地鐵電力調度監控系統的仿真研究

朱鈞劍，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

隨著城市軌道交通的快速發展，每年都有大量的相關崗位工作人員需要進行專業培訓。鑒于地鐵運行的穩定性和安全性考慮，不可能對全部培訓人員進行現場培訓，大部分培訓工作需要在培訓中心或培訓基地完成，因此開發仿真培訓設施十分必要。地鐵電力調度監控系統是城市軌道交通的重要組成部分，為地鐵的正常、穩定、安全運行發揮著重要的作用，這就對地鐵電力調度員的能力有著更加嚴格的要求。因此需要開發一套完整的電力調度監控仿真系統，用以對地鐵電力調度員進行系統的培訓。

本文對真實的地鐵電力監控系統進行仿真研究，建立供電部分模型，仿真電力監控部分，開發一套相對完善的地鐵電力監控系統仿真模型。

1 系統總體結構

本系統主要包括：控制中心調度系統、變電站綜合自動化系統、虛擬遠程測控終端（RTU，Remote Terminal Unit）設備、網絡交換機和網線。控制中心調度系統包括：系統服務器和顯示器、操作員工作站、數據庫和操作軟件。變電站綜合自動化系統包括：站級管理設備和間隔信息層[1]。

1.1 系統框架

本系統仿真對象為上海地鐵12號線，全程共有17個變電站和一個控制中心。根據現場布置，控制中心和變電站綜合自動化系統安置在不同的房間，利用網線連接，實現互相通信。系統框架如圖1所示，其中，虛擬RTU設備利用供電網建模仿真，通過計算獲得各主要節點電氣量和開關等的邏輯關系，顯示在控制中心顯示屏中。

1.2 仿真系統功能

本系統可實現對全網變電所設備的監視控制和數據采集，以及對接觸網電動隔離開關設備運行狀態的監視控制，完成供電系統調度、事故分析等功能[2]。

1.2.1 系統登錄

圖1 系統框架

只有正確的登陸人員才能對系統進行操作，否則只能查看系統的相關事項。

1.2.2 系統報警

當系統有新的事項時，調度員界面下方會自動彈出實時事項報警條，并閃爍。

1.2.3 歷史事項查詢

可以查看某個歷史時段的事項和操作記錄。

1.2.4 實現“四遙”功能[3]

（1）遙測：采集并傳送供電系統中各電壓等級設備的模擬量的實時信息，包括牽引變電所35 kV進線電流，整流機組電流，35 kV母線電壓，直流1 500 V母線電壓等。（2）遙信：采集并傳送供電系統中數字量的實時信息，包括主變電所、牽引變電所、降壓變電所的開關位置、事故信號和預置信號等。（3）遙控：對網絡中的電氣設備進行開斷操作，包括牽引變電所35 kV斷路器、1 500 V直流斷路器、接觸網隔離開關等。（4）遙調：對主變電所與備用主變電站的投入切換及35 kV進出線斷路器整定值進行切換。

1.2.5 一鍵停送電

中心控制站配備，可以選擇所要控制的區段和上下行對象進行停送電。

1.2.6 電氣設備間的控制與聯鎖

本系統中主要指斷路器與隔離開關的順序操作和閉鎖。

1.3 仿真系統實現流程

仿真系統的實現流程如圖2所示。對整條線路進行數學建模仿真，模擬列車真實運營情況，利用潮流計算將主要電氣設備的電氣量保存在后臺數據庫中。使用編寫的地鐵電力調度監控仿真軟件調用數據庫中的電氣量，實現對RTU設備的仿真。當在電力調度監控仿真軟件中進行遙控、遙調操作時，改變數據庫中相應電氣設備的運行狀態，重新進行潮流計算。

2 地鐵電力供電系統仿真模型

地鐵電力供電系統仿真模型主要包括對系統中主要電氣設備進行數學建模和系統潮流計算兩大部分。正確建立系統模型可以真實地模擬電力系統的運行狀態，選取合適的潮流算法，從而準確地得到系統中各電氣設備的電氣量，如母線線路電流，變電所功率，地鐵列車的觸網電壓等。

2.1 建立系統主要模型

城市軌道交通供電系統基本結構如圖3所示，對其建模包括直流供電部分建模和交流供電部分建模。其中，交流部分包括外部電源和動力照明系統，與常規電力系統相似，本文不做分析。直流部分主要是由接觸網、列車負載和回流網組成的牽引供電系統，主要包括整流器，地鐵列車，接觸網以及軌道的建模分析。

2.1.1 整流器模型

整流器是地鐵供電系統的關鍵環節，它是整個系統交直流部分的連接樞紐，正確的建立模型可以真實地反映整個系統交直流部分的相互影響，可以讓潮流計算結果更加精確。依據參考文獻[4-5]，在直流側計算時可將整流機組等效為內阻可變的電壓源，根據負載的變化整流器工作在不同的區間，等效輸出電壓和內阻也會變化，等效電路如圖4所示。

圖2 仿真實現流程圖

圖3 城市軌道交通供電系統

圖4 整流器等效電路

通過插值計算可得整流機組直流側輸出電壓特性方程：

其中，k、p為與負載相關的比例系數，Ud0為理想空載電壓，xc為換向電抗，Id為輸出電流，VH為整流變壓器二次側有效值。24脈波整流機組理想空載電壓Ud0如下：

2.1.2 地鐵列車模型

目前，國內外關于直流牽引潮流計算的文獻中，大致將列車的模型視為理想電流源模型和恒功率模型兩種進行分析。本文建模時，考慮到培訓仿真系統中需根據各節點的電壓電流的變化，判定是否發生故障以及列車是否在牽引變電站的供電范圍內，因此應精確地計算出每個時刻的牽引電壓電流值，故在車輛運行時將其視為恒功率模型。

2.1.3 牽引回路等效模型

根據運行控制中心（OCC）系統的運行站場圖可確定列車在任意時刻的位置[6]，按列車和牽引變電所的數量和位置可將牽引供電網線路分割為m+n-1（m為運行列車數量，n為牽引變電所數量）段，牽引網等效電路圖如圖5所示。Ro為接觸網等效電阻，Rb為回流網等效電阻，P為列車功率源模型，U為整流機組等效電壓，Rs為整流機組等效內阻。2.1.4 控制與聯鎖

電氣設備的控制與聯鎖是為了保證電氣設備的安全操作，確保設備和人身安全。同一回路中的斷路器與隔離開關存在狀態閉鎖，即當線路處于帶電狀態，斷路器合閘時，隔離開關不能進行分閘操作；當線路處于斷電狀態，隔離開關未合閘時，斷路器將不能進行合閘操作。

2.2 地鐵供電系統潮流算法

地鐵交直流系統潮流計算不同于常規潮流計算，不僅需要考慮交直流耦合的問題，還要考慮地鐵列車行進位置變化導致的各牽引變電所輸出功率變化的問題[7]。

直流側計算流程如圖6所示，根據圖5的等效電路圖進行編號，然后利用節點電壓法計算整流機組的工作區間和列車的觸網電壓，最后根據整流機組的特性計算出其交流側功率P和Q，等效為PQ節點。交流側采用牛頓—拉夫遜法進行潮流計算，可算得仿真系統中交流部分主要電氣設備的數據。

3 地鐵電力監控系統仿真實現

圖5 牽引回路等效電路

該仿真軟件采用C++進行編寫，C++是面向對象的編程語言。面向對象技術具有程序結構清晰，自動生成程序框架，實現簡單，代碼重用率高，軟件開發效率高等基本特征[8]。操作界面利用基于VC++下的MFC建立基于單文檔的界面框架，本文以調度中心人機界面為例，進行具體介紹。

圖6 直流側潮流計算流程圖

3.1 調度中心登陸界面

啟動調度員界面后，缺省處于查詢狀態，不能執行對系統的調度操作。登陸界面如圖7所示，當正確輸入用戶名和密碼后可以對系統進行具體操作。

圖7 系統登錄界面

3.2 查看參數、事項

正確登陸后點擊站點名稱，進入到相應站點的供電網絡圖，如圖8所示。網絡圖中各電氣元件建立不同的對象類，各類中包含其狀態，位置等參數以及成員函數。供電網絡圖繪制采用雙緩沖技術，系統不斷刷新不會導致黑色界面閃爍。在網絡圖中可以查看到相應站點的遙測和遙信信息。遙測信息為站場圖中主要電氣設備的電氣量，遙信信息指站場圖中主要電器設備的開關狀態，其中紅色表示閉合，綠色表示分開。當開關等被人工置數或處于異常狀態時，用不同顏色表示。

圖8 系統供電網絡圖

在主接線圖中，雙擊開關圖元的中央部位，MFC消息響應機制檢測到操作請求，利用OnLButton-DblClk()函數調用自建函數ShowIntervalData(),該函數中包含系統圖元的相關間隔信息，調用并顯示如圖9所示。

圖9 間隔信息查看

該系統具有兩個主變電站，分別位于巨峰路站和天潼路站，兩個主變電站互為備用。各站的35 kV進出線和母線開關，對應兩個主變電站的投入有兩組整定值，當進行正確的遙控操作后，整定值會進行切換，同時整定值后的方框顏色進行變化。

3.3 系統遙控功能

系統對站場圖中的開關和斷路器進行遙控功能時，右鍵點擊要進行遙控的隔離開關或斷路器，利用OnR Button Down()函數彈出功能菜單，選擇功能中的遙控選項，調用Remote Control()函數，彈出對應開關的遙控界面。點擊“遙控選擇”按鈕，進行預置。預置返校成功后，自動切換到“遙控執行”按鈕，選擇要進行的操作，點擊按鈕后，發出執行命令，等待執行機構動作。

系統配備一鍵停送電功能，進行一鍵停送電時系統會自動確認是否有執行條件，點擊調度員界面工作欄上的一鍵停送電控件，彈出控制選擇界面，如圖10所示。選擇要進行控制的區段，控制的上下行對象以及停送電功能，選定后點擊執行按鈕，確認信息后進行操作。

圖10 一鍵停送電功能

4 結束語

本文利用基于VC++下的MFC編程技術對地鐵供電監控系統（SCADA）進行了仿真研究。對地鐵供電網主要電氣設備進行數學建模，對地鐵電力供電系統潮流算法進行了介紹，利用前面的結果仿真實現了地鐵供電監控系統。該系統對地鐵供電網模擬監控的相關培訓具有一定的實用價值。

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