城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制系统及方法与流程

本发明属于城市轨道交通供电系统技术领域，特别是涉及城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制系统及方法。

背景技术：

现有城轨直流牵引供电系统各牵引变电所整流机组功率不可调、不可控，全线列车取流的大小和位置按照电路的约束条件在全线范围内进行功率的自然分配，当列车发车间隔比较大时，全线各牵引变电所整流机组均为取流列车提供功率，造成了功率的远距离传输，带来额外的功率损耗，列车取流的远距离回流也造成杂散电流的路径更远更复杂，出现钢轨电位偏高等问题。

目前城轨直流牵引供电系统，列车频繁启动、制动，制动时带来的再生制动能量在直流牵引网各牵引列车进行分配，如果仍有剩余，将通过制动列车的制动电阻消耗。再生制动能量在牵引网中的流动将会引起牵引网电压升高，多余再生能量通过制动电阻消耗造成能量的浪费。为了充分利用再生制动能量，城轨牵引变电所开始采用逆变回馈装置，但只能根据该牵引变电所直流侧电压和功率控制本逆变回馈装置的输出，不能实现全网功率潮流的优化，造成节能效果有限。

目前的城轨直流牵引供电系统各牵引变电所双边供电，直流牵引网的功率分布和牵引变电所母线电压不可调节，随着列车运行分布、运行状态的变化而变化。实际运行中，当列车再生制动时，再生能量通过附近牵引状态列车吸收，若网压高于再生制动电阻启动电压时，剩余能量通过再生制动电阻消耗。牵引变电所若安装有逆变回馈装置，则再生制动能量回馈到交流侧。逆变回馈装置控制器根据母线电压控制回馈功率，有一定调节电压的能力，但仅限于再生回馈状态。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制系统及方法，实现本地控制器对牵引变电所直流母线电压的调节；统一潮流控制器对全网功率分配和电压的协调控制，实现直流牵引网的最优潮流分配，使得牵引网功率损耗最小、电压波动最小，改善牵引网电压水平，使得每一处列车取流尽可能由两侧牵引变电所提供，避免跨所供电带来额外的功率损失和杂散电流路径的增长，减小牵引网电压的波动和钢轨电位；经济调度计划，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，储能装置的预充放电计划，高效利用光伏发电系统，避免弃光，同时有计划地到削峰填谷、稳定网压作用，实现经济和环保调度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制系统，包括具有光伏储能供电的城轨交通牵引供电系统直流牵引供电网络中的功率不可调节装置和功率可调节装置，参与一次调节的各牵引变电所功率可调装置控制器，参与二次调节的统一潮流控制器，参与三次调节的经济调度计划控制器，牵引变电所综合自动化子系统，中央综合监控系统，以及通信网络；所述直流牵引供电网络与牵引变电所综合自动化子系统通信连接，所述牵引变电所综合自动化子系统连接至通信网络；所述通信网络向参与一次调节的各牵引变电所功率可调装置控制器传递信号，所述参与一次调节的各牵引变电所功率可调装置控制器向直流牵引供电网络中的功率不可调节装置和功率可调节装置传递信号；在所述通信网络上还连接有中央综合监控中心，所述中央综合监控中心包括中央综合监控系统，参与二次调节的统一潮流控制器，以及在所述参与二次调节的统一潮流控制器的上连接有参与三次调节的经济调度计划控制器；

一次调节通过各牵引变电所功率可调装置的本地控制器完成，调节范围在本节点的电压波动在正常运行范围之内；

二次调节通过城轨交通线路各牵引变电所综合自动化子系统对牵引变电所各功率不可调装置和功率可调装置的运行参数进行采集潮流控制信息，将所述潮流控制信息通过通信网络上传至中央综合监控中心的统一潮流控制器，对各牵引变电所功率可调装置进行统一的功率潮流分配管理控制，调整一次调节的参考值，减小直流电压偏差，实现直流牵引网最优潮流；

三次调节是根据每日列车运行计划进行牵引供电计算获取日负荷曲线，根据天气历史数据预测和新能源发电历史数据预测新能源日发电量曲线，优化潮流计算，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，通过统一潮流控制器调节，实现经济和环保调度。

进一步的是，所述牵引变电所综合自动化子系统包括采集模块和rtu模块，采集沿线各牵引变电所的包括功率不可调装置和功率可调装置实时运行电压、功率和各种状态参数，并经通信网络上传至中央综合监控中心的统一潮流控制系统；所述采集的潮流控制信息包括全线牵引变电所整流机组直流侧实时输出功率、电压，在直流牵引侧并网的光伏发电系统输出功率、电压，储能装置的放电功率、充电功率、电压与荷电状态等，逆变装置的电压、逆变回馈的功率、电压，以及双向逆变机组的整流输出功率或逆变回馈功率以及电压。

进一步的是，所述功率不可调节装置包括各牵引变电所的整流机组、在牵引变电所直流牵引侧并网的车辆段或停车场的光伏储能发电系统；所述功率可调节装置包括储能装置、逆变回馈装置、以及双向逆变机组。

进一步的是，所述功率可调节装置包括本地控制器，通过各自牵引变电所的功率可调节装置的本地控制器根据功率-电压特性曲线实现一次调节，调整直流母线电压波动，使其在正常运行范围内；

所述功率可调节装置的本地控制器，在一次调节的基础上，为统一潮流控制器二次调节的执行者；统一潮流控制器最优潮流计算输出的目标功率通过中央综合监控中心通信网络下传至该功率可调节装置的本地控制器，将目标功率作为本地控制器的参考功率，调整该功率调节装置的输出功率使其达到目标值，实现全线直流牵引网功率可调装置的统一调整，达到全线直流牵引网损耗最小、电压波动最小的目标，最终实现直流牵引供电系统全线统一潮流控制管理。

进一步的是，所述统一潮流控制器，实现直流牵引网潮流的二次调节；各牵引变电所综合自动化子系统通过rtu模块将全线各牵引变电所直流侧功率输出装置的实时运行电压、功率上传统一潮流控制器，统一潮流控制器以直流牵引网功率损耗最小、电压波动最小为目标，施加各功率可调装置输出容量限值、工作电压限值、储能装置荷电限值作为约束条件，制定能量分配策略，进行最优潮流计算，确定各牵引变电所功率可调节装置的目标功率输出；实现整流机组的最优功率输出，达到全线牵引变电所直流输出电压波动最小，功率潮流按最短路径分配，使全线直流牵引供电网络线路压损和功率损耗最小，经济技术指标最优。

进一步的是，所述经济调度计划控制器，根据每日列车运行计划进行牵引供电计算获取日负荷曲线，根据天气历史数据预测和新能源发电历史数据预测新能源日发电量曲线，优化潮流计算，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，储能装置的预充放电计划，按照一定的计划时间强制输入统一潮流控制器进行调节，高效利用光伏发电系统，避免弃光，通过全线功率可调装置的功率控制，起到削峰填谷、稳定网压作用，实现经济和环保调度。

另一方面，本发明还提供了城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制方法，包括步骤：

s100，数据的采集与传输：在牵引变电所综合自动化子系统内完成实时数据的采集采集潮流控制信息，通过远程终端系统rtu经通信网络传输至中央综合监控中心的统一潮流控制器；

s200，二次调节中统一潮流控制：根据所采集潮流控制信息，在统一潮流控制器中以直流牵引网功率损耗最小、电压波动最小为目标，施加各功率可调装置输出容量限值、工作电压限值、储能装置荷电限值约束条件，制定能量分配策略，进行最优潮流计算，对各牵引变电所功率可调装置进行统一的功率潮流分配管理控制，确定各牵引变电所功率可调节装置的目标功率输出，通过通信网络下传至功率可调装置本地控制器，目标功率作为一次调节的参考值，减小直流电压偏差；实现整流机组的最优功率输出，达到全线牵引变电所直流输出电压波动最小，功率潮流按最短路径分配，使全线直流牵引供电网络线路压损和功率损耗最小，经济技术指标最优；

s300，三次调节中经济调度计划：根据每日列车运行计划进行牵引供电计算获取日负荷曲线，根据天气历史数据预测和新能源发电历史数据预测新能源日发电量曲线，优化潮流计算，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，储能装置的预充放电计划，按照一定的计划时间强制输入统一潮流控制器进行调节；高效利用光伏发电系统，避免弃光，通过全线功率可调装置的功率控制，起到削峰填谷、稳定网压作用，实现经济和环保调度；

s400，一次调节中功率可调装置控制：通过各自本地控制器根据功率-电压特性曲线实现一次调节，调整直流母线电压波动，使其在正常运行范围内；同时，统一潮流控制器优化后得到的目标功率作为参考功率分别传输至各功率可调装置控制器，控制器调整输出，使其达到目标功率，完成二次调节，最终实现全线功率可调，完成线路损耗最小、电压波动最小的控制目标，若两牵引变电所间电压差值为零，则可保证负荷仅由该相邻变电所供电，避免跨所供电造成电流通路流经路径增长，线路损耗增大，杂散电流的路径增长带来钢轨电位升高以及对周围金属管线的电腐蚀。

进一步的是，实时采集的潮流控制信息包括整流机组ac-dc输出电压和电流，光伏发电系统总辐射光照强度sref，表面温度tref，dc-dc输出电压和功率，逆变回馈装置直流侧电压和功率，双向逆变机组直流侧电压和功率，以及储能装置dc-dc输出电压、功率及荷电状态；各牵引变电所综合自动化子系统所采集的潮流控制信息通过rtu模块将全线各牵引变电所直流侧功率输出装置的实时运行电压、功率上传统一潮流控制器。

采用本技术方案的有益效果：

本发明在现有中央综合监控中心实施，在牵引变电所设置的各功率可调装置本地控制器完成直流母线电压的一次调节，减小电压波动，使其在正常运行范围内。在传统的中央综合监控中心现有功能基础之上，通过城轨交通线路各牵引变电所综合自动化子系统将各牵引变电所整流机组、逆变回馈装置、直流牵引侧的光伏发电系统、储能装置、及取代整流机组和逆变回馈装置的双向逆变机组的运行参数进行采集，通过rtu经通信网络上传至中央综合监控中心的统一潮流控制器，在满足全线牵引变电所各能量输出装置正常运行功率、电压、荷电限值等各约束条件下，以全线线路损耗和电压波动最小为目标，通过统一潮流控制器对系统中各功率可调装置的功率输出进行优化，并将其作为参考功率输入到各功率可调装置的底层控制器，实现直流牵引供电系统全线统一潮流控制管理，完成直流牵引网各节点功率、电压的二次调节。根据每日列车运行计划进行牵引供电计算获取日负荷曲线，根据天气历史数据预测和新能源发电历史数据预测新能源日发电量曲线，优化潮流计算，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，储能装置的预充放电计划，按照一定的计划时间强制输入统一潮流控制器完成三次调节。改变了现有城轨直流牵引网的功率分布和牵引变电所母线电压不可调、不可控的现状。通过分层调节，实现本地控制器对牵引变电所直流母线电压的调节；统一潮流控制器对全网功率分配和电压的协调控制，实现直流牵引网的最优潮流分配，使得牵引网功率损耗最小、电压波动最小，改善牵引网电压水平，使得每一处列车取流尽可能由两侧牵引变电所提供，避免跨所供电带来额外的功率损失和杂散电流路径的增长，减小牵引网电压的波动和钢轨电位；经济调度计划，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，储能装置的预充放电计划，高效利用光伏发电系统，避免弃光，同时有计划地到削峰填谷、稳定网压作用，实现经济和环保调度。

附图说明

图1为本发明的城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制系统的结构示意图的控制拓扑图；

图3为本发明实施例中城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制系统，包括具有光伏储能供电的城轨交通牵引供电系统直流牵引供电网络中的功率不可调节装置和功率可调节装置，参与一次调节的各牵引变电所功率可调装置控制器，参与二次调节的统一潮流控制器，参与三次调节的经济调度计划控制器，牵引变电所综合自动化子系统，中央综合监控系统，以及通信网络；所述直流牵引供电网络与牵引变电所综合自动化子系统通信连接，所述牵引变电所综合自动化子系统连接至通信网络；所述通信网络向参与一次调节的各牵引变电所功率可调装置控制器传递信号，所述参与一次调节的各牵引变电所功率可调装置控制器向直流牵引供电网络中的功率不可调节装置和功率可调节装置传递信号；在所述通信网络上还连接有中央综合监控中心，所述中央综合监控中心包括中央综合监控系统，参与二次调节的统一潮流控制器，以及在所述参与二次调节的统一潮流控制器的上连接有参与三次调节的经济调度计划控制器；

一次调节通过各牵引变电所功率可调装置的本地控制器完成，调节范围在本节点的电压波动在正常运行范围之内；

二次调节通过城轨交通线路各牵引变电所综合自动化子系统对牵引变电所各功率不可调装置和功率可调装置的运行参数进行采集潮流控制信息，将所述潮流控制信息通过通信网络上传至中央综合监控中心的统一潮流控制器，对各牵引变电所功率可调装置进行统一的功率潮流分配管理控制，调整一次调节的参考值，减小直流电压偏差，实现直流牵引网最优潮流；

三次调节是根据每日列车运行计划进行牵引供电计算获取日负荷曲线，根据天气历史数据预测和新能源发电历史数据预测新能源日发电量曲线，优化潮流计算，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，通过统一潮流控制器调节，实现经济和环保调度。

作为上述实施例的优化方案，所述牵引变电所综合自动化子系统包括采集模块和rtu模块，采集沿线各牵引变电所的包括功率不可调装置和功率可调装置实时运行电压、功率和各种状态参数，并经通信网络上传至中央综合监控中心的统一潮流控制系统；所述采集的潮流控制信息包括全线牵引变电所整流机组直流侧实时输出功率、电压，在直流牵引侧并网的光伏发电系统输出功率、电压，储能装置的放电功率、充电功率、电压与荷电状态等，逆变装置的电压、逆变回馈的功率、电压，以及双向逆变机组的整流输出功率或逆变回馈功率以及电压。

所述功率不可调节装置包括各牵引变电所的整流机组、在牵引变电所直流牵引侧并网的车辆段或停车场的光伏储能发电系统；所述功率可调节装置包括储能装置、逆变回馈装置、以及双向逆变机组。

所述功率可调节装置包括本地控制器，通过各自牵引变电所的功率可调节装置的本地控制器根据功率-电压特性曲线实现一次调节，调整直流母线电压波动，使其在正常运行范围内；

所述功率可调节装置的本地控制器，在一次调节的基础上，为统一潮流控制器二次调节的执行者；统一潮流控制器最优潮流计算输出的目标功率通过中央综合监控中心通信网络下传至该功率可调节装置的本地控制器，将目标功率作为本地控制器的参考功率，调整该功率调节装置的输出功率使其达到目标值，实现全线直流牵引网功率可调装置的统一调整，达到全线直流牵引网损耗最小、电压波动最小的目标，最终实现直流牵引供电系统全线统一潮流控制管理。

作为上述实施例的优化方案，所述统一潮流控制器，实现直流牵引网潮流的二次调节；各牵引变电所综合自动化子系统通过rtu模块将全线各牵引变电所直流侧功率输出装置的实时运行电压、功率上传统一潮流控制器，统一潮流控制器以直流牵引网功率损耗最小、电压波动最小为目标，施加各功率可调装置输出容量限值、工作电压限值、储能装置荷电限值作为约束条件，制定能量分配策略，进行最优潮流计算，确定各牵引变电所功率可调节装置的目标功率输出；实现整流机组的最优功率输出，达到全线牵引变电所直流输出电压波动最小，功率潮流按最短路径分配，使全线直流牵引供电网络线路压损和功率损耗最小，经济技术指标最优。

作为上述实施例的优化方案，所述经济调度计划控制器，根据每日列车运行计划进行牵引供电计算获取日负荷曲线，根据天气历史数据预测和新能源发电历史数据预测新能源日发电量曲线，优化潮流计算，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，储能装置的预充放电计划，按照一定的计划时间强制输入统一潮流控制器进行调节，高效利用光伏发电系统，避免弃光，通过全线功率可调装置的功率控制，起到削峰填谷、稳定网压作用，实现经济和环保调度。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图3所示，本发明还提供了城轨交通光伏储能牵引供电的统一潮流控制方法，包括步骤：

s100，数据的采集与传输：在牵引变电所综合自动化子系统内完成实时数据的采集采集潮流控制信息，通过远程终端系统rtu经通信网络传输至中央综合监控中心的统一潮流控制器；

s200，二次调节中统一潮流控制：根据所采集潮流控制信息，在统一潮流控制器中以直流牵引网功率损耗最小、电压波动最小为目标，施加各功率可调装置输出容量限值、工作电压限值、储能装置荷电限值约束条件，制定能量分配策略，进行最优潮流计算，对各牵引变电所功率可调装置进行统一的功率潮流分配管理控制，确定各牵引变电所功率可调节装置的目标功率输出，通过通信网络下传至功率可调装置本地控制器，目标功率作为一次调节的参考值，减小直流电压偏差；实现整流机组的最优功率输出，达到全线牵引变电所直流输出电压波动最小，功率潮流按最短路径分配，使全线直流牵引供电网络线路压损和功率损耗最小，经济技术指标最优；

s300，三次调节中经济调度计划：根据每日列车运行计划进行牵引供电计算获取日负荷曲线，根据天气历史数据预测和新能源发电历史数据预测新能源日发电量曲线，优化潮流计算，确定不同时段可调功率装置的功率输出计划，储能装置的预充放电计划，按照一定的计划时间强制输入统一潮流控制器进行调节；高效利用光伏发电系统，避免弃光，通过全线功率可调装置的功率控制，起到削峰填谷、稳定网压作用，实现经济和环保调度；

s400，一次调节中功率可调装置控制：通过各自本地控制器根据功率-电压特性曲线实现一次调节，调整直流母线电压波动，使其在正常运行范围内；同时，统一潮流控制器优化后得到的目标功率作为参考功率分别传输至各功率可调装置控制器，控制器调整输出，使其达到目标功率，完成二次调节，最终实现全线功率可调，完成线路损耗最小、电压波动最小的控制目标，若两牵引变电所间电压差值为零，则可保证负荷仅由该相邻变电所供电，避免跨所供电造成电流通路流经路径增长，线路损耗增大，杂散电流的路径增长带来钢轨电位升高以及对周围金属管线的电腐蚀。

其中，实时采集的潮流控制信息包括整流机组ac-dc输出电压和电流，光伏发电系统总辐射光照强度sref，表面温度tref，dc-dc输出电压和功率，逆变回馈装置直流侧电压和功率，双向逆变机组直流侧电压和功率，以及储能装置dc-dc输出电压、功率及荷电状态；各牵引变电所综合自动化子系统所采集的潮流控制信息通过rtu模块将全线各牵引变电所直流侧功率输出装置的实时运行电压、功率上传统一潮流控制器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。