一种城轨列车时刻表和双向变流器运行特性优化方法

本发明涉及列车运行与供电参数综合优化领域，具体涉及一种城轨列车时刻表和双向变流器运行特性优化方法。

背景技术：

1、现有的研究大多都是基于列车发车策略固定模式下双向变流装置运行特性优化研究，忽略了列车群运行策略对可逆牵引供电系统能量传输、利用与反馈过程产生的影响，导致优化结果还存在进一步优化的空间。

2、现有技术(陈雯.基于双向变流装置的城轨牵引变电站电压优化控制策略[d].北京:北京交通大学,2022)研究了列车运行发车间隔时间固定的前提下基于双向变流装置的城轨牵引变电站运行特性离线优化方法，通过改变双向变流器的空载电压、下垂斜率等参数以实现最小化能耗成本与电压波动极差的优化目标。但该技术存在如下缺点：

3、1)没有考虑双向变流器全生命周期下列车运行成本的贴现价值。

4、2)没有综合考虑在单日时间窗发车车次固定的约束下协同优化列车时刻表和双向变流器运行特性的优化问题。

5、3)没有综合考虑能耗成本、双向变流装置安装成本与电压值波动程度之间协调优化问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种城轨列车时刻表和双向变流器运行特性优化方法解决了现有技术未兼顾经济成本和牵引网电压稳定性的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、提供一种城轨列车时刻表和双向变流器运行特性优化方法，其包括以下步骤：

4、s1、获取列车数据和线路数据；

5、s2、通过暴力搜索算法搜索相邻车次发车间隔生成发车数量固定的所有全天可行发车策略及相应的时刻表集合；

6、s3、根据极大值原理计算列车在设定的区间运行时间下列车在全线所有区间内运行时每一时刻的速度，得到速度曲线；

7、s4、根据速度曲线计算列车在全线所有区间内运行时每一时刻的列车功率和运行位置；

8、s5、基于运行时每一时刻的列车功率和运行位置，通过粒子群算法得到不同时刻表下最小成本以及相对应的双向变流器运行参数综合方案；

9、s6、输出成本最小的时刻表和双向变流器空载电压、限制电压与下垂斜率方案，完成城轨列车时刻表和双向变流器运行特性优化。

10、进一步地，步骤s1中列车数据包括列车质量m；线路数据包括的牵引变电站数量n、区间数量q、上下行列车在全线各区间运行时间r、各站点停站时间d、单日总时间窗t、单日单行发车车次s、上下行首班车发车间隔k、相邻两列列车发车间隔的最大值hmax、最小值hmin、离散步长δh、牵引变电站空载电压范围限制电压范围和下垂斜率范围[kmin,kmax]。

11、进一步地，步骤s2的具体方法为：

12、通过暴力搜索算法搜索满足以下约束条件的全天发车策略及相应的时刻表集合：

13、

14、

15、

16、

17、其中为上行列车在第n个站的停站时间；为上行列车在第q个区间的运行时间；为上行列车在第s次与第s+1车次的发车间隔；为下行列车在第n个站的停站时间；为下行列车在第q个区间的运行时间；为下行列车在第s次与第s+1车次的发车间隔。

18、进一步地，步骤s4的具体方法为：

19、根据公式：

20、

21、

22、获取第m个运行区间第d时刻的列车功率和运行位置其中为第m个运行区间第d时刻的运行速度；η为网力转化效率；为第m个运行区间第d时刻的列车牵引力；为第m个运行区间第d时刻的列车制动力；m为列车质量；为第m个运行区间第d0+1时刻的运行速度；为第m个运行区间第d0时刻的运行速度。

23、进一步地，步骤s5的具体方法包括以下子步骤：

24、s5-1、输入列车在全线所有区间内运行时功率曲线，设定双向变流器基本单价c0、单位容量成本c、全生命周期年数l、电费单价a、年折现率r、全年支付期数p、三维粒子(uno,ulim,k)，以及成本函数的线性权重α和β；

25、s5-2、计算时刻表xj下总时间窗t内所有运行列车的功率-位置-时间数据；

26、s5-3、初始化粒子群速度和位置其中和分别表示空载电压uno、限制电压ulim和下垂斜率k；和分别表示空载电压uno、限制电压ulim和下垂斜率k的搜索速度；

27、s5-4、通过潮流计算得到所有牵引变电站在总时间窗内时刻t的电压矩阵u(t)和电流矩阵i(t)；

28、s5-5、基于电压矩阵u(t)和电流矩阵i(t)计算单日总时间窗内可逆变电所总输出能耗esub以及全线变电所平均电压波动率通过空载电压uno、限制电压ulim和下垂斜率k计算双向变流器逆变器的额定功率pmax；

29、s5-6、根据双向变流器逆变器的额定功率pmax计算双向变流器全生命周期内安装成本cinv和电费成本ccost，并根据双向变流器全生命周期内安装成本cinv、电费成本ccost和全线变电所平均电压波动率计算成本函数c；

30、s5-7、判断是否结束迭代，若是则得到不同时刻表下最小成本以及相对应的双向变流器运行参数综合方案；否则根据成本函数c计算适应度值，并根据适应度值更新粒子群的全局最优位置、粒子群的局部最优位置、粒子速度与粒子位置，并返回步骤s5-5。

31、进一步地，步骤s5-4的具体方法包括以下子步骤：

32、s5-4-1、输入列车功率时间数据，设定初始时刻为0、初始迭代次数为0、电压矩阵u(0)(0)和电流矩阵i(0)(0)，设定最大迭代次数wmax以及迭代精度ε；

33、s5-4-2、构建t时刻的节点导纳矩阵y(t)；

34、s5-4-3、根据公式：

35、u(w+1)(t)＝y(t)-1i(w)(t)

36、计算下一次迭代过程中t时刻的电压矩阵u(w+1)(t)；其中i(w)(t)表示当前迭代过程中t时刻的电流矩阵；

37、s5-4-4、判断同为t时刻下相邻两次迭代对应的电压矩阵的差值是否小于迭代精度ε，或当前迭代次数w是否大于最大迭代次数wmax，若是则输出当前时刻的电压矩阵u(t)和电流矩阵i(t)并进入步骤s5-4-5；否则将迭代次数加1并返回步骤s5-4-3；

38、s5-4-5、切换可逆变电所工况，更新当前时刻并将当前迭代次数重置为0；

39、s5-4-6、判断当前时刻是否小于单日总时间窗，若是则返回步骤s5-4-2；否则结束。

40、进一步地，步骤s5-5的具体方法为：

41、根据公式：

42、

43、

44、获取单日总时间窗内可逆变电所总输出能耗esub以及全线变电所平均电压波动率其中t为单日总时间窗；n为线路数据包括的牵引变电站数量；un(t)表示第n个牵引变电站在t时刻的电压矩阵；in(t)表示第n个牵引变电站在t时刻的电流矩阵；e(un)为第n个牵引变电站在单日总时间窗内网侧电压值的平均值；σ(un)为第n个变电站在单日总时间窗内网侧电压值的标准差。

45、进一步地，步骤s5-6的具体方法为：

46、根据公式：

47、cinv＝n(c0+pmaxc)

48、

49、

50、

51、得到双向变流器全生命周期内安装成本cinv、电费成本ccost、成本函数c和双向变流器逆变器的额定功率pmax；其中n为线路数据包括的牵引变电站数量；c0为双向变流器的基本单价；c为单位容量成本；a为电费单价；r为电费年折现率；p为电费全年支付期数；l为全生命周期时间。

52、进一步地，步骤s5-7中判断是否结束迭代的具体方法为：判断是否达到最大迭代次数。

53、本发明的有益效果为：本发明综合考虑列车时刻表和双向变流器运行参数特性对直流可逆牵引供电系统再生制动能量的传输、利用和反馈，以双向变流器全生命周期内经济成本低，牵引网电压波动率小为优化目标，以全天时间窗内计划发车车次数量、可接受发车间隔和逆变器运行特性为约束条件，提出列车时刻表和双向变流器运行特性协同优化方法，作为对现有技术的补充完善，通过设置权重使得优化结果同时满足降低经济成本和降低牵引网电压波动率的要求，从而提高了列车运营效益和运营安全性。