南京地鐵三號(hào)線列車牽引效能優(yōu)化研究

1、    南京地鐵三號(hào)線列車牽引效能優(yōu)化研究    李研摘要：結(jié)合南京地鐵三號(hào)線供電系統(tǒng)特征，建立單車能耗模型，針對(duì)地鐵列車的實(shí)際情況制定出最佳的能耗測(cè)試方案，準(zhǔn)確的獲取列車的牽引能耗、再生制動(dòng)能量，進(jìn)一步優(yōu)化單車能耗模型。關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；列車系統(tǒng)；運(yùn)行圖編制；效能優(yōu)化1 研究背景1.1城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市客運(yùn)的需求，全國各大城市的城市軌道交通發(fā)展建設(shè)如火如荼，截止2018年12月31日，中國大陸包括北京、上海、廣州等35座城市開通運(yùn)營軌道交通線路，共189條線路，總里程高達(dá)5536公里，車站3719座。預(yù)計(jì)到2020年末，中國

2、城市軌道交通運(yùn)營線路長度超過8000公里。1.2研究的方法1.2.1 結(jié)合南京地鐵三號(hào)線供電系統(tǒng)特征，建立單車能耗模型，針對(duì)地鐵列車的實(shí)際情況制定出最佳的能耗測(cè)試方案，準(zhǔn)確的獲取列車的牽引能耗、再生制動(dòng)能量，進(jìn)一步優(yōu)化單車能耗模型。1.2.2針對(duì)“基于運(yùn)行圖優(yōu)化實(shí)現(xiàn)牽引節(jié)能”進(jìn)行理論研究，建立粒子群算法優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，分析同一供電段內(nèi)兩列車或三列車的回饋能量與重疊時(shí)間的關(guān)系，找出使得回饋能量最大的最優(yōu)重疊時(shí)間，得出使得總回饋能量最大的最優(yōu)時(shí)刻表，并制定測(cè)試方案進(jìn)行實(shí)際測(cè)試與驗(yàn)證。2 具體實(shí)施2.1仿真模型驗(yàn)證2018 年 3.24-3.26，項(xiàng)目組對(duì)南京地鐵 3 號(hào)線進(jìn)行了列車運(yùn)行等級(jí)節(jié)能試驗(yàn)：

3、3.24 日晚 23：10，項(xiàng)目組進(jìn)行了兩個(gè)速度等級(jí)的下行空載測(cè)試。089090車安排在末班車后面以 ato_2 模式（各區(qū)間運(yùn)行時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間延長 5 秒）開行，23：15，091092 車安排在 089090 車后面以 ato_3 模式（各區(qū)間運(yùn)行時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間延長 10 秒）開行。3.25 日晚 23：10，項(xiàng)目組進(jìn)行了兩個(gè)速度等級(jí)的上行空載測(cè)試。089090車安排在末班車后面以 ato_2 模式（各區(qū)間運(yùn)行時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間延長 5 秒）開行，23：15，091092 車安排在 089090 車后面以 ato_3 模式（各區(qū)間運(yùn)行時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間延長 10 秒）開行。以大明路-明發(fā)廣場(chǎng)為例，

4、標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)間為2分鐘，實(shí)測(cè)牽引能耗為 10.38kw·h，tsim 仿真牽引能耗為 10.26kw·h。誤差在 1.2%左右。2.2節(jié)能運(yùn)行圖編制。根據(jù)3 號(hào)線上下行速度等級(jí)設(shè)計(jì)結(jié)果，南京南調(diào)度室編制節(jié)能運(yùn)行圖。上行調(diào)整時(shí)間為+40 秒，預(yù)期節(jié)能率 8.69%；下行調(diào)整時(shí)間為+39 秒，預(yù)期節(jié)能率 8.12%。延長時(shí)間可在首末站折返線追回，不會(huì)對(duì)原有發(fā)車間隔和運(yùn)力造成任何影響，同時(shí)，可滿足地鐵出行方式的時(shí)間要求，調(diào)整前后乘客不會(huì)有任何感知。2.3列車群控優(yōu)化方案。列車的站間運(yùn)行過程由系統(tǒng)自動(dòng)控制運(yùn)行，而其所遵循的時(shí)刻表則可以由運(yùn)營部門根據(jù)需要在安全合理的前提下利用列車自動(dòng)監(jiān)

5、護(hù)子系統(tǒng)（ats）的功能自主地進(jìn)行編排與調(diào)整，這就為列車群控優(yōu)化方案的實(shí)施提供了可行性。以現(xiàn)行使用的時(shí)刻表為基礎(chǔ)，通過對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)群控優(yōu)化方案。該優(yōu)化問題屬于多輸入（多個(gè)停站時(shí)間調(diào)整量、多個(gè)發(fā)車時(shí)刻調(diào)整量）問題，輸入數(shù)據(jù)因子較多，而且使用于一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，仍采用遺傳智能算法為工具對(duì)該復(fù)雜問題進(jìn)行處理。3 成果應(yīng)用效果分析3.1節(jié)能驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析3.1.1單車節(jié)能效果分析。對(duì)節(jié)能圖使用前后單車能耗情況進(jìn)行分析，選取列車平峰時(shí)段運(yùn)行曲線進(jìn)行對(duì)比。其中，原圖和節(jié)能圖均為始發(fā)列車。原圖上行實(shí)際行駛時(shí)間為 3331s，下行實(shí)際行駛時(shí)間為 3301s，牽引能耗為 244.1kw·h，節(jié)

6、能圖上行實(shí)際行駛時(shí)間為 3364s，比原圖延長 33s，牽引能耗為 229.8kw·h，節(jié)能驗(yàn)證選用的上行速度等級(jí)曲線實(shí)測(cè)節(jié)能率為6.81%。3.1.2節(jié)能驗(yàn)證電耗統(tǒng)計(jì)。根據(jù)南京地鐵能管系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，對(duì)節(jié)能驗(yàn)證期間每日 6：00-20：00 的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算，結(jié)果顯示南京地鐵 3 號(hào)線車公里能耗在 6.7kw·h/車·公里，低于全國平均水平，體現(xiàn)了南京地鐵領(lǐng)先的運(yùn)營管理水平。4 成果創(chuàng)新點(diǎn)4.1完成了南京地鐵 3 號(hào)線能耗測(cè)試4.1.1設(shè)計(jì)了南京地鐵 3 號(hào)線在線列車能耗測(cè)試方案及變電站輸出電量測(cè)試方案。4.1.2對(duì)南京地鐵 3 號(hào)線列車區(qū)間運(yùn)行牽

7、引能耗、回饋能量進(jìn)行了系統(tǒng)、詳細(xì)的測(cè)試、分析和計(jì)算，為南京地鐵 3 號(hào)線等級(jí)節(jié)能研究奠定了基礎(chǔ)。4.2建立南京地鐵 3 號(hào)線系統(tǒng)仿真模型4.2.1對(duì)地鐵的實(shí)際車輛和供電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的電氣和能耗數(shù)據(jù)分析，采用電氣牽引瞬態(tài)仿真、供電仿真及地鐵運(yùn)營仿真相結(jié)合的建模方法，建立完整的地鐵系統(tǒng)仿真理論模型。4.2.2設(shè)計(jì)并建立了帶有列車牽引功率、電壓以及饋能綜合限幅的車輛牽引系統(tǒng)模型。4.2.3建立了車輛、線路、變電所、接地網(wǎng)、接觸網(wǎng)、軌道、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)等地鐵系統(tǒng)組成要素的統(tǒng)一模型。4.2.4通過地鐵系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真系統(tǒng)的對(duì)比校驗(yàn)，仿真與實(shí)際綜合誤差在 5%以內(nèi)。4.3地鐵速度等級(jí)優(yōu)化設(shè)

8、計(jì)與節(jié)能效果分析4.3.1對(duì)列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、上下行運(yùn)行時(shí)間、發(fā)車間隔、停站時(shí)間、折返時(shí)間、全天運(yùn)營時(shí)間、在線運(yùn)營車輛數(shù)量、高低平峰時(shí)段、列車追蹤間隔以及維保時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立完整的列車運(yùn)行等級(jí)分析模型，選定 8 條速度曲線；4.3.2編制節(jié)能時(shí)刻表，進(jìn)行至少為期一周的全天載客測(cè)試，形成節(jié)能測(cè)試分析報(bào)告。4.4提出簡單、方便、有效的軌道交通牽引節(jié)能方案4.4.1建立瞬態(tài)電氣仿真模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的地鐵全線路多車運(yùn)行系統(tǒng)的精確仿真模型，以及模型修正和簡化方法。4.4.2提出基于運(yùn)行圖調(diào)整的等級(jí)節(jié)能優(yōu)化方案，研究快速尋優(yōu)方法和實(shí)時(shí)多機(jī)并行計(jì)算自動(dòng)優(yōu)化調(diào)度支持技術(shù)。5 改進(jìn)建議5.1針對(duì)于列車延誤或調(diào)整對(duì)線路其他車輛的影響，需要進(jìn)一步研究具有一定自適應(yīng)功能的運(yùn)行圖快速優(yōu)化方法，提高系統(tǒng)魯棒性。5.2針對(duì)既有線路，需要研究對(duì)現(xiàn)行運(yùn)行時(shí)間調(diào)整最小速度等級(jí)的節(jié)能效果。在保證列車運(yùn)行安全的前提下，優(yōu)化時(shí)間調(diào)整幅度，進(jìn)一步提高列車再生制動(dòng)能量吸收效率。5.3研究等級(jí)節(jié)能優(yōu)化方法與運(yùn)營優(yōu)化、atc 優(yōu)化、節(jié)能坡、有源回饋、超級(jí)電容吸收等其他節(jié)能方法的融合，因此，需要在已有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化算法。5.4未來，南京市域軌道交通將達(dá)到 22 條線路，因此需要研究網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下，等級(jí)節(jié)能時(shí)刻表網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)化運(yùn)行的方法。參考文