本发明涉及电铁潮流优化，尤其涉及一种电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法。
背景技术：
1、电力系统在运行时，在电源电势激励作用下，电流或功率从电源通过系统各元件流入负荷，分布于电力网各处，称为电力潮流。
2、当电力机车运行至下坡路段时，为保证行车安全性和乘客乘坐舒适性，多采用电力制动的方式进行降低加速度，此时电力机车所载电机将处在发电状态即向牵引网返送电能。然而，在电铁电力系统中，只有部分再生制动能量可以在牵引供电系统内部得到利用，而另一部分再生制动能量则会通过牵引变电站主变返送电网，该部分无法产生任何的经济效益。
3、为充分利用再生制动能量，提高电铁运行的经济效益，已有文献提出了在分区所加装铁路功率调节器并提出相应的控制策略，以实现相邻变电所再生制动能量的互补利用。然而，这些控制策略仅注重降低电铁的运行成本，基本忽略了电能调控系统建设阶段的成本控制以及未来设备维护管理的成本；除此之外，相关研究仅关注电铁系统的电力部分，并未将交通系统统一纳入考虑，故而得到的优化结果并非全局最优。
技术实现思路
1、有鉴于此，有必要提供一种电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，用以解决现有技术的上述缺陷。
2、为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，包括：
3、s10，根据历史行车运行图，获取车站的运行数据以及运行区段的道路数据；
4、s20，在保证列车准点到达、精准停车的前提下，构建与准时到达、精准停车、列车牵引能耗相关的多目标优化函数，结合预先构建的电力机车牵引负荷模型，求解得到列车优化控制信号以及日内优化牵引负荷动态变化曲线；
5、s30，构建rspc-hess全寿命周期成本模型，其中，rspc-hess是指中继电能调控系统，所述中继电能调控系统包括变流器和混合储能系统；
6、s40，确定rspc-hess列车-网络-储能的约束条件以及系统潮流约束，得到rspc-hess的约束优化条件；
7、s50，将最小化rspc-hess的全寿命周期成本作为目标函数，根据所构建的约束优化条件，以及步骤s20得到的牵引负荷日内优化动态变化曲线，对所述目标函数进行求解，得到中继电能调控系统的优化容量配置。
8、优选的，电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法还包括：
9、s60，载入次日行车运行图，在保证列车安全可靠运行的前提下，以最小化列车运行能耗为目标，求解得到日前优化的牵引负荷动态变化曲线动态变化曲线。
10、s70，根据步骤s50所求得的中继电能调控系统优化容量配置，调整所述rspc-hess的约束优化条件；以最小化rspc-hess全寿命周期成本为目标，根据调整后的rspc-hess约束优化条件以及日前优化的牵引负荷动态变化曲线，求解得到rspc-hess日前优化容量配置。
11、优选的，步骤s10中，所述运行数据包括车站的发车车次运行时刻表、各车次对应的列车型号以及各车次平均载客量；
12、所述道路数据包括供电区段内坡段序列、每个坡段对应距离和坡度、曲率半径、隧道长度以及各坡段的列车最高限速。
13、优选的，步骤s20具体包括：
14、步骤s201，采用单质点模型分析电力机车的牵引和制动特性，建立电力机车牵引负荷模型，具体包括：
15、电力机车的输出功率主要包括牵引系统和辅助设施的能量；辅助能量通常是恒定的，而牵引能量由轨道列车的运行工况决定；列车运行工况包括牵引、惰行、巡航、制动四种，不同工况下列车n的牵引负荷大小如式(1)、(2)所示：
16、
17、式中，ptrain,t,n为列车n在t时刻所输出的牵引功率，单位kw；qtrain,t,n为为列车n在t时刻所输出的无功功率，单位kvar；jt,n为列车n的整车传动系统功率因数角之积；vt,n为列车t时刻运行速度，单位m/s；hn为电力机车n所载电机以及整车传动系统工作效率之积；paux为辅助设施的功率，单位kw；tac,n为列车n在ac站间的运行时长，单位s，其数值来源于行车运行图；ft,n为t时刻列车n的牵引力，单位kn，由电机在列车速度相同方向产生；w0,t,n、wp,t,n、wr,t,n分别表示列车n运行过程种所受到的基本阻力、坡道阻力以及曲线阻力，单位kn；bt,n为t时刻列车n的制动力，其方向与列车运行方向相反，单位kn；
18、ft,n＝uf,nfn(vt,n,utrain,n,t) (3)
19、其中，uf,n为列车n牵引控制系数，uf,n∈[0,1]；utrain,n,t为列车n受电弓处电压，单位kv；
20、
21、其中，a、b、c为基本阻力系数，其数值与动车组类型有关；r表示曲线半径；q为坡段坡度；mn为列车n的全车与所载乘客的总重量，单位t；g为自由落体加速度，单位m/s2，本文取值10；
22、bt,n＝ub,nb(vt,n,utrain,n,t) (5)
23、其中，ub,n为列车n牵引控制系数，ub,n∈[0,1]；
24、列车运动过程还应满足牛顿运动方程，如下式所示：
25、
26、其中，ct,n表示列车n在t时刻所受合力，单位kn；at,n为列车n在t时刻加速度，单位m/s2；r为回转质量系数，一般取0.06；st,n为列车n从0到t时刻运行的总距离，单位m；dttrain为列车控制信号步长，本文取1s；
27、此外，为保证列车的安全可靠运行以及旅客乘坐的舒适性，列车运行速度和加速度还应满足：
28、0≤vt,n≤vmax (7)
29、amin≤at,n≤amax (8)
30、其中，vmax为列车最大限速，单位m/s；amax和amin分别为保证乘客舒适度前提下的列车加速度上下限，单位m/s2；
31、步骤s202，在保证列车准点到达、精准停车的前提下，构建与准时到达、精准停车、列车牵引能耗相关的多目标函数，具体包括：
32、所述列车n准时达到表现为列车准时性误差et,n，表达式如下：
33、εt,n＝|tmax,n-tac,n| (9)
34、其中，tac,n为列车n在ac站间的行车规划时间，单位s；tmax,n为列车n的运行时间序列最大值；
35、所述精准停车表现为列车n的精准停车误差es,n，表达式如下：
36、εs,n＝|max{sn}-lac| (10)
37、其中，lac为ac站间的行车距离，单位m；sn为列车n的运行距离序列；
38、所述列车牵引能耗，由式(11)求取，具体为：
39、en＝∑ptrain,t,nδttrain (11)
40、引入权重系数，构建多目标优化函数；
41、fn＝ω1εt,n+ω2εs,n+ω3en (12)
42、其中，w1、w2、w3为多目标权重；
43、步骤s203，基于步骤s201中构建的电力机车牵引负荷模型，求解步骤s202构建的所述多目标优化函数，得到列车优化控制信号以及日内优化牵引负荷动态变化曲线。
44、优选的，步骤s30中，所述构建rspc-hess全寿命周期成本模型，具体包括：
45、步骤s301，构建当前区段日运行成本函数；其中，日运行成本由两侧变电所的从公共电网的购电成本cgrid，以及系统的最大需量成本cdem构成，单位万元；为了最大化装置对电力机车再生制动能量的利用率，在日运行成本中加入再生制动能量弃能成本cab作为罚函数，其中：
46、cday＝cgrid+cdem+cab (13)
47、所述购电成本cgrid与变电所输出的功率和当前电价相关，购电成本cgrid表达式为：
48、
49、其中，△t为调度步长，△t＝1min，t为调度周期，t＝1440min。cgrid,t为时间段△t内的单位电价，单位(万元)/kw·min，pbuy,t、pbuyt为△t内变电所从公共电网获取的功率，单位kw。
50、获取给定时段内的最高电力需求所需要支付的最大需量成本：
51、
52、其中，cdem为最大需量计价单位，单位(万元)/kw，pdemmax为最大需量功率，单位kw。
53、再生制动能量弃电成本为：
54、
55、其中，cab为单位再生制动能量弃能成本，单位(万元)/kw·min，pab,t、pab,t、prec,t、prec,t分别为时间段t内的α、β两臂动车组产生的再生制动功率和rspc-hess回收的再生制动功率，单位kw。
56、步骤s302，构建rspc-hess全寿命周期成本模型lcc，如下式(17)：
57、
58、其中，i为折现率；trspc为rspc-hess全寿命周期；ccap为对分区所安装的能量调控系统的资本性支出；cong为该系统年维护成本；crep为考虑折现率下的全寿命周期内rspc-hess的替换成本；cdep为整套调控系统使用寿命结束后的折旧成本。
59、所述资本性支出ccap为：
60、
61、其中，crspc、cb-p、csc-p分别为rspc-hess变流器、电池储能以及超级电容的单位功率价格；cb-e、csc-e是电池储能以及超级电容的单位容量价格；srspcdesign、pbn、ebn、pscn、escn分别为rspc-hess变流器的设计容量、电池储能以及超级电容的功率和容量；cl为单位供电距离的建设成本；△l为安装rspc-hess所延长的供电距离；
62、所述维护成本cong为：
63、
64、其中，cong为年维护成本，单位万元；iong为维护成本的年增长率，tong为系统投入运行时长，单位年。
65、所述储能系统的替换成本crep为：
66、
67、其中，tsc和tb分别为电池储能和超级电容的使用寿命，单位年，单位年，其表达如下式所示；nb和nsc分别为全寿命周期内电池储能和超级电容的更换次数，nb＝trspc/tb-1，nsc＝trspc/tsc-1。
68、
69、其中，ceil表示向上取整函数；neq,b、neq,sc为储能一天内的充放电循环次数，na,b、na,sc为储能全寿命周期的充放电循环次数。
70、所述折旧成本cdep为：
71、
72、优选的，步骤s40中，所述确定rspc-hess列车-网络-储能的约束条件以及系统潮流约束，得到rspc-hess的约束优化条件，具体包括：
73、所述rspc-hess列车-网络-储能的约束条件包括列车约束条件、网络约束条件和储能系统约束条件；
74、其中，所述列车约束条件包括动车组受电弓处电压约束：
75、
76、其中，utrain,t,n为列车n在第t时刻受电弓处电压值，单位kv，可通过对牵引供电系统进行开式网络潮流计算获得；utrainmin和utrainmax分别表示保证列车正常运行的最小电压限值和最大电压限值，单位kv。
77、所述网络约束条件包括变电所主变压器功率约束以及rspc-hess约束，其中：
78、所述变电所主变压器功率约束包括：
79、
80、其中，pt、qt分别为t时刻变电所a的主变压器在β供电臂的有功出力和无功出力，pt、qt分别为t时刻变电所c的主变压器在β供电臂的有功出力和无功出力，单位kw/kvar；smax、smax为主变压器的视在功率上限，单位kva。
81、从牵引网返送至公共电网的功率不产生经济效益，根据变电所主变压器的功率大小和流动方向，得到pbuy,t，pbuyt的表达式：
82、
83、rspc-hess约束包括传输功率约束，表达式如下式(26)：
84、
85、其中，prspc,t、prspc,t、qrspc,t、qrspc,t分别为第t时刻长内rspc-hess在α、β侧供电臂输出的有功功率和无功功率，单位kw/kvar。
86、所述储能系统约束条件为：
87、
88、其中，wb,t、wsc,t为t时刻电池储能和超级电容的储能量，单位kwh，pb,tin、psc,tin、pb,tout、psc,tout为电池储能和超级电容的充放电功率，单位kw，in,b、out,b、in,sc、out,sc为电池储能和超级电容的充放电效率，ssoc,minb、ssoc,maxb、ssoc,minsc、ssoc,maxsc分别为电池储能和超级电容荷电状态的上、下限。
89、所述系统潮流约束与两侧变电所主变压器输出功率、rspc-hess输出功率以及动车组负荷功率有关，具体为：
90、
91、其中，ptrain,t、ptrain,t、qtrain,t、qtrain,t为t时刻α、β供电臂上牵引负荷，单位kw/kvar，ploss,t、ploss,t、qloss,t、qloss,t为t时刻α、β供电臂上产生的线路损耗，单位kw/kvar。
92、
93、其中，ntrain,tk为t时刻供电臂k上所运行的列车数目。
94、优选的，在步骤s50中，通过gurobi求解器对最小化rspc-hess全寿命周期成本的目标函数进行求解，得到中继电能调控系统中变流器和混合储能系统的优化容量配置。
95、第二方面，本发明还提供一种电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置装置，包括：
96、数据获取模块，用于根据历史行车运行图，获取车站的运行数据以及运行区段的道路数据；
97、牵引负荷优化模块，用于在保证列车准点到达、精准停车的前提下，构建与准时到达、精准停车、列车牵引能耗相关的多目标优化函数，结合预先构建的电力机车牵引负荷模型，求解得到列车优化控制信号以及日内优化牵引负荷动态变化曲线；
98、成本模型构建模块，用于构建rspc-hess全寿命周期成本模型，其中，rspc-hess是指中继电能调控系统，所述中继电能调控系统包括变流器和混合储能系统；
99、约束条件确定模块，用于确定rspc-hess列车-网络-储能的约束条件以及系统潮流约束，得到rspc-hess的约束优化条件；
100、容量配置优化模块，用于将最小化rspc-hess的全寿命周期成本作为目标函数，根据所构建的约束优化条件，以及步骤s20得到的牵引负荷日内优化动态变化曲线，对所述目标函数进行求解，得到中继电能调控系统的优化容量配置。
101、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，其中，
102、所述存储器，用于存储程序；
103、所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现如本发明第一方面实施例所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法中的步骤。
104、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机可读取的程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时能够实现如本发明第一方面实施例所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法中的步骤。
105、采用上述实施例的有益效果是：
106、1)本发明构建电力-交通双层优化模型，在确保列车受电点电压水平、准点到达和乘客舒适度的情况下，最小化列车能耗，在此基础上优化配置rspc-hess的容量，并合理安排其牵引负荷，使得rspc-hess和相应供电区段在其全寿命周期内达到可靠性和经济性的最优。
107、2)本发明在电力机车日运行成本以外，考虑了rspc-hess的成本控制以及未来设备维护管理的成本，对经济性评估更加全面，除了可在系统安装运行后安对其进行优化控制，还可以在施工前对变流器和混合储能系统进行容量配置优化，提高了系统的经济效益和可靠性。
1.一种电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.根据权利要求1所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，其特征在于，步骤s10中，所述运行数据包括车站的发车车次运行时刻表、各车次对应的列车型号以及各车次平均载客量；
4.根据权利要求1所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，其特征在于，步骤s20具体包括：
5.根据权利要求1所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，其特征在于，步骤s30中，所述构建rspc-hess全寿命周期成本模型，具体包括：
6.根据权利要求5所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，其特征在于，步骤s40中，所述确定rspc-hess列车-网络-储能的约束条件以及系统潮流约束，得到rspc-hess的约束优化条件，具体包括：
7.根据权利要求6所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法，其特征在于，在步骤s50中，通过gurobi求解器对最小化rspc-hess全寿命周期成本的目标函数进行求解，得到中继电能调控系统中变流器和混合储能系统的优化容量配置。
8.一种电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置装置，其特征在于，包括：
9.一种电子设备，
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机可读取的程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时能够实现上述权利要求1至7中任意一项所述的电力-轨道交通一体化中继电能调控系统容量配置方法中的步骤。
