货运电力机车节能优化操纵策略分析

货运电力机车节能优化操纵策略分析

金致言

(中国铁路北京铁路局集团有限公司唐山机务段河北唐山063021)

摘要：随着能源在社会发展中的作用日益突出，如何经济有效地利用能源已成为社会广泛关注的问题。铁路是国民经济大动脉、重要基础设施和交通工具，国家对铁路运输系统的节能减排工作也提出了新的要求。“十三五”节能减排的《工作方案》中指出，到2020年，铁路系统单位能耗要比2015年下降5%。由于牵引能耗在货运列车总能耗占比很大，为贯彻落实国家关于加快建设资源节约型社会的要求，有必要研究货运列车节能优化操纵策略，实现节能减排。

关键词：货运电力机车；节能优化操纵；算法

1列车节能优化操纵模型建立与求解

1.1列车受力分析

列车在运行过程中受多种因素影响，受力分析较为复杂。研究人员根据列车在空间上的受力，将列车作用力分为纵向作用力、垂向作用力和横向作用力三种情况进行分析对。对于列车优化操纵，主要优化列车纵向速度和操纵工况策略，因此主要对列车进行纵向受力分析。根据牵引计算规程，列车在运行过程中的受力包括牵引力、制动力和运行阻力，其中牵引力是驱动列车前进的力，只能由机车提供。制动力是阻碍列车运行，与列车前进方向相反，可由机车单独提供，或者由整列车共同提供。运行阻力包括列车基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力，隧道附加阻力等。基本运行阻力与列车运行方向相反；坡道附加阻力与列车所处的坡道情况关，既可与列车运行方向相同也可相反；曲线附加阻力和隧道附加阻力与列车运行方向相反。

1.2列车节能优化操纵模型

1.2.1电分相对列车操纵的影响

我国电气化铁路采用单相AC25kV供电制式，为减小单相牵引负荷对三相公用电网产生的负序影响，铁路供电采用换相连接，在分相分区处的相邻供电区间加装电分相装置。当机车当列车通过电分相时要经过一段无电区，列车在无电区内无法取流，只能以惰行工况运行。

1.2.2节能最优操纵模型

根据牛顿运动定律，列车节能优化操纵模型描述如下

式中，t为列车运行时间，s；ft(v)为列车所使用的单位牵引力，N/t；fb(v)为机车所使用的单位制动力，N/t；设列车区间运行的起点位置0，终点位置为X，列车在起点和终点的速度为零，且列车区间运行时间应为列车时刻表规定的时间Ts，故约束条件为

列车通过电分相时，必须采用惰行工况，列车无牵引力和制动力[，故约束条件为

式中，p为电分相起点；q为电分相终点。列车的牵引力和制动力受到列车单位最大牵引力Ft（v）>0和单位最大制动力FBv>0约束

在运行途中，为了保证列车行车安全，列车在任何位置都不能超过线路限速，则有

式中，Vm(x)表示在位置x处的线路限速。本文主要研究货运列车节能优化操纵问题，对于交流电力货运机车，列车牵引能耗应等于牵引力做的功，因此列车节能优化目标函数为

式中，ηt为列车牵引系统效率，0<ηt<1。

2考虑再生制动能量利用的列车周期性制动研究

2.1交流传动机车节能优化问题概述

2.1.1考虑能量回馈的列车节能优化操纵

当列车以动力制动工况运行时，牵引电机工作在发电机状态，由于我国的交流传动货运列车没有装备车载储能装置，发电机产生的电能将被回馈至牵引供电网，设为1E。如果线路上有其他相邻列车运行，回馈到牵引供电网的再生能量将被吸收利用，该能量设为2E。把其他列车所能吸收的能量和回馈至牵引供电网的总能量比值定义为再生系数，用式计算，

图1牵引供电系统再生能量流动示意图

在牵引供电系统中，再生能量由机车电制动产生，能量可以供给同一行别其他列车吸收利用，如图1所示；同时，由于我国牵引供电系统采用2×25kV交流50Hz单相AT供电制式，其特点为上下行线路并联，如图1，若上行列车回馈能量，而下行列车正在牵引，再生能量将被吸收利用。

2.1.2假设条件

本章假设条件如下：(1)本章以“交-直-交”型机车牵引的单元万吨货运列车为对象，考虑再生能量对列车运行的影响，研究列车节能优化操纵策略；(2)建模时，不考虑信号系统对列车运行的影响，不考虑牵引供电网网压波动对列车牵引/电制动特性产生的影响，编组内车钩连接视为刚性连接。

2.2含长大下坡的列车节能优化问题解析解

求解含长大下坡的货运列车节能优化操纵问题，需要建立列车节能最优控制模型，考虑再生制动能量利用率的列车能耗目标函数为，

式中J——列车能耗；X——列车运行距离，单位：m；t——牵引控制量；t——牵引系统效率；()tfv——单位牵引力，单位：N/kg；d——电制动控制量；d——电制动系统效率；()dfv——单位电制动力，单位：N/kg。

2.3长大下坡末端列车最优工况唯一性分析

由于货运列车在长大下坡区间的操纵与常规坡道的操纵不同，常规坡道的操纵策略无法应用于长大下坡区间，因此有必要分析长大下坡区间的最优操纵策略。在长大下坡区间，列车应配合使用电制动和空气制动，且空气制动触发的位置为限速。在长大下坡末端，列车应采用全电制动工况，并且车速为线路静态限速。基于以上分析，本节将证明长大下坡末端列车运行工况的唯一性，分析长大下坡末端列车最优运行速度。

采用“全电制动+全力制动”策略的列车能耗较高。

结束语

本文针对货运电力机车节能优化操纵问题，综合考虑列车实际运行过程中内外部约束条件，建立了贴近机车乘务员现场操纵习惯的列车节能最优控制模型。针对考虑/不考虑再生制动能量回馈的电力机车操纵特点，基于最优控制模型，研究列车在长大下坡区间及其相邻恒速区间的最优操纵策略。

参考文献:

[1]李会超，冯晓云，王青元．重载列车优化操纵算法设计与仿真[J]．电力机车与城轨车辆，2007，30(6)：40－43．

[2]何庆．基于遗传算法和模糊专家系统的列车优化控制[D]．成都：西南交通大学，2006．