一種減少地鐵牽引能耗的方法
【專利摘要】本發明公開了一種減少地鐵牽引能耗的方法，是根據地鐵列車線路工況實際情況，實測軌道坐標列車牽引參數，建立單個地鐵列車的單個站點運行時的啟動/制動能量模型、單個地鐵列車全天全線運行的牽引能量模型、全天全線地鐵列車的牽引能量模型，調整列車調度運行圖，增加能量對沖，適當降低列車限速值，實現減少地鐵牽引能耗。
【專利說明】—種減少地鐵牽弓I能耗的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及軌道交通領域，特別涉及一種減少地鐵牽引能耗的方法。
【背景技術】
[0002]地鐵具有快速、準時、安全、占地少、污染小和運量大等優點，自1863年世界上首條地下鐵路系統在倫敦開通以來，城市軌道交通系統逐漸成為西方發達國家很多城市的交通骨干。但是，地鐵牽引能源消耗總量過大是目前城市軌道交通面臨的一大問題，其運營成本中有近40%左右來自于地鐵牽引能耗。因此，探索大幅降低城市軌道交通運行能耗的方法，已成為保持城市軌道交通可持續發展必須解決的重要問題之一。
[0003]地鐵全線在線列車處于頻繁啟動/制動狀態，目前城市軌道交通列車組普遍采用“再生互補利用制動+再生電阻耗能制動+機械制動”的制動方式，制動再生能量可達到牽引能量的30%以上。其中，部分制動再生的能量可以被線路上相鄰車輛吸收，或抵消本車其他用電設備用電；如再生能量太大，不能被吸收則轉換為熱電阻損耗，制動能量被白白消耗。所以，可以通過調整地鐵運行圖，增加地鐵列車能量對沖規模，使列車制動時的再生能量與牽引時的吸收能量相互抵消(簡稱能量對沖)，提高列車再生制動能量吸收比例，是減少地鐵牽弓I能耗有效途徑之一。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺點，提供一種通過調整地鐵的列車調度運行圖，實現增加能量對沖，減少地鐵牽弓I能耗的方法。
[0005]本發明的目的通過下述技術方案實現:
[0006]一種減少地鐵牽引能耗的方法，包括下述步驟:
[0007]建立單個地鐵列車的單個站點運行時的啟動或制動能量模型；
[0008]建立單個地鐵列車全天全線運行的牽引能量模型；
[0009]建立全天全線地鐵列車的牽引能量模型；
[0010]調整列車調度運行圖，增加能量對沖，實現減少地鐵牽引能耗；根據全天全線地鐵列車的牽引能量模型，通過實測每個地鐵列車在進出每個站點的線網電壓函數、牽引逆變器線電流和啟動或制動時間，計算出全天全線列車啟動或制動時的牽引能量變化情況。
[0011]在非高峰運行區間，可以適當降低列車運行的限速值，來進一步降低牽引能耗，實測證明具有一定的效果。
[0012]本發明與現有技術相比具有如下優點和效果:
[0013](I)本發明通過地鐵調度運行圖，實現增加能量對沖，可以減少制動電阻耗能，降低牽弓I能耗，并減少電網電壓波動。
[0014](2)本方法不增加硬件投入，可實現節約地鐵列車牽引能耗，成本低，安全可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是某兩站點之間列車運行速度和牽引功率示意圖；
[0016]圖2是上行單列車運行數據示意圖；
[0017]圖3是下行單列車運行數據示意圖；
[0018]圖4是優化前線網全天能耗變化情況示意圖；
[0019]圖5發車間隔調整尋優過程的線網牽引能耗變化示意圖；
[0020]圖6是優化后線網全天能耗變化情況示意圖；
[0021]圖7是典型區間不同限速情況下的實際速度曲線示意圖；
[0022]圖8是低峰區間不同限速值能耗情況示意圖；
[0023]圖9中峰區間不同限速值能耗情況示意圖；
[0024]圖10高峰區間不同限速值能耗情況示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0026]實施例1:
[0027]本發明實施例1的方法如下:
[0028](I)建立單個地鐵列車的單個站點運行時的啟動/制動能量模型:
[0029]啟動時牽引能量模型為:私(尤)=Γ uidx(a)
[0030]式(a)中，Qtj(X)為啟動過程吸引能量函數；11為線網電壓函數，通過實測獲得;i為牽引逆變器線電流，通過實測獲得，啟動時為正；X為時間變量，定義域為[twt，t' _]，列車在時刻啟動，在t/ out時刻加速完畢；
[0031 ] 制動時牽弓I能量模型為:O) = Γ uidx( b )
"-1n
[0032]式(b)中，Qs(X)為制動過程反饋能量函數；11為線網電壓函數，通過實測獲得;i為牽引逆變器線電流，通過實測獲得，制動時為負；X為時間變量，定義域為[tin，t, in]，列車在tin時刻開始制動，在t' in時刻電磁制動完畢；
[0033]其中，地鐵列車靜止時和正常行駛過程中速度變化引起的牽引能量忽略不計；
[0034](2)建立單個地鐵列車全天全線運行的牽引能量模型:
[0035]根據地鐵公司的列車調度運行圖，獲得單個地鐵列車的全天全線各個站點的在線運行情況，建立單個地鐵列車全天運行的牽引能量模型:
[0036]Q= Σ O、+ Σ Qsa^(C)
η = ?/7=1
[0037]其中，Qm(X)是地鐵列車的全天運行的牽引能量函數，m為地鐵列車的編號；QQn(x)是該地鐵列車在離開第η個站點的啟動時牽引能量模型；QSn(x)是該地鐵列車在進入第η個站點的制動時牽引能量模型；
[0038](3)建立全天全線地鐵列車的牽引能量模型:
[0039]按照地鐵公司的列車調度運行圖，獲得所有地鐵列車的全天全線運行情況，建立全天全線地鐵列車的牽引能量模型:
[0040]Qa (X) = Q1 (X) +Q2 (X) +......Qm (X) (d)
[0041]其中，Qa(X)為全天全線地鐵列車的牽引能量函數邱為全天全線的地鐵列車編號，共有m輛列車先后上線；
[0042](4)調整列車調度運行圖，增加能量對沖，實現減少地鐵牽引能耗:根據全天全線地鐵列車的牽引能量模型，通過實測每個地鐵列車在進出每個站點的線網電壓函數、牽引逆變器線電流和啟動/制動時間，計算出全天全線列車啟動/制動時的牽引能量變化情況；
[0043]當Qa(X)為正值極大時，即Qa(X)處于正值波峰時，說明此時段啟動列車數量大于制動列車數量，調整地鐵調度運行圖；
[0044]當Qa(X)為負值極大時，即Qa(X)處于負值波峰時，說明此時段制動列車數量大于啟動列車數量，調整地鐵調度運行圖。
[0045]調整地鐵調度運行圖的方式包括:調整地鐵列車的進站或出站時間，提高或降低地鐵列車的運行時速。
[0046]當在某個區間值Qa(X)為正值極大時，即Qa(X)處于正值波峰時，可以采取減少啟動列車的數量、延長列車的在站停留時間、或降低列車的運行時速來調整地鐵調度運行圖。
[0047]當在某個區間值Qa(X)為負值極大時，即Qa(X)處于負值波峰時，可以采取減少制動列車的數量、縮短列車的在站停留時間、或提高列車的運行時速來調整地鐵調度運行圖。
[0048]在非高峰運行區間，可以適當降低列車運行的限速值，來進一步降低牽引能耗，實測證明具有一定的效果。
[0049]調整發車間隔時間，增加能量對沖，降低牽引能耗。將式(I)至(4)輸入到專用軟件平臺，修改運行圖生成器發車間隔時間。將生成結果進行排序尋優，該優化后運行圖可提高在線列車再生制動效率，雖實際運行時與計劃運行圖有一定的誤差，但整體能量對沖概率會有所提聞，具有一定的實際效果。
[0050]以一個往返為例，圖2和圖3為某列車一個往返上行和下行運行數據。所示曲線從上到下第一行為車速，該曲線可將列車速度/時間關系形象的展示，包括停站區間；第二行為驅動逆變器輸入電壓曲線，列車運行時該曲線與接觸網電壓一致；第三行為受電弓輸入電流曲線，當再生制動時為負值；第四行為制動電阻電流實時曲線。
[0051]圖4的繪圖區包括線網牽引耗能(方形符號標記)，該曲線隨時間而積累逐漸增大，在時間軸末端時反應一天總牽引能耗；線網再生饋能(圓形符號標記)實時曲線也隨時間積累逐漸增大，反應在線列車再生制動時反饋回電網的能量大小與時間關系。文本區包括從左到右顯示的線網累計牽引耗能、線網累計制動耗能、線網累計再生饋能、線網全天饋能比例等實時數據。經地鐵線網全天運行評估分析，線網累計牽引耗能109016.7kWh/天，線網累計制動耗能14185.1kffh/天,線網累計再生饋能69963.8kffh/天,線網全天饋能比例39.1%，線網累計制動耗能比例7.35%。
[0052]圖5為發車間隔調整范圍內尋優過程的線網牽引能耗變化曲線，該曲線值對應橫坐標為高低峰發車間隔調整時間，時間調整范圍為-30秒?30秒。由圖5可知，高低峰發車間隔調整-20秒(即高低峰縮短20秒，中峰延長20秒)的線網牽引能耗值最小。
[0053]圖6的繪圖區包括優化前線網牽引耗能(方形符號標記)、優化后線網牽引耗能(圓形符號標記)、優化前線網再生饋能(十字符號標記)、優化后線網再生饋能(星形符號標記)等實時曲線，文本區包括優化前和優化后的實時數據。經地鐵線網全天運行優化計算后，確定最優調整發車間隔結果是:延長中峰發車間隔20秒，縮短高、低峰發車間隔20秒。優化后的線網累計牽引耗能92718kWh/天，線網累計再生饋能86262.6kffh/天，線網全天饋能比例48.2%,線網累計制動耗能601.4kffh/天,線網累計制動耗能比例0.65%。可見，優化后使線網全天饋能比例增加了 9.1%，線網累計制動耗能比例減少了 6.7%，線網累計牽引耗能減少了 7416.1kffh/天,節能效果明顯。
[0054]實施例2
[0055]在非高峰期間，客流量相對較小，在不影響地鐵列車一個往返平均速度的情況下，可以通過壓縮地鐵列車停站時間、延長站間行走時間和降低列車運行限速值的方法減少牽引能耗。降低列車運行限速值降低了站間平均速度，從牽引動能角度看，會降低牽引能耗；壓縮地鐵列車停站時間和延長站間行走時間，保證了全線列車不晚點；整個地鐵線網上運行列車較多，啟動、制動頻繁，減少停站時間，在整個線網層面增加了行走時間區域，從而增加了能量對沖的概率。該方法減小牽引能耗效果如圖7所示。
[0056]圖7為列車在一個區間內按照4種限速值運行的速度/時間曲線，由圖可知，由于限速，運行區間變長。圖8-10為三個峰段中不同限速值情況下列車各種能耗情況，對比結果比較明顯，限速值較低的運行模式其牽弓I能耗較低。
[0057]將以上數據折算為單位能耗，以增加可比性，結果見下表:
[0058]表I不同限速值情況下單位能耗情況(能量單位:kwh/100kmt)
[0059]
限速 60lcm/ 70kiti/ 80km/ SM 60kni/ 65km/ 70km/ 80km/
70kxn/h 80km/h
值 hhh 模式 hhhh
輸入
6 03 6 53 7 24 5.65 5.94 6,15 6,83 7,49 67.44
能量
再生
240 2 30 2.14 ? U5 2.17 2.46 3.19 3.12 3.13 3.53
反饋
實際
363 4.23 5.10 3,60 3.77 3.69 3,65 4,37 3.66 3,91
牽引峰段低峰中峰高峰
【權利要求】
1.一種減少地鐵牽引能耗的方法，其特征在于，包括以下步驟: 建立單個地鐵列車的單個站點運行時的啟動或制動能量模型； 建立單個地鐵列車全天全線運行的牽引能量模型； 建立全天全線地鐵列車的牽引能量模型； 調整列車調度運行圖，增加能量對沖，實現減少地鐵牽引能耗；根據全天全線地鐵列車的牽引能量模型，通過實測每個地鐵列車在進出每個站點的線網電壓函數、牽引逆變器線電流和啟動或制動時間，計算出全天全線列車啟動或制動時的牽引能量變化情況。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立單個地鐵列車的單個站點運行時的啟動或制動能量模型，包括: 啟動時牽引能量模型為:4(x) = I uidx， 其中，Q0(X)為啟動過程吸引能量函數；11為線網電壓函數，通過實測獲得；i為牽引逆變器線電流，通過實測獲得，啟動時為正為時間變量，定義域為[t-，t' _]，列車在twt時刻啟動，在t' out時刻加速完畢； 制動時牽引能量模型為= Luidx， 其中，QsU)為制動過程反饋能量函數；11為線網電壓函數，通過實測獲得；i為牽引逆變器線電流，通過實測獲得，制動時為負為時間變量，定義域為[tin，t, in]，列車在tin時刻開始制動，在t' in時刻電磁制動完畢。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立單個地鐵列車全天全線運行的牽引能量模型，包括: 按照地鐵公司的列車調度運行圖，獲得所有地鐵列車的全天全線運行情況，建立全天全線地鐵列車的牽引能量模型: Qa (X) = Q1 (X) +Q2 (X) +......Qm (X)， 其中，QaOO為全天全線地鐵列車的牽引能量函數;m為全天全線的地鐵列車編號，共有m輛列車先后上線。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 當Qa(X)為正值極大時，即Qa(X)處于正值波峰時，說明此時段啟動列車數量大于制動列車數量，調整地鐵調度運行圖； 當Qa(X)為負值極大時，即Qa(X)處于負值波峰時，說明此時段制動列車數量大于啟動列車數量，調整地鐵調度運行圖。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述調整地鐵調度運行圖的方式包括:調整地鐵列車的進站或出站時間，提高或降低地鐵列車的運行時速。
6.根據權利要求1至5任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 當在某個區間值Qa(X)為正值極大時，即Qa(X)處于正值波峰時，可以采取減少啟動列車的數量、延長列車的在站停留時間、或降低列車的運行時速來調整地鐵調度運行圖； 當在某個區間值Qa(X)為負值極大時，即Qa(X)處于負值波峰時，可以采取減少制動列車的數量、縮短列車的在站停留時間、或提高列車的運行時速來調整地鐵調度運行圖。
【文檔編號】B61L27/00GK104192176SQ201410211784
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年5月19日 優先權日:2014年5月19日
【發明者】王保堅, 龐紹煌, 梁強升, 陳龍, 謝小星, 賴慶華, 陳潤恩, 閆國琦, 李君 , 武濤 申請人:廣州市地下鐵道總公司