交流牵引供电系统的潮流计算方法、装置、设备及介质

本发明涉及交流牵引供电系统，特别涉及一种交流牵引供电系统的潮流计算方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、牵引供电系统是专门用于向轨道交通供电的特殊电力系统。牵引供电系统的主要负荷为高铁、动车、地铁、轻轨等电力机车负荷，其变压器为牵引变压器，输电线路为接触网。既有的电气化铁路牵引供电系统普遍采用异相牵引供电系统，如图1（a）所示。异相牵引供电系统中存在大量开断的电分相结构，使得电源到机车只能采用单相电的形式单端供电，进而导致了机车过分相难题和以负序为主的电能质量问题，严重制约了电气化铁路的发展。

2、随着电力电子技术和柔性输配电技术的发展，柔性牵引供电系统成为未来重要的发展方向。其中，贯通同相牵引供电系统采用变流器实现三相对称的三相/单相变换，如图1（b）所示，由于变流器的输出电压灵活可控，通过控制所有变流器的输出电压相位接近一致，就可以省去或闭合所有电分相结构，将全线的接触网贯通，进而彻底解决机车过分相难题和电能质量问题；另外，该系统还具备延长牵引所间距，便于消纳机车再生能量，便于接入和消纳新能源等优点。

3、潮流计算能够计算出系统的稳态节点电压和功率分布，是电力系统的基础分析工具，也是牵引供电系统领域的关键技术。

4、既有的针对交流牵引供电系统的潮流计算研究较为丰富，但其中存在3个问题：

5、1）铁路牵引供电系统的线路模型中通常存在互阻抗。对线路互阻抗的建模分析有待完善。既有文献基本没有考虑互阻抗的建模问题。

6、2）针对低电压等级交流网络r/x比过大导致快速分解法不易收敛的问题，提出了改进快速分解算法，在不考虑互阻抗的牵引供电系统潮流计算中有很好的适用性，但不适用于存在线路互阻抗的系统。

7、3）系统级协同控制通过全局性地灵活调控变流器的牵引侧输出电压，可以实现贯通同相牵引供电系统内的能量管理，是贯通同相牵引供电系统的关键技术。如何在潮流计算中考虑系统级协同控制的效果，是贯通同相牵引供电系统的潮流计算尚待解决的新问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种交流牵引供电系统的潮流计算方法、装置、设备及介质，适用于各种架构、各种运行方式下的交流牵引供电系统。

2、本发明第一方面实施例提供一种交流牵引供电系统的潮流计算方法，包括以下步骤：

3、利用机车原始数据进行牵引计算，根据牵引计算结果建立包含互阻抗的节点导纳矩阵；

4、根据所述节点导纳矩阵得到所述节点导纳矩阵的实部和虚部，根据所述实部和虚部计算快速分解法中修正方程的系数矩阵；

5、初始化交流牵引供电系统的幅值和相位，将定电压控制下的交流牵引供电系统的每个电源节点均设置为平衡节点，利用快速分解法进行潮流计算，得到第一潮流计算结果，将平分功率控制下的交流牵引供电系统的一个电源节点设置为平衡节点，其余电源节点设置为负荷节点，通过改进的动态潮流算法进行潮流计算，得到第二潮流计算结果，其中，所述改进的动态潮流算法使得选取不同牵引所作为平衡节点时，平分功率控制下的交流牵引供电系统的潮流计算结果相同，且每个牵引所均匀分担负荷功率和网络损耗。

6、可选地，在本发明的一个实施例中，利用机车原始数据进行牵引计算，根据牵引计算结果建立包含互阻抗的节点导纳矩阵，包括：

7、利用所述机车原始数据进行牵引计算，得到机车的位置-时间曲线、速度-时间曲线和功率-时间曲线，根据所述位置-时间曲线生成潮流计算中的网络拓扑信息，根据所述网络拓扑信息建立包含互阻抗的节点导纳矩阵，其中，所述机车原始数据包括机车特征、牵引重量和线路信息，所述功率-时间曲线用于在潮流计算中获取负荷pq节点的pq已知量。

8、可选地，在本发明的一个实施例中，在生成节点导纳矩阵时按照支路顺序逐条生成，根据所述网络拓扑信息建立包含互阻抗的节点导纳矩阵，包括：

9、在两条支路存在互阻抗时，将两条支路作为一组，利用两条支路的自阻抗和两条支路间的互阻抗分别生成两条支路的支路阻抗矩阵；

10、根据所述支路阻抗矩阵得到相应的支路导纳矩阵，并计算所述支路导纳矩阵对所述节点导纳矩阵的贡献值，得到所述节点导纳矩阵。

11、可选地，在本发明的一个实施例中，将平分功率控制下的交流牵引供电系统的一个电源节点设置为平衡节点，其余电源节点设置为负荷节点，通过改进的动态潮流算法进行潮流计算，得到第二潮流计算结果，包括：

12、为每个电源节点设置节点注入功率和分担系数，其中，节点注入功率包括有功功率和无功功率，分担系数表示牵引所分担的系统网络损耗；

13、在当前迭代次数未达到最大迭代次数时，若有功子问题未收敛，则计算每个节点的节点注入功率 pi，总网络有功损耗 pl和每个节点的偏差功率δ pi：

14、

15、

16、

17、其中，为节点 i的电压幅值，为节点 j的电压幅值，为节点导纳矩阵实部的（ i, j）元素，为节点 i和 j之间的电压相角差，为节点导纳矩阵虚部的（ i, j）元素， n为电源节点总个数，为电源节点的个数， pload为某一时间断面内机车的总有功负荷，为分担系数；

18、对于除了平衡节点以外的 n-1个电源节点，利用快速分解法的状态量修正公式，修正节点电压相位，若有功子问题的最大的偏差功率小于有功子问题的误差上限，则有功子问题收敛，否则，下次迭代继续计算有功子问题，根据有功子问题的计算过程计算无功子问题，若无功子问题的最大的偏差功率小于无功子问题的误差上限，则无功子问题收敛，否则，下次迭代继续计算无功子问题；

19、通过多次迭代计算使得有功子问题和无功子问题均收敛后，得到所述第二潮流计算结果。

20、本发明第二方面实施例提供一种交流牵引供电系统的潮流计算装置，包括：

21、牵引计算模块，用于利用机车原始数据进行牵引计算，根据牵引计算结果建立包含互阻抗的节点导纳矩阵；

22、修正模块，用于 根据所述节点导纳矩阵得到所述节点导纳矩阵的实部和虚部，根据所述实部和虚部计算快速分解法中修正方程的系数矩阵；

23、潮流计算模块，用于初始化交流牵引供电系统的幅值和相位，将定电压控制下的交流牵引供电系统的每个电源节点均设置为平衡节点，利用快速分解法进行潮流计算，得到第一潮流计算结果，将平分功率控制下的交流牵引供电系统的一个电源节点设置为平衡节点，其余电源节点设置为负荷节点，通过改进的动态潮流算法进行潮流计算，得到第二潮流计算结果，其中，所述改进的动态潮流算法使得选取不同牵引所作为平衡节点时，平分功率控制下的交流牵引供电系统的潮流计算结果相同，且每个牵引所均匀分担负荷功率和网络损耗。

24、可选地，在本发明的一个实施例中，所述牵引计算模块，进一步用于，利用所述机车原始数据进行牵引计算，得到机车的位置-时间曲线、速度-时间曲线和功率-时间曲线，根据所述位置-时间曲线生成潮流计算中的网络拓扑信息，根据所述网络拓扑信息建立包含互阻抗的节点导纳矩阵，其中，所述机车原始数据包括机车特征、牵引重量和线路信息，所述功率-时间曲线用于在潮流计算中获取负荷pq节点的pq已知量。

25、可选地，在本发明的一个实施例中，在生成节点导纳矩阵时按照支路顺序逐条生成，根据所述网络拓扑信息建立包含互阻抗的节点导纳矩阵，包括：

26、在两条支路存在互阻抗时，将两条支路作为一组，利用两条支路的自阻抗和两条支路间的互阻抗分别生成两条支路的支路阻抗矩阵；

27、根据所述支路阻抗矩阵得到相应的支路导纳矩阵，并计算所述支路导纳矩阵对所述节点导纳矩阵的贡献值，得到所述节点导纳矩阵。

28、可选地，在本发明的一个实施例中，将平分功率控制下的交流牵引供电系统的一个电源节点设置为平衡节点，其余电源节点设置为负荷节点，通过改进的动态潮流算法进行潮流计算，得到第二潮流计算结果，包括：

29、为每个电源节点设置节点注入功率和分担系数，其中，节点注入功率包括有功功率和无功功率，分担系数表示牵引所分担的系统网络损耗；

30、在当前迭代次数未达到最大迭代次数时，若有功子问题未收敛，则计算每个节点的节点注入功率 pi，总网络有功损耗 pl和每个节点的偏差功率δ pi：

31、

32、

33、

34、其中，为节点 i的电压幅值，为节点 j的电压幅值，为节点导纳矩阵实部的（ i, j）元素，为节点 i和 j之间的电压相角差，为节点导纳矩阵虚部的（ i, j）元素， n为电源节点总个数，为电源节点的个数， pload为某一时间断面内机车的总有功负荷，为分担系数；

35、对于除了平衡节点以外的 n-1个电源节点，利用快速分解法的状态量修正公式，修正节点电压相位，若有功子问题的最大的偏差功率小于有功子问题的误差上限，则有功子问题收敛，否则，下次迭代继续计算有功子问题，根据有功子问题的计算过程计算无功子问题，若无功子问题的最大的偏差功率小于无功子问题的误差上限，则无功子问题收敛，否则，下次迭代继续计算无功子问题；

36、通过多次迭代计算使得有功子问题和无功子问题均收敛后，得到所述第二潮流计算结果。

37、本发明第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以执行如上述实施例所述的交流牵引供电系统的潮流计算方法。

38、本发明第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以执行如上述实施例所述的交流牵引供电系统的潮流计算方法。

39、本发明实施例的交流牵引供电系统的潮流计算方法、装置、设备及介质，以快速分解法为基础，提出了适用于交流牵引供电系统的潮流算法。该算法在节点导纳矩阵的建立中考虑了互阻抗建模；改进了快速分解法的状态变量修正方程以提升支路阻抗r/x比较大时的算法收敛性；为了在贯通同相牵引供电系统的潮流计算中考虑系统级协同控制的效果，提出的改进动态潮流算法和把所有电源节点设置为vθ节点的方法，模拟了贯通同相牵引供电系统平分功率控制和定电压控制下的控制效果，适用于各种架构、各种运行方式下的交流牵引供电系统。

40、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。