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【摘 要】針对城市轨道交通供电系统仿真，分别介绍了仿真分析的步骤和三种牵引供电计算方法，并对市场上主要的仿真分析软件进行了对比分析，其中基于运行图法的交直流统一仿真系统将是重要发展方向，可供需要进行城市轨道交通供电系统仿真分析的机构参考。
【关键词】城市轨道交通；供电系统；仿真
1.引言
城市轨道交通供电系统一般由外部电源、主变电所（或电源开闭所）、中压环网、牵引供电系统、动力照明供电系统、杂散电流防护系统和电力监控系统组成。针对城市轨道交通供电系统仿真分析，目前国内外均有成熟的计算理论和应用软件。本文介绍了城市轨道交通供电系统仿真计算的方法和常用软件，并对各软件的市场应用进行了分析。
2.仿真分析步骤
（1）基础数据获取
基础数据包含如下各种数据[1]：
线路数据：线路长度、车站数量、站间距、坡度、曲线、曲线半径等；
机车数据：启动曲线、制动曲线、速度曲线、时间曲线等；
行车数据：发车对数、编组、负载、运行交路、时间等；
供电系统数据：主所进线短路容量、牵引网额定电压、空载电压、接触网和走行轨单位阻抗等。
（2）牵引计算
牵引计算主要是对列车运行过程进行模拟，计算出不同工况下系统所需要的电能和参数。它是整个设计过程的重点及难点，计算所需基础数据较多、计算方式极其复杂、误差对最后结果影响较大。
（3）供电计算
供电计算是根据牵引计算结果，计算各种工况下系统的电流、电压、容量等，从而作为交流、直流供电系统的设计提供依据。交流系统供电计算已经十分成熟，而直流系统供电计算的发展也趋于完善。现在越来越多的软件将牵引计算和供电计算集成在一起，包括列车运行和牵引供电模型在内的综合仿真软件是发展的趋势。
根据上述计算的结果，可以再进行短路及保护整定计算和设备参数选型，从而完成供电系统的设计。最后根据现场试验反馈，可对计算结果进行确认和核对，必要的时候再做出调整。
3.牵引计算方法
牵引供电计算的基本方法主要有三种[2]：
（1）平均运量法：该方法根据系统中各种电气参数的平均值和有效值进行计算。这种方法广泛的应用于供电臂平均电流、有效电流、平均电压损失和电能损失的计算。它能比较准确的计算出系统的平均负荷，但在计算瞬时值和极值时，结果误差较大、实时性也比较差。
（2）概率统计法：该方法建立在概率论的基础上，利用统计学的原理研究牵引负荷的规律性。城市轨道交通的牵引负荷，就某一时刻某一具体的列车而言，其可能处于取流、惰性或静止的情况，其状态是一个随机变量。但对于全线几十辆列车而言，它们不可能都处于相同的一种状态。概率统计法可以考虑各种复杂情况和各种随机因素，输出信息丰富而全面，获得了较为普遍的应用。
（3）列车运行图法：该方法利用列车运行图和由牵引计算得到的列车电流、功率变化曲线，根据某个时间线路上所有列车的工况建立数学模型，从而确定供电区段内的电气参数和负荷变化规律。该方法能最直接地描述牵引负荷的变化特征，特别是瞬时特征，结果最接近真实情况，但这种方法也最为复杂，随着计算机的不断发展和运用，利用运行图进行牵引供电计算无论从原理还是从今后发展方向考虑，都将得到广泛的应用。
4.仿真分析软件
针对城市轨道交通供电系统仿真分析的软件，绝大多数软件是将交流与直流分开进行。其中交流系统发展成熟，应用软件较多，较著名的有西门子公司的NETOMAC软件。比较成熟的直流牵引供电系统仿真分析软件有德国ELBAS公司的SINANET、德国IFB公司OpenPowerNet、美国Carnegie-Mellon大学的EMM；国内的一些设计院和科研所也自行研发了各自的仿真分析设计软件，此外，部分软件可以做到交直流系统统一仿真计算。其中在国内应用最多的商用软件是SINANET、OpenPowerNet和DCTPS。
（1）SINANET
德国ELBAS公司的牵引供电仿真系统主要包括WEBANET和SINANET，其中WEBANET针对交流牵引供电系统开发。SINANET可以对直流牵引供电系统进行真实有效的动态模拟仿真，其主要功能有：列车的运行仿真和牵引供电设施运行的动态仿真；牵引变电所运营时牵引负荷功率的动态需求；列车运行时受电弓上工作电压的动态分布；牵引供电网络中各电气参数的动态仿真。
（2）OpenPowerNet
OpenPowerNet软件是由德国IFB公司开发的用于轨道交通电气化系统仿真软件，该软件和瑞士Opentrack铁路科技公司网络化轨道交通软件Opentrack构成了轨道交通高密度运营及电气化仿真一体化解决方案。其中Opentrack负责高密度运输网络化运营仿真，包括基础设施、车辆动力学及牵引计算、信号控制以及时刻表设计与模拟分析，OpenPowernet负责在该运营规划和条件下开展网络化牵引供电仿真计算与分析。其在供电系统仿真分析方面的主要功能有[3]：列车牵引分析、列车供电和电流曲线、列车受电弓电压、电气设备的供电和电流特性、接触线电压特性、短路电流等级、接触电压评估的轨对地电位、接触网系统的电流分配、预计的沿线电磁磁场、列车和馈电段的电力和能耗等。OpenPowerNet在国内设计研究院有一定的应用，其软件功能和仿真计算结果不如SINANET准备，且不能进行交流系统仿真，但价格低于SINANET。
（3）DCTPS
西南交通大学研究开发了“城市轨道交通牵引供电仿真分析软件DCTPS”，包含三个模块：改进的列车运行模拟系统，在该系统中主要完成多质点列车运行仿真器的建立；多导体直流牵引供电仿真模块，在该模块中主要进行直流牵引系统稳态短路计算和列车视为电流源或功率源的直流牵引供电仿真；城轨交直流统一的牵引供电仿真系统，在该模块中主要进行交直流统一的牵引供电计算和基于蒙特卡洛模拟的城轨概率潮流。该套软件目前在广州地铁设计研究院、中铁五院参与的部分项目中已有应用。该软件主要特点是用户界面友好、能进行交直流统一仿真，其结果的收敛特性较交直流分开仿真更好[4]。同时该软件可以根据用户需要进行部分功能的定制，相对国外软件价格也更便宜，更适合国内地铁工程的行情。
（4）总结
综上所述，SINANET功能强大，计算结果准确，已成为多家设计院牵引计算的首选。DCTPS可定制程度高，界面友好，能够进行交直流统一仿真，且价格较低，应用也越来越广泛。OpenPowerNet在与Opentrack配合使用的情况下，也可以作为轨道交通牵引供电系统仿真软件的较好选择。
5.结语
由于城市轨道交通供电系统中牵引网一般采用直流系统，所以其仿真分析相比传统电力系统的仿真具有一定的特殊性。随着计算理论和计算机技术的发展，基于运行图法的交直流统一仿真系统将会是一个重要的发展方向。
参考文献：
[1]于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 成都： 西南交通大学出版社，2008.381
[2]万庆祝，陈建业，王赞基.电气化铁道系统计算机仿真的研究进展[J]. 机车电传动，2006，（03）.
[3]Institut für Bahntechnik GmbH Branch Office Dresden. OpenPowerNet User Manual [Z].2012.
[4]刘炜， 李群湛， 陈民武. 城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算[J]. 电力系统保护与控制， 2010， 38（8）： 128-133
【关键词】城市轨道交通；供电系统；仿真
1.引言
城市轨道交通供电系统一般由外部电源、主变电所（或电源开闭所）、中压环网、牵引供电系统、动力照明供电系统、杂散电流防护系统和电力监控系统组成。针对城市轨道交通供电系统仿真分析，目前国内外均有成熟的计算理论和应用软件。本文介绍了城市轨道交通供电系统仿真计算的方法和常用软件，并对各软件的市场应用进行了分析。
2.仿真分析步骤
（1）基础数据获取
基础数据包含如下各种数据[1]：
线路数据：线路长度、车站数量、站间距、坡度、曲线、曲线半径等；
机车数据：启动曲线、制动曲线、速度曲线、时间曲线等；
行车数据：发车对数、编组、负载、运行交路、时间等；
供电系统数据：主所进线短路容量、牵引网额定电压、空载电压、接触网和走行轨单位阻抗等。
（2）牵引计算
牵引计算主要是对列车运行过程进行模拟，计算出不同工况下系统所需要的电能和参数。它是整个设计过程的重点及难点，计算所需基础数据较多、计算方式极其复杂、误差对最后结果影响较大。
（3）供电计算
供电计算是根据牵引计算结果，计算各种工况下系统的电流、电压、容量等，从而作为交流、直流供电系统的设计提供依据。交流系统供电计算已经十分成熟，而直流系统供电计算的发展也趋于完善。现在越来越多的软件将牵引计算和供电计算集成在一起，包括列车运行和牵引供电模型在内的综合仿真软件是发展的趋势。
根据上述计算的结果，可以再进行短路及保护整定计算和设备参数选型，从而完成供电系统的设计。最后根据现场试验反馈，可对计算结果进行确认和核对，必要的时候再做出调整。
3.牵引计算方法
牵引供电计算的基本方法主要有三种[2]：
（1）平均运量法：该方法根据系统中各种电气参数的平均值和有效值进行计算。这种方法广泛的应用于供电臂平均电流、有效电流、平均电压损失和电能损失的计算。它能比较准确的计算出系统的平均负荷，但在计算瞬时值和极值时，结果误差较大、实时性也比较差。
（2）概率统计法：该方法建立在概率论的基础上，利用统计学的原理研究牵引负荷的规律性。城市轨道交通的牵引负荷，就某一时刻某一具体的列车而言，其可能处于取流、惰性或静止的情况，其状态是一个随机变量。但对于全线几十辆列车而言，它们不可能都处于相同的一种状态。概率统计法可以考虑各种复杂情况和各种随机因素，输出信息丰富而全面，获得了较为普遍的应用。
（3）列车运行图法：该方法利用列车运行图和由牵引计算得到的列车电流、功率变化曲线，根据某个时间线路上所有列车的工况建立数学模型，从而确定供电区段内的电气参数和负荷变化规律。该方法能最直接地描述牵引负荷的变化特征，特别是瞬时特征，结果最接近真实情况，但这种方法也最为复杂，随着计算机的不断发展和运用，利用运行图进行牵引供电计算无论从原理还是从今后发展方向考虑，都将得到广泛的应用。
4.仿真分析软件
针对城市轨道交通供电系统仿真分析的软件，绝大多数软件是将交流与直流分开进行。其中交流系统发展成熟，应用软件较多，较著名的有西门子公司的NETOMAC软件。比较成熟的直流牵引供电系统仿真分析软件有德国ELBAS公司的SINANET、德国IFB公司OpenPowerNet、美国Carnegie-Mellon大学的EMM；国内的一些设计院和科研所也自行研发了各自的仿真分析设计软件，此外，部分软件可以做到交直流系统统一仿真计算。其中在国内应用最多的商用软件是SINANET、OpenPowerNet和DCTPS。
（1）SINANET
德国ELBAS公司的牵引供电仿真系统主要包括WEBANET和SINANET，其中WEBANET针对交流牵引供电系统开发。SINANET可以对直流牵引供电系统进行真实有效的动态模拟仿真，其主要功能有：列车的运行仿真和牵引供电设施运行的动态仿真；牵引变电所运营时牵引负荷功率的动态需求；列车运行时受电弓上工作电压的动态分布；牵引供电网络中各电气参数的动态仿真。
（2）OpenPowerNet
OpenPowerNet软件是由德国IFB公司开发的用于轨道交通电气化系统仿真软件，该软件和瑞士Opentrack铁路科技公司网络化轨道交通软件Opentrack构成了轨道交通高密度运营及电气化仿真一体化解决方案。其中Opentrack负责高密度运输网络化运营仿真，包括基础设施、车辆动力学及牵引计算、信号控制以及时刻表设计与模拟分析，OpenPowernet负责在该运营规划和条件下开展网络化牵引供电仿真计算与分析。其在供电系统仿真分析方面的主要功能有[3]：列车牵引分析、列车供电和电流曲线、列车受电弓电压、电气设备的供电和电流特性、接触线电压特性、短路电流等级、接触电压评估的轨对地电位、接触网系统的电流分配、预计的沿线电磁磁场、列车和馈电段的电力和能耗等。OpenPowerNet在国内设计研究院有一定的应用，其软件功能和仿真计算结果不如SINANET准备，且不能进行交流系统仿真，但价格低于SINANET。
（3）DCTPS
西南交通大学研究开发了“城市轨道交通牵引供电仿真分析软件DCTPS”，包含三个模块：改进的列车运行模拟系统，在该系统中主要完成多质点列车运行仿真器的建立；多导体直流牵引供电仿真模块，在该模块中主要进行直流牵引系统稳态短路计算和列车视为电流源或功率源的直流牵引供电仿真；城轨交直流统一的牵引供电仿真系统，在该模块中主要进行交直流统一的牵引供电计算和基于蒙特卡洛模拟的城轨概率潮流。该套软件目前在广州地铁设计研究院、中铁五院参与的部分项目中已有应用。该软件主要特点是用户界面友好、能进行交直流统一仿真，其结果的收敛特性较交直流分开仿真更好[4]。同时该软件可以根据用户需要进行部分功能的定制，相对国外软件价格也更便宜，更适合国内地铁工程的行情。
（4）总结
综上所述，SINANET功能强大，计算结果准确，已成为多家设计院牵引计算的首选。DCTPS可定制程度高，界面友好，能够进行交直流统一仿真，且价格较低，应用也越来越广泛。OpenPowerNet在与Opentrack配合使用的情况下，也可以作为轨道交通牵引供电系统仿真软件的较好选择。
5.结语
由于城市轨道交通供电系统中牵引网一般采用直流系统，所以其仿真分析相比传统电力系统的仿真具有一定的特殊性。随着计算理论和计算机技术的发展，基于运行图法的交直流统一仿真系统将会是一个重要的发展方向。
参考文献：
[1]于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 成都： 西南交通大学出版社，2008.381
[2]万庆祝，陈建业，王赞基.电气化铁道系统计算机仿真的研究进展[J]. 机车电传动，2006，（03）.
[3]Institut für Bahntechnik GmbH Branch Office Dresden. OpenPowerNet User Manual [Z].2012.
[4]刘炜， 李群湛， 陈民武. 城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算[J]. 电力系统保护与控制， 2010， 38（8）： 128-133