牵引供电计算专题(面向交流)

牵引供电仿真专题

西南交通大学电气工程学院2024/1/4刘炜西南交通大学电气工程学院手机:+8613882268263电话:+862887600946地址:成都二环路北一段111号，610031WeiLiuSchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversityPhone:+8613882268263Work:+862887600946Address:ErhuanRd#111,Chengdu,Sichuan,610031研究领域电力系统分析牵引供电系统理论牵引供电仿真软件开发工作经历2010年3月至今，西南交通大学，讲师2010年9月至2012年1月，田纳西大学，ABB美国研究所，博士后爱好编程，工作需要，谈不上爱好拍照，离摄影还有段距离系统分析设计软件一般包括列车牵引计算和供电计算两部分。国内外比较成熟的仿真分析设计软件：Carnegie-Mollon大学的EMM软件BalfourBeatty公司的RailpowerElbas公司的WEBANET，SINANET铁科院机车车辆研究所的牵引电算软件；北京交通大学的列车运行计算模拟系统；城市轨道交通牵引供电仿真软件URTPS；SUPPLY2000等。一、研究现状概述EMMEMM(TransportationSystemsEnergyManagementModel)主体包括TPS(TrainPerfermanceSimulator),ENS(ElectricNetworkSimulator)TPS模块在额定电压下、仿真单列车从起点到终点的运行情况，即电流和速度的时间位移曲线。ENS(ElectricNetworkSimulator)，以TPS的输出数据为输入，配合列车运行时刻表，经直流负载潮流分析，求出N组列车同时在线路上运行时，线路上各指定点电压、电流、功率的变化，以及交流侧电气网络的潮流计算。RAILPOWER20世纪80年代，BalfourBeatty公司开发了软件RAILPOWER。该软件能够模拟无分叉的单线和双线线路，并且分为直流和交流两个版本。但并没有考虑AT供电系统，此系统可通过将交流系统的50kV电路等效成25kV电路而获得。RAILPOWER软件成功地应用世界各国各工程领域，其较新的版本RAILPOWERⅡ。RAILPOWER提供了一个对整个牵引供电系统在每一时刻的完全的交互仿真。优点：列车运行情况将根据牵引网电压不停地做调整，合理地引进再生制动，实施控制策略防止列车发生追尾和在接合处碰撞。通过随意设置车站的停留时间获得不同时期的运行图(蒙特卡罗仿真)，对于一个真实的系统模型这是必需的。Elbas:SwitzerlandLtdasEngineeringCompanyforElectricalRailway.FoundedinJune2001.BusinessfieldsTractionpowersupply;Catenarysystems;Motivepowerunittechnology;SCADAandSignaling;Telecommunications.

Elbas：WEBANET，SINANETWEBANET

SimulationSystemforACRailwaysinLRTandLongDistanceTransport.IntegratedTractionSimulationandNetworkCalculationSoftware.Itcontainsdigitaltractionsimulationandthenodalpotentialmethodforelectricalnetworkcalculation.Tractionsimulationpermitsanytraintypesbothofclassicalrailwaylinesandofhighspeedlines.Advance:Universalnetworkdescriptionpermitstherealizationofallpossiblefeedingsituations;Consideringregenerativebraking;Effectfordrivingbehaviorcausedbycatenaryvoltageistakenintoaccounts;SINANETSimulationSystemforDCRailwaysSuitabletoseveralDCrailwaylinesofstandardvoltage(600V,750V,1200V,1500Vand3000V)Modelsoverlaidthree-phasenetworksupplyingtheDCsubstations.Mixed-Mode-Simulation.Powerfulenergystoragedevicesforabsorptionanddeposingofregeneratebrakingenergycanbemodeled.Stationaryandinstalledatvehicleenergystoragedevice.北京交通大学开发的“城市列车运行计算系统”，该系统于2001年开发成功，主要面向城市轨道交通列车牵引计算与运行仿真。北京城建院基于运行图法，开发出的“城市轨道交通牵引供电仿真软件URTPSV2.10”；基于平均运量法，开发出的“SUPPLY2000”牵引供电仿真软件。这些软件已多次成功应用于国内外城轨供电系统设计工作中，取得了理想的效果。

以国内各设计院对城市轨道牵引供电系统的设计研究为例，牵引计算结果一般由行车部门提供，是在假定牵引网电压额定的基础上进行的，电化部门在提供的牵引计算结果的基础上采用供电分析方法和软件进行牵引供电设计。实际上，开发包括列车运行和牵引供电模型在内的综合仿真软件是一个发展趋势。

列车运行过程模拟根据列车的牵引特性、制动特性，采用优化牵引策略，解算列车运行方程，模拟列车启动、区间运行及停车制动全过程。近些年来，遗传进化算法、模糊集理论、智能体技术，分布式仿真技术等在交通运输模拟系统的应用越来越广泛。牵引计算牵引供电计算平均运量法：计算供电臂平均电流和有效电流，供电臂的平均电压损失和电能损失。概率统计法：利用概率统计的原理揭示牵引负荷这一随机变量的规律性。概率潮流计算主要包括解析法和蒙特卡洛模拟两种基本方法。

解析法由于其计算量随元件数增加而剧增，处理负荷潮流相关模式比较困难，因而在复杂系统的分析中应用有限。蒙特卡洛模拟可考虑各种复杂情况、系统的各种随机因素，输出信息丰富而全面，故获得普遍应用。列车运行图法

利用列车运行图和由牵引计算得到的列车电流、功率变化曲线，确定供电区段内的牵引负荷变化规律。根据列车运行图，确定每一时刻区段上列车的位置、取流和功率，通过计算得到每一瞬间的网络状态，包括牵引网网压、整流变电所功率等。

根据列车运行图进行牵引供电计算，能直观地描述牵引负荷的变化特征，特别是瞬时特征。虽然这种计算方法比较复杂，但随着计算机的不断发展和运用，利用运行图进行牵引供电计算无论从原理还是从今后发展方向考虑，都将得到广泛的应用。分析设计基本流程二、设计流程1、线路

线路专业需要提供线路的站点分布、车辆段和车场的设置方案；本工程的近远期的实施计划，即建设工期，为近期实施和远期预留提供依据。线路专业需要提供具体资料包括：线路基本说明、线路的纵断面图和车站基本信息表(车站基本形式、与线网其他线路车站的换乘信息)。2、行车组织

行车组织专业提供的资料直接决定了牵引供电系统的容量和规模。其需要提供线路的配线方案、全日行车计划表、近远期的停站时间表、系统运输能力、列车运行图和牵引计算数据。牵引计算数据应包括列车的速度－时间曲线、速度－里程曲线和运行工况等。3、车辆

车辆是牵引供电系统的唯一用电负荷，与常规用电负荷相比最大的区别在于车辆是在时间和空间上的移动负荷。车辆专业需要提供基础资料包括：车辆供电电压、车辆类型、列车编组、列车重量、列车辅助设备用电和列车的牵引/制动特性。4、牵引供电系统

在开展设计的初期，牵引供电系统需要提供一些常规资料作为开展设计的前提，主要包括：接入端系统的短路容量、牵引网和回流网的基本电参数(电阻和电抗、钢轨泄漏电阻)和整流机组的外特性曲线(直流牵引供电计算)。三、牵引计算——列车运行仿真牵引计算仿真单一列车在线路上运行时，列车速度位置曲线，运行时间位置曲线，列车取用功率位置曲线。牵引计算的数学模型

阻力部分类别型号单位基本阻力计算系数取值ABC电力机车SS1、SS3、SS42.250.0190.000320SS71.400.00380.000348SS81.020.00350.0004266K3.250.00920.0003082.550.00830.000212内燃机车DF2.930.00730.000271DF4、DF7D2.280.02930.000178DF82.400.00220.00039DF110.860.00540.000218ND51.310.01670.000391ND22.980.02020.000033DFH32.400.00950.000673DF8CJ1.140.00030.000369客车21、22型客车1.660.00750.00015525B、型客车1.820.01000.000145准高速单层客车1.610.00400.000187准高速双层客车1.240.00350.000157货车滚动轴承0.920.00480.000125油罐重车专列0.530.01210.000675空货车1.070.00110.000236动车组先锋号1.650.00010.000791中原之星号1.280.00120.000195中华之星号1.160.005340.000182基本阻力公式机车出力

机车牵引力是由动力传动装置产生的、与列车运行方向相同、导致列车运行并可由司机根据需要调节的外力。

牵引工况：牵引力F由列车牵引特性曲线决定F=f1(U,n,v)U:列车牵引网网压；v:列车速度;n:列车控制手柄级位。SS8型电力机车第18级位下的牵引特性曲线无级调速的城轨列车牵引特性曲线

制动力

由制动装置引起的与列车方向相反的外力，称为制动力。这个人为的阻力比自然产生的列车运行阻力一般要大得多。空气制动

中国铁路目前主要使用闸瓦制动、盘形制动和动力制动。闸瓦制动又称踏面制动，它通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦，把列车动能转变为热能消散于大气，并产生制动力。盘形制动是在车轴上或车轮侧面安装制动盘，通过闸片与制动盘侧面的机械摩擦产生制动作用。动力制动是让机车或动车的车轮带动其动力传动装置，使它产生逆作用，从而消耗列车动能，产生制动作用。电阻制动

机车动力制动是利用机车动力装置、机车传动装置或牵引电动机的逆动所产生的阻滞作用来限制或降低列车运行速度以至停车。

例如：电阻制动、再生制动和反接制动列车制动力B由列车电阻制动特性曲线或者再生制动特性曲线决定；B=f2(U,n,v)常用制动

常用制动，是正常情况下为调控列车速度或进站停车所施行的制动，其作用较缓和，而且制动力可以调节，通常只用制动能力的20%—80%，多数情况下只用50%左右。紧急制动

紧急制动，是紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动，它不仅用上了全部制动能力，而且作用比较迅猛。合力牵引工况惰行工况制动工况单位合力加速度牵引策略 a)最大能力牵引策略

列车以最大性能运行，旅行时间最短。在给定线路条件下、线路限速的条件下，如果列车速度低于限速就采用全部牵引加速，如果列车速度接近或等于限速就保持恒速(若全力牵引仍不能保持恒速，那么就全力牵引)，当限速降低时，采用全力制动。

b)手动驾驶

用户直接手动干预牵引列车，手动驾驶功能。c)定时节能运行

指定列车运行时间的情况下，优化列车的操纵策略，使列车在指定时间下，能耗最低。(机械能模型与能耗模型)。优化策略主要有两种：一种是牵引、惰行更迭的策略，另一种是存在部分牵引工况，列车有巡航恒速阶段。

列车节能控制策略由全力牵引、部分牵引、惰行、部分制动和全力制动组成。全力牵引使用在临近陡上坡或限速上升等情况；部分牵引可用在普通坡道上，使列车克服阻力保持恒速运行；部分制动发生在陡下坡时，且列车运行速度接近限速时；全力制动运用在制动进站或者限速下降的情况；惰行运用在临近陡下坡、限速下降的区域或者其他用来调整运行时间的区域。

较传统牵引计算的改进

考虑车长对列车受力的影响，即多质点列车模型。

单质点模型多质点模型系统用例图

列车运行仿真系统的总体框架列车运行仿真系统数据处理模块屏幕显示模块运行仿真模块运行图模块结果输出模块数据处理模块线路处理模块列车处理模块线路坡道编辑模块线路曲线编辑模块线路限速编辑模块线路标志编辑模块线路转换模块机车数据编辑模块客车数据编辑模块货车数据编辑模块列车编组数据模块

该模块主要是对列车牵引计算所需要的大量基础数据文件进行输入和编辑。并将这些数据保存在相应的数据文件或数据库中。

运行图模块电气工程学院运行图模块运行时刻表编辑运行图显示

通过该模块用户可以根据自己的需求，编辑和修改列车运行时刻表；然后根据运行时刻表绘制列车运行图。

运行仿真模块

根据选择的列车编组和线路数据实现列车的手动驾驶、节时自动驾驶和定时节能运行等。电气工程学院运行仿真模块仿真条件设置模块仿真算法模块手动驾驶算法节时制动驾驶算法定时节能驾驶算法

屏幕显示模块

电气工程学院

根据选择的线路文件，将坡道、曲线、限速、公里标等数据绘制在屏幕上，并实时绘制列车运行信息。通过显示控制模块来控制其显示的内容和范围。屏幕显示模块线路属性显示模块列车显示模块运行信息显示模块显示控制模块

结果处理模块结果处理模块运行结果显示运行结果保存

列车运行仿真结束后，自动生成一运行记录文档，该文档用以记录整个区间列车的运行信息，同时将运行结果保存在数据库中。电气工程学院四、牵引供电系统仿真

列车运行仿真是牵引供电计算的基础，牵引计算给出列车在线路上运行的位置、取流、功率与运行时间的函数关系。根据牵引计算结果与运行图可确定任一运行时刻，线路上多列车位置和功率的分布，由牵引供电计算获得牵引网网压，变电所电压、电流以及负荷变化过程。

牵引供电计算是牵引供电系统设计的重要依据。它关系到供电系统构成、牵引供电方式、变电所设置等多项系统设计的关键因素。研究意义牵引供电系统负荷过程仿真，可以对各种供电方式、运行方式及列车在各种运行状态下系统的供电指标进行核查，为最优供电系统设计和运行方案的制定提供科学依据。辅助牵引供电系统方案设计，如不同供电方式的牵引供电系统设计；同相供电系统设计；柔性牵引供电系统设计等。行车调度方案的验证，各种行调方案的比选。研究内容牵引供电系统负荷过程仿真分为两个部分：对交流牵引供电系统进行数学建模，是实现仿真过程中任一时刻牵引供电系统供电计算的关键；实现基于运行图的列车群动态运行仿真，是实现牵引供电系统负荷动态过程的关键。仿真平台的用途新线牵引供电系统设计既有线行车调度方案比选，供电能力的校验电气化铁道对电网电能质量的影响分析国内外研究现状Elbas公司的Webanet(交流牵引供电仿真平台)与Sinanet(直流牵引供电仿真平台)。OpenTrack来源于本世纪90年代中期瑞士联邦研究院所承担的铁道网络运营管理系统研究项目。OpenPowerNet软件由德国德累斯顿工业大学轨道交通技术研究所开发，该软件在OpenTrack的列车运行仿真的基础上，提供复杂路网及运输条件下轨道交通供电网络电参量与能耗分析。既有牵引供电仿真软件的不足Webanet与OpenTrack、OpenPowerNet，国内铁道设计院有引进，其价格不菲(约￥150万)。由于国内外在牵引供电系统设计的需求和分析方法上存在一定差异，在实际应用过程中，存在计算原理和模型不清楚，无法进行维护和二次开发等问题。仿真软件的牵引供电计算的结果均缺乏实测数据验证。牵引供电系统设计现状行车组织与牵引供电计算脱节以国内各设计院为例，列车运行模拟一般由行车部门提供，电化部门则在牵引计算结果的基础上进行牵引供电设计。前处理充分，后评估严重不足前处理：重视牵引供电系统设计环节。后评估：缺乏实测验证，修正牵引供电计算模型与参数的环节；忽视既有线牵引供电系统设计经验的总结。仿真平台前期工作基础早在上个世纪80年代中期，以西南交通大学张进思为代表的一批教授和学者，