基于RTDS的地铁接触网自定义模型运算

黎云富++易振林++杨少伟

摘 要：地铁接触网的主要任务是为电力机车提供电能。对地铁接触网进行仿真运算不仅可以为地铁继电保护提供判据依据，还可以更加深入地分析地铁供电回路、杂散电流等一系列问题。地铁供电回路接地部分的模型比较复杂，所以，需要单独仿真建模分析。RTDS实时数据仿真软件（以下简称“RTDS”）运算速度快，可以实现半实物仿真，而利用Cbuilder模块对地铁接触网模型进行自定义仿真建模可为仿真提供便利，从而更加准确地分析地铁直流供电回路的电气特性。

关键词：地铁接触网；直流供电系统；RTDS实时数据仿真软件；Cbuilder模块

中图分类号：TM922.4+2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.016

城市轨道交通以地铁为主要代表，它主要使用的是直流1 500 V或者直流750 V。地铁供电方式分为第三轨供电和接触网供电。第三轨平行于轨道，通过集电靴为机车供电。目前，地铁建设中常用另外一种接触网供电方式，即利用受电弓为电力机车提供直流电。

RTDS具有以下特点：①数据处理能力强。它可以搭建复杂的电力系统模型分析、计算电磁暂态。②保证实时性，仿真步长最小可达到2 μs；③闭环测试。外部设备可以通过RTDS自身的以太网与仿真设备实时交换数据。④电气元件多。当自带的元件库不能满足用户的使用要求时，用户也可以通过CBuilder自建需要的元件。除此以外，RTDS还可以与MATLAB、PSCAD等仿真软件链接使用，使仿真软件具有较好的可扩扩展功能和可视性。

本文所述的地铁供电回路是基于接触网供电的。利用RTDS中的Cbuilder模块对地铁进行自定义，再对直流牵引变电所建模，并仿真验证接触网。

1 直流牵引变电所仿真建模

直流牵引变电所是直流牵引供电系统的核心，其为电力机车的运行提供了必需的直流电能量。直流牵引变电所将电源35 kV或者10 kV侧工频交流电移相并整流为直流传输至地铁接触网，地铁电力机车利用受电弓收流。

1.1 直流牵引变电所移相器建模

目前，移相都是基于轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器进行的。T1和T2的原次边接线形式分别为为D，D；d0，y11和D，D；d2，y1.24脉波整流是基于2个12脉波整流器并联实现的。为了获取24脉波需要移相7.5°。地铁供电系统中利用延边三角形进行移相最为经济。移相器建模如图1所示。

1.2 直流牵引变电所整流器建模

2台移相变压器负边y接和d接的四绕组分别经过三相桥式整流电路后，在直流侧并联即可形成24脉波整流系统。图2为24脉波原理接线图。

2 地铁直流牵引网模型自定义

地铁直流牵引网主要包括接触线、钢轨和泄漏阻抗。由于其具有一定的特殊性，所以，不存在于RSCAD文件库中。在RSCAD中，用户自定义元件CBuilder可以实现对地铁接触网的数学定义。自定义的实质是将地铁接触网回路当作一个“黑箱”，只需要利用双端口的输入输出信号电路关系即可实现程序化。Cbuilder软件包括图形绘制、输入输出节点设置和基于C语言的编译器。

2.1 电阻R串电感L的自定义原理

地铁钢轨对地回路以RL串联电路为基础。下面，将推导说明电阻R串电感元件L的自定义原理。整个推导过程中所用的电路如图3所示。

根据图a对电路列KVL微分方程可得：

. （1）

式（1）中：L为电感元件；R为电阻。

使用梯形等效算法并将式（1）简化为图b的诺顿等效电路，即：

. （2）

式（2）中：GSL为等值电阻；IL-his为等值历史电流源。

等值电阻为：

. （3）

等值历史电流源为：

. （4）

2.2 地铁接触网的自定义原理

地铁接触网可以看作是一个双端网络，其可等效为一个含有历史源的导纳参数方程，即：

3 仿真验算

地铁自定义的实现需要进行仿真验证，验证的内容包括整流变压器空载出口、双端供电时接触线上的电压值与非自定义模型的电压值的比较。在RTDS仿真平台中，可以实时进行数据运算。12脉波整流仿真电压波形如图5所示，24脉波整流仿真电压波形如图6所示，馈线电流波形如图7所示。

图5、图6的仿真说明，直流牵引变电所输出正确。比较直流牵引变电所输出的较为标准的24脉波整流仿真电压波形和12脉波整流仿真电压波形可知，24脉波的纹波系数更小，谐波含量更少，接近现场实际情况。一个供电区间为4 km，在0.2 km处短路，当地铁自定义元件接入后，馈线电流波形如图7所示，与理论分析相符。全局变量调正接触线的长度后，可以得到各距离接触网的空载电压，而各点的电压有效值大致与理论一致，具体情况如表1所示。

4 结论

本文利用RTDS仿真平台中的自定义Cbuiler功能对地铁接触网进行自定义推导和实现，并比较仿真结果和理论波形，从而证明自定义模型的正确性。

参考文献

[1]周文卫.直流牵引供电系统短路电流计算与故障测距研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[2]张峻岭.地铁供电系统直流侧短路故障研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[3]王元贵.直流牵引供电系统短路故障识别与定位[D].成都：西南交通大学，2013.

〔编辑：白洁〕