觸網(wǎng)式有軌電車供電系統(tǒng)仿真軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張明銳 李俊江 陳日發(fā)

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，201804，上海;2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京//第一作者，教授)

一套邏輯合理、簡(jiǎn)潔實(shí)用、人機(jī)界面友好的牽引供電系統(tǒng)仿真軟件，可以模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的不同工況，全面反映供電系統(tǒng)狀態(tài)信息，有助于提高設(shè)計(jì)效率。軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)以需求分析為基礎(chǔ)，作功能分析。軟件開(kāi)發(fā)還應(yīng)選擇合適的開(kāi)發(fā)環(huán)境及編程語(yǔ)言，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。本文以蘇州有軌電車1號(hào)線為例，詳細(xì)介紹觸網(wǎng)式有軌電車供電系統(tǒng)仿真軟件(以下簡(jiǎn)為“供電仿真軟件”)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1 需求分析及功能分析

1.1 需求分析

從工程設(shè)計(jì)與實(shí)施角度，分析供電仿真軟件的需求。具體包括：

1) 選擇車輛技術(shù)參數(shù)。供電仿真軟件需能提供列車最大運(yùn)行速度、區(qū)間平均速度、起動(dòng)加速度及最大牽引力等車輛技術(shù)參數(shù)的牽引計(jì)算結(jié)果。這些數(shù)據(jù)可作為車輛選型及編組設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

2) 編制列車運(yùn)行調(diào)度表。供電仿真軟件不僅能編制列車運(yùn)行時(shí)刻表及運(yùn)行圖等，還能評(píng)估和優(yōu)化運(yùn)行計(jì)劃及行車調(diào)度指揮，為優(yōu)化運(yùn)營(yíng)方案提供依據(jù)。

3) 設(shè)計(jì)牽引供電系統(tǒng)。供電仿真軟件需計(jì)算出各牽引所的牽引功率，為確定牽引變電所的容量提供依據(jù)。

4) 線路運(yùn)行后的改造。通過(guò)模擬仿真，為線路運(yùn)行后的改造(如增加牽引變電所、增加車站等改造，以及采取加大行車密度等措施)提供參考。

1.2 功能分析

基于需求分析結(jié)果，供電仿真軟件的基本功能包括：

1) 輸入計(jì)算數(shù)據(jù)。用戶可通過(guò)界面輸入線路資料、列車資料、行車組織資料、牽引網(wǎng)資料等各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并可將其保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中以方便在計(jì)算中實(shí)時(shí)調(diào)用。

2) 運(yùn)行策略及工況的選擇。供電仿真軟件應(yīng)能針對(duì)工程設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，構(gòu)建虛擬列車運(yùn)行環(huán)境，能提供不同的列車運(yùn)行策略及工況以供選擇，還能比較計(jì)算結(jié)果。

3) 計(jì)算結(jié)果輸出及圖形化。供電仿真軟件將計(jì)算結(jié)果以表格或圖形的形式在界面上表示，直觀展示速度、牽引力、電流、功率、接觸網(wǎng)電壓等變化曲線，以及牽引變電所的電流電壓變化曲線。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

供電仿真軟件選用C#作為編程語(yǔ)言，以Visual Studio為開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，利用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互操作。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

供電仿真軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)輸入模塊、計(jì)算模塊及結(jié)果輸出模塊組成，如圖1所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入及存儲(chǔ)。除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，用戶還需輸入計(jì)算條件，主要包括計(jì)算步長(zhǎng)、載客工況、運(yùn)行上限速、惰行下限速、停站時(shí)間、發(fā)車間隔等。

2.2.2 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊的計(jì)算內(nèi)容包括牽引計(jì)算和供電計(jì)算兩部分，如圖2所示。

圖1 供電仿真軟件結(jié)構(gòu)圖

圖2 計(jì)算模塊圖

牽引計(jì)算按加速、制動(dòng)和中間運(yùn)行等3個(gè)階段，對(duì)列車以節(jié)時(shí)和節(jié)能兩種運(yùn)行策略的運(yùn)行分別進(jìn)行模擬，計(jì)算列車主要運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系。

供電計(jì)算是通過(guò)建立直流牽引供電系統(tǒng)的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)模型，來(lái)求解該時(shí)變網(wǎng)絡(luò)各時(shí)刻的電氣量。所謂時(shí)變，是指車輛的位置變化引起的牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變。在時(shí)變網(wǎng)絡(luò)模型中，牽引變電所等效為內(nèi)阻可變的電壓源，車輛采用功率源模型。

網(wǎng)絡(luò)求解采用節(jié)點(diǎn)電壓法。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚仃嚬?jié)點(diǎn)包括列車取流節(jié)點(diǎn)和回流節(jié)點(diǎn)，變電所饋流節(jié)點(diǎn)和回流節(jié)點(diǎn)。

列車取流節(jié)點(diǎn)和回流節(jié)點(diǎn)的功率平衡方程分別為：

(1)

(2)

式中：

Pi——取流列車的功率；

Ui——取流節(jié)點(diǎn)i的電壓；

Uj——回流節(jié)點(diǎn)j的電壓；

Yi,j——接觸網(wǎng)導(dǎo)納。

變電所饋流節(jié)點(diǎn)和回流節(jié)點(diǎn)的功率平衡方程分別為：

(3)

(4)

式中：

Ii——變電所等效電流。

2.2.3 數(shù)據(jù)輸出模塊

輸出模塊調(diào)用存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)DataGridView控件顯示為表格，并通過(guò)ZedGraph繪圖控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的圖形化。

2.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

供電仿真軟件按照數(shù)據(jù)類別設(shè)計(jì)了10個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括列車參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、車站參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、牽引變電所數(shù)據(jù)庫(kù)、線路坡道數(shù)據(jù)庫(kù)、線路彎道數(shù)據(jù)庫(kù)、牽引特性數(shù)據(jù)庫(kù)、制動(dòng)特性數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算條件數(shù)據(jù)庫(kù)、電氣參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)及計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 邏輯設(shè)計(jì)流程圖

供電仿真軟件的邏輯設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

3 界面設(shè)計(jì)

供電仿真軟件界面包含一個(gè)主界面和多個(gè)分級(jí)界面。用戶于首頁(yè)登錄成功后，可選擇界面，并在分級(jí)界面中依次填入相關(guān)參數(shù)，選擇相應(yīng)功能。在數(shù)據(jù)輸入界面，可通過(guò)左側(cè)樹(shù)形列表選擇輸入?yún)?shù)類別，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存(見(jiàn)圖4)，部分的輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。點(diǎn)擊“開(kāi)始計(jì)算”按鈕，可進(jìn)一步進(jìn)行牽引變電所解列狀態(tài)選擇和運(yùn)行策略選擇，進(jìn)而在輸出界面獲取預(yù)期的數(shù)據(jù)輸出表格與曲線。其中運(yùn)行策略包括節(jié)時(shí)和節(jié)能兩種策略，

圖3 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)流程圖

圖4 數(shù)據(jù)輸入界面(列車編組)

參數(shù)數(shù)值阻力系數(shù)a1.059 0阻力系數(shù)b0.014 3阻力系數(shù)c0.000 243整流機(jī)組類型等效24脈波一次側(cè)系統(tǒng)短路容量/MVA10整流機(jī)組容量/kVA2×630變壓器網(wǎng)側(cè)額定電壓/kV10變壓器閥側(cè)額定電壓/V590理想空載電壓/V796.5穿越阻抗百分比/%8.0半穿越阻抗百分比/%6.5接觸網(wǎng)單位電阻/(Ω/km)0.124列車輔助逆變器總功率/kW80

4 工程實(shí)例

供電仿真軟件以蘇州有軌電車1號(hào)線為例進(jìn)行全線的牽引供電仿真計(jì)算。線路全長(zhǎng)約為18 km，全線采用半集中供電方式，牽引變電所進(jìn)線電壓為交流10 kV，有軌電車采用DC 750 V架空接觸網(wǎng)受電方式。車站分布與牽引變電所分布如圖5所示。線路初期共設(shè)車站7座，中期車站增至11座。在牽引仿真的基礎(chǔ)上，使用供電仿真軟件對(duì)線路中期全線供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果包括列車速度、時(shí)間、里程、牽引力(制動(dòng)力)、加速度、取流及功率等。圖6～10為在節(jié)時(shí)牽引策略下上行列車的仿真曲線。

圖5 蘇州高新區(qū)有軌電車線路圖

圖6 列車速度與時(shí)間關(guān)系

圖7 列車牽引力與距離關(guān)系

圖8 列車取流與時(shí)間關(guān)系

圖9 列車加速度與時(shí)間關(guān)系

圖10 列車功率與距離關(guān)系

列車以約100 kN的最大牽引力起動(dòng)，以接近50 km/h的上限速勻速運(yùn)行；列車進(jìn)站時(shí)通過(guò)逐步增加制動(dòng)力完成制動(dòng)過(guò)程；列車停站30 s后，重新起動(dòng)進(jìn)入下一行車區(qū)間。起動(dòng)階段，列車取流迅速增加，最大取流接近650 A，最大功率達(dá)到420 kW。當(dāng)列車勻速運(yùn)行時(shí)，僅需維持列車空調(diào)及照明等輔助用電能耗，電流較小。進(jìn)入制動(dòng)時(shí)，列車向接觸網(wǎng)回饋電能，回饋電流峰值約為500 A，最大回饋功率約為330 kW。

編排列車運(yùn)行信息可得列車運(yùn)行圖，如圖11所示。圖11宏觀展現(xiàn)了線路上所有列車的運(yùn)行信息，包括發(fā)車間隔、規(guī)定時(shí)刻某列車的具體位置、規(guī)定時(shí)刻線路上的列車數(shù)量及相鄰列車間距等。以列車運(yùn)行圖為基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步規(guī)劃詳細(xì)的列車發(fā)車時(shí)刻表，為運(yùn)行調(diào)度合理化提供參考。

圖12～14為4#牽引變電所供電仿真曲線。其直流母線電流變化范圍為-1 000～3 210 A，電壓變化范圍為730～835 V，功率峰值為2.70 MW，選擇額定容量為2×630 kVA的牽引變電所，短時(shí)過(guò)載倍數(shù)在1.5～3.0之間，過(guò)載時(shí)間低于1 min，滿足牽引整流負(fù)荷要求。圖15為4#與5#牽引變電所中點(diǎn)的電壓，其最小值為660 V，最大值為875 V，滿足觸網(wǎng)電壓500～900 V的標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了該有軌電車線路設(shè)計(jì)的有效性與可行性。

圖11 列車運(yùn)行圖

圖12 4#牽引變電所直流母線電流

5 結(jié)語(yǔ)

供電仿真軟件以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，以Microsoft Visual Studio和SQL Server為開(kāi)發(fā)環(huán)境，適用于架空接觸網(wǎng)供電方式的有軌電車牽引供電系統(tǒng)。供電仿真軟件對(duì)蘇州高新區(qū)有軌電車1號(hào)線的計(jì)算表明，該軟件計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果滿足精度要求，適用于接觸網(wǎng)式有軌電車項(xiàng)目建設(shè)，能提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，具有良好的工程應(yīng)用和參考價(jià)值。

圖15 4#與5#牽引變電所中點(diǎn)電壓