触网式有轨电车供电系统仿真软件的开发与应用
2019-10-14张明锐李俊江陈日发
张明锐 李俊江 陈日发
(1.同济大学电子与信息工程学院，201804，上海;2.中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京//第一作者，教授)
一套逻辑合理、简洁实用、人机界面友好的牵引供电系统仿真软件，可以模拟系统实际运行中的不同工况，全面反映供电系统状态信息，有助于提高设计效率。软件开发应以需求分析为基础，作功能分析。软件开发还应选择合适的开发环境及编程语言，以简化开发过程。本文以苏州有轨电车1号线为例，详细介绍触网式有轨电车供电系统仿真软件(以下简为“供电仿真软件”)的开发过程。
1 需求分析及功能分析
1.1 需求分析
从工程设计与实施角度，分析供电仿真软件的需求。具体包括：
1) 选择车辆技术参数。供电仿真软件需能提供列车最大运行速度、区间平均速度、起动加速度及最大牵引力等车辆技术参数的牵引计算结果。这些数据可作为车辆选型及编组设计的重要依据。
2) 编制列车运行调度表。供电仿真软件不仅能编制列车运行时刻表及运行图等，还能评估和优化运行计划及行车调度指挥，为优化运营方案提供依据。
3) 设计牵引供电系统。供电仿真软件需计算出各牵引所的牵引功率，为确定牵引变电所的容量提供依据。
4) 线路运行后的改造。通过模拟仿真，为线路运行后的改造(如增加牵引变电所、增加车站等改造，以及采取加大行车密度等措施)提供参考。
1.2 功能分析
基于需求分析结果，供电仿真软件的基本功能包括：
1) 输入计算数据。用户可通过界面输入线路资料、列车资料、行车组织资料、牵引网资料等各项基础数据，并可将其保存在数据库中以方便在计算中实时调用。
2) 运行策略及工况的选择。供电仿真软件应能针对工程设计的技术条件，构建虚拟列车运行环境，能提供不同的列车运行策略及工况以供选择，还能比较计算结果。
3) 计算结果输出及图形化。供电仿真软件将计算结果以表格或图形的形式在界面上表示，直观展示速度、牵引力、电流、功率、接触网电压等变化曲线，以及牵引变电所的电流电压变化曲线。
2 系统设计与实现
2.1 开发环境
供电仿真软件选用C#作为编程语言，以Visual Studio为开发环境，结合SQL Server数据库，利用ADO技术实现数据的交互操作。
2.2 结构设计
供电仿真软件总体结构设计由数据输入模块、计算模块及结果输出模块组成，如图1所示。
2.2.1 数据输入模块
数据输入模块负责数据的输入及存储。除基础数据外，用户还需输入计算条件，主要包括计算步长、载客工况、运行上限速、惰行下限速、停站时间、发车间隔等。
2.2.2 计算模块
计算模块的计算内容包括牵引计算和供电计算两部分，如图2所示。
图1 供电仿真软件结构图
图2 计算模块图
牵引计算按加速、制动和中间运行等3个阶段，对列车以节时和节能两种运行策略的运行分别进行模拟，计算列车主要运行参数的关系。
供电计算是通过建立直流牵引供电系统的时变网络模型，来求解该时变网络各时刻的电气量。所谓时变，是指车辆的位置变化引起的牵引网结构改变。在时变网络模型中，牵引变电所等效为内阻可变的电压源，车辆采用功率源模型。
网络求解采用节点电压法。网络拓扑矩阵节点包括列车取流节点和回流节点，变电所馈流节点和回流节点。
列车取流节点和回流节点的功率平衡方程分别为：
(1)
(2)
式中：
Pi——取流列车的功率；
Ui——取流节点i的电压；
Uj——回流节点j的电压；
Yi,j——接触网导纳。
变电所馈流节点和回流节点的功率平衡方程分别为：
(3)
(4)
式中：
Ii——变电所等效电流。
2.2.3 数据输出模块
输出模块调用存储于数据库中的计算结果，通过DataGridView控件显示为表格，并通过ZedGraph绘图控件实现计算结果的图形化。
2.2.4 数据库设计
供电仿真软件按照数据类别设计了10个数据库，包括列车参数数据库、车站参数数据库、牵引变电所数据库、线路坡道数据库、线路弯道数据库、牵引特性数据库、制动特性数据库、计算条件数据库、电气参数数据库及计算结果数据库。
2.3 逻辑设计流程图
供电仿真软件的逻辑设计流程图如图3所示。
3 界面设计
供电仿真软件界面包含一个主界面和多个分级界面。用户于首页登录成功后，可选择界面，并在分级界面中依次填入相关参数，选择相应功能。在数据输入界面，可通过左侧树形列表选择输入参数类别，并对数据进行保存(见图4)，部分的输入参数见表1。点击“开始计算”按钮，可进一步进行牵引变电所解列状态选择和运行策略选择，进而在输出界面获取预期的数据输出表格与曲线。其中运行策略包括节时和节能两种策略，
图3 系统逻辑设计流程图
图4 数据输入界面(列车编组)
参数数值阻力系数a1.059 0阻力系数b0.014 3阻力系数c0.000 243整流机组类型等效24脉波一次侧系统短路容量/MVA10整流机组容量/kVA2×630变压器网侧额定电压/kV10变压器阀侧额定电压/V590理想空载电压/V796.5穿越阻抗百分比/%8.0半穿越阻抗百分比/%6.5接触网单位电阻/(Ω/km)0.124列车辅助逆变器总功率/kW80
4 工程实例
供电仿真软件以苏州有轨电车1号线为例进行全线的牵引供电仿真计算。线路全长约为18 km，全线采用半集中供电方式，牵引变电所进线电压为交流10 kV，有轨电车采用DC 750 V架空接触网受电方式。车站分布与牵引变电所分布如图5所示。线路初期共设车站7座，中期车站增至11座。在牵引仿真的基础上，使用供电仿真软件对线路中期全线供电系统进行仿真计算。计算结果包括列车速度、时间、里程、牵引力(制动力)、加速度、取流及功率等。图6～10为在节时牵引策略下上行列车的仿真曲线。
图5 苏州高新区有轨电车线路图
图6 列车速度与时间关系
图7 列车牵引力与距离关系
图8 列车取流与时间关系
图9 列车加速度与时间关系
图10 列车功率与距离关系
列车以约100 kN的最大牵引力起动，以接近50 km/h的上限速匀速运行；列车进站时通过逐步增加制动力完成制动过程；列车停站30 s后，重新起动进入下一行车区间。起动阶段，列车取流迅速增加，最大取流接近650 A，最大功率达到420 kW。当列车匀速运行时，仅需维持列车空调及照明等辅助用电能耗，电流较小。进入制动时，列车向接触网回馈电能，回馈电流峰值约为500 A，最大回馈功率约为330 kW。
编排列车运行信息可得列车运行图，如图11所示。图11宏观展现了线路上所有列车的运行信息，包括发车间隔、规定时刻某列车的具体位置、规定时刻线路上的列车数量及相邻列车间距等。以列车运行图为基础，可以进一步规划详细的列车发车时刻表，为运行调度合理化提供参考。
图12～14为4#牵引变电所供电仿真曲线。其直流母线电流变化范围为-1 000～3 210 A，电压变化范围为730～835 V，功率峰值为2.70 MW，选择额定容量为2×630 kVA的牵引变电所，短时过载倍数在1.5～3.0之间，过载时间低于1 min，满足牵引整流负荷要求。图15为4#与5#牵引变电所中点的电压，其最小值为660 V，最大值为875 V，满足触网电压500～900 V的标准要求，验证了该有轨电车线路设计的有效性与可行性。
图11 列车运行图
图12 4#牵引变电所直流母线电流
5 结语
供电仿真软件以C#为开发语言，以Microsoft Visual Studio和SQL Server为开发环境，适用于架空接触网供电方式的有轨电车牵引供电系统。供电仿真软件对苏州高新区有轨电车1号线的计算表明，该软件计算速度快，计算结果满足精度要求，适用于接触网式有轨电车项目建设，能提高设计效率，节约设计成本，具有良好的工程应用和参考价值。
图15 4#与5#牵引变电所中点电压
