基于RTDS的地鐵接觸網自定義模型運算

黎云富++易振林++楊少偉

摘 要：地鐵接觸網的主要任務是為電力機車提供電能。對地鐵接觸網進行仿真運算不僅可以為地鐵繼電保護提供判據依據，還可以更加深入地分析地鐵供電回路、雜散電流等一系列問題。地鐵供電回路接地部分的模型比較復雜，所以，需要單獨仿真建模分析。RTDS實時數據仿真軟件（以下簡稱“RTDS”）運算速度快，可以實現半實物仿真，而利用Cbuilder模塊對地鐵接觸網模型進行自定義仿真建模可為仿真提供便利，從而更加準確地分析地鐵直流供電回路的電氣特性。

關鍵詞：地鐵接觸網；直流供電系統；RTDS實時數據仿真軟件；Cbuilder模塊

中圖分類號：TM922.4+2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.016

城市軌道交通以地鐵為主要代表，它主要使用的是直流1 500 V或者直流750 V。地鐵供電方式分為第三軌供電和接觸網供電。第三軌平行于軌道，通過集電靴為機車供電。目前，地鐵建設中常用另外一種接觸網供電方式，即利用受電弓為電力機車提供直流電。

RTDS具有以下特點：①數據處理能力強。它可以搭建復雜的電力系統模型分析、計算電磁暫態。②保證實時性，仿真步長最小可達到2 μs；③閉環測試。外部設備可以通過RTDS自身的以太網與仿真設備實時交換數據。④電氣元件多。當自帶的元件庫不能滿足用戶的使用要求時，用戶也可以通過CBuilder自建需要的元件。除此以外，RTDS還可以與MATLAB、PSCAD等仿真軟件鏈接使用，使仿真軟件具有較好的可擴擴展功能和可視性。

本文所述的地鐵供電回路是基于接觸網供電的。利用RTDS中的Cbuilder模塊對地鐵進行自定義，再對直流牽引變電所建模，并仿真驗證接觸網。

1 直流牽引變電所仿真建模

直流牽引變電所是直流牽引供電系統的核心，其為電力機車的運行提供了必需的直流電能量。直流牽引變電所將電源35 kV或者10 kV側工頻交流電移相并整流為直流傳輸至地鐵接觸網，地鐵電力機車利用受電弓收流。

1.1 直流牽引變電所移相器建模

目前，移相都是基于軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器進行的。T1和T2的原次邊接線形式分別為為D，D；d0，y11和D，D；d2，y1.24脈波整流是基于2個12脈波整流器并聯實現的。為了獲取24脈波需要移相7.5°。地鐵供電系統中利用延邊三角形進行移相最為經濟。移相器建模如圖1所示。

1.2 直流牽引變電所整流器建模

2臺移相變壓器負邊y接和d接的四繞組分別經過三相橋式整流電路后，在直流側并聯即可形成24脈波整流系統。圖2為24脈波原理接線圖。

2 地鐵直流牽引網模型自定義

地鐵直流牽引網主要包括接觸線、鋼軌和泄漏阻抗。由于其具有一定的特殊性，所以，不存在于RSCAD文件庫中。在RSCAD中，用戶自定義元件CBuilder可以實現對地鐵接觸網的數學定義。自定義的實質是將地鐵接觸網回路當作一個“黑箱”，只需要利用雙端口的輸入輸出信號電路關系即可實現程序化。Cbuilder軟件包括圖形繪制、輸入輸出節點設置和基于C語言的編譯器。

2.1 電阻R串電感L的自定義原理

地鐵鋼軌對地回路以RL串聯電路為基礎。下面，將推導說明電阻R串電感元件L的自定義原理。整個推導過程中所用的電路如圖3所示。

根據圖a對電路列KVL微分方程可得：

. （1）

式（1）中：L為電感元件；R為電阻。

使用梯形等效算法并將式（1）簡化為圖b的諾頓等效電路，即：

. （2）

式（2）中：GSL為等值電阻；IL-his為等值歷史電流源。

等值電阻為：

. （3）

等值歷史電流源為：

. （4）

2.2 地鐵接觸網的自定義原理

地鐵接觸網可以看作是一個雙端網絡，其可等效為一個含有歷史源的導納參數方程，即：

3 仿真驗算

地鐵自定義的實現需要進行仿真驗證，驗證的內容包括整流變壓器空載出口、雙端供電時接觸線上的電壓值與非自定義模型的電壓值的比較。在RTDS仿真平臺中，可以實時進行數據運算。12脈波整流仿真電壓波形如圖5所示，24脈波整流仿真電壓波形如圖6所示，饋線電流波形如圖7所示。

圖5、圖6的仿真說明，直流牽引變電所輸出正確。比較直流牽引變電所輸出的較為標準的24脈波整流仿真電壓波形和12脈波整流仿真電壓波形可知，24脈波的紋波系數更小，諧波含量更少，接近現場實際情況。一個供電區間為4 km，在0.2 km處短路，當地鐵自定義元件接入后，饋線電流波形如圖7所示，與理論分析相符。全局變量調正接觸線的長度后，可以得到各距離接觸網的空載電壓，而各點的電壓有效值大致與理論一致，具體情況如表1所示。

4 結論

本文利用RTDS仿真平臺中的自定義Cbuiler功能對地鐵接觸網進行自定義推導和實現，并比較仿真結果和理論波形，從而證明自定義模型的正確性。

參考文獻

[1]周文衛.直流牽引供電系統短路電流計算與故障測距研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[2]張峻嶺.地鐵供電系統直流側短路故障研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[3]王元貴.直流牽引供電系統短路故障識別與定位[D].成都：西南交通大學，2013.

〔編輯：白潔〕