地铁电力调度监控系统的仿真研究

朱钧剑，钱雪军

（同济大学 电气工程系，上海 200331）

随着城市轨道交通的快速发展，每年都有大量的相关岗位工作人员需要进行专业培训。鉴于地铁运行的稳定性和安全性考虑，不可能对全部培训人员进行现场培训，大部分培训工作需要在培训中心或培训基地完成，因此开发仿真培训设施十分必要。地铁电力调度监控系统是城市轨道交通的重要组成部分，为地铁的正常、稳定、安全运行发挥着重要的作用，这就对地铁电力调度员的能力有着更加严格的要求。因此需要开发一套完整的电力调度监控仿真系统，用以对地铁电力调度员进行系统的培训。

本文对真实的地铁电力监控系统进行仿真研究，建立供电部分模型，仿真电力监控部分，开发一套相对完善的地铁电力监控系统仿真模型。

1 系统总体结构

本系统主要包括：控制中心调度系统、变电站综合自动化系统、虚拟远程测控终端（RTU，Remote Terminal Unit）设备、网络交换机和网线。控制中心调度系统包括：系统服务器和显示器、操作员工作站、数据库和操作软件。变电站综合自动化系统包括：站级管理设备和间隔信息层[1]。

1.1 系统框架

本系统仿真对象为上海地铁12号线，全程共有17个变电站和一个控制中心。根据现场布置，控制中心和变电站综合自动化系统安置在不同的房间，利用网线连接，实现互相通信。系统框架如图1所示，其中，虚拟RTU设备利用供电网建模仿真，通过计算获得各主要节点电气量和开关等的逻辑关系，显示在控制中心显示屏中。

1.2 仿真系统功能

本系统可实现对全网变电所设备的监视控制和数据采集，以及对接触网电动隔离开关设备运行状态的监视控制，完成供电系统调度、事故分析等功能[2]。

1.2.1 系统登录

图1 系统框架

只有正确的登陆人员才能对系统进行操作，否则只能查看系统的相关事项。

1.2.2 系统报警

当系统有新的事项时，调度员界面下方会自动弹出实时事项报警条，并闪烁。

1.2.3 历史事项查询

可以查看某个历史时段的事项和操作记录。

1.2.4 实现“四遥”功能[3]

（1）遥测：采集并传送供电系统中各电压等级设备的模拟量的实时信息，包括牵引变电所35 kV进线电流，整流机组电流，35 kV母线电压，直流1 500 V母线电压等。（2）遥信：采集并传送供电系统中数字量的实时信息，包括主变电所、牵引变电所、降压变电所的开关位置、事故信号和预置信号等。（3）遥控：对网络中的电气设备进行开断操作，包括牵引变电所35 kV断路器、1 500 V直流断路器、接触网隔离开关等。（4）遥调：对主变电所与备用主变电站的投入切换及35 kV进出线断路器整定值进行切换。

1.2.5 一键停送电

中心控制站配备，可以选择所要控制的区段和上下行对象进行停送电。

1.2.6 电气设备间的控制与联锁

本系统中主要指断路器与隔离开关的顺序操作和闭锁。

1.3 仿真系统实现流程

仿真系统的实现流程如图2所示。对整条线路进行数学建模仿真，模拟列车真实运营情况，利用潮流计算将主要电气设备的电气量保存在后台数据库中。使用编写的地铁电力调度监控仿真软件调用数据库中的电气量，实现对RTU设备的仿真。当在电力调度监控仿真软件中进行遥控、遥调操作时，改变数据库中相应电气设备的运行状态，重新进行潮流计算。

2 地铁电力供电系统仿真模型

地铁电力供电系统仿真模型主要包括对系统中主要电气设备进行数学建模和系统潮流计算两大部分。正确建立系统模型可以真实地模拟电力系统的运行状态，选取合适的潮流算法，从而准确地得到系统中各电气设备的电气量，如母线线路电流，变电所功率，地铁列车的触网电压等。

2.1 建立系统主要模型

城市轨道交通供电系统基本结构如图3所示，对其建模包括直流供电部分建模和交流供电部分建模。其中，交流部分包括外部电源和动力照明系统，与常规电力系统相似，本文不做分析。直流部分主要是由接触网、列车负载和回流网组成的牵引供电系统，主要包括整流器，地铁列车，接触网以及轨道的建模分析。

2.1.1 整流器模型

整流器是地铁供电系统的关键环节，它是整个系统交直流部分的连接枢纽，正确的建立模型可以真实地反映整个系统交直流部分的相互影响，可以让潮流计算结果更加精确。依据参考文献[4-5]，在直流侧计算时可将整流机组等效为内阻可变的电压源，根据负载的变化整流器工作在不同的区间，等效输出电压和内阻也会变化，等效电路如图4所示。

图2 仿真实现流程图

图3 城市轨道交通供电系统

图4 整流器等效电路

通过插值计算可得整流机组直流侧输出电压特性方程：

其中，k、p为与负载相关的比例系数，Ud0为理想空载电压，xc为换向电抗，Id为输出电流，VH为整流变压器二次侧有效值。24脉波整流机组理想空载电压Ud0如下：

2.1.2 地铁列车模型

目前，国内外关于直流牵引潮流计算的文献中，大致将列车的模型视为理想电流源模型和恒功率模型两种进行分析。本文建模时，考虑到培训仿真系统中需根据各节点的电压电流的变化，判定是否发生故障以及列车是否在牵引变电站的供电范围内，因此应精确地计算出每个时刻的牵引电压电流值，故在车辆运行时将其视为恒功率模型。

2.1.3 牵引回路等效模型

根据运行控制中心（OCC）系统的运行站场图可确定列车在任意时刻的位置[6]，按列车和牵引变电所的数量和位置可将牵引供电网线路分割为m+n-1（m为运行列车数量，n为牵引变电所数量）段，牵引网等效电路图如图5所示。Ro为接触网等效电阻，Rb为回流网等效电阻，P为列车功率源模型，U为整流机组等效电压，Rs为整流机组等效内阻。2.1.4 控制与联锁

电气设备的控制与联锁是为了保证电气设备的安全操作，确保设备和人身安全。同一回路中的断路器与隔离开关存在状态闭锁，即当线路处于带电状态，断路器合闸时，隔离开关不能进行分闸操作；当线路处于断电状态，隔离开关未合闸时，断路器将不能进行合闸操作。

2.2 地铁供电系统潮流算法

地铁交直流系统潮流计算不同于常规潮流计算，不仅需要考虑交直流耦合的问题，还要考虑地铁列车行进位置变化导致的各牵引变电所输出功率变化的问题[7]。

直流侧计算流程如图6所示，根据图5的等效电路图进行编号，然后利用节点电压法计算整流机组的工作区间和列车的触网电压，最后根据整流机组的特性计算出其交流侧功率P和Q，等效为PQ节点。交流侧采用牛顿—拉夫逊法进行潮流计算，可算得仿真系统中交流部分主要电气设备的数据。

3 地铁电力监控系统仿真实现

图5 牵引回路等效电路

该仿真软件采用C++进行编写，C++是面向对象的编程语言。面向对象技术具有程序结构清晰，自动生成程序框架，实现简单，代码重用率高，软件开发效率高等基本特征[8]。操作界面利用基于VC++下的MFC建立基于单文档的界面框架，本文以调度中心人机界面为例，进行具体介绍。

图6 直流侧潮流计算流程图

3.1 调度中心登陆界面

启动调度员界面后，缺省处于查询状态，不能执行对系统的调度操作。登陆界面如图7所示，当正确输入用户名和密码后可以对系统进行具体操作。

图7 系统登录界面

3.2 查看参数、事项

正确登陆后点击站点名称，进入到相应站点的供电网络图，如图8所示。网络图中各电气元件建立不同的对象类，各类中包含其状态，位置等参数以及成员函数。供电网络图绘制采用双缓冲技术，系统不断刷新不会导致黑色界面闪烁。在网络图中可以查看到相应站点的遥测和遥信信息。遥测信息为站场图中主要电气设备的电气量，遥信信息指站场图中主要电器设备的开关状态，其中红色表示闭合，绿色表示分开。当开关等被人工置数或处于异常状态时，用不同颜色表示。

图8 系统供电网络图

在主接线图中，双击开关图元的中央部位，MFC消息响应机制检测到操作请求，利用OnLButton-DblClk()函数调用自建函数ShowIntervalData(),该函数中包含系统图元的相关间隔信息，调用并显示如图9所示。

图9 间隔信息查看

该系统具有两个主变电站，分别位于巨峰路站和天潼路站，两个主变电站互为备用。各站的35 kV进出线和母线开关，对应两个主变电站的投入有两组整定值，当进行正确的遥控操作后，整定值会进行切换，同时整定值后的方框颜色进行变化。

3.3 系统遥控功能

系统对站场图中的开关和断路器进行遥控功能时，右键点击要进行遥控的隔离开关或断路器，利用OnR Button Down()函数弹出功能菜单，选择功能中的遥控选项，调用Remote Control()函数，弹出对应开关的遥控界面。点击“遥控选择”按钮，进行预置。预置返校成功后，自动切换到“遥控执行”按钮，选择要进行的操作，点击按钮后，发出执行命令，等待执行机构动作。

系统配备一键停送电功能，进行一键停送电时系统会自动确认是否有执行条件，点击调度员界面工作栏上的一键停送电控件，弹出控制选择界面，如图10所示。选择要进行控制的区段，控制的上下行对象以及停送电功能，选定后点击执行按钮，确认信息后进行操作。

图10 一键停送电功能

4 结束语

本文利用基于VC++下的MFC编程技术对地铁供电监控系统（SCADA）进行了仿真研究。对地铁供电网主要电气设备进行数学建模，对地铁电力供电系统潮流算法进行了介绍，利用前面的结果仿真实现了地铁供电监控系统。该系统对地铁供电网模拟监控的相关培训具有一定的实用价值。

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