城轨柔直牵引供电系统钢轨电位抑制控制方法及装置

本发明涉及柔性直流牵引供电，特别涉及一种城轨柔直牵引供电系统钢轨电位抑制控制方法及装置。

背景技术：

1、近年来，以地铁为代表的城市轨道交通发展迅速，已成为国内居民出行的重要方式。在城市轨道交通的直流牵引供电系统中，普遍将钢轨兼做回流轨，但由于钢轨与大地之间无法实现理想的绝缘以及自身电阻的存在，部分牵引电流会流入大地中并由大地汇入牵引所，形成杂散电流与钢轨电位，给城市轨道交通的安全运行带来隐患。

2、针对直流牵引供电系统，有许多文献就钢轨电位治理提出了许多解决思路。但是相关技术所提出的钢轨电位抑制方法对线路的改造难度较大，无论是对系统固有参数的改变还是建设第四轨、改变系统制式，都需要对现有线路进行大规模地改造，成本较高。并且基于负载信息的控制实现起来困难，可行性不高，调整列车运行图理论上可行，但是实际应用中误差总会存在，而大功率列车负载的小额误差也会引起系统潮流的大幅改变，与控制目标相差甚远。

技术实现思路

1、本发明提供一种城轨柔直牵引供电系统钢轨电位抑制控制方法及装置，通过调节牵引所端口输出电压，实现全线钢轨电位的抑制控制，避免了钢轨电位过高对人体造成的伤害，也避免了钢轨电位过高引起钢轨电位限制装置连锁动作，从而腐蚀埋地金属结构、损害轨道旁电气设备的后果。

2、本发明第一方面实施例提供一种城轨柔直牵引供电系统钢轨电位抑制控制方法，包括以下步骤：

3、采集城轨柔直系统中所有牵引所的钢轨电位信息，在存在任一牵引所的钢轨电位绝对值大于钢轨电位阈值，且全线牵引所钢轨电位最大值大于所述钢轨电位阈值时，启动钢轨电位的控制策略；

4、在城轨柔直牵引供电系统全线路的牵引所均处于正常工作状态，且牵引所的输出功率均满足预设条件时，则钢轨电位的控制策略为启动钢轨电位本地控制方法，通过实时计算全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所电压参考值改变量，并改变全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所的输出电压参考值，以将全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所处的钢轨电位控制在目标钢轨电位阈值内；

5、在城轨柔直牵引供电系统的线路中有一个牵引所退出运行时，或全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所输出功率达到功率上限时，则钢轨电位的控制策略为启动钢轨电位协同控制方法，通过调控全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所周边相邻的牵引所的端口电压值，以抑制全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所处的钢轨电位。

6、可选地，在本发明的一个实施例中，在城轨柔直牵引供电系统全线路的牵引所均处于正常工作状态，且牵引所的输出功率均满足预设条件时，则钢轨电位的控制策略为启动钢轨电位本地控制方法，包括：

7、根据中心电压的计算公式，在调节改变全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所的电压的过程中，在对线路中心电压影响忽略不计的情况下，则线路满足下式：

8、

9、其中，ux与urx分别为钢轨电位本地控制方法启动前全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x的端口电压与钢轨电位，ux'与urx'分别为钢轨电位本地控制方法启动后全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x的端口电压与钢轨电位，uc为整个线路的中心电压，数值等同于线路端口电压按位置积分的积分值，urm为钢轨电位阈值，k为由线路参数决定的常数，k的数值等于单位长度钢轨电阻同单位长度接触网电阻之和与单位长度钢轨电阻的比值；

10、计算全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x电压参考值改变量：

11、du＝k(urx-urm)

12、若全线牵引所钢轨电位最小值小于钢轨电位阈值的相反数，则全线牵引所钢轨电位最小值对应的牵引所y电压参考值改变量为：

13、du＝k(ury+urm)

14、通过实时计算du并改变全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x的输出电压参考值，将全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x处的钢轨电位控制在钢轨电位阈值urm内。

15、可选地，在本发明的一个实施例中，在城轨柔直牵引供电系统的线路中有一个牵引所退出运行时，或全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所输出功率达到功率上限时，则钢轨电位的控制策略为启动钢轨电位协同控制方法，包括：

16、在城轨柔直牵引供电系统的线路中有一个牵引所退出运行时，或全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x输出功率达到功率上限，进入功率限幅状态，此时全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x处钢轨电位urx大于钢轨电位阈值urm，则启动钢轨电位协同控制方法，通过调控全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x周边相邻的牵引所的端口电压值ux-1与ux+1，对全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x处钢轨电位urx进行抑制，在调节过程中，ux-1与ux+1到达安全边界或牵引所x-1与牵引所x+1进入功率限幅状态，则调节牵引所x-2与牵引所x+2的端口电压。

17、可选地，在本发明的一个实施例中，通过调控全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所周边相邻的牵引所的端口电压值，以抑制全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所处的钢轨电位，包括：

18、在每一个小控制周期内，设定牵引所x与牵引所x-1以及牵引所x+1之间的电压差值不发生改变，则：

19、

20、其中，lx-2、lx-1、lx与lx+1分别为牵引所x-1与牵引所x-2、牵引所x-1与牵引所x、牵引所x与牵引所x+1、牵引所x+1与牵引所x+2的间距，计算得到钢轨电位协同控制输出的电压调节量为：

21、

22、其中，l为整个线路的长度，而在牵引所x-2与牵引所x+2加入协同控制时，则：

23、

24、由于牵引所x-1与牵引所x+1电压在此过程中不发生改变，则ux'＝ux，计算得钢轨电位协同控制的牵引所x-2与牵引所x+2协同电压改变量为：

25、

26、其中，lx-3、lx-2、lx+1与lx+2分别为牵引所x-3与牵引所x-2、牵引所x-1与牵引所x-1、牵引所x+1与牵引所x+2、牵引所x+2与牵引所x+3的间距。

27、本发明第二方面实施例提供一种城轨柔直牵引供电系统钢轨电位抑制控制装置，包括：

28、采集模块，用于采集城轨柔直系统中所有牵引所的钢轨电位信息，在存在任一牵引所的钢轨电位绝对值大于钢轨电位阈值，且全线牵引所钢轨电位最大值大于所述钢轨电位阈值时，启动钢轨电位的控制策略；

29、第一控制模块，用于在城轨柔直牵引供电系统全线路的牵引所均处于正常工作状态，且牵引所的输出功率均满足预设条件时，则钢轨电位的控制策略为启动钢轨电位本地控制方法，通过实时计算全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所电压参考值改变量，并改变全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所的输出电压参考值，以将全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所处的钢轨电位控制在目标阈值钢轨电位阈值内；

30、第二控制模块，用于在城轨柔直牵引供电系统的线路中有一个牵引所退出运行时，或全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所输出功率达到功率上限时，则钢轨电位的控制策略为启动钢轨电位协同控制方法，通过调控全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所周边相邻的牵引所的端口电压值，以抑制全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所处的钢轨电位。

31、可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一控制模块进一步用于，根据中心电压的计算公式，在调节改变全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所的电压的过程中，在对线路中心电压影响忽略不计的情况下，则线路满足下式：

32、

33、其中，ux与urx分别为钢轨电位本地控制方法启动前全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x的端口电压与钢轨电位，ux'与urx'分别为钢轨电位本地控制方法启动后全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x的端口电压与钢轨电位，uc为整个线路的中心电压，数值等同于线路端口电压按位置积分的积分值，urm为钢轨电位阈值，k为由线路参数决定的常数，k的数值等于单位长度钢轨电阻同单位长度接触网电阻之和与单位长度钢轨电阻的比值；

34、计算全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x电压参考值改变量：

35、du＝k(urx-urm)

36、若全线牵引所钢轨电位最小值小于钢轨电位阈值的相反数，则全线牵引所钢轨电位最小值对应的牵引所y电压参考值改变量为：

37、du＝k(ury+urm)

38、通过实时计算du并改变全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x的输出电压参考值，将全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x处的钢轨电位控制在钢轨电位阈值urm内。

39、可选地，在本发明的一个实施例中，所述第二控制模块进一步用于，在城轨柔直牵引供电系统的线路中有一个牵引所退出运行时，或全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x输出功率达到功率上限，进入功率限幅状态，此时全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x处钢轨电位urx大于钢轨电位阈值urm，则启动钢轨电位协同控制方法，通过调控全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x周边相邻的牵引所的端口电压值ux-1与ux+1，对全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所x处钢轨电位urx进行抑制，在调节过程中，ux-1与ux+1到达安全边界或牵引所x-1与牵引所x+1进入功率限幅状态，则调节牵引所x-2与牵引所x+2的端口电压。

40、可选地，在本发明的一个实施例中，通过调控全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所周边相邻的牵引所的端口电压值，以抑制全线牵引所钢轨电位最大值对应的牵引所处的钢轨电位，包括：

41、在每一个小控制周期内，设定牵引所x与牵引所x-1以及牵引所x+1之间的电压差值不发生改变，则：

42、

43、其中，lx-2、lx-1、lx与lx+1分别为牵引所x-1与牵引所x-2、牵引所x-1与牵引所x、牵引所x与牵引所x+1、牵引所x+1与牵引所x+2的间距，计算得到钢轨电位协同控制输出的电压调节量为：

44、

45、其中，l为整个线路的长度，而在牵引所x-2与牵引所x+2加入协同控制时，则：

46、

47、由于牵引所x-1与牵引所x+1电压在此过程中不发生改变，则ux'＝ux，计算得钢轨电位协同控制的牵引所x-2与牵引所x+2协同电压改变量为：

48、

49、其中，lx-3、lx-2、lx+1与lx+2分别为牵引所x-3与牵引所x-2、牵引所x-1与牵引所x-1、牵引所x+1与牵引所x+2、牵引所x+2与牵引所x+3的间距。

50、本发明实施例的城轨柔直牵引供电系统钢轨电位抑制控制方法及装置，通过实时分析全线钢轨电位检测模块检测出的钢轨电位信息，判断决定是否进入控制模式，进入控制模式后，选择合适的牵引所调节其端口电压，从而实现钢轨电位的抑制控制。由此，有效地实现了对柔直线路过高钢轨电位的抑制控制，避免了钢轨电位过高对人体造成的伤害，也避免了钢轨电位过高引起ovpd连锁动作，从而腐蚀埋地金属结构、损害轨道旁电气设备的后果。

51、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。