上海轨道交通2号线直流牵引供电系统运行仿真研究

徐丽莉 石宏明 史文钊

（1、西门子交通技术（北京）有限公司上海分公司，上海 200082 2、上海申通地铁集团有限公司技术中心，上海 200000）

由于路面交通的压力不断增加，并且随着限行措施不断扩大，选择轨道交通出行的市民越来越多，对轨道交通的运力带来了极大的挑战。上海地铁目前有18条线路，根据2021年上海交通指挥中心公布的“二月份上海交通运行月报（轨道篇）”显示：地铁2号线日均客流达93.5 万，列各条线路之首。2号线历史单日最高客流量曾达到182万，为积极应对远期的客流增长，挖掘运力潜能，根据设定的列车运行时刻表，建立动态的直流牵引供电系统仿真，可针对现有系统健康状态和未来潜能进行分析和研究。

1 项目概况

上海轨道交通2号线自2000年6月开通至今，经过西延伸、东延伸、西延伸二期和东延伸二期，现全长约64公里，共有30座乘客站，并由23座牵引变电站完成列车运行的牵引供电。2017年8月，东延伸段开始4节编组扩编工作；2019年10月，全线采用8节编组A型列车运营，4节编组列车全部下线，并启用全新的列车运行图。现早高峰时期，中心区间车站的平均行车间隔为2分40秒。2号线远期增能目标为缩短行车间隔至90秒左右（即40对/小时），以此进一步提高运力。本项目针对上海2号线现有的实际列车运行图及远期运行需求建立动态仿真计算，评估及分析现有直流供电牵引系统的运行状态及后期增能潜力。同时通过调整仿真参数设定调整，分析相关参数对供电牵引系统的影响及规律。

2 Sidytrac仿真软件应用

Sidytrac仿真软件可以结合列车运行进行牵引供电网络的仿真计算。在软件中可以很灵活地建立车辆模型、电气网络模型及列车运行模型，从而评估实际运行条件下或配（转下页）置新的运行条件下的牵引供电系统的表现。整个仿真计算是在静态的电气网络模型基础上增加列车运行模型进行动态电力网络潮流计算，并得出车辆的机械和电气计算结果以及电气网络计算结果，包括线路网压、馈线电流以及能耗分析等。

3 直流牵引供电系统建模

3.1 直流牵引供电系统技术原理

轨道交通牵引供电系统一般都采用直流制，电压等级一般为750V和1500V。目前，电力牵引供电都是以公用电网配电，由交流电经过变换后获得，而为牵引变电所供电的电力系统一般被称为一次系统。上海2号线采用集中供电方式，由电力系统提供110kV电源，经110kV主变降为牵引和动力照明供电系统所需的33kV。牵引供电部分则由对应的整流机组将33kV交流变换为1500V直流，为车辆牵引提供电力。

此次项目的仿真范围主要针对1500V直流供电牵引系统。

3.2 电气网络模型

上海2号线的牵引供电系统是由整流变、整流器、正极进线柜、馈线柜、接触网、列车、钢轨以及负极柜形成的典型电气网络结构[1]。在电气网络建模中，需要对电气元件分别建模并根据实际电气连接点建立电气拓扑结构。

整流变模型：2号线全线采用12相24脉波整流变压器，特性计算参照IEC60146-1-1/-1-2。整流变由一个带有内阻的电压源来模拟的，其等效电路如图1所示。如果钳位电压U增加到空载电压以上，则内阻增加到极高，没有电流流经。

图1 整流变等效电路

其中Uq为高压侧空载电压，ZHV为高压侧短路阻抗，Ri为整流变的等效内阻，RE为负对远端接地端的接地电阻。上述参数来源于整流变技术规范。

接触网模型:上海2号线接触网既有柔性接触网，又有刚性接触网。在模型中，根据不同的接触网材料规格定义一定磨耗和运行温度下的单位长度阻值。同时，按照线路实际分布情况设置对应的接触网类型。在仿真计算时，结合列车运行轨迹，在对应的供电区间内按照对应接触网类型及对应长度折算成等效电阻。钢轨模型的建立采用与接触网模型一致的方法，也是通过对应区间内的长度并依据单位长度阻值折算成等效电阻。

电气网络拓扑模型:在地铁直流牵引供电系统中，正常运行情况下，每个牵引变电站负责确定区间的牵引供电。因此，在电气网络拓扑模型中需要建立每个牵引变电所对应的供电区间，包括从整流变到接触网及钢轨之间连接电缆的等值电阻。在模型中，确定上下行各个分段绝缘器的位置，并且将整流变、上网电缆及回流电缆的参数与对应分段绝缘器一一对应，建立起整个直流牵引网络计算模型，图2为电气网络仿真模型。接触网及走行轨上的等值电阻及等效电路依据列车运行位置的变化而变化。

图2 电气网络仿真模型

3.3 车辆模型

车辆模型按照2号线日常运营的8节编组A型列车数据建立。车辆模型可以等效为根据运动轨迹变化的功率源[2]。模型中需考虑车辆运行过程中的阻力、牵引力和制动力特性曲线，结合传动效率、牵引效率、制动效率和车辆本身质量，可以得出行驶过程中对应速度下的加速度、减速度，从而可以换算出机械功率和电气功率的等式：

F=M*a

W=F*S

P=F*V=M*a*V

机械功率P1=牵引力*速度

电气功率P2=P1/效率

其中，车辆的阻力由车辆本身的阻力公式确定。

结合车辆模型中的牵引力和制动力曲线，仿真计算中按照阻力公式及相应曲线确定车辆功率。

3.4 系统模型参数调整

电气网络模型和车辆模型建立后，根据列车运行图建立车辆运行轨迹，从而形成整体的动态电力网络的潮流计算。仿真软件可以通过设置列车发车间隔、站点停站时间、区间驾驶曲线来建立列车运行模型。在建立运行图的基础上，通过调整区间驾驶滑行时间来改变车辆驾驶曲线，进一步观察不同的车辆行驶特性对直流牵引供电的影响。列车有两种驾驶模式:一种是全速运行模式，另一种是滑行运行模式。全速运行模式包括三个阶段：最大加速度加速;稳定运行;最大减速度制动。和全速运行模式相比，滑行模式更符合实际驾驶模式，特别是全自动驾驶模式。它包含四个阶段：最大加速度加速;稳定运行;惯性滑行;最大减速度制动。在早高峰列车运行模型中，考虑了线路限速和平均12%的滑行。在此早高峰运行模型基础上，减少区间滑行时间至0%变为全速模式运行，并采取列车最高时速80km/h运行，得到新的区间驾驶曲线。不改变行车间隔的基础上缩短区间驾驶时间，可以分析区间驾驶模式对直流牵引供电系统的影响。

4 仿真结果与分析

4.1 早高峰两种驾驶模式仿真结果分析比较

4.1.1 线路网压对比

图3和图4分别是早高峰时列车滑行模式和全速模式运行情况下的全线网压分布图。列车全速模式下，列车能耗比滑行模式多，全线网压有所下降。单独从网压分布情况不能看出明显的压降，仿真计算还给出了仿真时间内正线最高和最低网压的波动情况。图5和图6是分别是早高峰滑行模式和全速模式下电压随时间的变化图表，从整个仿真周期1小时内网压的波动情况比较，可以明显看到，全速运行模式下，最低网压曲线明显下移，并且在1400V以下的时间段明显增加。

图3 早高峰滑行模式全线网压分布图

图4 早高峰全速模式全线网压分布图

图5 早高峰滑行模式下电压vs时间变化图

图6 早高峰全速模式下电压vs时间变化图

4.1.2 能耗对比

从总能耗数值上比较，全速模式下的能耗是滑行模式的两倍多。从不同能量流动的绝对数值分析看，全速模式下的牵引能耗并没有比滑行模式增长很多，但用于制动的能量损耗增加，总体能耗的增加几乎都增加在制动损耗上。

4.2 早高峰与40 对/小时运行场景仿真结果分析比较

4.2.1 线路网压对比

在40对/小时运行图下的仿真计算中，列车区间行驶的限速和滑行设置与早高峰滑行模式运行场景完全一致。从40对/小时的仿真结果和早高峰的仿真结果对比，全线网压降低明显，有部分区域低于1350V，对列车行驶性能会有一定影响。同时对比早高峰滑行模式的电压随时间变化的曲线，整体网压下移，低于1350V的时间段增加，对列车的运行性能会有一定影响。如后期运行需要增能到40对/小时，则要考虑一定的措施提高直流牵引供电系统的供电能力。

4.2.2 能耗对比

从40对的仿真结果中对比早高峰滑行模式下的能耗值，由于缩短了行车间隔，仿真周期内的车辆增多，能耗值增加，牵引能耗、辅逆能耗和车辆损耗等都是早高峰运行场景下的近两倍。

5 结论

本项目针对上海地铁2号线直流牵引供电系统开展仿真计算，建立了电气网络模型、车辆模型和列车运行模型，并且着重根据列车的不同运行场景和车辆不同的驾驶模式作为参数，研究分析了这些参数变化对直流牵引供电系统运行的安全状态和能耗的影响。从牵引网压分布、网压波动以及能耗变化的情况，验证了相关参数的影响关系；在西门子为上海地铁2号线设计以及投入运营20年后，对全线做此次仿真可以再次给到客户一个设计全貌和系统运营健康度的检查，同时，分析结果也为上海地铁2号线后期增能提供理论依据和分析基础。