轨道交通供电系统混合变电站的仿真研究

2019-11-29周培培钱雪军

铁路计算机应用 2019年11期

周培培，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，地铁逐渐成为许多人选择的出行方式。巨大的客流量对供电系统变电站的稳定运行提出了更高的要求，也对供电系统工作人员的工作能力要求更加严格。近年来，因变电站检修工操作失误导致的事故时有发生，这让我们意识到传统培训方式存在很多不足，因此为变电站检修工提供一个虚拟培训系统具有深刻的意义。

目前，在国内对虚拟培训系统的研究已经有了不少成果[1-4]。文献[3]利用虚拟现实平台VRP 搭建的虚拟变电所培训系统，实现了对设备模型的实时操作和控制；文献[4]搭建了电气化铁路牵引变电站虚拟实训系统，提供更换三维设备以及修改培训任务的功能，提高了虚拟培训系统的灵活性。类似的培训系统研究多以电气化铁路牵引变电站为研究对象，地铁供电系统变电站虽与之相似却不尽相同，并不能直接使用。以地铁供电系统变电站为研究对象的研究，如文献[5]，利用Matlab 软件对其进行仿真建模，不适用于变电站检修工的培训。

为提高地铁变电站检修工的培训质量，并考虑到培训的通用性, 本文选取较为复杂的混合变电站作为研究对象。通过三维物理建模还原混合变电站设备及其操作，并建立供电系统数学模型来搭建轨道交通供电系统混合变电站的仿真系统。

1 仿真系统结构

本系统的仿真对象为混合变电站，由降压变电站与牵引变电站共同组成。系统框架如图1 所示，总体可以分为混合变电站模型、负载输入以及控制输入3 个部分。

1.1 混合变电站模型

混合变电站模型主要用来显示混合变电站的整体效果。当负载发生变化时，电气设备模型上仪表显示的电气量要跟随改变；当发生故障时，电气设备模型上指示灯要有正确提醒；对模型进行操作时，模型要有相应的动作；操作人员可以在混合变电站模型中漫游浏览，查看各电气设备的外观与状态。

为实现以上功能，需要对混合变电站进行物理建模与数学建模。物理建模使用3D Max 软件完成，将电气设备模型以.fbx 格式输出后导入到Unity3D中拼装成完整的混合变电站。数学模型可以分为对牵引网络的数学建模与对降压网络的数学建模，通过潮流计算得到的电气量在各开关柜设备模型上显示。

图1 系统框架

1.2 负载输入

负载输入部分主要为混合变电站模型提供当前时刻的负载信息。在混合变电站中，牵引部分为列车运行提供1 500 V 直流电，降压部分为车站负载的正常使用提供400 V 交流电。因此，负载输入可以分为2 个部分：列车负载输入，车站负载输入。

1.3 控制输入

控制输入部分主要用来实现对混合变电站模型的控制。控制方式与真实混合变电站的控制方式相同，有远控、站控、近控3 种方式。

1.3.1 远控输入

通过控制中心的调度系统来对混合变电站设备的合闸分闸等进行操作的控制方式称为远控。在远控时，不能对设备进行站控与近控，要保证同一时刻对同一对象的操作指令只有一个。

远控指令发出后，混合变电站模型中相应的设备模型状态要发生改变；同时，混合变电站模拟故障或因其他控制方式发生状态的改变时，调度系统显示界面上也要出现相应信息。

1.3.2 站控输入

站控是指通过变电站站内的综合监控系统对混合变电站模型进行操作的控制方式。站控的本质与远控相同，不同的是使用远控方式来控制混合变电站模型所需要的登录权限更高。

1.3.3 近控输入

近控是指直接操作混合变电站模型中的各种电气设备模型。操作人员利用方向键走近设备后，可以通过鼠标操作各开关柜上的面板；可以操作直流柜中抽出式小车；能够完成倒闸等操作。

2 混合变电站仿真系统模型建立

混合变电站仿真系统主要由变电站内电气设备的三维模型以及牵引网络的数学模型组成。三维模型的建立给操作者真实感，在经过培训之后再操作实物能更快掌握，数学模型的建立能让三维模型更合理地模拟真实设备。

2.1 混合变电站电气设备物理建模

如图2 ～5 所示，在混合变电站中，需要建模的电气设备[7-8]主要有以下几个部分：

（1）交流高压开关柜：在变电站中，它需要引入从主变压器传输过来的35 kV 交流电，然后馈出给整流变压器和电力变压器。

（2）整流机组：整流机组包括了整流变压器和整流器组，它们的作用是将35 kV 交流电变为1 450 V的直流电。

图2 35 kV开关柜

图3 整流变压器

（3）直流开关柜：将从整流机组引入的直流电馈出给接触网，供列车运行。在直流开关柜中，手推式小车是其重要组成部分，且是变电站检修工需要了解操作的一部分，因此在对直流开关柜进行建模时，对小车进行细节建模。

（4）低压交流开关柜组：35 kV 交流电经电力变压器降为400 V 交流电，再通过400 V 馈线柜为地铁站中各级负荷提供电力。

图4 直流开关柜

图5 低压交流开关柜

2.2 混合变电站数学模型

混合变电站各开关柜上都有电表来显示当前的电压电流值，通过指示灯来反应当前合闸分闸等状态。为在3D 模型以及远程控制终端上根据不同的负载来正确显示电气量，建立地铁电力供电系统的数学模型，经过潮流计算后将各数据量发送到各物理模型，进行状态更新。

2.2.1 牵引网络数学模型

牵引网络主要由24 脉波整流机组、牵引网以及列车组成。其中，牵引网又包括馈电线、接触网、走行轨与回流线。牵引网络是通过整流机组经馈电线将1 500 V 直流电送至接触网，向列车供电，电流再从走行轨经回流线送回至牵引变电站。牵引网络等效模型如图6 所示。

图6 牵引回路等效电路

在仿真计算时，一般按戴维南或诺顿等效电路对整流机组进行建模。24 脉波整流机组可以等效为2 个12 脉波整流机组的并联。对于12 脉波整流机组来说，随着负载的变化，它会工作在6 个不同的工作区间[9]。所以需要通过牵引变电站输出的电流来调整整流机组的工作区间，计算得到等效电路相应的电压Vs 和电阻Req。

将接触网和走行轨根据变电站和列车的位置分段，逐段进行建模。由于走行轨对地不能做到完全的绝缘，所以大部分电流能够通过走行轨及回流线回到变电站，小部分电流会流入到地中。这样在走行轨和大地之间就产生了杂散电流，使得钢轨对地产生了电位。走行轨等值电阻计算方法如式（1）。

其中，r为走行轨π型电路电阻（Ω），Y为走行轨对地纵向电阻（Ω），L为走行轨的长度（km），RT为走行轨单位电阻（Ω/km），Rg为走行轨对大地的泄露电阻（Ω/km）。

轨道交通在实际运行过程中，列车的位置、速度、数目都是随着时间变化的。在牵引网电压正常波动范围内，列车所获取的功率与网压没有关系，因此可以将列车等效为恒功率源。

2.2.2 牵引网络潮流计算程序

根据地铁牵引网络等效模型，可以通过联立节点电压方程组得到各节点电压和整流机组工作电流。由于列车等效为恒功率源，使得联立的方程组成非线性，所以需要通过对节点电压法进行迭代求解。具体的计算流程如图7 所示。

图7 牵引网络潮流计算流程图

2.2.3 降压网络数学模型

降压网络主要由电力变压器将35 kV 交流电降为400 V 交流电，再馈出给各级负载。等值电路图如图8 所示，2 台变压器各承担一半的车站负载，当一台变压器退出运行时，切除三级负载，由一台变压器承担所有的一、二级负载的供电。

图8 低压供电网络潮流计算等值电路图

已知首端电压和末端功率，求解末端电压的潮流计算方法如式（2）、式（3）。

S' 为线路首端节点的功率，S" 为线路末端节点的功率，ΔS为线路中的功率耗损，P" 为线路末端节点的有功功率，Q" 为线路首端节点的无功功率，VN为额定电压，R为线路的等效电阻，X为线路等值电抗。

VB为线路末端电压，VA为线路首端电压，ΔVAB为线路电压损耗，δVAB为线路电压偏移，P' 为线路首端节点的有功功率，Q' 为线路首端节点的无功功率。

3 混合变电站仿真系统实现

在Unity3D 中导入建好的设备模型，根据真实混合变电站的环境对电气设备的三维模型进行组装。使用C# 编程语言对设备进行操作以及负载的读入，进行潮流计算更新设备模型状态，并实现远控、站控及近控。

3.1 混合变电站漫游实现

为了能够使得操作人员以第一人称视角来观察变电站的设备，在Unity3D 中导入Characters 包，使用其中的FPSController 预置件。在这个预置件上，添加着一个Camera 组件，可以形成第一人称视角，并且它添加的FirstPersonController 组件封装了利用方向键行走、鼠标左键控制行走方向的功能。

从大多数人使用鼠标的习惯上来说，需要利用鼠标左键来对设备进行操作，这就与FirstPersonController 组件上封装的鼠标左键控制方向冲突。所以为FPSController 物体添加组件MouseController，实现在每一帧监听键盘上Space 按键是否按下，来达到切换是否禁用FPSController 物体上FirstPersonController 组件的状态，这样就能够保证在对设备进行操作时，鼠标左键不会带动镜头旋转。