上海軌道交通2號線直流牽引供電系統運行仿真研究

徐麗莉 石宏明 史文釗

（1、西門子交通技術（北京）有限公司上海分公司，上海 200082 2、上海申通地鐵集團有限公司技術中心，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大，選擇軌道交通出行的市民越來越多，對軌道交通的運力帶來了極大的挑戰。上海地鐵目前有18條線路，根據2021年上海交通指揮中心公布的“二月份上海交通運行月報（軌道篇）”顯示：地鐵2號線日均客流達93.5 萬，列各條線路之首。2號線歷史單日最高客流量曾達到182萬，為積極應對遠期的客流增長，挖掘運力潛能，根據設定的列車運行時刻表，建立動態的直流牽引供電系統仿真，可針對現有系統健康狀態和未來潛能進行分析和研究。

1 項目概況

上海軌道交通2號線自2000年6月開通至今，經過西延伸、東延伸、西延伸二期和東延伸二期，現全長約64公里，共有30座乘客站，并由23座牽引變電站完成列車運行的牽引供電。2017年8月，東延伸段開始4節編組擴編工作；2019年10月，全線采用8節編組A型列車運營，4節編組列車全部下線，并啟用全新的列車運行圖。現早高峰時期，中心區間車站的平均行車間隔為2分40秒。2號線遠期增能目標為縮短行車間隔至90秒左右（即40對/小時），以此進一步提高運力。本項目針對上海2號線現有的實際列車運行圖及遠期運行需求建立動態仿真計算，評估及分析現有直流供電牽引系統的運行狀態及后期增能潛力。同時通過調整仿真參數設定調整，分析相關參數對供電牽引系統的影響及規律。

2 Sidytrac仿真軟件應用

Sidytrac仿真軟件可以結合列車運行進行牽引供電網絡的仿真計算。在軟件中可以很靈活地建立車輛模型、電氣網絡模型及列車運行模型，從而評估實際運行條件下或配（轉下頁）置新的運行條件下的牽引供電系統的表現。整個仿真計算是在靜態的電氣網絡模型基礎上增加列車運行模型進行動態電力網絡潮流計算，并得出車輛的機械和電氣計算結果以及電氣網絡計算結果，包括線路網壓、饋線電流以及能耗分析等。

3 直流牽引供電系統建模

3.1 直流牽引供電系統技術原理

軌道交通牽引供電系統一般都采用直流制，電壓等級一般為750V和1500V。目前，電力牽引供電都是以公用電網配電，由交流電經過變換后獲得，而為牽引變電所供電的電力系統一般被稱為一次系統。上海2號線采用集中供電方式，由電力系統提供110kV電源，經110kV主變降為牽引和動力照明供電系統所需的33kV。牽引供電部分則由對應的整流機組將33kV交流變換為1500V直流，為車輛牽引提供電力。

此次項目的仿真范圍主要針對1500V直流供電牽引系統。

3.2 電氣網絡模型

上海2號線的牽引供電系統是由整流變、整流器、正極進線柜、饋線柜、接觸網、列車、鋼軌以及負極柜形成的典型電氣網絡結構[1]。在電氣網絡建模中，需要對電氣元件分別建模并根據實際電氣連接點建立電氣拓撲結構。

整流變模型：2號線全線采用12相24脈波整流變壓器，特性計算參照IEC60146-1-1/-1-2。整流變由一個帶有內阻的電壓源來模擬的，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，則內阻增加到極高，沒有電流流經。

圖1 整流變等效電路

其中Uq為高壓側空載電壓，ZHV為高壓側短路阻抗，Ri為整流變的等效內阻，RE為負對遠端接地端的接地電阻。上述參數來源于整流變技術規范。

接觸網模型:上海2號線接觸網既有柔性接觸網，又有剛性接觸網。在模型中，根據不同的接觸網材料規格定義一定磨耗和運行溫度下的單位長度阻值。同時，按照線路實際分布情況設置對應的接觸網類型。在仿真計算時，結合列車運行軌跡，在對應的供電區間內按照對應接觸網類型及對應長度折算成等效電阻。鋼軌模型的建立采用與接觸網模型一致的方法，也是通過對應區間內的長度并依據單位長度阻值折算成等效電阻。

電氣網絡拓撲模型:在地鐵直流牽引供電系統中，正常運行情況下，每個牽引變電站負責確定區間的牽引供電。因此，在電氣網絡拓撲模型中需要建立每個牽引變電所對應的供電區間，包括從整流變到接觸網及鋼軌之間連接電纜的等值電阻。在模型中，確定上下行各個分段絕緣器的位置，并且將整流變、上網電纜及回流電纜的參數與對應分段絕緣器一一對應，建立起整個直流牽引網絡計算模型，圖2為電氣網絡仿真模型。接觸網及走行軌上的等值電阻及等效電路依據列車運行位置的變化而變化。

圖2 電氣網絡仿真模型

3.3 車輛模型

車輛模型按照2號線日常運營的8節編組A型列車數據建立。車輛模型可以等效為根據運動軌跡變化的功率源[2]。模型中需考慮車輛運行過程中的阻力、牽引力和制動力特性曲線，結合傳動效率、牽引效率、制動效率和車輛本身質量，可以得出行駛過程中對應速度下的加速度、減速度，從而可以換算出機械功率和電氣功率的等式：

F=M*a

W=F*S

P=F*V=M*a*V

機械功率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。

結合車輛模型中的牽引力和制動力曲線，仿真計算中按照阻力公式及相應曲線確定車輛功率。

3.4 系統模型參數調整

電氣網絡模型和車輛模型建立后，根據列車運行圖建立車輛運行軌跡，從而形成整體的動態電力網絡的潮流計算。仿真軟件可以通過設置列車發車間隔、站點停站時間、區間駕駛曲線來建立列車運行模型。在建立運行圖的基礎上，通過調整區間駕駛滑行時間來改變車輛駕駛曲線，進一步觀察不同的車輛行駛特性對直流牽引供電的影響。列車有兩種駕駛模式:一種是全速運行模式，另一種是滑行運行模式。全速運行模式包括三個階段：最大加速度加速;穩定運行;最大減速度制動。和全速運行模式相比，滑行模式更符合實際駕駛模式，特別是全自動駕駛模式。它包含四個階段：最大加速度加速;穩定運行;慣性滑行;最大減速度制動。在早高峰列車運行模型中，考慮了線路限速和平均12%的滑行。在此早高峰運行模型基礎上，減少區間滑行時間至0%變為全速模式運行，并采取列車最高時速80km/h運行，得到新的區間駕駛曲線。不改變行車間隔的基礎上縮短區間駕駛時間，可以分析區間駕駛模式對直流牽引供電系統的影響。

4 仿真結果與分析

4.1 早高峰兩種駕駛模式仿真結果分析比較

4.1.1 線路網壓對比

圖3和圖4分別是早高峰時列車滑行模式和全速模式運行情況下的全線網壓分布圖。列車全速模式下，列車能耗比滑行模式多，全線網壓有所下降。單獨從網壓分布情況不能看出明顯的壓降，仿真計算還給出了仿真時間內正線最高和最低網壓的波動情況。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間的變化圖表，從整個仿真周期1小時內網壓的波動情況比較，可以明顯看到，全速運行模式下，最低網壓曲線明顯下移，并且在1400V以下的時間段明顯增加。

圖3 早高峰滑行模式全線網壓分布圖

圖4 早高峰全速模式全線網壓分布圖

圖5 早高峰滑行模式下電壓vs時間變化圖

圖6 早高峰全速模式下電壓vs時間變化圖

4.1.2 能耗對比

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

4.2 早高峰與40 對/小時運行場景仿真結果分析比較

4.2.1 線路網壓對比

在40對/小時運行圖下的仿真計算中，列車區間行駛的限速和滑行設置與早高峰滑行模式運行場景完全一致。從40對/小時的仿真結果和早高峰的仿真結果對比，全線網壓降低明顯，有部分區域低于1350V，對列車行駛性能會有一定影響。同時對比早高峰滑行模式的電壓隨時間變化的曲線，整體網壓下移，低于1350V的時間段增加，對列車的運行性能會有一定影響。如后期運行需要增能到40對/小時，則要考慮一定的措施提高直流牽引供電系統的供電能力。

4.2.2 能耗對比

從40對的仿真結果中對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行場景下的近兩倍。

5 結論

本項目針對上海地鐵2號線直流牽引供電系統開展仿真計算，建立了電氣網絡模型、車輛模型和列車運行模型，并且著重根據列車的不同運行場景和車輛不同的駕駛模式作為參數，研究分析了這些參數變化對直流牽引供電系統運行的安全狀態和能耗的影響。從牽引網壓分布、網壓波動以及能耗變化的情況，驗證了相關參數的影響關系；在西門子為上海地鐵2號線設計以及投入運營20年后，對全線做此次仿真可以再次給到客戶一個設計全貌和系統運營健康度的檢查，同時，分析結果也為上海地鐵2號線后期增能提供理論依據和分析基礎。