湖南大学李俊豪、涂春鸣 等：基于“规则+优化”的电气化铁路站点实时能量管控策略

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在电气化铁路牵引供电系统中，列车牵引负荷功率大且波动性强，新能源与牵引负荷的时空差异性显著，源、荷平衡难以维持，给系统的能量管理带来严峻的挑战。本期为您推荐湖南大学涂春鸣教授团队的科研论文。

研究背景

当前，构建“网-源-储-车”协同供电系统，实现新能源就地消纳与再生制动能量的回收利用，已成为电气化铁路运输助力“双碳”目标的重要举措。然而，既有规则管控策略主要针对“网-储-车”架构、管理效果有限；优化管理策略往往关注于经济性等单一指标，可靠性较低。如何实现协同供电系统能量的稳定、实时、高效管理，是当前电气化铁路“网-源-储-车”协同供电系统亟待解决的难题。

图1 电气化铁路“网-源-储-车”协同供电系统

论文所解决的问题及意义

相比于“网-储-车”架构而言，“网-源-储-车”协同供电系统的牵引负荷电力来源可为公共电网、新能源、储能以及列车再生制动能量，内部能量流动更加复杂，可管控对象丰富多样。基于此，该文设计了一种针对“网-源-储-车”架构的规则管理策略，如图2所示。

首先，根据协同供电系统保障牵引负荷供电、促进新能源与再生制动能量消纳的能量管理需求，确定其运行机制。

然后，根据牵引负荷整体功率方向，并结合新能源实时发电功率大小与储能荷电状态等信息，确定协同供电系统工作模式，共包含18种工作模式。

最后，确定各工作模式下的可控单元的有功、无功指令。

图2 “网-源-储-车”协同供电系统下的能量规则管理策略

受限于逻辑判断的逐级判定机制，规则管理策略难以实现多目标的同步优化。基于此，该文进一步设计了计及经济性与电压不平衡度的多目标优化管理策略，如图3所示。

首先，建立以运行成本最小和牵引变压器高压侧三相电压不平衡度最低为目标的优化模型。

然后，通过逻辑前置的方式缩减优化模型中需求解的模型变量。其一为确定Pb1与Pb2是否为0以缩减求解变量个数；其二是确定储能为充电（Pe≥0）或为放电（Pe≤0）状态以线性化优化模型。

最后，求解模型以得到协同供电系统的能量优化管理指令。

图3 计及经济性与电压不平衡度的多目标优化管理策略

规则管理的实时管理能力强、指令输出稳定可靠，但管理目标单一、全局增益能力较弱。优化管理可提升系统全局优化运行能力，但受制于其时效性与可靠性的限制，难以进行工程应用。

基于此，该文设计了规则管理与优化管理的配合机制，如图4所示。当基于“优化”的能量管理策略程序在时间阈值T约定范围内可给出参考指令时，能量管理系统发布优化指令，反之，则发布规则管理指令。两种能量管理策略相互配合，最终实现协同供电系统能量的实时、可靠、高效管理。

图4 规则管理与优化管理配合机制

论文方法及创新点

1、制定了“网-源-储-车”架构下的能量规则管理策略。该策略可输出毫秒级功率指令，实现光伏、储能和RPC的实时协同管理。

2、构建了以最小化系统运行成本和三相电压不平衡度的多目标优化模型。采用逻辑前置方式对该模型进行了线性化处理，以提高模型的求解速度。

3、设计了规则管理与优化管理的配合机制。在实时管理时间阈值内，有序切换优化和规则管理指令，以实现两种能量管理策略的优势互补。

结论

1、针对“网-源-储-车”架构，本文设计的规则管理策略可实现ms级指令输出，可弥补优化管理在实时管理要求内无法可靠输出指令的缺陷。

2、相比规则管理，本文设计的多目标优化管理策略可单日多消纳0.77 MWh能量、运行成本可多降低0.55%且电压不平衡度无超国标现象，可填补规则管理在系统多目标优化运行上的不足。

3、基于规则管理与优化管理的特点，本文制定了基于“规则+优化”的能量管理策略。相比未进行能量管理时，本文策略下的系统单日运行成本可降低42.51%，牵引变压器低压侧电压波动范围可缩减93.44%，高压侧三相电压不平衡度最高值仅为1.81%（所有测试时刻均满足国标要求）。

团队介绍

团队由国家“万人”计划领军人才湖南大学涂春鸣教授领衔，拥有电气-信息学科青年教师10余人，在校博士、硕士研究生80余人。主要致力于分布式能源与微能源网、电力系统电力电子装备、电能质量与高效利用等方面的研究,承担国家“973”、国家“863”、国家自然科学基金重点项目等基础理论与应用技术研究20余项，省部级及电网公司科技项目50余项。发表高水平学术论文300余篇，其中3篇入选“中国科协优秀科技论文遴选计划”、1篇入选“中国百篇最具影响国内学术论文”，百度学术统计“被引次数”超过4600余次；授权国家发明专利60余项，出版中文著作5部，参与编制能源互联网和分布式发电领域技术标准5项。获国家科技进步一等奖1项、二等奖2项，省部级科技进步一等奖8项、二等奖6项。

李俊豪

博士研究生，主要研究方向：电气化铁路能量优化管理，微能源网优化管理。

涂春鸣

博士，教授，博士生导师，主要研究方向：电网新型调控技术与装备、分布式能源与微能源网、电能质量与高效利用。

王鑫

通信作者，博士研究生，主要研究方向：配电网柔性互联装备及其应用、贯通牵引供电系统及其能量管理。

本工作成果发表在2024年第11期《电工技术学报》，论文标题为“基于“规则+优化”的电气化铁路站点实时能量管理策略“。本课题得到国家重点研发计划的支持。

引用本文

李俊豪, 涂春鸣, 王鑫, 郭祺, 肖凡. 基于“规则 + 优化”的电气化铁路站点实时能量管控策略[J]. 电工技术学报, 2024, 39(11): 3339-3352. Li Junhao, Tu Chunming, Wang Xin, Guo Qi, Xiao Fan. Real-Time Energy Management Strategy for Electrified Railroad Stations Based on “Rules + Optimization”. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(11): 3339-3352.

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