地铁电力调度监控系统的仿真及其应用

刘路鹏，钱雪军

（同济大学 电子与信息工程学院，上海 200331）

城市轨道交通具有运量大、快捷准时、安全平稳和地面用地面积小等优点，成为现代城市交通的主流趋势，得到了快速发展[1]。随着国内地铁线路的不断扩充，对合格的地铁电力调度人员的需求量日益增加。但由于城市轨道交通的特殊性，不可能利用实际正在运行中的监控系统进行培训，因此，建立一套完整、系统的地铁电力调度监控仿真系统具有重要的现实意义[2]。

目前，国内外在对地铁电力调度监控系统的研究中较少采用与实际相结合的方式进行[3]。还有一些是采用其他已有软件，如Matlab 等软件进行建模，不适合对实际调度员和检修工等进行培训[4]。

本文通过建立供电系统模型，结合与实际一样的电力调度工作站，搭建地铁电力调度监控仿真系统，对地铁电力调度监控系统进行仿真研究，该系统可有效、系统地完成对地铁电力调度人员的培训工作，提高其操作技能。

1 仿真系统设计

1.1 系统总体结构

地铁电力调度监控系统的设计采用分布式的结构，即二级管理（车站级、控制中心级）和三级监控（控制中心、车站级、现场级）[5]。本系统的仿真对象为上海地铁11 号线的电力调度监控系统，全线共包含2 个主变电所、42 个变电站、2 个开关站、3 个车辆段和1 个控制中心，仿真系统结构，如图1 所示。

1.1.1 控制中心

控制中心包含线路调度员的2 个模拟工位，其工作站安装的软件可保证线路调度员进行与实际一样的操作，能够对整个线路上的供电设备状态进行监视和操作，实现报警和报表统计及打印等功能。

图1 仿真系统结构

1.1.2 车站级

车站级包含变电检修工的模拟工位，其工作站安装的软件也与实际完全一致，是按照实际的线路主变电所、牵降混合变电所和降压变电所进行设置的，可对实际中变电检修工的日常工作，如倒闸操作、事故处理等进行仿真。

1.1.3 整体结构

线路调度员和变电检修工的操作通过线路数据处理模块发送给供电系统仿真模块，供电系统仿真模块根据当前供电线路的交流/直流负载及各个开关状态，计算出线路上各个开关状态，如电流、电压参数，并反馈给操作界面，两者之间采用IEC-104 规约进行通信[6]，从而实现对地铁电力调度监控系统的仿真。

1.2 系统功能

本系统主要实现遥控、遥测、遥信、遥调这“四遥”功能和其他基本功能[7]。（1）控制及操作功能：可对供电系统的任一可遥控对象进行分合遥控，如35 kV断路器、接触网隔离开关等。另外，能对35 kV 进出线断路器整定值进行遥调切换。（2）数据采集与处理功能：采集供电系统中的各种遥信信息，包括断路器、隔离开关等设备的分合状态，位置状态和事故信号等。系统还应具有采集变电所的电气量的遥测功能，包括整流机组电流，直流1 500 V 母线电压等。（3）其它基本功能：显示和报警等。

2 供电系统建模

城市轨道交通供电系统分为交流供电系统和直流牵引供电系统两部分，系统结构，如图2 所示。（1）交流供电系统从城市电网接收110 kV 高压，经主变电所降至35 kV 电压，一部分经降压变电站降压至400 V 输送给配电系统，另一部分送至牵引变电站。（2）直流牵引供电系统由牵引变电站从交流供电系统引入35 kV 电压，然后经降压整流输出1 500 V 电压，由馈线供给接触网，进而给地铁列车供电，并由钢轨经过回流线回流，形成电流回路[8]。

图2 城市轨道交通供电系统结构

2.1 直流牵引供电系统建模

2.1.1 数学模型

城市轨道交通供电系统的直流牵引供电系统主要由牵引变电站、接触网、钢轨和列车组成。牵引供电系统由牵引变电所整流输出1 500 V 直流电，分别送给上下行两条线路的接触网，供电给列车，然后经过钢轨回流，以3 个变电站两个区间为例，其等效模型，如图3 所示。其中，整流机组是牵引变电站的核心装置，由串联内阻的电压源等效，接触网和钢轨由电阻等效，列车由等效电流源替代。

由于整流机组的等效电压源的电压VS和内阻RS的取值会随着负载的变化而变化，因此需要对牵引供电系统进行潮流计算，得到整流机组负荷电流，以此来选择整流机组的工作区间，从而确定VS和RS的取值。

考虑到在实际运行过程中，列车的速度、位置是随着时间变化的，列车的功率值也将随时间变化，故列车采用恒功率模型，用p表示。

上行接触网、钢轨和下行接触网的分段电阻分别用Ri1、Ri2和Ri3表示。

根据牵引供电系统的等效模型，可以获得其数学模型。

图3 直流牵引供电系统等效模型

其中， U—节点电压向量；

I—节点电流向量；

Y—节点导纳矩阵。

将牵引供电系统等效模型按整流机组和列车所在位置纵向分成6 个断面。则

其中，Ui=[Ui1Ui2Ui3]T，i=1,…,6，Ui1、Ui3分别为上下行接触网电压，Ui2为钢轨电压，如图3 所示。

其中，若第i个断面为整流机组所在断面，则若第i个断面为列车所在断面，对上行列车有对下行列车有

其中，Yii为断面i的自导纳矩阵，Yij和Yji为断面i和断面j之间的互导纳矩阵（j=1,2,…,6）。

（1）自导纳矩阵：

另外，若该断面为整流机组所在断面，还要考虑整流机组内阻的因素。

2.1.2 模型结构

在上述模型中，由于列车是动态的，随着时间的推移，在两个牵引变电站之间可能出现不同数量的列车，相应的牵引网络的结构也将随之发生变化，如图4 所示。在图4a 中，两个站间存在两列列车p1和p2；经过一段时间后列车p1驶出该区间，两站之间只有1 列列车p2，模型结构如图4b；又经过一段时间后列车p2也驶离该区间，两站之间没有列车，模型结构如图4c。模型结构的不断变化将导致阻抗矩阵的维数发生变化，需要重新构建阻抗矩阵。

图4 牵引供电系统模型结构

为了避免上述结构变化所导致的问题，这里假设相邻两个变电站之间最多只有两列列车（根据线路运行图来确定），则无论是有1 列列车还是没有列车，都认为在两个变电站之间始终有两列列车，模型结构固定为图4a 所示。当区间中少于两列列车时，缺少的列车采用一个功率为零的负载等效。

2.1.3 潮流计算

在列车实际运行过程中，受运动状态的影响，阻抗矩阵和节点电流不断发生变化，这导致整个牵引供电系统是一个复杂的时变参数网络[9]，需要多次迭代求解。直流侧潮流计算主要是根据节点电压法，采用高斯消去法对式（1）进行求解，得到系统各整流机组的工作负荷和各节点电压等，计算过程，如图5 所示。

2.2 交流供电系统建模

图5 直流牵引供电网络潮流计算流程

交流供电系统主要由主变电所、35 kV 中压供电网络和降压变电所及其他供电线路等组成。其等效模型，如图6 所示，把主变电所和降压变电所视作平衡节点A，牵引供电系统视作PQ 节点B、C、D，为主变电所的负载节点，供电线路等效为π 型等效电路。

图6 交流供电系统等效模型

对应的数学模型可表示为：

其中，Pi和Qi分别为第i个节点的有功功率和无功功率；u·i为该节点的节点电压；yij为节点导纳矩阵元素。

对上述模型的求解采用交流潮流计算的一般方法牛顿-拉夫逊法来实现[10]。

3 线路数据处理

3.1 数据结构

线路数据主要指电力调度中心的调度工作站与供电仿真系统之间交互所需要的数据，包括110 kV/35 kV/400 V 电压等级母线、主变压器、降压变压器、整流变压器、线路电动开关和断路器等的遥控、遥信和遥测信息。这些数据是直接从实际变电站获取的，并被记录在点表中。

3.2 通信实现

电力调度中心的调度工作站与供电系统仿真之间的数据交换采用IEC-104 规约，它采用主从召唤机制进行数据传输[11]，由操作界面（主站）发送遥控指令，供电系统仿真软件（子站）进行解析、确认等过程后执行该指令，同时完成相关计算，并返回设备状态等参数。

与实际系统不同，本文搭建的供电系统的所有变电站用一个计算机进行仿真。因此，采用不同的端口号来区分不同的变电站，从而确保所获取数据的正确性。

4 仿真实现

使用C++语言编写地铁电力调度监控系统仿真软件，该系统能够实时地根据调度操作进行潮流计算，更新设备状态并显示。本系统以上海地铁11 号线为例，介绍其仿真实现。

4.1 系统仿真

仿真实现流程，如图7 所示。（1）启动软件进行登录，进入监控操作界面。当线路处于正常运行状态时，如图8 所示，屏幕上方橙色圆形和线条代表整体线路，可以通过点击对应不同变电站的橙色圆形或中央的左右箭头来切换变电站。（2）判断是否有遥控操作，若有，则改变数据库中的电气设备状态，由供电仿真系统进行潮流计算，将所得结果存入数据库，并调用OnPaint()函数和OnEraseBkgnd()函数进行绘图，及时刷新显示的设备状态；若无，则显示无变动。

4.2 仿真结果

4.2.1 遥信、遥测功能

遥信值主要指电气设备的开关状态。在供电网络图中体现为，开关闭合显示为红色，断开为绿色。遥测值主要指电气设备的电气量，通过在供电网络图中显示主要电气设备的电压、电流值来实现。

4.2.2 遥控功能

鼠标放在101 号35 kV 断路器上，点击鼠标右键，依次选择“遥控”、“遥控选择”和“遥控执行”按钮，对其进行遥控分闸操作，实现35 kV 自投运行，得到供电网络图，如图9 所示。同样可在其它电气设备上进行遥控操作。

5 结束语

本文通过对地铁供电系统的交直流两部分系统的分析，建立其数学建模，建立线路数据处理的接口，从而将实际电力调度工作站与虚拟供电系统结合起来，实现了对地铁电力调度监控系统的仿真。同时，该系统具有通用性，可推广并应用于其它线路。目前，该系统作为地铁电力调度员的培训系统已经在现场获得了应用，能够有效地提高地铁电力调度人员的培训效率，符合实际需求。本系统还可在如何提高仿真通信的实时性等方面做进一步的研究。

图7 仿真实现流程

图8 正常运行状态下的供电网络

图9 35 kV自投运行时的供电网络