上海軌道交通2號線直流牽引供電系統(tǒng)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(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(jù)設定的列車運行時刻表，建立動態(tài)的直流牽引供電系統(tǒng)仿真，可針對現(xiàn)有系統(tǒng)健康狀態(tài)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(jīng)過西延伸、東延伸、西延伸二期和東延伸二期，現(xiàn)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(jié)編組擴編工作；2019年10月，全線采用8節(jié)編組A型列車運營，4節(jié)編組列車全部下線，并啟用全新的列車運行圖。現(xiàn)早高峰時期，中心區(qū)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(xiàn)有的實際列車運行圖及遠期運行需求建立動態(tài)仿真計算，評估及分析現(xiàn)有直流供電牽引系統(tǒng)的運行狀態(tài)及后期增能潛力。同時通過調整仿真參數(shù)設定調整，分析相關參數(shù)對供電牽引系統(tǒng)的影響及規(guī)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(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)的表現(xiàn)。整個仿真計算是在靜態(tài)的電氣網(wǎng)絡模型基礎上增加列車運行模型進行動態(tài)電力網(wǎng)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(wǎng)絡計算結果，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主變降為牽引和動力照明供電系統(tǒng)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(tǒng)。

3.2 電氣網(wǎng)絡模型

上海2號線的牽引供電系統(tǒng)是由整流變、整流器、正極進線柜、饋線柜、接觸網(wǎng)、列車、鋼軌以及負極柜形成的典型電氣網(wǎng)絡結構[1]。在電氣網(wǎng)絡建模中，需要對電氣元件分別建模并根據(jù)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(jīng)。

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(shù)來源于整流變技術規(guī)范。

接觸網(wǎng)模型:上海2號線接觸網(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(wǎng)類型。在仿真計算時，結合列車運行軌跡，在對應的供電區(qū)間內按照對應接觸網(wǎng)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(wǎng)模型一致的方法，也是通過對應區(qū)間內的長度并依據(jù)單位長度阻值折算成等效電阻。

電氣網(wǎng)絡拓撲模型:在地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中，正常運行情況下，每個牽引變電站負責確定區(qū)間的牽引供電。因此，在電氣網(wǎng)絡拓撲模型中需要建立每個牽引變電所對應的供電區(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)與對應分段絕緣器一一對應，建立起整個直流牽引網(wǎng)絡計算模型，圖2為電氣網(wǎng)絡仿真模型。接觸網(wǎng)及走行軌上的等值電阻及等效電路依據(jù)列車運行位置的變化而變化。

圖2 電氣網(wǎng)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(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(tǒng)模型參數(shù)調整

電氣網(wǎng)絡模型和車輛模型建立后，根據(jù)列車運行圖建立車輛運行軌跡，從而形成整體的動態(tài)電力網(wǎng)絡的潮流計算。仿真軟件可以通過設置列車發(fā)車間隔、站點停站時間、區(qū)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(qū)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(wěn)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(wěn)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(qū)間滑行時間至0%變?yōu)槿倌Ｊ竭\行，并采取列車最高時速80km/h運行，得到新的區(qū)間駕駛曲線。不改變行車間隔的基礎上縮短區(qū)間駕駛時間，可以分析區(qū)間駕駛模式對直流牽引供電系統(tǒng)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(wǎng)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(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。單獨從網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)壓的波動情況比較，可以明顯看到，全速運行模式下，最低網(wǎng)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(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(shù)值上比較，全速模式下的能耗是滑行模式的兩倍多。從不同能量流動的絕對數(shù)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(wǎng)壓對比

在40對/小時運行圖下的仿真計算中，列車區(qū)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(wǎng)壓降低明顯，有部分區(qū)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(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)開展仿真計算，建立了電氣網(wǎng)絡模型、車輛模型和列車運行模型，并且著重根據(jù)列車的不同運行場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)變化對直流牽引供電系統(tǒng)運行的安全狀態(tài)和能耗的影響。從牽引網(wǎng)壓分布、網(wǎng)壓波動以及能耗變化的情況，驗證了相關參數(shù)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(tǒng)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(jù)和分析基礎。