地鐵電力調度監控系統的仿真及其應用

劉路鵬，錢雪軍

（同濟大學 電子與信息工程學院，上海 200331）

城市軌道交通具有運量大、快捷準時、安全平穩和地面用地面積小等優點，成為現代城市交通的主流趨勢，得到了快速發展[1]。隨著國內地鐵線路的不斷擴充，對合格的地鐵電力調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控系統進行培訓，因此，建立一套完整、系統的地鐵電力調度監控仿真系統具有重要的現實意義[2]。

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

本文通過建立供電系統模型，結合與實際一樣的電力調度工作站，搭建地鐵電力調度監控仿真系統，對地鐵電力調度監控系統進行仿真研究，該系統可有效、系統地完成對地鐵電力調度人員的培訓工作，提高其操作技能。

1 仿真系統設計

1.1 系統總體結構

地鐵電力調度監控系統的設計采用分布式的結構，即二級管理（車站級、控制中心級）和三級監控（控制中心、車站級、現場級）[5]。本系統的仿真對象為上海地鐵11 號線的電力調度監控系統，全線共包含2 個主變電所、42 個變電站、2 個開關站、3 個車輛段和1 個控制中心，仿真系統結構，如圖1 所示。

1.1.1 控制中心

控制中心包含線路調度員的2 個模擬工位，其工作站安裝的軟件可保證線路調度員進行與實際一樣的操作，能夠對整個線路上的供電設備狀態進行監視和操作，實現報警和報表統計及打印等功能。

圖1 仿真系統結構

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 整體結構

線路調度員和變電檢修工的操作通過線路數據處理模塊發送給供電系統仿真模塊，供電系統仿真模塊根據當前供電線路的交流/直流負載及各個開關狀態，計算出線路上各個開關狀態，如電流、電壓參數，并反饋給操作界面，兩者之間采用IEC-104 規約進行通信[6]，從而實現對地鐵電力調度監控系統的仿真。

1.2 系統功能

本系統主要實現遙控、遙測、遙信、遙調這“四遙”功能和其他基本功能[7]。（1）控制及操作功能：可對供電系統的任一可遙控對象進行分合遙控，如35 kV斷路器、接觸網隔離開關等。另外，能對35 kV 進出線斷路器整定值進行遙調切換。（2）數據采集與處理功能：采集供電系統中的各種遙信信息，包括斷路器、隔離開關等設備的分合狀態，位置狀態和事故信號等。系統還應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 供電系統建模

城市軌道交通供電系統分為交流供電系統和直流牽引供電系統兩部分，系統結構，如圖2 所示。（1）交流供電系統從城市電網接收110 kV 高壓，經主變電所降至35 kV 電壓，一部分經降壓變電站降壓至400 V 輸送給配電系統，另一部分送至牽引變電站。（2）直流牽引供電系統由牽引變電站從交流供電系統引入35 kV 電壓，然后經降壓整流輸出1 500 V 電壓，由饋線供給接觸網，進而給地鐵列車供電，并由鋼軌經過回流線回流，形成電流回路[8]。

圖2 城市軌道交通供電系統結構

2.1 直流牽引供電系統建模

2.1.1 數學模型

城市軌道交通供電系統的直流牽引供電系統主要由牽引變電站、接觸網、鋼軌和列車組成。牽引供電系統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，供電給列車，然后經過鋼軌回流，以3 個變電站兩個區間為例，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，由串聯內阻的電壓源等效，接觸網和鋼軌由電阻等效，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、鋼軌和下行接觸網的分段電阻分別用Ri1、Ri2和Ri3表示。

根據牽引供電系統的等效模型，可以獲得其數學模型。

圖3 直流牽引供電系統等效模型

其中， U—節點電壓向量；

I—節點電流向量；

Y—節點導納矩陣。

將牽引供電系統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的自導納矩陣，Yij和Yji為斷面i和斷面j之間的互導納矩陣（j=1,2,…,6）。

（1）自導納矩陣：

另外，若該斷面為整流機組所在斷面，還要考慮整流機組內阻的因素。

2.1.2 模型結構

在上述模型中，由于列車是動態的，隨著時間的推移，在兩個牽引變電站之間可能出現不同數量的列車，相應的牽引網絡的結構也將隨之發生變化，如圖4 所示。在圖4a 中，兩個站間存在兩列列車p1和p2；經過一段時間后列車p1駛出該區間，兩站之間只有1 列列車p2，模型結構如圖4b；又經過一段時間后列車p2也駛離該區間，兩站之間沒有列車，模型結構如圖4c。模型結構的不斷變化將導致阻抗矩陣的維數發生變化，需要重新構建阻抗矩陣。

圖4 牽引供電系統模型結構

為了避免上述結構變化所導致的問題，這里假設相鄰兩個變電站之間最多只有兩列列車（根據線路運行圖來確定），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，模型結構固定為圖4a 所示。當區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，受運動狀態的影響，阻抗矩陣和節點電流不斷發生變化，這導致整個牽引供電系統是一個復雜的時變參數網絡[9]，需要多次迭代求解。直流側潮流計算主要是根據節點電壓法，采用高斯消去法對式（1）進行求解，得到系統各整流機組的工作負荷和各節點電壓等，計算過程，如圖5 所示。

2.2 交流供電系統建模

圖5 直流牽引供電網絡潮流計算流程

交流供電系統主要由主變電所、35 kV 中壓供電網絡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點A，牽引供電系統視作PQ 節點B、C、D，為主變電所的負載節點，供電線路等效為π 型等效電路。

圖6 交流供電系統等效模型

對應的數學模型可表示為：

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

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[10]。

3 線路數據處理

3.1 數據結構

線路數據主要指電力調度中心的調度工作站與供電仿真系統之間交互所需要的數據，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、線路電動開關和斷路器等的遙控、遙信和遙測信息。這些數據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

電力調度中心的調度工作站與供電系統仿真之間的數據交換采用IEC-104 規約，它采用主從召喚機制進行數據傳輸[11]，由操作界面（主站）發送遙控指令，供電系統仿真軟件（子站）進行解析、確認等過程后執行該指令，同時完成相關計算，并返回設備狀態等參數。

與實際系統不同，本文搭建的供電系統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分不同的變電站，從而確保所獲取數據的正確性。

4 仿真實現

使用C++語言編寫地鐵電力調度監控系統仿真軟件，該系統能夠實時地根據調度操作進行潮流計算，更新設備狀態并顯示。本系統以上海地鐵11 號線為例，介紹其仿真實現。

4.1 系統仿真

仿真實現流程，如圖7 所示。（1）啟動軟件進行登錄，進入監控操作界面。當線路處于正常運行狀態時，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，則改變數據庫中的電氣設備狀態，由供電仿真系統進行潮流計算，將所得結果存入數據庫，并調用OnPaint()函數和OnEraseBkgnd()函數進行繪圖，及時刷新顯示的設備狀態；若無，則顯示無變動。

4.2 仿真結果

4.2.1 遙信、遙測功能

遙信值主要指電氣設備的開關狀態。在供電網絡圖中體現為，開關閉合顯示為紅色，斷開為綠色。遙測值主要指電氣設備的電氣量，通過在供電網絡圖中顯示主要電氣設備的電壓、電流值來實現。

4.2.2 遙控功能

鼠標放在101 號35 kV 斷路器上，點擊鼠標右鍵，依次選擇“遙控”、“遙控選擇”和“遙控執行”按鈕，對其進行遙控分閘操作，實現35 kV 自投運行，得到供電網絡圖，如圖9 所示。同樣可在其它電氣設備上進行遙控操作。

5 結束語

本文通過對地鐵供電系統的交直流兩部分系統的分析，建立其數學建模，建立線路數據處理的接口，從而將實際電力調度工作站與虛擬供電系統結合起來，實現了對地鐵電力調度監控系統的仿真。同時，該系統具有通用性，可推廣并應用于其它線路。目前，該系統作為地鐵電力調度員的培訓系統已經在現場獲得了應用，能夠有效地提高地鐵電力調度人員的培訓效率，符合實際需求。本系統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 仿真實現流程

圖8 正常運行狀態下的供電網絡

圖9 35 kV自投運行時的供電網絡