技术领域
[0001] 本
发明属于城轨列车
能量管理优化技术，特别是一种间歇式供电的城轨列车能耗优化方法。
背景技术
[0002] 城市电车作为一种零排放、无污染的绿色交通工具，无论是在环保、舒适度还是运量方面，都可作为地
铁的有效补充，正越来越多地受到人们的关注。城轨列车具有较大的节能和环保方面的优势，但是能量利用的高度集中及能量利用率的低下的现状仍不可忽视。
[0003] 城市轨道交通列车的能耗成本给城市发展带来巨大的压
力。因此，分析城市轨道交通列车的能耗影响因素，找出节能优化的突破点，对降低运输成本，提髙
能源利用率，提高经济效益及可持续发展都有很现实的意义。
[0004] 现阶段，有关间歇式供电的城轨列车能耗优化方法的研究已经有一定的进展。但大多数关于降低运行能耗的研究都是针对
制动阶段，采取
再生制动的方式回收能量，并没有详细分析列车运行过程。而且列车再生制动回收运行能耗的方式，回收率较低，导致优化的结果与实际情况存在偏差，不能准确反映城市轨道交通的能耗和成本节约情况。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种实用性好、收敛速度快的间歇式供电的城轨列车能耗优化方法，从而提高能源利用率。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案是：一种间歇式供电的城轨列车能耗优化方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，对城轨列车进行受力分析，建立列车动力学模型；
[0008] 步骤2，对列车动力学模型进行
算法构建，根据列车当前运行工况，判断是否需要调整当前
加速度；
[0009] 步骤3，根据列车运行时间、运行
位置、工况、储能设备状态SOC，进行城轨列车能耗计算；
[0010] 步骤4，在限定运行时间和运行距离的条件下，通过分析定时节能优化模型，建立时间逼近搜索算法优化模型，实现间歇式供电的城轨列车能耗的优化。
[0011] 进一步地，步骤1所述的对城轨列车进行受力分析，建立列车动力学模型，具体如下：
[0012] 步骤1.1、首先采用城轨列车牵引特性曲线得到列车任意时刻的
牵引力F：
[0013]
[0014] 式中，μf为列车牵引力系数，μf∈[0，1]；v为城轨列车速度；Et为超级电容标称
电压，Fmax为列车恒功率区的牵引力； 为列车功率变化点的速度，Vmax为最大速度；
[0015] 步骤1.2、计算城轨列车的常用制动力B、紧急制动力b、基本阻力w0、附加阻力wj和启动阻力wq：
[0016]
[0017] w0＝a1+b1v+c1v2 (3)
[0018]
[0019] wq＝Aq (5)
[0020] 式中，μb为城轨列车制动力系数， 为
摩擦力系数，∑Kh为列车总闸瓦力，μb∈[0，1]；a1，b1，c1为基本阻力公式系数，由车辆自身特性决定；wi为单位坡道阻力，wp为乘客数量产生的阻力，wr为单位曲线阻力，ww为
空气阻力，R为曲线半径；τ为空气阻力系数，S为迎
风面积，ρ为空气
密度， 为相对速度，Aq为常数；
[0021] 步骤1.3、将间歇式供电城轨列车视为质点链，按照城轨列车长度计算平均加算坡道阻力wj：
[0022]
[0023] 式中，L为列车长度；ii、li分别为列车所
覆盖的第i个坡道的千分数和长度；Ri，lri分别为城轨列车所覆盖的第i个曲线的半径和长度；x为列车对应的位置；
[0024] 步骤1.4、对城轨列车动力学模型求解，当列车启动时：
[0025]
[0026]
[0027] 式中，M为列车总
质量，g为
重力加速度，v为城轨列车运行速度，v1为启动速度上限，C为列车单位合力，F、wq、wj、w0分别为上文求得的牵引力、启动阻力、附加阻力和基本阻力；
[0028] 当城轨列车分别处于正常牵引工况、惰行工况、制动工况时：
[0029]
[0030] 城轨列车加速度a0与单位合力的关系：
[0031]
[0032] 式中，γ为回转质量系数，与城轨列车自身有关，取常值0.06。
[0033] 进一步地，步骤2所述的对列车动力学模型进行算法构建，根据列车当前运行工况，判断是否需要调整当前加速度，具体步骤为：
[0034] 步骤2.1、根据列车当前运行工况，判断是否需要调整当前加速度：
[0035] ①当列车处于牵引工况时，根据当前运行状况计算列车牵引力FT：
[0036]
[0037] 式中，FT为当前运行工况的的牵引力，C为为列车单位合力，wq、wj、w0分别为启动阻力、附加阻力和基本阻力，M为列车质量，g为重力加速度；
[0038] 由列车牵引特性曲线判断列车能否提供该牵引力：如果能，则计算牵引力使用系数μf；否则按列车最大牵引力，重新计算加速度大小：
[0039]
[0040]
[0041] 式中，Fmax为当前速度列车的最大牵引力；
[0042] ②当列车处于惰行工况时，则计算列车相应的加速度：
[0043] a＝-(wj+w0)g (13)
[0044] ③当列车处于制动工况时，根据列车相应的制动力BT：
[0045]
[0046] 由列车制动特性曲线判断列车能否提供该制动力：如果能，则计算制动力使用系数μb；否则按列车最大制动力，重新计算加速度大小：
[0047]
[0048]
[0049] 式中，Bmax为当前速度列车的最大制动力；
[0050] 步骤2.2、根据调整后的
加速度计算列车运行的距离：
[0051] a＝a0+Δa×Δt，a≤A (17)
[0052] 式中，a为每个仿真时间单元对应的加速度；a0为上一时刻的加速度；Δa为冲击限制；Δt为仿真时间单元大小；A为最大加速度；
[0053]
[0054] 式中，s为当前列车运行距离；s0为到上一仿真时刻为止，列车运行的距离；v’、v分别为当前仿真时刻单元末速度和起始速度。
[0055] 进一步地，步骤3所述的根据列车运行时间、运行位置、工况、储能设备状态SOC，进行城轨列车能耗计算，公式如下：
[0056]
[0057] 式中，E为列车运行总能耗，I(v)为牵引
电流，Δt为仿真时间单元步长，U为储能设备标称电压，Pa为辅助用电功率，ηsc为仿真时间单元内放电效率。
[0058] 进一步地，步骤4所述的建立时间逼近搜索算法优化模型，实现间歇式供电的城轨列车能耗的优化，具体步骤为：
[0059] 步骤4.1、启动阶段，列车以最大牵引力加速运行，当速度增加到区间限速最大值时，以限速值匀速运行；如果下一区段，限速值低于当前区段，则列车以最大制动力制动，使列车减速运行至下个区段，速度刚好为下个区段的限速值；如果下一区段限速值高于当前区段，则列车在下个区段的起点以最大牵引力加速运行，直到到达限速；当列车即将到达车站时，以最大牵引力减速运行，直至停车，得到最小运行时间Tmin；
[0060] 步骤4.2、从运行线路末端反方向搜索速度限制过渡区段：若不存在这样的区段，则转到步骤4.4；若存在这样的区段，从该区段起点转为惰行工况运行，惰行过程中若速度上升，则列车制动使运行速度超限；若速度降低，则惰行曲线与原制动曲线的交点作为新工况转换点；若没有交点，则惰行速度降至限速值大小后，匀速行驶至下个限速区间；
[0061] 步骤4.3、每调整一次运行方式，列车运行时间比原先增加ΔT，当满足式(20)时，取该段中间位置再次分段，并以该段的中间位置为开始，返回到步骤4.2；当满足式(21)时，优化终止；若不满足式(20)、(21)，则线路起点方向前移一个区段，返回到步骤4.2：
[0062]
[0063]
[0064] 式中，k为调整工况次数，ΔT(i)为第i次调整工况后增加的运行时分，T0为列车运行时间，δ为能接受误差限值；
[0065] 步骤4.4、从最后一个区段依次向前搜索，当搜索到牵引力Fb(x)＝0时，列车工况转为惰行，返回到步骤4.2；若当惰行速度降为0，列车仍未到站，则放弃该段的工况转换，保持原工况，进入步骤4.5；
[0066] 步骤4.5、若所有制动区段完成惰行转换后，列车运行总时间大于给定的时间T0，则从线路末端反向搜索，从列车牵引加速区段开始转为巡航工况，巡航曲线与原先的惰行曲线交点作为新惰行点，转到步骤4.3：若列车运行总时间不大于给定的时间T0，则取得优化后的运行工况。
[0067] 本发明与
现有技术相比，其显著优点是：(1)在城轨列车复杂工况下建立了牵引计算模型，并设计了相应的算法对模型求解，收敛速度快且精确可靠；(2)推导了不同工况下的能耗计算模型，最后采用时间逼近搜索算法建立城轨列车定时节能控制策略，得到最优运行工况，节能效果明显，实用性强。
附图说明
[0068] 图1为本发明间歇式供电的城轨列车能耗优化方法的
流程图。
[0069] 图2为城轨列车的节时控
制模式速度-距离曲线图。
[0070] 图3为城轨列车在运行区间的两种方式示意图。
[0071] 图4为城轨列车定时节能的计算方法流程图。
[0072] 图5为城轨列车猎德大桥南-广州塔东区段能耗仿真图。
[0073] 图6为城轨列车万胜围-琶洲塔区段能耗仿真图。
[0074] 图7为仿真能耗与实际能耗对比图。
具体实施方式
[0075] 结合图1，本发明间歇式供电的城轨列车能耗优化方法，包括以下步骤：
[0076] 步骤1，对城轨列车进行受力分析，建立列车动力学模型；
[0077] 步骤2，对列车动力学模型进行算法构建，根据列车当前运行工况，判断是否需要调整当前加速度；
[0078] 步骤3，根据列车运行时间、运行位置、工况、储能设备状态SOC，进行城轨列车能耗计算；
[0079] 步骤4，在限定运行时间和运行距离的条件下，通过分析定时节能优化模型，建立时间逼近搜索算法优化模型，实现间歇式供电的城轨列车能耗的优化。
[0080] 进一步地，步骤1所述的对城轨列车进行受力分析，建立列车动力学模型，具体如下：
[0081] 步骤1.1、首先采用城轨列车牵引特性曲线得到列车任意时刻的牵引力F：
[0082]
[0083] 式中，μf为列车牵引力系数，μf∈[0，1]；v为城轨列车速度；Et为超级电容标称电压，Fmax为列车恒功率区的牵引力； 为列车功率变化点的速度，Vmax为最大速度；
[0084] 步骤1.2、计算城轨列车的常用制动力B、紧急制动力b、基本阻力w0、附加阻力wj和启动阻力wq：
[0085]
[0086] w0＝a1+b1v+c1v2 (3)
[0087]
[0088] wq＝Aq (5)
[0089] 式中，μb为城轨列车制动力系数， 勾摩擦力系数，∑Kh为列车总闸瓦力，μb∈[0，1]；a1，b1，c1为基本阻力公式系数，由车辆自身特性决定；wi为单位坡道阻力，wp为乘客数量产生的阻力，wr为单位曲线阻力，ww为空气阻力，R为曲线半径；τ为空气阻力系数，S为迎风面积，ρ为空气密度， 为相对速度，Aq为常数，由经验总结而来，例如
蒸汽机车为8；
[0090] 步骤1.3、将间歇式供电城轨列车视为质点链，按照城轨列车长度计算平均加算坡道阻力wj：
[0091]
[0092] 式中，L为列车长度；ii、li分别为列车所覆盖的第i个坡道的千分数和长度；Ri，lri分别为城轨列车所覆盖的第i个曲线的半径和长度；x为列车对应的位置；
[0093] 步骤1.4、对城轨列车动力学模型求解，当列车启动时：
[0094]
[0095] 式中，M为列车总质量，g为重力加速度，v为城轨列车运行速度，v1为启动速度上限，C为列车单位合力，F、wq、wj、w0分别为上文求得的牵引力、启动阻力、附加阻力和基本阻力；
[0096] 当城轨列车分别处于正常牵引工况、惰行工况、制动工况时：
[0097]
[0098] 城轨列车加速度a0与单位合力的关系：
[0099]
[0100] 式中，γ为回转质量系数，与城轨列车自身有关，取常值0.06。
[0101] 进一步地，步骤2所述的对列车动力学模型进行算法构建，根据列车当前运行工况，判断是否需要调整当前加速度，具体步骤为：
[0102] 步骤2.1、根据列车当前运行工况，判断是否需要调整当前加速度：
[0103] ①当列车处于牵引工况时，根据当前运行状况计算列车牵引力FT：
[0104]
[0105] 式中，FT为当前运行工况的的牵引力，C为为列车单位合力，wq、wj、w0分别为启动阻力、附加阻力和基本阻力，M为列车质量，g为重力加速度；
[0106] 由列车牵引特性曲线判断列车能否提供该牵引力：如果能，则计算牵引力使用系数μf；否则按列车最大牵引力，重新计算加速度大小：
[0107]
[0108]
[0109] 式中，Fmax为当前速度列车的最大牵引力；
[0110] ②当列车处于惰行工况时，则计算列车相应的加速度：
[0111] a＝-(wj+w0)g (13)
[0112] ③当列车处于制动工况时，根据列车相应的制动力BT：
[0113]
[0114] 由列车制动特性曲线判断列车能否提供该制动力：如果能，则计算制动力使用系数μb；否则按列车最大制动力，重新计算加速度大小：
[0115]
[0116]
[0117] 式中，Bmax为当前速度列车的最大制动力；
[0118] 步骤2.2、根据调整后的加速度计算列车运行的距离：
[0119] a＝a0+Δa×Δt，a≤A (17)
[0120] 式中，a为每个仿真时间单元对应的加速度；a0为上一时刻的加速度；Δa为冲击限制；Δt为仿真时间单元大小；A为最大加速度；
[0121]
[0122] 式中，s为当前列车运行距离；s0为到上一仿真时刻为止，列车运行的距离；v’、v分别为当前仿真时刻单元末速度和起始速度。
[0123] 进一步地，步骤3所述的根据列车运行时间、运行位置、工况、储能设备状态SOC，进行城轨列车能耗计算，公式如下：
[0124]
[0125] 式中，E为列车运行总能耗，I(v)为牵引电流，Δt为仿真时间单元步长，U为储能设备标称电压，Pa为辅助用电功率，ηsc为仿真时间单元内放电效率。
[0126] 进一步地，步骤4所述的建立时间逼近搜索算法优化模型，实现间歇式供电的城轨列车能耗的优化，具体步骤为：
[0127] 步骤4.1、启动阶段，列车以最大牵引力加速运行，当速度增加到区间限速最大值时，以限速值匀速运行；如果下一区段，限速值低于当前区段，则列车以最大制动力制动，使列车减速运行至下个区段，速度刚好为下个区段的限速值；如果下一区段限速值高于当前区段，则列车在下个区段的起点以最大牵引力加速运行，直到到达限速；当列车即将到达车站时，以最大牵引力减速运行，直至停车，得到最小运行时间Tmin，如图2所示；
[0128] 步骤4.2、从运行线路末端反方向搜索速度限制过渡区段：若不存在这样的区段，则转到步骤4.4；若存在这样的区段，从该区段起点转为惰行工况运行，惰行过程中若速度上升，则列车制动使运行速度超限；若速度降低，则惰行曲线与原制动曲线的交点作为新工况转换点；若没有交点，则惰行速度降至限速值大小后，匀速行驶至下个限速区间；
[0129] 步骤4.3、每调整一次运行方式，列车运行时间比原先增加ΔT，当满足式(20)时，取该段中间位置再次分段，并以该段的中间位置为开始，返回到步骤4.2；当满足式(21)时，优化终止；若不满足式(20)、(21)，则线路起点方向前移一个区段，返回到步骤4.2：
[0130]
[0131]
[0132] 式中，k为调整工况次数，ΔT(i)为第i次调整工况后增加的运行时分，T0为列车运行时间，δ为能接受误差限值；
[0133] 步骤4.4、从最后一个区段依次向前搜索，当搜索到牵引力Fb(x)＝0时，列车工况转为惰行，返回到步骤4.2；若当惰行速度降为0，列车仍未到站，则放弃该段的工况转换，保持原工况，进入步骤4.5；
[0134] 步骤4.5、若所有制动区段完成惰行转换后，列车运行总时间大于给定的时间T0，则从线路末端反向搜索，从列车牵引加速区段开始转为巡航工况，巡航曲线与原先的惰行曲线交点作为新惰行点，转到步骤4.3：若列车运行总时间不大于给定的时间T0，则取得优化后的运行工况。
[0135] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0137] 列车运行节能操纵的一个重要原则就是尽量避免列车制动，并使列车尽可能以匀速运行。理论上列车在站间大多采用两种运行模式，模式1在S1～S2采用巡航方式，模式2采用牵引和惰行相结合的方式，如图3。
[0138] 本发明提出一种将城轨列车区间进行分段优化的方法，通过实践逼近来搜索待优化区间，调整列车运行工况，从而实现列车节能目的。结合图4，城轨列车定时节能的计算方法如下：
[0139] 步骤1：首先，列车以最快的方式即节时控制模式运行完所有区间，得到最小运行时分Tmin。
[0140] 步骤2：从线路末端向起点方向搜索由高限速到低限速的过渡区段，从该区段的起点开始，列车转为惰行工况；
[0141] 如果不存在这样的区段，则跳到步骤5。
[0142] 步骤3：在惰行过程中，若速度上升，则列车制动以满足限速要求；
[0143] 若速度降低，则惰行
速度曲线与原来的制动速度曲线得交点作为新的工况转换点。
[0144] 如果没有交点，则惰行速度降至下阶段限速大小时，按匀速行驶至下个限速区间。
[0145] 步骤4：每调整一次运行方式，就更新列车速度曲线，列车运行时间比原先增加ΔT。
[0146] 当满足公式(20)时，取该段中间位置再次分段，并从中间新的分段位置开始退回到步骤2；
[0147] 当满足公式(21)时，优化过程终止；
[0148] 若不满足式(20)、(21)，则线路起点方向前移一个区段，返回到步骤2；
[0149] 步骤5：从整条线路分段后的最后一个区段开始依次向前搜索。
[0150] 当搜索到F(x)＝0时，列车工况从该段转为惰行，转到步骤2。
[0151] 所不同的是，当惰行速度降为0时，列车仍未到站时，则放弃该段工况的转换，保持原工况行驶，转到步骤6。
[0152] 步骤6：当所有制动区段都已完成惰行的转换，列车运行总时间仍大于给定的时间T0，则从整个线路的末端开始，向起点方向搜索，依次从列车牵引加速(满足Ft(x)≥0且F(x)＝0)所在的区段开始，转为巡航工况，巡航速度曲线与原先的惰行曲线得交点作为新的惰行点，转到步骤4。
[0153] 通过此时间逼近搜索算法，可以得到列车在定时条件下的最优运行工况。此优化方法收敛速度快，节能效果明显。
[0154] 使用本发明基于时间逼近搜索算法优化城轨列车运行能耗，利用MATLAB建立的计算机仿真模型所得的仿真数据进行实验：如表l所示，城轨列车的平均加速度为≥0.6m/s2，减速度为≥1.1m/s2，最大牵引力为以120kN。
[0155] 表1为广州海珠区现代城轨列车车辆基本参数
[0156]额定电压 750V
储能设备满充电压 900V
储能设备容量 9.5KWh
车辆辅助功率 64KW
2
平均启动加速度 ≥1.0m/s
平均加速度 ≥0.6m/s2
减速度 ≥1.1m/s2
冲击极限 ≥0.75m/s2
最高速度 70km/h
最大牵引力 120KN
[0157] 广州珠海有轨电车THZ1线作为研究对象，选用车辆线路数据进行仿真实验，通过输入数据进行建模，对各站—站运行区间通过时间逼近搜索算法寻找最优工况转换点，然后再进行各站—站区间能耗仿真。以猎德大桥南—广州塔东区间为例，该区间内的能耗—距离曲线和速度—距离曲线分别如图5、图6所示。实验得到部分区段能耗仿真曲线图如图7所示，与实际线路能耗相比，在保证城轨列车运行安全、精准停车、准时、舒适度指标的同时，降低了牵引能耗，通过时间逼近搜索算法优化模型工况点，节能效果明显，实用性强。
