劉路鵬，錢雪軍

（同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200331）

城市軌道交通具有運量大、快捷準(zhǔn)時、安全平穩(wěn)和地面用地面積小等優(yōu)點，成為現(xiàn)代城市交通的主流趨勢，得到了快速發(fā)展[1]。隨著國內(nèi)地鐵線路的不斷擴充，對合格的地鐵電力調(diào)度人員的需求量日益增加。但由于城市軌道交通的特殊性，不可能利用實際正在運行中的監(jiān)控系統(tǒng)進行培訓(xùn)，因此，建立一套完整、系統(tǒng)的地鐵電力調(diào)度監(jiān)控仿真系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

目前，國內(nèi)外在對地鐵電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的研究中較少采用與實際相結(jié)合的方式進行[3]。還有一些是采用其他已有軟件，如Matlab 等軟件進行建模，不適合對實際調(diào)度員和檢修工等進行培訓(xùn)[4]。

本文通過建立供電系統(tǒng)模型，結(jié)合與實際一樣的電力調(diào)度工作站，搭建地鐵電力調(diào)度監(jiān)控仿真系統(tǒng)，對地鐵電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真研究，該系統(tǒng)可有效、系統(tǒng)地完成對地鐵電力調(diào)度人員的培訓(xùn)工作，提高其操作技能。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地鐵電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計采用分布式的結(jié)構(gòu)，即二級管理（車站級、控制中心級）和三級監(jiān)控（控制中心、車站級、現(xiàn)場級）[5]。本系統(tǒng)的仿真對象為上海地鐵11 號線的電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，全線共包含2 個主變電所、42 個變電站、2 個開關(guān)站、3 個車輛段和1 個控制中心，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

1.1.1 控制中心

控制中心包含線路調(diào)度員的2 個模擬工位，其工作站安裝的軟件可保證線路調(diào)度員進行與實際一樣的操作，能夠?qū)φ麄€線路上的供電設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)視和操作，實現(xiàn)報警和報表統(tǒng)計及打印等功能。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 車站級

車站級包含變電檢修工的模擬工位，其工作站安裝的軟件也與實際完全一致，是按照實際的線路主變電所、牽降混合變電所和降壓變電所進行設(shè)置的，可對實際中變電檢修工的日常工作，如倒閘操作、事故處理等進行仿真。

1.1.3 整體結(jié)構(gòu)

線路調(diào)度員和變電檢修工的操作通過線路數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送給供電系統(tǒng)仿真模塊，供電系統(tǒng)仿真模塊根據(jù)當(dāng)前供電線路的交流/直流負載及各個開關(guān)狀態(tài)，計算出線路上各個開關(guān)狀態(tài)，如電流、電壓參數(shù)，并反饋給操作界面，兩者之間采用IEC-104 規(guī)約進行通信[6]，從而實現(xiàn)對地鐵電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的仿真。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)遙控、遙測、遙信、遙調(diào)這“四遙”功能和其他基本功能[7]。（1）控制及操作功能：可對供電系統(tǒng)的任一可遙控對象進行分合遙控，如35 kV斷路器、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)等。另外，能對35 kV 進出線斷路器整定值進行遙調(diào)切換。（2）數(shù)據(jù)采集與處理功能：采集供電系統(tǒng)中的各種遙信信息，包括斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的分合狀態(tài)，位置狀態(tài)和事故信號等。系統(tǒng)還應(yīng)具有采集變電所的電氣量的遙測功能，包括整流機組電流，直流1 500 V 母線電壓等。（3）其它基本功能：顯示和報警等。

2 供電系統(tǒng)建模

城市軌道交通供電系統(tǒng)分為交流供電系統(tǒng)和直流牽引供電系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。（1）交流供電系統(tǒng)從城市電網(wǎng)接收110 kV 高壓，經(jīng)主變電所降至35 kV 電壓，一部分經(jīng)降壓變電站降壓至400 V 輸送給配電系統(tǒng)，另一部分送至牽引變電站。（2）直流牽引供電系統(tǒng)由牽引變電站從交流供電系統(tǒng)引入35 kV 電壓，然后經(jīng)降壓整流輸出1 500 V 電壓，由饋線供給接觸網(wǎng)，進而給地鐵列車供電，并由鋼軌經(jīng)過回流線回流，形成電流回路[8]。

圖2 城市軌道交通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 直流牽引供電系統(tǒng)建模

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

城市軌道交通供電系統(tǒng)的直流牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電站、接觸網(wǎng)、鋼軌和列車組成。牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所整流輸出1 500 V 直流電，分別送給上下行兩條線路的接觸網(wǎng)，供電給列車，然后經(jīng)過鋼軌回流，以3 個變電站兩個區(qū)間為例，其等效模型，如圖3 所示。其中，整流機組是牽引變電站的核心裝置，由串聯(lián)內(nèi)阻的電壓源等效，接觸網(wǎng)和鋼軌由電阻等效，列車由等效電流源替代。

由于整流機組的等效電壓源的電壓VS和內(nèi)阻RS的取值會隨著負載的變化而變化，因此需要對牽引供電系統(tǒng)進行潮流計算，得到整流機組負荷電流，以此來選擇整流機組的工作區(qū)間，從而確定VS和RS的取值。

考慮到在實際運行過程中，列車的速度、位置是隨著時間變化的，列車的功率值也將隨時間變化，故列車采用恒功率模型，用p表示。

上行接觸網(wǎng)、鋼軌和下行接觸網(wǎng)的分段電阻分別用Ri1、Ri2和Ri3表示。

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)的等效模型，可以獲得其數(shù)學(xué)模型。

圖3 直流牽引供電系統(tǒng)等效模型

其中， U—節(jié)點電壓向量；

I—節(jié)點電流向量；

Y—節(jié)點導(dǎo)納矩陣。

將牽引供電系統(tǒng)等效模型按整流機組和列車所在位置縱向分成6 個斷面。則

其中，Ui=[Ui1Ui2Ui3]T，i=1,…,6，Ui1、Ui3分別為上下行接觸網(wǎng)電壓，Ui2為鋼軌電壓，如圖3 所示。

其中，若第i個斷面為整流機組所在斷面，則若第i個斷面為列車所在斷面，對上行列車有對下行列車有

其中，Yii為斷面i的自導(dǎo)納矩陣，Yij和Yji為斷面i和斷面j之間的互導(dǎo)納矩陣（j=1,2,…,6）。

（1）自導(dǎo)納矩陣：

另外，若該斷面為整流機組所在斷面，還要考慮整流機組內(nèi)阻的因素。

2.1.2 模型結(jié)構(gòu)

在上述模型中，由于列車是動態(tài)的，隨著時間的推移，在兩個牽引變電站之間可能出現(xiàn)不同數(shù)量的列車，相應(yīng)的牽引網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生變化，如圖4 所示。在圖4a 中，兩個站間存在兩列列車p1和p2；經(jīng)過一段時間后列車p1駛出該區(qū)間，兩站之間只有1 列列車p2，模型結(jié)構(gòu)如圖4b；又經(jīng)過一段時間后列車p2也駛離該區(qū)間，兩站之間沒有列車，模型結(jié)構(gòu)如圖4c。模型結(jié)構(gòu)的不斷變化將導(dǎo)致阻抗矩陣的維數(shù)發(fā)生變化，需要重新構(gòu)建阻抗矩陣。

圖4 牽引供電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

為了避免上述結(jié)構(gòu)變化所導(dǎo)致的問題，這里假設(shè)相鄰兩個變電站之間最多只有兩列列車（根據(jù)線路運行圖來確定），則無論是有1 列列車還是沒有列車，都認為在兩個變電站之間始終有兩列列車，模型結(jié)構(gòu)固定為圖4a 所示。當(dāng)區(qū)間中少于兩列列車時，缺少的列車采用一個功率為零的負載等效。

2.1.3 潮流計算

在列車實際運行過程中，受運動狀態(tài)的影響，阻抗矩陣和節(jié)點電流不斷發(fā)生變化，這導(dǎo)致整個牽引供電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的時變參數(shù)網(wǎng)絡(luò)[9]，需要多次迭代求解。直流側(cè)潮流計算主要是根據(jù)節(jié)點電壓法，采用高斯消去法對式（1）進行求解，得到系統(tǒng)各整流機組的工作負荷和各節(jié)點電壓等，計算過程，如圖5 所示。

2.2 交流供電系統(tǒng)建模

圖5 直流牽引供電網(wǎng)絡(luò)潮流計算流程

交流供電系統(tǒng)主要由主變電所、35 kV 中壓供電網(wǎng)絡(luò)和降壓變電所及其他供電線路等組成。其等效模型，如圖6 所示，把主變電所和降壓變電所視作平衡節(jié)點A，牽引供電系統(tǒng)視作PQ 節(jié)點B、C、D，為主變電所的負載節(jié)點，供電線路等效為π 型等效電路。

圖6 交流供電系統(tǒng)等效模型

對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型可表示為：

其中，Pi和Qi分別為第i個節(jié)點的有功功率和無功功率；u·i為該節(jié)點的節(jié)點電壓；yij為節(jié)點導(dǎo)納矩陣元素。

對上述模型的求解采用交流潮流計算的一般方法牛頓-拉夫遜法來實現(xiàn)[10]。

3 線路數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

線路數(shù)據(jù)主要指電力調(diào)度中心的調(diào)度工作站與供電仿真系統(tǒng)之間交互所需要的數(shù)據(jù)，包括110 kV/35 kV/400 V 電壓等級母線、主變壓器、降壓變壓器、整流變壓器、線路電動開關(guān)和斷路器等的遙控、遙信和遙測信息。這些數(shù)據(jù)是直接從實際變電站獲取的，并被記錄在點表中。

3.2 通信實現(xiàn)

電力調(diào)度中心的調(diào)度工作站與供電系統(tǒng)仿真之間的數(shù)據(jù)交換采用IEC-104 規(guī)約，它采用主從召喚機制進行數(shù)據(jù)傳輸[11]，由操作界面（主站）發(fā)送遙控指令，供電系統(tǒng)仿真軟件（子站）進行解析、確認等過程后執(zhí)行該指令，同時完成相關(guān)計算，并返回設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)。

與實際系統(tǒng)不同，本文搭建的供電系統(tǒng)的所有變電站用一個計算機進行仿真。因此，采用不同的端口號來區(qū)分不同的變電站，從而確保所獲取數(shù)據(jù)的正確性。

4 仿真實現(xiàn)

使用C++語言編寫地鐵電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)仿真軟件，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r地根據(jù)調(diào)度操作進行潮流計算，更新設(shè)備狀態(tài)并顯示。本系統(tǒng)以上海地鐵11 號線為例，介紹其仿真實現(xiàn)。

4.1 系統(tǒng)仿真

仿真實現(xiàn)流程，如圖7 所示。（1）啟動軟件進行登錄，進入監(jiān)控操作界面。當(dāng)線路處于正常運行狀態(tài)時，如圖8 所示，屏幕上方橙色圓形和線條代表整體線路，可以通過點擊對應(yīng)不同變電站的橙色圓形或中央的左右箭頭來切換變電站。（2）判斷是否有遙控操作，若有，則改變數(shù)據(jù)庫中的電氣設(shè)備狀態(tài)，由供電仿真系統(tǒng)進行潮流計算，將所得結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，并調(diào)用OnPaint()函數(shù)和OnEraseBkgnd()函數(shù)進行繪圖，及時刷新顯示的設(shè)備狀態(tài)；若無，則顯示無變動。

4.2 仿真結(jié)果

4.2.1 遙信、遙測功能

遙信值主要指電氣設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。在供電網(wǎng)絡(luò)圖中體現(xiàn)為，開關(guān)閉合顯示為紅色，斷開為綠色。遙測值主要指電氣設(shè)備的電氣量，通過在供電網(wǎng)絡(luò)圖中顯示主要電氣設(shè)備的電壓、電流值來實現(xiàn)。

4.2.2 遙控功能

鼠標(biāo)放在101 號35 kV 斷路器上，點擊鼠標(biāo)右鍵，依次選擇“遙控”、“遙控選擇”和“遙控執(zhí)行”按鈕，對其進行遙控分閘操作，實現(xiàn)35 kV 自投運行，得到供電網(wǎng)絡(luò)圖，如圖9 所示。同樣可在其它電氣設(shè)備上進行遙控操作。

5 結(jié)束語

本文通過對地鐵供電系統(tǒng)的交直流兩部分系統(tǒng)的分析，建立其數(shù)學(xué)建模，建立線路數(shù)據(jù)處理的接口，從而將實際電力調(diào)度工作站與虛擬供電系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)了對地鐵電力調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的仿真。同時，該系統(tǒng)具有通用性，可推廣并應(yīng)用于其它線路。目前，該系統(tǒng)作為地鐵電力調(diào)度員的培訓(xùn)系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場獲得了應(yīng)用，能夠有效地提高地鐵電力調(diào)度人員的培訓(xùn)效率，符合實際需求。本系統(tǒng)還可在如何提高仿真通信的實時性等方面做進一步的研究。

圖7 仿真實現(xiàn)流程

圖8 正常運行狀態(tài)下的供電網(wǎng)絡(luò)

圖9 35 kV自投運行時的供電網(wǎng)絡(luò)