轨道交通“网-源-储-车”协同供能综合管控平台的关键技术

【摘要】随着铁路路网规模的不断扩大，伴随而来的是与日俱增的电能需求，为助力“双碳”目标，业内致力于构建“网-源-储-车”协同能源管控新体系，实现轨道交通系统能源的高效管控。文章从监视控制、综合评估、数据管理、智能预测及优化调度几个方面分析轨道交通“网-源-储-车”协同供能综合管控平台的设计思路，深入剖析其关键技术，初步给出平台的整体设计方案，为以后的工程应用提供参考。

【关键词】网-源-储-车；智能预测；优化调度；协同供能；综合管控

Key Technology of "Network-Source-Storage-Vehicle" Collaborative Energy Supply Integrated Control Platform for Rail Transit

MA Shao-wei  LIU Xuan

（Guodian Nanjing Automation Transportation Engineering Co., Ttd,Nanjing Jiangsu 210000 China）

Abstract: With the continuous expansion of the railway network, accompanied by the increasing demand for electric energy, in order to help the "double carbon" goal, the industry is committed to building a "net-source - storage-vehicle" collaborative energy management and control system to achieve efficient energy management and control of the rail transit system. This paper analyzes the design ideas of the "net-source-storage-vehicle" collaborative energy supply comprehensive management and control platform of rail transit from the aspects of monitoring and control, comprehensive evaluation, data management, intelligent prediction and optimal scheduling, deeply analyzes its key technologies, and initially gives the overall design scheme of the platform, providing reference for future engineering applications.

Key words: network-source-storage-vehicle; intelligent prediction; optimal scheduling; collaborative energy supply; comprehensive management and control

0引言

随着路网规模的不断扩大，铁路里程数的增长在促进国民经济增长，改善人民生活品质的同时，伴随而来的是与日俱增的电能需求。而我国电能主要来自于化石能源发电，从全寿命周期用能结构而言，轨道交通是碳排放的主要领域之一，为助力“双碳”目标，轨道交通供电系统需要有突破，业内通常从能源管控方法来入手。

目前，传统的轨道交通能源管控多以储能或新能源单一可调控单元接入为研究场景，难以充分发挥多源协同、网-源互补以及源-车-储互动等多级、多向、多元协同工作的优势。鉴于此，业内致力于构建“网-源-储-车”协同能源管控新体系，实现轨道交通系统能源的高效管控。

轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术目前正处于不断发展和完善的过程中。这项技术旨在通过整合网络资源、能源供应、储能系统和车辆运行，实现轨道交通系统的高效、绿色和可持续运行。

本文从监视控制、综合评估、数据管理、智能预测及优化调度几个方面分析轨道交通“网-源-储-车”协同供能综合管控平台的设计思路，重点围绕系统的关键技术展开研究，对工程实践提供参考。

1轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术简介

轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术主要包括以下几个方面：

首先，在网络资源方面，随着信息技术的不断发展，轨道交通系统已经实现了高度网络化和智能化。通过网络连接和数据分析，可以实时监测和调控轨道交通系统的运行状态，优化能源使用和车辆调度。

其次，在能源供应方面，越来越多的轨道交通系统开始采用可再生能源和清洁能源，如太阳能、风能等。这些能源的引入不仅有助于减少碳排放和环境污染，还可以提高能源利用效率，降低运营成本。

再次，在储能系统方面，随着储能技术的不断进步，轨道交通系统开始引入先进的储能设备，如锂离子电池、超级电容等。这些储能设备可以在电力需求高峰时提供额外的电力支持，平抑电力负荷波动，提高供电可靠性。

最后，在车辆运行方面，通过智能调度和优化控制算法，可以实现车辆的精确控制和高效运行。同时，结合能源管理和储能系统，可以实现车辆的节能降耗和延长使用寿命。

综上所述，轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术正在不断发展和完善中，为轨道交通行业的绿色、高效和可持续发展提供了有力的技术支撑。然而，也需要注意到该技术在实施过程中可能面临的一些挑战，如技术集成难度、成本控制、运营维护等问题，需要行业内外共同努力解决。

2设计思路

轨道交通“网-源-储-车”协同供能综合管控平台整体架构如图1所示，“网-源-储-车”综合管控平台与协调控制器、气象站、保护装置、光伏变换与测控单元、储能变换与测控单元建立通信网络，采集10kV配电系统数据、光伏系统数据、储能系统数据、牵引变流升压单元数据、气象站数据、负荷数据、保护装置数据；并对协调控制器下发控制指令，从而实现能量在光伏、储能、10kV配电系统、牵引升压系统之间的高效流动。

图1. 系统架构图

具体信息流如下：

综合管控平台与协调控制器通信，获取牵引升压系统、10kV配电系统的运行数据、系统负荷数据；同时基于上述的数据通过EMS能量调度优化算法与预测算法向协调控制器下发能量调度指令。

综合管控平台与光伏变换与测控单元、储能变换与测控单元通信，分别获得光伏系统、储能系统数据；

综合管控平台与气象站建立通信，获取现场的气象参数，根据气象站的设备情况选取协议。

综合管控平台与保护装置通信，获取微机保护、总线保护、防孤岛保护装置的运行数据。

3关键技术

3.1监控及展示

将从协调控制器获取的牵引升压系统、10kV配电系统运行数据、系统负荷数据基于图形化服务进行可视化展示，同时该模块将获取的光伏、储能系统的数据呈现在该界面中。对于“网-源-储-车”的拓扑可以通过动画的形式进行展示，例如开关的动作情况、有功和无功的流向与大小的动态展示、采集到的电压、电流量的动态展示、气象数据的实时展示、系统当前运行状态展示，以及故障告警界面的实时弹出等。

3.2综合评估

综合管控平台电量统计评估可以实现不同时间尺度下（年、月、日、小时）的光伏系统累计发电量、储能系统的充放电量、牵引供电系统的用电量、10kV配电系统负荷的用电量等；故障告警作为基本功能模块。实现风险报警功能，当系统中出现设备故障或者运行参数异常时，报警信息出现在该模块的任意界面进行实时报警并提供故障设备的信息。对于异常运行数据会显示异常数据发生时间，异常数据值，发生地点等。相关异常数据会存储在数据库中，方便后续事故分析。该告警界面可以手动取消，或者当系统故障异常处理好后会自动解除。

3.3数据管理

数据管理主要包括数据采集、数据存储与统计分析。主要完成数据的接收以及存储工作，包括与数据采集终端的通信协议设计，数据帧的解析以及与数据库的交互处理工作。收集存储的数据包括多通道电压、电流数据，功率数据，环境数据（主要负责光伏预测），按光伏系统、储能系统、牵引供电系统、10kV配电系统进行分类存储，用户可通过选择不同系统或不同状态量分类查询数据；统计分析（实时数据与历史数据）功能将不同类型的数据灵活地组织到表格中，形成实时、日、月、年等各种历史数据统计报表，可统计最大值、最小值、平均值等，同时具有表格编辑功能。

3.4智能预测

通过数据接口接入综合管控平台，通过读取数据库中的历史数据，采用数据驱动的方式，按照调度计划的时间尺度不同，通常有短期（1天至1周）预测和超短期（分钟级或几小时内）预测。短期预测（一般为日前）可以采用离线的方式，而超短期预测（一般为日内）通常需要在线预测并实时滚动。同时可以将预测结果与实际采集的功率结果进行多指标的误差分析，以实现功率预测评价。预测所需要的基础数据主要为系统采集的历史数据，预测结果每隔一定的时间段传送能量管理系统；相关结果存储在数据库中，并通过曲线的形式进行可视化展示。

3.5优化调度

通过数据接口接入综合管控平台，基于预测数据库中的光伏、牵引负荷与10kV配电系统负荷的预测数据，建立“源-荷”的不确定性模型，以计及系统全生命周期的经济性运营为主目标兼顾系统可靠性与环保性构成多目标优化函数，以系统运行参数与设备容量为约束，通过能量管理策略调度光伏出力、储能充放电功率、牵引升压系统出力、10kV逆变系统出力，使系统具有寿命长、光伏消纳率高、经济性好的的特点。在出现极端场景下，例如失电场景，可通过规则化管理实现系统的高效稳定运行。同时，通过不确定性建模，调度结果也可以根据不同置信区间下给出波动的功率运行曲线，辅助一线工作人员进行决策调度运行。

4结语

轨道交通“网-源-储-车”协同供能综合管控平台，作为轨道交通自洽能源系统的神经中枢，为含高效储/供能装备的“网-源-储-车”协同供电系统的稳定运行提供技术支撑。轨道交通“网-源-储-车”协同供能综合管控平台通过现场计量与监测设备实现电气量与非电气量的采集，兼容多种通讯方式实现信息传输，通过“源-荷”预测算法、多种优化调度策略，实现能量在牵引供电系统、10kV配电系统、光伏、储能之间的经济、安全、高效流动，同时对系统的潮流状态以及多设备的运行状态进行监测，并进行能效分析，保证系统的可靠性。

平台有助于推进新能源、清洁能源应用，优化交通能源结构，实现轨道交通供电系统效能全面提升。优化电气化铁路与电网的匹配性，减小铁路用电负荷的波动性，降低铁路对电网的谐波影响，整体提高铁路用电水平，实现电网与铁路的双赢。将可再生能源发电及储能接入轨道交通供电系统实现大容量的就近消纳，有助于构建新能源消纳的轨道交通解决方案。积极响应国家“双碳”目标，促进节能减排符合国家长远利益。

参考文献

【1】高仕斌,罗嘉明,陈维荣,等. 轨道交通"网-源-储-车"协同供能技术体系[J]. 西南交通大学学报,2024,59(5):959-979,989. DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20220210.

【2】廖海朱,胡海涛,黄毅,等. 电气化铁路"源-网-车-储"协同供能系统日前能量优化与调度策略[J]. 机车电传动,2022(3):1-9. DOI:10.13890/j.issn.1000-128X.2022.03.001.