本发明实施例涉及车辆技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统。
背景技术：
城市轨道交通由于具有安全舒适、载客量大、运行速度快、节能环保等优势，成为了解决日益严重的城市拥堵问题的首选方案。牵引供电系统为城市轨道交通提供电能，对其安全运营有重要的意义。
长期以来，人们对城市轨道交通牵引供电系统做了大量的理论研究，系统仿真作为一种重要的分析和研究手段，在研究过程中起着重要的作用。目前的系统仿真方案包括数字仿真和物理模拟。数字仿真是建立在数学方程式基础上的一种对原型系统进行仿真研究的方法。对于各种物理现象，在一定的假设条件下写出其运动过程的数学方程式，借助专门的数学求解工具进行求解，以得出所需要的结果。例如，常用的rtds(realtimedigitalsimulator，实时数字仿真仪)本质上是软件仿真，仿真结果仍然依赖于模型和参数的准确性。
由上述可知，现有的城市轨道交通牵引供电系统仿真方法，其仿真结果不准确，且整个建模过程复杂。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统，以解决现有技术仿真结果不准确，且整个建模过程复杂的问题。
本发明实施例提供一种城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统，包括：具有第一容量的主变电所、具有第二容量的牵引降压变电所、轨道和待试车辆，所述第一容量与牵引供电系统中主变电所的容量比为第一预设值，所述第二容量与所述牵引供电系统中牵引降压变电所的容量比为第二预设值；
所述主变电所对第一交流电进行降压，输出第二交流电至所述牵引降压变电所；
所述牵引降压变电所对所述第二交流电进行降压和交直流转换，输出第一直流电至所述待试车辆，以使所述待试车辆在所述第一直流电的驱动下在所述轨道上运行。
在本实施例的一种可能的实现方式中，所述测试系统还包括直流接触网，所述牵引降压变电所将所述第一直流电输出至所述直流接触网，所述待试车辆与所述直流接触网接触，从所述直流接触网上获得第一直流电。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述牵引降压变电所包括能馈装置和至少一个整流机组；
所述至少一个整流机组用于对所述第二交流电进行降压和交直流转换，输出第一直流电至所述直流接触网；
所述能馈装置用于将所述待试车辆进站制动时产生的直流电能逆变成与所述第二交流电同幅值、同相位的交流电能，输入至所述主变电所和/或所述牵引降压变电所。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述整流机组包括整流变压器模块、以及与所述整流变压器模块连接的整流器模块；
所述整流变压器模块用于对所述第二交流电进行降压，并将降压后的第二交流电输出至所述整流器模块；
所述整流器模块用于将所述降压后的第二交流电转换成所述第一直流电，并输出所述第一直流电至所述直流接触网。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述整流变压器模块包括两个并联设置的整流变压器，所述整流器模块包括四个整流器，每个整流变压器的两个输出端分别连接一个整流器。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述整流变压器的输入端绕组为延边三角形接线，所述整流变压器的两个输出端绕组分别为三角形接线与星形接线。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述测试系统还包括分别与所述主变电所和所述牵引降压变电所连接的监控装置，所述监控装置用于分别监控所述主变电所和所述牵引降压变电所的运行状态。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述能馈装置包括与所述监控装置连接的控制箱，所述整流机组和所述能馈装置的输入端和输出端均设置有电压传感器和电流传感器，各电压传感器和各电流传感器均与所述控制箱连接；
各所述电压传感器和各所述电流传感器的感测信号均输入至所述控制箱，所述监控装置从所述控制箱获得所述感测信号。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述第二交流电与所述牵引供电系统中牵引降压变电所输入端的交流电的电压等级比为第三预设值，所述第一直流电与所述牵引供电系统中牵引降压变电所的输出直流电的电压等级比为第四预设值，所述第一预设值、所述第二预设值、所述第三预设值和所述第四预设值均为小于1的正数。
在本实施例的另一种可能的实现方式中，所述监控装置与所述牵引供电系统中的监控装置一致，所述控制箱与所述牵引供电系统中的控制箱一致。
本发明实施例提供的技术方案的效果为：
通过设置具有第一容量的主变电所、具有第二容量的牵引降压变电所、轨道和待试车辆，第一容量与牵引供电系统中主变电所的容量比为第一预设值，第二容量与牵引供电系统中牵引降压变电所的容量比为第二预设值；主变电所对第一交流电进行降压，输出第二交流电至牵引降压变电所；牵引降压变电所对第二交流电进行降压和交直流转换，输出第一直流电至待试车辆，以使待试车辆在第一直流电的驱动下在轨道上运行。即本实施例，在物理模型上进行科学试验研究，可以得到最真实的结果，且该物理模型建立过程简单，进而解决了现有技术仿真结果不准确，且整个建模过程复杂的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统的示意图；
图2为本实施例一中主变电所的电气示意图；
图3为本发明实施例二提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统的示意图；
图4为本发明实施例二中牵引降压变电所的框图；
图5为本发明实施例二中牵引降压变电所的电气示意图；
图6为本发明实施例二中整流机组的框图；
图7为本发明实施例二中整流机组的电气示意图；
图8为本发明实施例二中能馈装置的框图；
图9为本发明实施例二中能馈装置的电气示意图；
图10为本发明实施例三提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统的示意图。
附图标记说明：
10：主变电所；
20：牵引降压变电所；
30：轨道；
40：待试车辆；
50：直流接触网；
21：能馈装置；
22：整流机组；
220：整流变压器模块；
230：整流器模块；
221：整流变压器；
231：整流器；
211：四象限整流器；
212：能馈变压器；
60：监控装置；
213：控制箱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统，适用于地铁、货车、高铁、动车等城市轨道交通车辆。本实施例通过建立城市轨道交通牵引供电系统的物理模型，该物理模型能够精确模拟城市轨道交通牵引供电系统的动态变化过程，在物理模型上进行科学试验研究，可以得到最真实的结果，且该物理模型建立过程简单，进而解决了现有技术仿真结果不准确，且整个建模过程复杂的问题。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例一提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统的示意图，图2为本实施例一中主变电所的电气示意图。该如图1所示，本实施例的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统(以下简称测试系统)包括：具有第一容量的主变电所10、具有第二容量的牵引降压变电所20、轨道30和待试车辆40，其中，第一容量与牵引供电系统(即实际牵引供电系统)中主变电所的容量比为第一预设值，第二容量与牵引供电系统(即实际牵引供电系统)中牵引降压变电所的容量比为第二预设值。
主变电所10对第一交流电进行降压，输出第二交流电至牵引降压变电所20。
牵引降压变电所20对第二交流电进行降压和交直流转换，输出第一直流电至待试车辆40，以使待试车辆40在第一直流电的驱动下在轨道30上运行。
需要说明的是，本实施例的测试系统与城市轨道交通的实际牵引供电系统的结构一致，且测试系统中各模块的参数(例如电压等级、功率、变压器参数)与实际牵引供电系统按一定比例设计。例如，第一容量与实际牵引供电系统中主变电所的容量比为第一预设值，第二容量与实际牵引供电系统中牵引降压变电所的容量比为第二预设值。
其中，本实施例中的各连接均为电连接。
具体的，如图1所示，本实施例的测试系统包括主变电所10、牵引降压变电所20、轨道30和待试车辆40，其中主变电所10的输出端与牵引降压变电所20的输入端连接，牵引降压变电所20的输出端与待试车辆40连接，用于为待试车辆40供电，待试车辆40放置在轨道30上。
在实际测试过程中，向主变电所10输入第一交流电，主变电所10对该第一交流电进行降压处理，输出第二交流电至牵引降压变电所20。牵引降压变电所20对输入的第二交流电进行降压处理，接着进行交直流ac/dc转换，将降压后的第二交流电转换成第一直流电，并将该第一直流电输出至待试车辆40。这样待试车辆40在该第一直流电的驱动下在轨道30上运行，进而实现对实际牵引供电系统的模拟仿真。
本实施例的主变电所10的额定容量(即额定功率)为第一容量，牵引降压变电所20的额定容量为第二容量，其中，第一容量和第二容量均为预设值，具体可以根据待试车辆40的工作状态来确定。
在一种示例中，主变电所10的第一容量与实际牵引供电系统中主变电所的容量比为第一预设值。
例如，本实施例的主变电所10的第一容量与实际主变电所10的容量的比值为1：2000。此时假设实际主变电所10容量为2*40mw，测试系统中的主变电所10的第一容量为2*40mw/2000＝2*20kw。
在一种示例中，本测试系统中牵引降压变电所20的第二容量与实际牵引供电系统中牵引降压变电所20的容量的比值为第二预设值。
例如，本实施例的牵引降压变电所20的第二容量与实际牵引降压变电所20的容量的比值为1：2000。此时假设实际牵引降压变电所20的容量为4mw，则本实施例的测试系统中的牵引降压变电所20的第二容量为4mw/2000＝2kw。
其中，第一预设值和第二预设值均为小于1的正数，即第一预设值和第二预设值均大于0小于1。
可选的，本测试系统中牵引降压变电所20输入端的第二交流电与实际牵引供电系统中牵引降压变电所20输入端的交流电的电压等级比为第三预设值，该第三预设值大于0小于1。
例如，实际牵引供电系统中牵引降压变电所20输入端的第二交流电的电压等级为35kv/10kv，其中35kv电压等级对应的第三预设值为1:87.5，10kv电压等级对应的第三预设值为1：25。此时，本测试系统中牵引降压变电所20输入端的第二交流电为400v。
可选的，本测试系统中牵引降压变电所20输出端的第一直流电与实际牵引供电系统中牵引降压变电所20输出端的直流电的电压等级比为第四预设值，该第四预设值大于0小于1。
例如，实际牵引供电系统中牵引降压变电所20输出端的第一直流电的电压等级为1500v/750v，其中第四预设值为1:10。此时，本测试系统中牵引降压变电所20输出端的第一直流电为150v/75v。
由上述可知，本实施例的主变电所10的第一容量远远小于实际牵引供电系统中主变电所10的容量，牵引降压变电所20的第二容量也远远小于实际牵引供电系统中牵引降压变电所20的容量。而容量小的主变电所10和牵引降压变电所20的体积小，价格便宜，进而使得本实施例的整个测试系统结构紧凑，测试成本低。
同时，由于本实施例各器件的容量小，在整个测试过程中易于实现，且安全性高，便于反复进行测试。
进一步的，如图1所示，本实施例的测试系统采用积木式设置，便于教学演示以及科学研究，同时，方便实现结构的变化和线路参数的调整，以探索新型、更优的控制系统。
需要说明的是，本实施例的测试系统可以测试不同型号的待试车辆40，提高了测试系统的通用性。具体是，根据待试车辆40的参数，更改测试系统中各器件的参数，以实现对各种实际牵引供电系统的准确测量。
同时，本实施例的轨道30也可以更换，进而实现在不同线路条件下，对牵引供电系统的运行状态的准确测量。
可选的，本实施例用于控制主变电所10、牵引降压变电所20的控制算法也可以更换，进而实现对不同控制算法的测试，并根据测试结果选择最优的控制算法
本实施例的测试系统可以应用在新车或新线路的设计阶段，通过本实施例的测试系统模拟待试车辆40的运行情况、以及牵引供电系统的运行状态，并根据测试结果对待试车辆40或牵引供电系统进行改进。
本实施例的测试系统可以用于到科学研究，具体是，通过本实施例的测试系统，模拟实际牵引供电系统的各种运行工况及故障状态，以便对牵引供电系统中的保护装置和控制装置的功能和性能进行考核，以确保保护装置和控制装置在现场的可靠运行。
可选的，本实施例的测试系统可用于辅助设计，具体是通过对供电系统的各参变量的数据采集、传输、存储及分析，研究牵引供电系统能量流规律，为牵引供电系统的变电所布局优化、功率及过载能力确定提供准确的数据支持，为牵引供电系统的标准修订提供参考依据，为运营、建设及设计提供技术支撑，以实现整个运营线路乃至整个城市的运营网络的能量利用的综合优化和建设成本的降低，实现系统优化设计。
可选的，本实施例的测试系统可用于技术培训，具体是，结合行业内相关从业人员的技术培训需求，使用本实施例的测试系统完全模拟真实牵引供电系统的机理及功能，为从业人员的理论基础及技能培训提供平台，成本低，安全可靠，使用方便，便于员工快速入门上岗。
可选的，本实施例的测试系统可用于教学，具体是，当前的教学过程中，没有一个完整的实物仿真系统，对学生的各门课程的教学缺少互相联系。本实施例的测试系统为专业课程学习提供一个理论联系实际的桥梁，提供实验平台，是当前的教学环节的重要补充。
本发明实施例提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统，通过设置具有第一容量的主变电所、具有第二容量的牵引降压变电所、轨道和待试车辆；所述主变电所对第一交流电进行降压，输出第二交流电至所述牵引降压变电所；所述牵引降压变电所对所述第二交流电进行降压和交直流转换，输出第一直流电至所述待试车辆，以使所述待试车辆在所述第一直流电的驱动下在所述轨道上运行。即本实施例，在物理模型上进行科学试验研究，可以得到最真实的结果，且该物理模型建立过程简单，进而解决了现有技术仿真结果不准确，且整个建模过程复杂的问题。
图3为本发明实施例二提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统的示意图，图4为本发明实施例二中牵引降压变电所的框图，图5为本发明实施例二中牵引降压变电所的电气示意图。
在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例的测试系统还包括直流接触网50，所述牵引降压变电所20将所述第一直流电输出至所述直流接触网50，所述待试车辆40与所述直流接触网50接触，从所述直流接触网50上获取第一直流电。
在本实施例的一种可能的实现方式中，如图4和图5所示，牵引降压变电所20包括能馈装置21和至少一个整流机组22。
其中，所述至少一个整流机组22用于对所述第二交流电进行降压和交直流转换，输出第一直流电至直流接触网50。这样，待试车辆40与该直流接触网50接触，从该直流接触网50上获取第一直流电，并在该第一直流电的驱动下运行。
本实施例对牵引降压变电所20包括的整流机组22的数量不做限制，具体根据实际需要设定，当包括多个整流机组22时，各整流机组22为并联设置。例如，如图5所示，一个牵引降压变电所20可以包括2个整流机组22。
目前城市轨道交通普遍采用交流传动即vvvf(variablevoltageandvariablefrequency)动车组列车，其制动一般为电制动(即再生制动、电阻制动)和空气制动两级。列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观，可以达到牵引能量的40％以上，部分再生制动能量(一般为20％～80％，根据列车运行密度和区间距离的不同而异)可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。例如，当列车发车间隔大于10min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被再生能量吸收装置吸收，变成热能并向四外散发，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使建设费用和运行费用增加。
鉴于此，本实施例设置能馈装置21，该能馈装置21用于将待试车辆40进站制动时产生的直流电能逆变成与第二交流电同幅值、同相位的交流电能，并输入至所述主变电所10和/或牵引降压变电所20。
可选的，本实施例的能馈装置21可以为中压能馈装置5。
图6为本发明实施例二中整流机组的框图，图7为本发明实施例二中整流机组的电气示意图。
如图6和图7所示，上述整流机组22可以包括整流变压器模块220、以及与整流变压器模块220连接的整流器模块230。
其中，整流变压器模块220用于对所述第二交流电进行降压，并将降压后的第二交流电输出至所述整流器模块230。
整流器模块230用于将所述降压后的第二交流电转换成所述第一直流电，并输出所述第一直流电至所述直流接触网。
举例说明，假设主变电所10输出的第二交流电的电压为400v，则整流变压器模块220对第二交流电进行降压，降压到106v，并将106v交流电输出至整流器模块230，整流器模块230将106v交流电转换成直流电，输出第一直流电为106v*√2＝150v。
可选的，本实施例的整流机组22为24脉波整流机组。
继续参照图6和图7所示，本实施例的整流变压器模块220包括两个并联设置的整流变压器221，所述整流器模块230包括四个整流器231，每个整流变压器221的两个输出端分别连接一个整流器231。
具体的，如图5至图7所示，每个整流变压器221包括一个输入端和两个输出端，其中，每个整流变压器221的输入端均与主变电所10的输出端连接，每个整流变压器221的每个输出端连接一个整流器231，此时，四个整流器231并联连接，四个整流器231输出的电压的值均为第一直流电，即上述例子的150v。
可选的，本实施例的整流变压器221可以为12脉波轴向双分裂式牵引整流变压器，本实施例的整流器231可以为全波二极管整流桥。
可选的，如图7所示，本实施例的整流变压器221的输入端绕组为延边三角形接线，所述整流变压器221的两个输出端绕组分别为三角形接线与星形接线。
此时，每个整流变压器221的输出端的电压形成30°的相差，两个整流变压器221的输入端绕组均采用延边三角形接法，分别移相±7.5°，这样形成的两个整流变压器221的四套阀侧绕组的线电压相量互差15°相位，分别经全波整流后，在直流侧并联运行，形成24脉波整流系统。
可选的，本实施例中每个整流器231的额定容量相同，且均分牵引降压变电所20的第二容量，例如牵引降压变电所20的第二容量为2kw，牵引降压变电所20包括4个整流器231，则每个整流器231的额定容量为2kw/4＝500w。
图8为本发明实施例二中能馈装置的框图，图9为本发明实施例二中能馈装置的电气示意图。
如图8和图9所示，本实施例的能馈装置21包括四象限整流器211和与所述四象限整流器211连接的能馈变压器212。
可选的，当本实施例的牵引降压变电的第二容量为2kw时，则本实施例的四象限整流器211的技术参数如下：
额定功率：1kw；
直流额定电压：150v/75v；
设备功能：逆变、整流、无功补偿；
功率器件：igbt智能功率模块；
交流额定电压：ac3ф×45v；
交流额定频率：50hz；
功率因数：>0.99；
逆变器效率：>98％(额定功率下)；
电流谐波畸变率：<3％(满足国标gb/t14549-1993)。
本发明实施例的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统，通过在牵引降压变电所中设置能馈装置和整流机组，在整流机组中设置整流变压器模块和整流器模块，以模拟实际牵引供电系统中的牵引降压变电所，进而提高了整个测试系统的与实际牵引供电系统的一致性，以便通过本实施例的测试系统准确测试牵引供电系统。
图10为本发明实施例三提供的城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统的示意图，在上述实施例的基础上，本实施例的测试系统还可以包括分别与主变电所和牵引降压变电所连接的监控装置60，所述监控装置60用于分别监控所述主变电所10和所述牵引降压变电所20的运行状态。这样，用户可以通过监控装置60实时观测到主变电所10和牵引降压变电所20的运行状态。
如图10所示，本实施例的能馈装置21还包括与所述监控装置60电连接的控制箱213，所述整流机组22和所述能馈装置21的输入端和输出端均设置有电压传感器和电流传感器，各电压传感器和各电流传感器均与所述控制箱213连接。
各电压传感器和各电流传感器的感测信号均输入至所述控制箱213，所述监控装置60从所述控制箱213获得所述感测信号。
具体的，在每个整流机组22的输入端设置交流电压传感器和交流电流传感器，用于测量整流机组22的输入端的交流电压和交流电流。在每个整流机组22的输出端设置直流电压传感器和直流电流传感器，用于测量整流机组22的输出端的直流电压和直流电流。
对应的，在能馈装置21的输入端设置直流电压传感器和直流电流传感器，用于测量能馈装置21的输入端的直流电压和直流电流。在整流机组22的输出端设置交流电压传感器和交流电流传感器，用于测量能馈装置21的输出端的交流电压和交流电流。
各传感器与能馈装置21中的控制箱213连接，控制器与监控装置60连接。这样，各传感器将检测到的感测信号均输入至所述控制箱213，监控装置60从该控制箱213获得感测信号，并显示。
可选的，本实施例的测试系统还设置有与监控装置60连接的变压器温控仪，该变压器温控仪用于检测各变压器的温度，并将检测到的温度发送给监控装置60，以使监控装置60显示。
可选的，本实施例的监控装置60还用于监控整流变压器221的谐波、功率因数、功率(有功、无功、零序、负序)等。
本实施例中，监控装置60与其他设备通过以太网，rs485，modbus(工业现场的总线协议)等通信。其中以太网通信用于实现海量监控数据的上传，rs485通信用于实现监控装置60到控制箱213的控制指令传输，modbus通信用于与上层pscada(powersupervisorycontrolanddataacquisition，电力监控系统)系统的数据交换。
可选的，为了便于测试系统的搭建，则本实施例的控制箱213与实际牵引供电系统中的控制箱213一致，监控装置60与实际牵引供电系统中的监控装置60一致。
本发明实施例城市轨道交通牵引供电动模仿真测试系统，通过设置监控装置，该监控装置用于分别监控主变电所和牵引降压变电所的运行状态，方便与用户进行人机交互，提高了测试系统的智能化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。