軌道交通供電系統混合變電站的仿真研究

周培培，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，地鐵逐漸成為許多人選擇的出行方式。巨大的客流量對供電系統變電站的穩定運行提出了更高的要求，也對供電系統工作人員的工作能力要求更加嚴格。近年來，因變電站檢修工操作失誤導致的事故時有發生，這讓我們意識到傳統培訓方式存在很多不足，因此為變電站檢修工提供一個虛擬培訓系統具有深刻的意義。

目前，在國內對虛擬培訓系統的研究已經有了不少成果[1-4]。文獻[3]利用虛擬現實平臺VRP 搭建的虛擬變電所培訓系統，實現了對設備模型的實時操作和控制；文獻[4]搭建了電氣化鐵路牽引變電站虛擬實訓系統，提供更換三維設備以及修改培訓任務的功能，提高了虛擬培訓系統的靈活性。類似的培訓系統研究多以電氣化鐵路牽引變電站為研究對象，地鐵供電系統變電站雖與之相似卻不盡相同，并不能直接使用。以地鐵供電系統變電站為研究對象的研究，如文獻[5]，利用Matlab 軟件對其進行仿真建模，不適用于變電站檢修工的培訓。

為提高地鐵變電站檢修工的培訓質量，并考慮到培訓的通用性, 本文選取較為復雜的混合變電站作為研究對象。通過三維物理建模還原混合變電站設備及其操作，并建立供電系統數學模型來搭建軌道交通供電系統混合變電站的仿真系統。

1 仿真系統結構

本系統的仿真對象為混合變電站，由降壓變電站與牽引變電站共同組成。系統框架如圖1 所示，總體可以分為混合變電站模型、負載輸入以及控制輸入3 個部分。

1.1 混合變電站模型

混合變電站模型主要用來顯示混合變電站的整體效果。當負載發生變化時，電氣設備模型上儀表顯示的電氣量要跟隨改變；當發生故障時，電氣設備模型上指示燈要有正確提醒；對模型進行操作時，模型要有相應的動作；操作人員可以在混合變電站模型中漫游瀏覽，查看各電氣設備的外觀與狀態。

為實現以上功能，需要對混合變電站進行物理建模與數學建模。物理建模使用3D Max 軟件完成，將電氣設備模型以.fbx 格式輸出后導入到Unity3D中拼裝成完整的混合變電站。數學模型可以分為對牽引網絡的數學建模與對降壓網絡的數學建模，通過潮流計算得到的電氣量在各開關柜設備模型上顯示。

圖1 系統框架

1.2 負載輸入

負載輸入部分主要為混合變電站模型提供當前時刻的負載信息。在混合變電站中，牽引部分為列車運行提供1 500 V 直流電，降壓部分為車站負載的正常使用提供400 V 交流電。因此，負載輸入可以分為2 個部分：列車負載輸入，車站負載輸入。

1.3 控制輸入

控制輸入部分主要用來實現對混合變電站模型的控制?？刂品绞脚c真實混合變電站的控制方式相同，有遠控、站控、近控3 種方式。

1.3.1 遠控輸入

通過控制中心的調度系統來對混合變電站設備的合閘分閘等進行操作的控制方式稱為遠控。在遠控時，不能對設備進行站控與近控，要保證同一時刻對同一對象的操作指令只有一個。

遠控指令發出后，混合變電站模型中相應的設備模型狀態要發生改變；同時，混合變電站模擬故障或因其他控制方式發生狀態的改變時，調度系統顯示界面上也要出現相應信息。

1.3.2 站控輸入

站控是指通過變電站站內的綜合監控系統對混合變電站模型進行操作的控制方式。站控的本質與遠控相同，不同的是使用遠控方式來控制混合變電站模型所需要的登錄權限更高。

1.3.3 近控輸入

近控是指直接操作混合變電站模型中的各種電氣設備模型。操作人員利用方向鍵走近設備后，可以通過鼠標操作各開關柜上的面板；可以操作直流柜中抽出式小車；能夠完成倒閘等操作。

2 混合變電站仿真系統模型建立

混合變電站仿真系統主要由變電站內電氣設備的三維模型以及牽引網絡的數學模型組成。三維模型的建立給操作者真實感，在經過培訓之后再操作實物能更快掌握，數學模型的建立能讓三維模型更合理地模擬真實設備。

2.1 混合變電站電氣設備物理建模

如圖2 ～5 所示，在混合變電站中，需要建模的電氣設備[7-8]主要有以下幾個部分：

（1）交流高壓開關柜：在變電站中，它需要引入從主變壓器傳輸過來的35 kV 交流電，然后饋出給整流變壓器和電力變壓器。

（2）整流機組：整流機組包括了整流變壓器和整流器組，它們的作用是將35 kV 交流電變為1 450 V的直流電。

圖2 35 kV開關柜

圖3 整流變壓器

（3）直流開關柜：將從整流機組引入的直流電饋出給接觸網，供列車運行。在直流開關柜中，手推式小車是其重要組成部分，且是變電站檢修工需要了解操作的一部分，因此在對直流開關柜進行建模時，對小車進行細節建模。

（4）低壓交流開關柜組：35 kV 交流電經電力變壓器降為400 V 交流電，再通過400 V 饋線柜為地鐵站中各級負荷提供電力。

圖4 直流開關柜

圖5 低壓交流開關柜

2.2 混合變電站數學模型

混合變電站各開關柜上都有電表來顯示當前的電壓電流值，通過指示燈來反應當前合閘分閘等狀態。為在3D 模型以及遠程控制終端上根據不同的負載來正確顯示電氣量，建立地鐵電力供電系統的數學模型，經過潮流計算后將各數據量發送到各物理模型，進行狀態更新。

2.2.1 牽引網絡數學模型

牽引網絡主要由24 脈波整流機組、牽引網以及列車組成。其中，牽引網又包括饋電線、接觸網、走行軌與回流線。牽引網絡是通過整流機組經饋電線將1 500 V 直流電送至接觸網，向列車供電，電流再從走行軌經回流線送回至牽引變電站。牽引網絡等效模型如圖6 所示。

圖6 牽引回路等效電路

在仿真計算時，一般按戴維南或諾頓等效電路對整流機組進行建模。24 脈波整流機組可以等效為2 個12 脈波整流機組的并聯。對于12 脈波整流機組來說，隨著負載的變化，它會工作在6 個不同的工作區間[9]。所以需要通過牽引變電站輸出的電流來調整整流機組的工作區間，計算得到等效電路相應的電壓Vs 和電阻Req。

將接觸網和走行軌根據變電站和列車的位置分段，逐段進行建模。由于走行軌對地不能做到完全的絕緣，所以大部分電流能夠通過走行軌及回流線回到變電站，小部分電流會流入到地中。這樣在走行軌和大地之間就產生了雜散電流，使得鋼軌對地產生了電位。走行軌等值電阻計算方法如式（1）。

其中，r為走行軌π型電路電阻（Ω），Y為走行軌對地縱向電阻（Ω），L為走行軌的長度（km），RT為走行軌單位電阻（Ω/km），Rg為走行軌對大地的泄露電阻（Ω/km）。

軌道交通在實際運行過程中，列車的位置、速度、數目都是隨著時間變化的。在牽引網電壓正常波動范圍內，列車所獲取的功率與網壓沒有關系，因此可以將列車等效為恒功率源。

2.2.2 牽引網絡潮流計算程序

根據地鐵牽引網絡等效模型，可以通過聯立節點電壓方程組得到各節點電壓和整流機組工作電流。由于列車等效為恒功率源，使得聯立的方程組成非線性，所以需要通過對節點電壓法進行迭代求解。具體的計算流程如圖7 所示。

圖7 牽引網絡潮流計算流程圖

2.2.3 降壓網絡數學模型

降壓網絡主要由電力變壓器將35 kV 交流電降為400 V 交流電，再饋出給各級負載。等值電路圖如圖8 所示，2 臺變壓器各承擔一半的車站負載，當一臺變壓器退出運行時，切除三級負載，由一臺變壓器承擔所有的一、二級負載的供電。

圖8 低壓供電網絡潮流計算等值電路圖

已知首端電壓和末端功率，求解末端電壓的潮流計算方法如式（2）、式（3）。

S' 為線路首端節點的功率，S" 為線路末端節點的功率，ΔS為線路中的功率耗損，P" 為線路末端節點的有功功率，Q" 為線路首端節點的無功功率，VN為額定電壓，R為線路的等效電阻，X為線路等值電抗。

VB為線路末端電壓，VA為線路首端電壓，ΔVAB為線路電壓損耗，δVAB為線路電壓偏移，P' 為線路首端節點的有功功率，Q' 為線路首端節點的無功功率。

3 混合變電站仿真系統實現

在Unity3D 中導入建好的設備模型，根據真實混合變電站的環境對電氣設備的三維模型進行組裝。使用C# 編程語言對設備進行操作以及負載的讀入，進行潮流計算更新設備模型狀態，并實現遠控、站控及近控。

3.1 混合變電站漫游實現

為了能夠使得操作人員以第一人稱視角來觀察變電站的設備，在Unity3D 中導入Characters 包，使用其中的FPSController 預置件。在這個預置件上，添加著一個Camera 組件，可以形成第一人稱視角，并且它添加的FirstPersonController 組件封裝了利用方向鍵行走、鼠標左鍵控制行走方向的功能。

從大多數人使用鼠標的習慣上來說， 需要利用鼠標左鍵來對設備進行操作， 這就與FirstPersonController 組件上封裝的鼠標左鍵控制方向沖突。 所以為FPSController 物體添加組件MouseController，實現在每一幀監聽鍵盤上Space 按鍵是否按下，來達到切換是否禁用FPSController 物體上FirstPersonController 組件的狀態，這樣就能夠保證在對設備進行操作時，鼠標左鍵不會帶動鏡頭旋轉。

3.2 負載輸入實現

在本系統中，列車負載信息根據列車的運行時刻表來自動生成。根據列車運行時刻表，當有列車進入該牽引變電站的供電區段時，將按照列車出站啟動加速( 牽引)、中途惰行、制動停車( 再生) 的運行模式模擬列車的功率，并輸入到牽引變電站。

車站負載信息則通過xml 文檔記錄， 一個Situation 節點保存了時間，在運行的設備的id、名字、有功與無功的信息。通過Unity3D 讀取并解析文檔，將數據更新至Dictionary＜int，EquipmentInfo＞中。在系統運行過程中，可以通過獲取當前時間來進行相近時刻下的潮流計算。

在之后的研究中，將實現該系統與行車以及車站內用電設備進行聯動，通過網絡實時將車輛的信息以及車站負載的狀態變化發送給本系統。

3.3 遠控功能實現

確保設備上的控制方式開關、綜合監控系統上的控制方式均置為遙控。此時調度中心供電網絡圖上顯示與混合變電站仿真系統設備狀態一致，均為正常運 行狀態。供電網絡圖如圖9 所示，其中，紅色為閉合狀態，綠色為斷開狀態。

如圖10 所示，通過遠控斷開121 號斷路器，就能夠將混合變電站中35 kV 交流高壓開關柜中饋電給一號整流變壓器（簡稱：35 kV 整流變壓器開關柜）中的斷路器進行分閘。

圖9 供電網絡圖

圖10 1號整流變壓器退出運行

3.4 混合變電站內設備顯示

通過3.3 節介紹的遠控操作完成斷開35 kV 整流變壓器開關柜的斷路器后，仿真系統中的1 號整流機組退出運行，2 號整流機組在過負荷允許的情況下，繼續維持運行。在相對應的開關柜模型的顯示屏上，會進行相應狀態的更新，如2 號整流變壓器開關柜流出的電流為58.9 A，如圖11 所示。

4 結束語

本文使用3DMax 及Unity3D 軟件搭建了混合變電站仿真系統，通過讀入車站與車輛負載數據，經供電網絡數學模型計算后，由電氣設備三維模型輸出顯示，與電力調度系統結合，實現了對該系統遠控、站控及近控3 種控制方式。

本系統可以作為變電站檢修工的培訓系統，通過在變電站中漫游及對設備模型的操作，對變電站設備有一個直觀的認識；本系統也可以作為電力調度人員的培訓系統。在后續的研究中，將在本系統中增加更多的故障模擬，以貼合培訓人員的培訓需求。