型中，回流网电阻与回流网长度呈线性关系。

步骤2、建立运行数据模块，包括列车数据模块、变电站数据模块和线路数据模块，具体如下：

所述列车数据模块，提供列车车体编号、载客量、基本阻力参数、附加阻力参数和列车牵引制动特性；

所述变电站数据模块，提供变电站等效内阻、开路电压、分段开始电流和分段截止电流；

所述线路数据模块，提供站点位置、线路变电站分布位置、变电站数量、接触网单位阻抗和轨道单位阻抗。

步骤3、建立未设置区间临时限速的列车运行特性模块，具体如下：

未设置区间临时限速的列车运行特性模块，提供列车区间运行时间、功率、位置以及受电弓电流之间的动态对应关系，该动态对应关系从车辆控制单元vcu中的事件记录仪evr数据得到；并提供相邻列车间随时间偏移的动态接触网阻抗和动态轨道阻抗数据。

步骤4、建立已设置区间临时限速的列车运行特性模块，包括根据允许供电电流峰值判断是否需要进行限速、设置与供电电流峰值匹配的限速模式；具体如下：

步骤4-1、所述根据允许供电电流峰值判断是否需要进行限速，具体为：若存在时刻，所有列车从接触网取流的总和高于允许的供电电流峰值，则进行限速，反之则无需限速；

所述根据允许供电电流峰值判断是否需要进行限速，具体为：

当列车未设置临时限速时，在一个供电分区内，所有列车从变电站取流为

如果ineed(t)＞ip，则必须设置限速，反之无需进行限速；

式中，ineed(t)为有多个列车接近同时启动时从牵引网取流的动态值；ip为变电站馈线柜在保护范围内允许的供电电流峰值；k为列车编号；ik(t)为编号为k的列车随时间变化的受电弓电流；ck为编号为k的列车从牵引网的取流系数；k为一个供电分区内的列车总数。

步骤4-2、所述设置与供电电流峰值匹配的限速模式，具体为：根据规则设置限速起始时间、限速结束时间和限速等级；

所述设置与供电电流峰值匹配的限速模式，包括限速起始时间tma、限速结束时间tmb以及限速等级vmd，按照以下规则设置限速模式：

tmβ＝tmα+δtmαβ

vmin≤vki≤vmax

式中，ip为变电站馈线柜在保护范围内允许的供电电流峰值；m为设置区间临时限速的列车的编号；m为设置区间临时限速的列车的数目；n为未设置区间临时限速的列车的编号；n为未设置区间临时限速的列车的数目；cm、cn为编号为m、n的列车的取流系数，与距离变电站的长度成反比；im(t)、in(t)为编号为m、n的列车随时间变化的受电弓电流；tmα为编号为m的列车限速起始时间；tmβ为编号为m的列车限速结束时间；δtmαβ为编号为m的列车限速持续时间；λm为限速时间调整因子；vmd为限速等级；vk(t),tk分别为限速前的列车区间运行速度和区间运行时间；v'k(t),t'k分别为限速后的列车区间运行速度和区间运行时间；s为区间的距离；vmin、vmax为区间内允许的最低临时限速值和区间内允许的最高运行速度；

步骤4-3、根据步骤4-2求得的限速模式，设置区间临时限速的列车运行特性模块，计算设置区间临时限速工况下，列车区间运行时间、功率、位置以及受电弓电流之间的动态关系，计算相邻列车间随时间偏移的动态接触网阻抗和动态轨道阻抗。

步骤5、根据列车运行特性仿真得到未设置区间临时限速模式下和已设置区间临时限速模式下的速度曲线和电流曲线，遍历所有时间步长得到已设置区间临时限速模式下的变电站馈线柜电流ilimited(t)，与未设置区间临时限速模式下的变电站馈线柜电流对比，进而验证临时限速对于抑制供电电流尖峰的效果。

实施例1

现以某地铁线路的一个供电分区为例，该供电分区共包含4个站点，三个区间，两个牵引变电站。其区间临时限速设置步骤如下：

步骤1、建立列车牵引供电系统模型，包括建立列车模型、变电站模型、接触网模型和回流网模型。

步骤2、建立运行数据模块，包括列车数据模块、变电站数据模块和线路数据模块。

步骤3、建立未设置区间临时限速的列车运行特性模块，提供列车区间运行时间、功率、位置以及受电弓电流之间的动态关系，具体如下：

步骤3.1、从车载车辆控制单元vcu中的事件记录仪evr中下载.evr类型的数据，采样周期为50ms；

步骤3.2、evr数据中不记录站点信息，按速度积分计算区间距离寻找到电流对应区间；

步骤3.3、以动态查表方式获取相邻列车的距离；

步骤3.4、将时间、距离和电流的对应关系导入数据模块；

步骤3.5、设置最高运行速度不高于70km/h。

步骤4、建立设置区间临时限速的列车运行特性模块。

步骤4.1、结合图4，根据公式知，在t＝17.14s时，变电站馈线电流值ineed(t)为4185a，高于变电站馈线柜在保护范围内允许的供电电流峰值4060a，所以需要进行区间临时限速，以避开多车同时启动时变电站的负荷压力；

步骤4.2、根据限速规则公式，得到一组限速模式，设置限速起始时间tmα＝14.2s，限速结束时间tmβ＝40.5s，限速等级vmd＝45km/h。

步骤5、根据列车运行特性仿真得到未设置区间临时限速模式下和已设置区间临时限速模式下的速度曲线和电流曲线，遍历所有时间步长得到已设置区间临时限速模式下的变电站馈线柜电流ilimited(t)，与未设置区间临时限速模式下的变电站馈线柜电流对比，进而验证临时限速对于抑制供电电流尖峰的效果。

结合图2、图3，可知列车运行从14.2s开始限速，此时列车受电弓取流不会继续上升，限速值为45km/h；至40.5s，列车限速结束，速度从45km/h开始攀升，列车受电弓取流负荷加大用于提高列车速度。经过限速后，列车的电流峰值得到了偏移，避开了多车同时启动时的集中负荷压力。

结合图5、图6，两变电站馈线柜电流的峰值分别为3063a和2988a，低于变电站馈线柜在保护范围内允许的供电电流峰值4060a，明显抑制了供电电流尖峰。