Industrial frequency single-phase AC traction power supply system for urban rail transit and its key technologies

To avoid stray current and maintain the benefit of no phase-split in the DC traction power supply system, an AC traction power supply system was proposed for the urban public transport such as metro and light rail transit. The proposed system consists of a main substation （MSS） and cable traction network （CTN）. The MSS includes a single-phase main traction transformer and a negative-se- quence compensation device, while the CTN includes double-core cables, traction transformers, overhead catenary system, rails, etc. Several key techniques for the proposed system were put forward and discussed, which can be summarized as （1） the power supply principle, equivalent circuit and transmission ability of the CTN, the cable-catenary matching technique, and the selection of catenary voltage level; （2） the segmentation technology and status identification method for traction power supply network, distributed and centralized protection schemes, etc.; （3） a power supply scheme for single-line MSS and a power supply scheme of MSS shared by two or more lines. The proposed industrial frequency single-phase AC traction power supply system shows an excellent technical performance, good economy, and high reliability, hence provides a new alternative for metro and urban rail transit power supply systems.

DC Traction Power Supply System Based on Modular Multilevel Converter Suitable for Energy Feeding and De-icing

A novel DC traction power supply system suitable for energy feeding and de-icing is proposed in this paper for an urban rail transit catenary on the basis of the full bridge submodule (FBSM) modular multilevel converter (MMC). The FBSM-MMC is a novel type of voltage source converter (VSC) and can directly control the output DC voltage and conduct bipolar currents, thus flexibly controlling the power flow of the urban rail transit catenary. The proposed topology can overcome the inherent disadvantages of the output voltage drop in the diode rectifier units, increase the power supply distance and reduce the number of traction substations. The flexible DC technology can coordinate multiple FBSM-MMCs in a wide area and jointly complete the bidirectional control of catenary power flow during the operation of the electric locomotive, so as to realize the local consumption and optimal utilization of the recovered braking energy of the train. In addition, the FBSM-MMCs can also adjust the output current when the locomotive is out of service to prevent the catenary from icing in winter. The working modes of the proposed topology are illustrated in detail and the control strategy is specially designed for normal locomotive operations and catenary de-icing. Simulation cases conducted by PSCAD/EMTDC validate the proposed topology and its control strategy.

双向变流器在城市轨道交通供电系统中的应用

[目的]为了解决城市轨道交通供电系统存在的再生能量利用和网压波动大的问题,提出一种基于双向变流供电技术的牵引系统供电方案。[方法]介绍了双向变流器的主电路拓扑及其运行逻辑;提出了独立供电和混合供电两种模式下的双向变流器控制特性,并设计了恒压和下垂相结合的外特性曲线;以徐州地铁2号线为例,进行了车辆段试车线单列车AW0(空载)牵引及制动工况下的独立供电和混合供电试验,以及正线12列车正常运行工况下的独立供电和混合供电试验,测试了列车运行性能指标和双向变流器性能指标。[结果及结论]双向变流器可根据线路上的列车运行工况,自动、平滑地切换整流及逆变运行模式,与列车的牵引及制动工况自动适应。采用双向变流供电能够显著改善列车网压的波动,避免网压低于1500 V的工况,改善了列车的牵引运行特性。

基于钢轨电位时空关联的钢轨对地绝缘缺陷诊断方法

[目的]以钢轨电位为监测对象的各监测点数据间在时空上存在关联,钢轨对钢筋结构电阻变化后的直接表现形式为钢轨电位的变化。应基于钢轨电位时空关联的特点,对钢轨对地绝缘状态监测及缺陷诊断的方法进行深入研究。[方法]阐述了以钢轨电位为监测对象的杂散电流监测系统。对绝缘缺陷下的钢轨电位数据特征进行了分析,建立了数据的特征矩阵。基于闵可夫斯基距离的异常检测原理,阐述了钢轨对地绝缘异常区段的检测步骤,以及绝缘缺陷定位的检测步骤,提出了基于钢轨电位时空关联的钢轨绝缘缺陷诊断方法。以青岛某城市轨道交通工程为案例进行建模仿真,用以评估所提方法的有效性及准确性。[结果及结论]该方法能对钢轨绝缘状态进行有效监测,可准确定位绝缘缺陷位置。

基于健康指数的直流断路器状态评估模型

[目的]直流断路器是地铁牵引供电系统的关键设备。为了通过采取合理的维保策略提高牵引供电系统可靠性,需准确评估直流断路器健康状态。[方法]采用健康指数表征设备整体健康状态,构建设备健康状态的综合评估模型。基于设备特征参数变化反映设备健康状态,合理选择评估指标建立设备运行状态多指标评估体系;结合层次法和熵权法改进各分项指标权重的计算方式,使得设备健康状态评估模型的建立更加合理;依据该评估模型计算设备健康指数,并建立基于历史健康数据的使用寿命模型来拟合设备健康指数的变化趋势,评估设备未来健康状态与预测设备剩余使用寿命;以某牵引变电站实际数据为例,对所提评估模型进行验证。[结果及结论]实例分析结果表明:该直流断路器状态评估模型具有一定的有效性与合理性,能够科学地对直流断路器健康状态与剩余使用寿命进行判断与预测。

直线电机在温哥华Skytrain系统中的应用及发展

论述了温哥华Skytrain系统直线电机的技术特性、结构及主要技术参数,简述了直线电 机车辆在世界上的应用情况,并展望了其在我国的应用前景。

城市轨道交通车体垂向振动对弓网受流性能的影响

[目的]既有对接触网系统动力学仿真的研究大多基于受电弓底座仅有纵向自由度的假设,忽略了轮轨激励引起的车体垂向振动对弓网受流性能的影响,需要将车辆-受电弓-接触网(以下简称“车-弓-网”)作为一个整体予以研究。[方法]分别建立了刚性接触网、柔性接触网两种接触网类型下的弓网耦合动力学模型及车-弓-网多体动力学模型。在案例线路上进行了弓网动态受流试验,对所建的刚性接触网车-弓-网多体动力学模型的计算结果进行了可行性验证。基于列车运行速度为80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h及120 km/h五种速度工况,选取了其中两种速度工况对刚性接触网受电弓绝缘子底座处的垂向动态响应进行了分析,并在五种速度工况下分别对两种接触网类型下弓网模型、车-弓-网模型的各动态响应参数进行了对比分析。[结果及结论]所建车-弓-网多体动力学模型的模拟计算结果是合理的。车体振动会对弓网受流性能产生一定影响:柔性接触网下车体垂向振动对弓网受流性能影响很小,可不予考虑;刚性接触网下,与未考虑车体垂向振动的弓网模型相比,考虑了车体垂向振动的车-弓-网模型计算得到的弓网接触压力统计最小值、弓头最大抬升位移均随列车运行速度的增加而增加,弓网接触压力统计最小值变化率的最大值为24.7%,弓头最大抬升位移变化率的最大值为4.2%。

上海轨道交通9号线运能增加对牵引供电质量影响研究

[目的]结合上海轨道交通9号线增能改造项目,寻找简易运能估算方法,研究运能增加对供电质量的影响。[方法]电压是电能质量指标之一,查阅相关文献发现,牵引网最大电压损失、牵引网平均电压损失与牵引变电站站间距及区间列车数量(运营能力)呈正相关性。从文献中收集相关电气参数、设备数量及相应单价,并总结得到区间开行列车数量估算公式。为进一步比较设计方提出的供电系统改造方案,从技术和资金两方面进行分析。在技术方面,建立了三站两区间电力计算等效模型,结合数据及公式进行分析比较;在资金方面,基于技术方面数据对工程金额进行估算。最终进行方案比选。[结果及结论]运能增加对电能质量的影响是电压降低,基于数据分析得出,牵引网最大电压损失更能直观反映牵引变电站站间距和运能的关系。增加泗泾牵引变电站的改造方案能够同时满足技术和资金两方面需求。基于模型和公式,可以估算线路的运能上限以及牵引供电系统非正常工况下区间开行列车数量。

基于物联感知的城轨设备智能采集与监控优化

针对泛在物联网中城市轨道交通大规模机电设备的信息采集和展示低效以及性能瓶颈问题,提出一种感知设备的大数据采集和智能化处理方法。通过数据点自辨识、自适应、递阶连接,实现设备状态捕获的批处理。设计图元图像识别智能算法自动生成监控画面。对实时采集数据的逻辑运算和语义模型转换,拟合多组数据综合反映关联系统状态,定义分级分类报警策略,实现数据驱动的智能监控。经验证,接口标准化大幅加速批量设备的接入,优化算法改进图纸识别率达90%,连接对象并准确显示的可用性达85%以上,明显提高监控效率和正确率。

上海轨道交通4号线张杨路主变电所10kV分段开关综合保护装置功能完善方案

[目的]城市轨道交通广泛采用集中式供电模式,备用电源自动投入功能保障了供电的连续性。在10 kV分段备用电源自动投入成功后,该分段继电保护装置会开启相应的保护功能——自切后加速保护和过电流与零序过电流保护。当满足保护条件,分段开关直接跳闸,断开故障区段,避免故障范围扩大。但试验发现,上海轨道交通4号线张杨路主变电所10 kV分段综合保护装置SEL351缺失上述两项保护功能,因此需针对性研究功能完善方案。[方法]介绍了张杨路主变电所10 kV供电备用电源自动投入逻辑和SEL351保护功能,分析了非正常运行方式下存在的问题,提出了修改SEL351原有内部程序、新增电气回路的功能完善方案。[结果及结论]功能完善后,上海轨道交通4号线张杨路主变电所10 kV分段综合保护装置SEL351具有自切后加速保护和过电流与零序过电流保护功能,能够保障供电安全。

基于供电能力的行车动态卡控方法

[目的]在城市轨道交通线路中,牵引供电设施支持列车运行的数量具有上限。当前续列车故障或者繁忙线路列车追踪密度过高时,可能导致供电臂负荷电流过大而引起电力开关跳闸,从而严重影响运营。传统的ATS(列车自动监控)系统无法智能化掌握供电系统的实时运行情况,需研究供电能力和行车的关系以实现行车动态卡控。[方法]基于供电臂供电能力分析以及列车运行曲线,提出一种行车动态卡控方法。通过对信号、供电、车辆和轨道等多专业数据进行融合分析,并结合大数据电流曲线预测模型,实现对供电负载能力的动态监测与预测。将预测的电流曲线与列车ATO(列车自动运行)运行曲线有机结合,实时调整进入当前供电臂运行的列车数,实现动态卡控列车运行。该方法在深圳地铁16号线上进行了实例验证。[结果及结论]基于供电能力的行车卡控方法通过预测列车所需取流动态调整列车运行,可有效避免因行车导致过负荷引起的供电系统跳闸故障,在保证运营效率的同时,提高了线路运营的安全性。

城市轨道交通牵引供电系统直流快速断路器开断及灭弧分析

[目的]直流灭弧技术是城市轨道交通牵引供电系统的设计难点之一,因此有必要对主要直流快速断路器的直流开断及灭弧原理进行分析。[方法]介绍了直流电流开断及电弧熄灭原理;介绍了直流电流的稳定燃烧点及熄灭条件;分析了直流电弧的开断参数,介绍了直流快速断路器的灭弧设计原理;分析了地铁供电系统直流快速断路器易烧损的原因。[结果及结论]要开断直流电弧,需产生一个高于电源电压的电弧电压,即加大电弧电压能够熄灭直流电弧;直流快速断路器的开断过程要综合考虑燃弧时间和系统过电压因素;在直流断路器设计研发时,需重点关注非稳定弧电压和小电流开断弧电压;在电弧熄灭时,设置一个额外的RC(电阻电容电路)吹弧线圈,同时结合灭弧室金属格栅设计,可以稳定燃弧电压。

城轨直流牵引供电多回流路径耦合建模及回流安全参数动态分布

当前,城轨直流牵引供电系统回流安全已成为影响线路安全运行的关键问题之一。为研究多回流路径耦合对回流安全参数及周边关键金属工程的影响,该文提出多回流路径耦合情况下直流牵引供电系统动态仿真模型,构建多回流路径耦合矩阵,建立多回流路径耦合情况下多区间回流安全参数动态分布计算方法,实现回流安全参数动态分布规律分析。基于实际线路参数,分析了不同类型多回流路径耦合时钢轨电位和杂散电流分布规律。研究结果表明,该文所提出的方法可有效模拟多回流路径耦合情况下回流安全参数动态分布及对周边关键金属工程的影响;针对走行轨回流不畅及多回流路径耦合,分别提出并联电缆及单向导通控制的治理方法,并基于该文所建立的模型进行仿真分析,验证了其有效性。

城市轨道交通同相储能供电系统的节能运行优化策略

[目的]针对广州地铁18号线采用的组合式同相供电装置,为了解决同相牵引供电系统中存在的再生制动能量利用率低的问题,需对同相储能供电系统的节能运行优化策略进行研究。[方法]以牵引变电所的日电费成本最低为目标,平衡节点功率,以供电装置与储能装置运行特征为约束,建立了同相储能供电系统节能优化模型。以广州地铁18号线某牵引变电所负荷过程实测数据为依据,对城市轨道交通牵引负荷过程进行分析,利用CPLEX商业规划求解器对该模型求解,最终获得同相储能系统最优能量管理方案。[结果及结论]超级电容接入组合式同相供电装置直流环节的储能供电系统,通过超级电容对牵引负荷的削峰填谷作用,能提高牵引供电系统再生制动能量利用率,减小城市轨道交通运营商的电费成本。试验结果表明,相比传统的同相供电系统,采用接入超级电容的同相储能供电系统可使得再生制动能量利用率达到92.88%,使日电费成本降低9.65%,节能效果显著。

轨道交通柔性交流牵引供电系统无源一致性稳定控制方法

针对以双向变流器为核心的轨道交通柔性交流牵引供电系多变量、强耦合、非线性特性,在dq坐标下建立双线性系统模型,满足状态变量与控制变量同步线性变换,设计形式简单的无源性控制律,将相邻双向变流器一致性误差嵌入无源性控制器输出量,实现变流器直流侧电压与dq轴电流期望轨迹同步快速跟踪,达成多变流器协同控制目标。基于MATLAB的仿真结果验证所提方法在列车负荷功率需求变化、控制器参数摄动情形下能实现多变流器功率精确分配,相比传统下垂PI控制,所提方法具有动态响应快、同步性好、稳定性高的特点。

城轨车辆直流辅助供电变频空调综合电源与控制方案研究

现有城轨车辆的辅助供电以工频交流系统为主,其输出的AC380V交流电为变频空调等设备供电,且空调电气控制未与辅助电源设备统一考虑、协同设计,造成系统电源重复变换,供电效率不高。文章在分析现有辅助供电技术和变频空调电气控制技术的基础上,采用近年逐步展开研究的中高频变流技术、变频空调综合电源与控制技术,提出一种采用直流架构的辅助供电系统及变频空调的综合电源与控制方案,首先详细阐述2种系统架构设计思路、综合电源装置的电气组成和控制方案,其次分析其在提高供电效率、减少部件数量、增强空调协同控制、提高乘车环境舒适性等方面的优势,同时指出方案的技术难点,最后对所述方案的技术和功能提升进行展望。

接触网智能监测系统在城市轨道交通供电系统运维中的应用研究

研究了接触网智能监测系统在城市轨道交通供电系统运维中所使用的关键技术,分析了无线通信技术、数据处理与分析技术、故障诊断与预测技术等的应用优势及使用范围,并以供电系统运维实践为例,探讨了接触网智能监测系统的应用方法,总结出使用接触网智能监测系统进行能源管理优化、系统安全监控及故障预警诊断的策略方案,为供电系统运维带来了新的可能性。

城市轨道交通线网供电智能运维系统研究与应用

随着全国城市轨道交通总里程的增加,传统的供电运维模式无法满足智慧城轨建设需要。线网级供电智能运维系统基于三层架构体系,实现运行监测、健康管理、业务管控、作业辅助、应急管理、人员培训等功能,促进城轨供电运维的降本增效,提升运营安全水平。

Coupling real-time simulation of power supply,trains and dispatching for urban rail transit

In order to study the interaction among the traction power supply,the train group and the operation dispatching of urban rail transit,a coupling simulation system of power supply system,trains and dispatching management is constructed.In order to solve the problems of different timescales and difficult cooperation operation for related subsystems,a multi-bus distributed real-time network architecture based on hierarchical management of communication data is established,and simulation management software is developed to facilitate the free expansion of the simulation system.Meanwhile,the track line,train operation and other large timescale subsystems are realized by the pure digital simulation.And the time-sensitive subsystems,such as train traction system,braking system,auxiliary power supply system and network system etc.,are built by the semi-physical simulation.In this article,the system structure and the main implementation principle of each simulation subsystem are given in detail,and the system is tested and verified at the end.The results show that the simulation system can meet the expected requirements.

Research on Planning & Evaluation for Track Traffic Under China's Sustainable Development Strategy

The author advances some basic problems of planning & evaluating for track traffic in the process of putting sustainable development strategy in practice and stresses the study of planning and evaluating method system for track traffic and environment strategy. Summaries and main creative points presented in the thesis are as follows: ①The changes of track traffic planning objects caused by the concept of sustainable development are analyzed; ②The theory & method of track traffic planning optimal decision is set up ; ③Environment impact assessment for track traffic planning is advanced; ⑤ Urban mass transit network planning is studied; ④Planning of intercity rail system——the alignment optimization of dedicated passenger line and high speed railway line is studied ; ⑥ An overall evaluation index system for sustainable development of track traffic planning is established; ⑦ The track traffic building capacity for sustainable development is studied. Further more, the effect of the method and models with empirical studies is verified. The corresponding application software is realized to provide information service and decision making support to track traffic planning for putting theory into practice.