城轨交通供电系统牵引变电所多列车次累计功率计算方法
【专利摘要】一种城轨交通供电系统牵引变电所多列车次累计功率计算方法，由简化的牵引计算得到一列车的功率分布，通过排列组合得到n列车的功率分布；由一个牵引变电所的供电半径和列车的平均旅行速度，发车间隔，个数概率整数化方法，从而得到牵引变电所带列车个数及其概率；将n列车的功率分布与牵引变带车个数及概率结合得到一个牵引变电所的功率分布。本发明只应用了尽量少且容易获得的基础参数，避免了繁杂的牵引变电所交直流混合的潮流计算，同时得到了牵引变的最大、95％、以及平均功率，计算结果误差在允许范围之内，适用于工程实际应用。利用本发明计算得到的牵引变电所功率，结合谐波评估知识，可以实现对牵引变电所谐波发射水平的评估。
【专利说明】城轨交通供电系统牵引变电所多列车次累计功率计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于城市轨道交通系统谐波发射水平评估中的城轨交通供电系 统牵引变电所（牵引变）多列车次累计功率分布的计算方法。
【背景技术】
[0002] 城市轨道交通服务于城市客运交通，具有运量大、速度快、安全准时、缓解地面交 通拥挤等优点。城市轨道交通的发展为人们的出行提供了很大的方便，对促进城市繁荣、实 现经济的可持续发展起到了重要的作用。
[0003] 城市轨道交通中存在大量非线性用电负荷，包括大功率整流、逆变装置，变压变频 装置。城市轨道供电系统中的谐波主要来源于机车牵引供电整流系统、车载逆变装置以及 车站的各类电力电子设备。这些非线性负荷产生了大量的谐波并注入电网，使电网的电压 电流波形产生畸变，电能质量降低，对城市公共电网和城市轨道交通的各种电气设备产生 不同程度的影响和危害。
[0004]多位学者指出，牵引系统是城市轨道交通系统第一大谐波源，牵引系统的谐波分 布情况引起了广大学者的重视。进行谐波评估时，功率分布的准确计算显得尤为重要。已 开通运行的线路进行谐波评估时，牵引变电所的功率通过实测获得；未开通线路，对于牵引 变电所的处理有两种：第一种是目前学者们在设计规划阶段进行牵引系统谐波评估主要用 的方法：通过假定牵引变压器的负载率，确定牵引变电所的功率；文献[1]在计算牵引变电 所交流侧谐波时，牵引变电所的功率用的是其远期高峰小时最大负荷，对于每个牵引变电 所而言是一个固定值；第二种是选用专用的电力牵引系统仿真软件进行仿真，用户只需输 入参数或数据，这些大型软件可以通过自身的建模工具建立数学模型，并进行仿真计算输 出仿真结果，从而得到牵引变电所的功率。文献[2]以矩阵实数编码的多种群遗传算法为 基础建立了城市轨道牵引供电仿真系统的列车运行仿真模块，以牵引计算为基础，整流机 组采用多折线外特性模型，提出一种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。以12脉波整流机组交直流变换模型为基础，采用牛顿法求解潮流，建立了城轨牵引 供电系统的交直流统一的牵引供电计算模块。通过建立列车位置、发车间隔的概率分布，与 牵引供电计算算法结合，提出一种基于蒙特卡洛模拟的城市轨道牵引供电系统概率潮流算 法，得到牵引变电所的功率。国外研究开发的几种系统TOM、RAILS頂和TPC系统等功能比 较完善，通过输入列车、线路相关参数，能够得到节点功率等物理量。
[0005] 第一种方法主要用于验证方案的可行性与否，并没有对牵引变电所实际运行功率 进行说明，对于实际运行的线路仅具有参考意义，并不能准确地评估已开通线路牵引系统 的谐波水平；第二种方法的专用仿真软件价格昂贵，计算过程复杂，且大部分由铁路部门开 发，应用于城市轨道，主要侧重点在列车的运营安排、自动控制、节能优化操作等方面。应用 于电力系统的计算牵引变电所功率的软件，需要进行详细的牵引计算，需要大量的基础数 据，并且也没有应用到谐波评估方面。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题，就是提供一种简易地计算一个城轨交通供电系统牵 引变电所在带不同列车、不同发车间隔条件下累计功率的方法，在此基础上，结合整流装置 及谐波方面知识，得到牵引变电所交流侧的各次谐波电流值，就可以实现牵引变电所谐波 发射水平的评估。
[0007] 解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0008] -种城轨交通供电系统牵引变电所多列车次累计功率计算方法，其特征是包括以 下步骤：
[0009] Sl，n列车功率分布的计算
[0010] S1-1，一列车功率计算
[0011] 按结合牵引电机的特性曲线，即列车速度及其对应的牵引力分别与列车运行距离 的关系，如图1所示，将列车运行分为牵引、惰行、制动三个阶段，按列车的载重及技术参 数，求一列车运行时的功率分布，计算步骤如下：
[0012] S1-1-①牵引过程：
[0013] 一列车牵引过程的最大功率为：
【权利要求】
1. 一种城轨交通供电系统牵引变电所多列车次累计功率计算方法，其特征是包括以下 步骤： Sl，n列车功率分布的计算 S1-1，一列车功率计算 按牵引电机的特性曲线，将列车运行分为牵引、惰行、制动三个阶段，按列车的载重及 技术参数，求一列车运行时的功率分布，计算步骤如下： S1-1-①，牵引过程： 一列车牵引过程的最大功率为：
式中，PA为列车牵引过程的最大电功率，Ft(vA)是列车速度为v A的牵引力，^为列车运 行在A点时对应的速度，L、112分别为电机和逆变器的效率，再生制动对牵引功率 的影响量； 牵引过程除恒功率区的其它阶段列车运行平均功率为PB写为：
式中，vB、v。分别为列车运行在B、C点时对应的速度，tla为恒转矩区结束时间，t lb为恒 功率区结束时间，h。为自然特性区结束时间； si-i-②，惰行过程： 列车只从电网吸收辅助设备运行所需电功率： P = Pf (3-3)； 式中，P为列车运行从电网获得的电功率，Pf为列车辅助设备运行从电网获得的电功 率； S1-1-③，制动过程： 再生制动对列车的影响是使牵引功率下降，减少量为： APe = 〇.3aPav (3-4)； 式中，a是再生能量利用率，Pav是牵引过程中的平均功率； 考虑再生制动对牵引功率影响，牵引过程中列车实际从电网吸收的电功率； P = Pe-APe (3-5)； 式中，PE是不计再生制动影响时的列车牵引功率； S1-1-④，停站时，列车从电网吸收的功率为辅助设备运行所需功率； pc = Pf (3-6)； 式中，P。是停站时列车从电网吸收的功率； S1-1-⑤，一列车功率分布计算
式中，Pi是列车从牵引网获得的功率，tla为恒转矩区结束时间，tlb为恒功率区结束时 间，。为自然特性区结束时间，为牵引阶段用时，tt为一个周期所用时间，PA是列车牵引 最大电功率、PB是列车从电网获取的平均功率、P。是列车从电网获取的最小功率； 列车在运行过程中，是不断重复上述过程的，所以1列车的功率的概率分布p'i写为：
式中，p' 1A、p' 1B、p' i。分别表示一列车运行时从电网获取最大功率、平均功率和最小功 率对应的概率； 51- 2,多列车功率组合情况计算 因为每列车运行过程中的功率是独立同分布，参考独立分布和排列组合相关知识，得 到2、3、4等n列车运行时的功率分布； 设Pn表示n列车所有可能的功率取值情况，Pn'为其对应的概率分布， 则： p,, = Wp"+"- + p丨. (3-9); k" k2, k3,…，kn G {A, B，C}，kn 彡 kn_i 彡…k3 彡 k2 彡 & ; P'n = f(n)P' lklP' lk2P' lk3…P' lkn，其中 f(n)是变系数； n = 2 :如果 k! = k2, f (n) = 1 ; 如果 h 关 k2, /(?) = (乂 . n = 3 :如果 h = k2 = k3, f (n) = 1 ; 如果 h 尹 k2 尹 k3, ./(") = ; 其他情况，/ ; n = 4 :如果 h = k2 = k3 = k4, f (n) = 1 ; 如果其中只有三个相等，/(") = G . 如果其中有有两组两个相等，/(") = C42: 其他情况，.M") = C A ; 综上，得到n列车的功率分布情况； S2,牵引变电所带列车个数及其概率计算 52- 1,牵引变电所带列车个数计算 设：一个牵引变电所的供电半径为由它供电的所有相邻接触网总长的二分之一； 一个牵引变电所带的列车个数为所有与其直接相连的接触网带的列车个数的二分之 已知牵引变电所的供电距离以及列车的发车间隔即确定这个牵引变电所带的列车 数； 一个牵引变电所能够带的列车数受牵引变电所供电半径、列车平均旅行速度以及发车 间隔的影响，写为：
式中，s为一个牵引变电所的供电半径，单位为m， vav为列车的平均旅行速度，单位为m/s，A t为发车间隔，单位为s ; S2-2,牵引变带列车个数概率分布 当用上面的方法计算所得结果为小数时，通过小数概率整数化方法，将上述计算结果 转化为整数； 记距离n'最近的两个整数，分别记为n和n+1，一个牵引变电所带n列车的概率记为 P'（n)，带n+1列车的概率记为P'（n+1)，则以上变量满足下面的关系式：
上述计算结果结合不同列车的功率分布，记功率与概率对应组合，即得到确定发车间 隔下的牵引变电所对应的功率分布情况。
【文档编号】G06F19/00GK104346525SQ201410503804
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】李兰芳, 马明, 刘正富, 徐柏瑜, 宁雪姣, 邓志, 王晓毛, 王玲, 李玎, 梅成林, 杨洪耕 申请人:广东电网有限责任公司电力科学研究院