徐麗莉 石宏明 史文釗

（1、西門子交通技術(shù)（北京）有限公司上海分公司，上海 200082 2、上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海 200000）

由于路面交通的壓力不斷增加，并且隨著限行措施不斷擴(kuò)大，選擇軌道交通出行的市民越來(lái)越多，對(duì)軌道交通的運(yùn)力帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。上海地鐵目前有18條線路，根據(jù)2021年上海交通指揮中心公布的“二月份上海交通運(yùn)行月報(bào)（軌道篇）”顯示：地鐵2號(hào)線日均客流達(dá)93.5 萬(wàn)，列各條線路之首。2號(hào)線歷史單日最高客流量曾達(dá)到182萬(wàn)，為積極應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)期的客流增長(zhǎng)，挖掘運(yùn)力潛能，根據(jù)設(shè)定的列車運(yùn)行時(shí)刻表，建立動(dòng)態(tài)的直流牽引供電系統(tǒng)仿真，可針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)健康狀態(tài)和未來(lái)潛能進(jìn)行分析和研究。

1 項(xiàng)目概況

上海軌道交通2號(hào)線自2000年6月開(kāi)通至今，經(jīng)過(guò)西延伸、東延伸、西延伸二期和東延伸二期，現(xiàn)全長(zhǎng)約64公里，共有30座乘客站，并由23座牽引變電站完成列車運(yùn)行的牽引供電。2017年8月，東延伸段開(kāi)始4節(jié)編組擴(kuò)編工作；2019年10月，全線采用8節(jié)編組A型列車運(yùn)營(yíng)，4節(jié)編組列車全部下線，并啟用全新的列車運(yùn)行圖。現(xiàn)早高峰時(shí)期，中心區(qū)間車站的平均行車間隔為2分40秒。2號(hào)線遠(yuǎn)期增能目標(biāo)為縮短行車間隔至90秒左右（即40對(duì)/小時(shí)），以此進(jìn)一步提高運(yùn)力。本項(xiàng)目針對(duì)上海2號(hào)線現(xiàn)有的實(shí)際列車運(yùn)行圖及遠(yuǎn)期運(yùn)行需求建立動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，評(píng)估及分析現(xiàn)有直流供電牽引系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及后期增能潛力。同時(shí)通過(guò)調(diào)整仿真參數(shù)設(shè)定調(diào)整，分析相關(guān)參數(shù)對(duì)供電牽引系統(tǒng)的影響及規(guī)律。

2 Sidytrac仿真軟件應(yīng)用

Sidytrac仿真軟件可以結(jié)合列車運(yùn)行進(jìn)行牽引供電網(wǎng)絡(luò)的仿真計(jì)算。在軟件中可以很靈活地建立車輛模型、電氣網(wǎng)絡(luò)模型及列車運(yùn)行模型，從而評(píng)估實(shí)際運(yùn)行條件下或配（轉(zhuǎn)下頁(yè)）置新的運(yùn)行條件下的牽引供電系統(tǒng)的表現(xiàn)。整個(gè)仿真計(jì)算是在靜態(tài)的電氣網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上增加列車運(yùn)行模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)電力網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算，并得出車輛的機(jī)械和電氣計(jì)算結(jié)果以及電氣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果，包括線路網(wǎng)壓、饋線電流以及能耗分析等。

3 直流牽引供電系統(tǒng)建模

3.1 直流牽引供電系統(tǒng)技術(shù)原理

軌道交通牽引供電系統(tǒng)一般都采用直流制，電壓等級(jí)一般為750V和1500V。目前，電力牽引供電都是以公用電網(wǎng)配電，由交流電經(jīng)過(guò)變換后獲得，而為牽引變電所供電的電力系統(tǒng)一般被稱為一次系統(tǒng)。上海2號(hào)線采用集中供電方式，由電力系統(tǒng)提供110kV電源，經(jīng)110kV主變降為牽引和動(dòng)力照明供電系統(tǒng)所需的33kV。牽引供電部分則由對(duì)應(yīng)的整流機(jī)組將33kV交流變換為1500V直流，為車輛牽引提供電力。

此次項(xiàng)目的仿真范圍主要針對(duì)1500V直流供電牽引系統(tǒng)。

3.2 電氣網(wǎng)絡(luò)模型

上海2號(hào)線的牽引供電系統(tǒng)是由整流變、整流器、正極進(jìn)線柜、饋線柜、接觸網(wǎng)、列車、鋼軌以及負(fù)極柜形成的典型電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]。在電氣網(wǎng)絡(luò)建模中，需要對(duì)電氣元件分別建模并根據(jù)實(shí)際電氣連接點(diǎn)建立電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

整流變模型：2號(hào)線全線采用12相24脈波整流變壓器，特性計(jì)算參照IEC60146-1-1/-1-2。整流變由一個(gè)帶有內(nèi)阻的電壓源來(lái)模擬的，其等效電路如圖1所示。如果鉗位電壓U增加到空載電壓以上，則內(nèi)阻增加到極高，沒(méi)有電流流經(jīng)。

圖1 整流變等效電路

其中Uq為高壓側(cè)空載電壓，ZHV為高壓側(cè)短路阻抗，Ri為整流變的等效內(nèi)阻，RE為負(fù)對(duì)遠(yuǎn)端接地端的接地電阻。上述參數(shù)來(lái)源于整流變技術(shù)規(guī)范。

接觸網(wǎng)模型:上海2號(hào)線接觸網(wǎng)既有柔性接觸網(wǎng)，又有剛性接觸網(wǎng)。在模型中，根據(jù)不同的接觸網(wǎng)材料規(guī)格定義一定磨耗和運(yùn)行溫度下的單位長(zhǎng)度阻值。同時(shí)，按照線路實(shí)際分布情況設(shè)置對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)類型。在仿真計(jì)算時(shí)，結(jié)合列車運(yùn)行軌跡，在對(duì)應(yīng)的供電區(qū)間內(nèi)按照對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)類型及對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度折算成等效電阻。鋼軌模型的建立采用與接觸網(wǎng)模型一致的方法，也是通過(guò)對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)的長(zhǎng)度并依據(jù)單位長(zhǎng)度阻值折算成等效電阻。

電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，正常運(yùn)行情況下，每個(gè)牽引變電站負(fù)責(zé)確定區(qū)間的牽引供電。因此，在電氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ椭行枰⒚總€(gè)牽引變電所對(duì)應(yīng)的供電區(qū)間，包括從整流變到接觸網(wǎng)及鋼軌之間連接電纜的等值電阻。在模型中，確定上下行各個(gè)分段絕緣器的位置，并且將整流變、上網(wǎng)電纜及回流電纜的參數(shù)與對(duì)應(yīng)分段絕緣器一一對(duì)應(yīng)，建立起整個(gè)直流牽引網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，圖2為電氣網(wǎng)絡(luò)仿真模型。接觸網(wǎng)及走行軌上的等值電阻及等效電路依據(jù)列車運(yùn)行位置的變化而變化。

圖2 電氣網(wǎng)絡(luò)仿真模型

3.3 車輛模型

車輛模型按照2號(hào)線日常運(yùn)營(yíng)的8節(jié)編組A型列車數(shù)據(jù)建立。車輛模型可以等效為根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡變化的功率源[2]。模型中需考慮車輛運(yùn)行過(guò)程中的阻力、牽引力和制動(dòng)力特性曲線，結(jié)合傳動(dòng)效率、牽引效率、制動(dòng)效率和車輛本身質(zhì)量，可以得出行駛過(guò)程中對(duì)應(yīng)速度下的加速度、減速度，從而可以換算出機(jī)械功率和電氣功率的等式：

F=M*a

W=F*S

P=F*V=M*a*V

機(jī)械功率P1=牽引力*速度

電氣功率P2=P1/效率

其中，車輛的阻力由車輛本身的阻力公式確定。

結(jié)合車輛模型中的牽引力和制動(dòng)力曲線，仿真計(jì)算中按照阻力公式及相應(yīng)曲線確定車輛功率。

3.4 系統(tǒng)模型參數(shù)調(diào)整

電氣網(wǎng)絡(luò)模型和車輛模型建立后，根據(jù)列車運(yùn)行圖建立車輛運(yùn)行軌跡，從而形成整體的動(dòng)態(tài)電力網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算。仿真軟件可以通過(guò)設(shè)置列車發(fā)車間隔、站點(diǎn)停站時(shí)間、區(qū)間駕駛曲線來(lái)建立列車運(yùn)行模型。在建立運(yùn)行圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整區(qū)間駕駛滑行時(shí)間來(lái)改變車輛駕駛曲線，進(jìn)一步觀察不同的車輛行駛特性對(duì)直流牽引供電的影響。列車有兩種駕駛模式:一種是全速運(yùn)行模式，另一種是滑行運(yùn)行模式。全速運(yùn)行模式包括三個(gè)階段：最大加速度加速;穩(wěn)定運(yùn)行;最大減速度制動(dòng)。和全速運(yùn)行模式相比，滑行模式更符合實(shí)際駕駛模式，特別是全自動(dòng)駕駛模式。它包含四個(gè)階段：最大加速度加速;穩(wěn)定運(yùn)行;慣性滑行;最大減速度制動(dòng)。在早高峰列車運(yùn)行模型中，考慮了線路限速和平均12%的滑行。在此早高峰運(yùn)行模型基礎(chǔ)上，減少區(qū)間滑行時(shí)間至0%變?yōu)槿倌Ｊ竭\(yùn)行，并采取列車最高時(shí)速80km/h運(yùn)行，得到新的區(qū)間駕駛曲線。不改變行車間隔的基礎(chǔ)上縮短區(qū)間駕駛時(shí)間，可以分析區(qū)間駕駛模式對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)的影響。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 早高峰兩種駕駛模式仿真結(jié)果分析比較

4.1.1 線路網(wǎng)壓對(duì)比

圖3和圖4分別是早高峰時(shí)列車滑行模式和全速模式運(yùn)行情況下的全線網(wǎng)壓分布圖。列車全速模式下，列車能耗比滑行模式多，全線網(wǎng)壓有所下降。單獨(dú)從網(wǎng)壓分布情況不能看出明顯的壓降，仿真計(jì)算還給出了仿真時(shí)間內(nèi)正線最高和最低網(wǎng)壓的波動(dòng)情況。圖5和圖6是分別是早高峰滑行模式和全速模式下電壓隨時(shí)間的變化圖表，從整個(gè)仿真周期1小時(shí)內(nèi)網(wǎng)壓的波動(dòng)情況比較，可以明顯看到，全速運(yùn)行模式下，最低網(wǎng)壓曲線明顯下移，并且在1400V以下的時(shí)間段明顯增加。

圖3 早高峰滑行模式全線網(wǎng)壓分布圖

圖4 早高峰全速模式全線網(wǎng)壓分布圖

圖5 早高峰滑行模式下電壓vs時(shí)間變化圖

圖6 早高峰全速模式下電壓vs時(shí)間變化圖

4.1.2 能耗對(duì)比

從總能耗數(shù)值上比較，全速模式下的能耗是滑行模式的兩倍多。從不同能量流動(dòng)的絕對(duì)數(shù)值分析看，全速模式下的牽引能耗并沒(méi)有比滑行模式增長(zhǎng)很多，但用于制動(dòng)的能量損耗增加，總體能耗的增加幾乎都增加在制動(dòng)損耗上。

4.2 早高峰與40 對(duì)/小時(shí)運(yùn)行場(chǎng)景仿真結(jié)果分析比較

4.2.1 線路網(wǎng)壓對(duì)比

在40對(duì)/小時(shí)運(yùn)行圖下的仿真計(jì)算中，列車區(qū)間行駛的限速和滑行設(shè)置與早高峰滑行模式運(yùn)行場(chǎng)景完全一致。從40對(duì)/小時(shí)的仿真結(jié)果和早高峰的仿真結(jié)果對(duì)比，全線網(wǎng)壓降低明顯，有部分區(qū)域低于1350V，對(duì)列車行駛性能會(huì)有一定影響。同時(shí)對(duì)比早高峰滑行模式的電壓隨時(shí)間變化的曲線，整體網(wǎng)壓下移，低于1350V的時(shí)間段增加，對(duì)列車的運(yùn)行性能會(huì)有一定影響。如后期運(yùn)行需要增能到40對(duì)/小時(shí)，則要考慮一定的措施提高直流牽引供電系統(tǒng)的供電能力。

4.2.2 能耗對(duì)比

從40對(duì)的仿真結(jié)果中對(duì)比早高峰滑行模式下的能耗值，由于縮短了行車間隔，仿真周期內(nèi)的車輛增多，能耗值增加，牽引能耗、輔逆能耗和車輛損耗等都是早高峰運(yùn)行場(chǎng)景下的近兩倍。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目針對(duì)上海地鐵2號(hào)線直流牽引供電系統(tǒng)開(kāi)展仿真計(jì)算，建立了電氣網(wǎng)絡(luò)模型、車輛模型和列車運(yùn)行模型，并且著重根據(jù)列車的不同運(yùn)行場(chǎng)景和車輛不同的駕駛模式作為參數(shù)，研究分析了這些參數(shù)變化對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全狀態(tài)和能耗的影響。從牽引網(wǎng)壓分布、網(wǎng)壓波動(dòng)以及能耗變化的情況，驗(yàn)證了相關(guān)參數(shù)的影響關(guān)系；在西門子為上海地鐵2號(hào)線設(shè)計(jì)以及投入運(yùn)營(yíng)20年后，對(duì)全線做此次仿真可以再次給到客戶一個(gè)設(shè)計(jì)全貌和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)健康度的檢查，同時(shí)，分析結(jié)果也為上海地鐵2號(hào)線后期增能提供理論依據(jù)和分析基礎(chǔ)。