一种计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法，包括：对城轨列车进行列车牵引计算，得到全线列车运行图；对城轨供电系统的地下部分建立三维立体模型，并对各个区段进行等效计算，得到各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导；根据全线列车运行图、各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导，建立数学解析法回流系统等效模型；根据建立的数学解析法回流系统等效模型，利用迭代法进行潮流计算，得到任意时刻下列车位置及全线动态电气参数。本发明专利技术通过将计算得到的等效阻抗和等效对地电导代回传统数学解析法，对传统数学解析法中的参数进行修正，可以提高传统数学解析法回流参数计算的精确性。流参数计算的精确性。流参数计算的精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法


[0001]本专利技术涉及杂散电流计算
，特别涉及一种计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法。

技术介绍

[0002]我国城市轨道交通大多使用走行轨兼做回流导线，用于电流回流。由于钢轨存在电阻且无法与大地完全绝缘，部分牵引电流会因此泄漏到大地，从而产生钢轨电位和杂散电流。钢轨电位增大将威胁系统及乘客的安全；而漏入地下的杂散电流会导致钢轨、地下钢筋结构和埋地金属管道产生严重的电化学腐蚀，造成巨大的经济损失。
[0003]目前针对城轨钢轨电位及杂散电流的研究方法主要有两种：数学解析法及软件仿真法。数学解析法主要将城轨系统各结构进行数学模型等效，将实际的直流牵引系统抽象为二维的电阻网络模型，从而推导解析公式进行计算。其中，回流系统一般有钢轨
‑
地、钢轨
‑
排流网
‑
地、钢轨
‑
排流网
‑
埋地金属
‑
地三种等效方式。解析法常用的模型有离散模型及连续模型，离散模型按照固定长度(如100m、200m)对回流系统进行等效，等效长度越短，等效精度越高，但计算时间也越长。然而，数学解析法在等效过程中对很多参数进行了理想化假设，且不能表现参数的细节分布特性，因此存在一定局限性。
[0004]软件仿真法通常使用的软件有Matlab/Simulink、有限元软件、CDEGS等。Simulink基于电阻网络，可自由设置电器元件，进行杂散电流分布仿真，具有离散化的特点，但与解析法相似，模型进行了很多理想化假设，与实际情况有一定差异。与Simulink不同，ANSYS、COMSOL等有限元软件还能在三维层面上建立起杂散电流仿真模型，同时可以实现多个物理场耦合情况下的杂散电流分析，现已被广泛应用到杂散电流的研究中，但是由于地铁线路模型长宽比过于悬殊，若要提高精度，必须以钢轨横截面的大小为基础进行网格划分，从而导致网格数量庞大，计算耗时长久。CDEGS被广泛用于分析电气系统接地、电流分布、电磁场等问题，在地铁杂散电流研究方面有着广泛应用。学者们利用CDEGS，针对隧道结构对杂散电流的影响、土壤电阻率对杂散电流的影响、列车位置对钢轨电位及杂散电流的影响、杂散电流对埋地金属结构的影响等问题进行了研究。相比于解析法，CDEGS软件能有效表征系统各个细节处的参数分布特征，且CDEGS计算速度比ANSYS、COMSOL等有限元软件快，但CDESG软件不能完成对回流系统的动态仿真。
[0005]综上，数学解析法、Matlab/Simulink等在系统等效过程中对很多参数进行了理想化假设，与实际系统存在一定误差，且不能表现参数的细节分布特性。
[0006]地铁线路模型长宽比过于悬殊，若要确保进度，必须以钢轨横截面的大小为基础进行网格划分，导致ANSYS、COMSOL等有限元软件网格划分数量庞大，计算耗时长久。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是提供一种计算准确性高的计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法，包括：
[0009]S1、对城轨列车进行列车牵引计算，得到全线列车运行图；
[0010]S2、对城轨供电系统的地下部分建立三维立体模型，并对各个区段进行等效计算，得到各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导；
[0011]S3、根据全线列车运行图、各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导，将牵引变电所等效为电压源及内阻，将列车等效为功率源，将牵引网等效为阻抗，在牵引变电所处将再生制动能量吸收装置(Regenerative Energy Absorbing Device，READ)等效成电阻，并以牵引变电所及列车为切面，将城轨供电系统分割为多个单元，以建立数学解析法回流系统等效模型；
[0012]S4、根据建立的数学解析法回流系统等效模型，利用迭代法进行潮流计算，得到任意时刻下列车位置及全线动态电气参数。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，对各个区段进行等效计算，得到各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导，如下：
[0014][0015]其中，I1和I2分别为该区段钢轨上电流注入点和电流流出点的电流值；U1和U2分别为该区段钢轨上电流注入点和电流流出点的电压值；z为该区段对应的等效阻抗；y为该区段对应的等效对地电导。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，步骤S4包括：将建立的数学解析法回流系统等效模型等效为统一链式电路模型，并建立统一链式电路模型的节点电压方程，利用迭代法进行潮流计算，得到任意时刻下列车位置及全线动态电气参数。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述节点电压方程为：
[0018][0019]其中，Z
n
代表切面n至切面n+1之间的线路阻抗子矩阵；U
n
、I
n
、Y
n
分别代表切面n(1≤n≤N
‑
1)处的节点电压子矩阵、注入电流子矩阵和对地电导子矩阵。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，步骤S4还包括：将Y
n
、Z
n
‑1之和定义为节点导纳矩阵G
n
，公式(3)简化表达为：
[0021]GU＝I
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]设置变量y
wn
，变电所节点y
wn
＝1
×
105S；列车节点y
wn
＝0S；牵引变电所工作状态的变化会使得节点电压发生变化，为此引入状态变量b
n
及U
bn
，其中，U
bn
为再生制动能量吸收装置运行过程的已知量，若再生制动能量吸收装置被触发，则牵引变电所处于再生制动工况，
此时设置b
n
＝1、U
bn
＝U
max
；再生制动能量吸收装置不启动时，b
n
＝0、U
bn
＝0；为保持再生制动能量吸收装置启动后节点电压不变，引入电导参数y
bn
，若牵引变电所处于牵引工况或者退出牵引工况，则设置U
bn
＝0、b
n
＝0，I
bn
代表对应状态下再生制动吸收的电流，因此，四个子矩阵分别可定义如下：
[0023][0024][0025]U
n
＝[U
dn
；U
un
；U
rn
；U
bn
]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0026]I
n
＝[I
dn
；I
un
；I
rn
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法，其特征在于，包括：S1、对城轨列车进行列车牵引计算，得到全线列车运行图；S2、对城轨供电系统的地下部分建立三维立体模型，并对各个区段进行等效计算，得到各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导；S3、根据全线列车运行图、各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导，将牵引变电所等效为电压源及内阻，将列车等效为功率源，将牵引网等效为阻抗，在牵引变电所处将再生制动能量吸收装置等效成电阻，并以牵引变电所及列车为切面，将城轨供电系统分割为多个单元，以建立数学解析法回流系统等效模型；S4、根据建立的数学解析法回流系统等效模型，利用迭代法进行潮流计算，得到任意时刻下列车位置及全线动态电气参数。2.如权利要求1所述的计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法，其特征在于，步骤S2中，对各个区段进行等效计算，得到各个区段对应的等效阻抗和等效对地电导，如下：其中，I1和I2分别为该区段钢轨上电流注入点和电流流出点的电流值；U1和U2分别为该区段钢轨上电流注入点和电流流出点的电压值；z为该区段对应的等效阻抗；y为该区段对应的等效对地电导。3.如权利要求1所述的计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法，其特征在于，步骤S4包括：将建立的数学解析法回流系统等效模型等效为统一链式电路模型，并建立统一链式电路模型的节点电压方程，利用迭代法进行潮流计算，得到任意时刻下列车位置及全线动态电气参数。4.如权利要求3所述的计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法，其特征在于，所述节点电压方程为：其中，Z
n
代表切面n至切面n+1之间的线路阻抗子矩阵；U
n
、I
n
、Y
n
分别代表切面n(1≤n≤N
‑
1)处的节点电压子矩阵、注入电流子矩阵和对地电导子矩阵。5.如权利要求4所述的计及三维地系统的杂散电流动态分布计算方法，其特征在于，步骤S4还包括：将Y
n
、Z
n
‑1之和定义为节点导纳矩阵G
n
，公式(3)简化表达为：GU＝I
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)设置变量y
wn
，变电所节点y
wn
＝1
×
105S；列车节点y
wn
＝0S；牵引变电所工作状态的变化会使得节点电压发生变化，为此引入状态变量b
n
及U
bn
，其中，U
bn
为再生制动能量吸收装置运行过程的已知量，若再生制动能量吸收装置被触发，则牵引变电所处于再生制动工况，此时
设置b
n
＝1、U
bn
＝U
max
；再生...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜贵府，何飞，刘娜，王俊，江星星，黄伟国，朱忠奎，张栋梁，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：