一种铁路运输储能调度方法及系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路储能系统优化技术领域，具体为一种铁路运输储能调度方法及系统。

背景技术

随着储能技术的发展，储能技术越来越多地运用于牵引供电系统，传统货运铁路车载低容量储能方案由于车内的空间限制，使得储能系统的装机容量、转换效率难以达到预期效果，难以满足铁路的运营需求。大容量车载储能系统有足够裕度可用于平衡系统内的源–车功率供需不平衡，促进新能源出力的消纳；可用于长时间尺度内牵引负荷的削峰填谷，提升系统运行经济性；亦可用于货运车辆自供电系统的电能稳定输出，系统供电可靠性与弹性增强。因此，在铁路货车后加装兆瓦级集装箱式电池储能系统为机车牵引供能，对促进铁路行业低碳化转型具有重要意义。

发明内容

鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：现有技术无法满足电气化货运班列沿线新能源资源调节困难、负荷分布不均以及班列到站后装卸作业过程中出现势能浪费，针对大容量集装箱式电池储能牵引系统牵引缺少精细化建模过程的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种铁路运输储能调度方法，包括：

获取货运信息参数，通过分析所述货运信息参数确定货运班列运行能耗，根据门机不同工况可计算单次可回收势能理论值，建立列车牵引能耗和门吊势能回收模型；

分析移动式储能放电的时空特性，通过分时分区的电价信息引导负荷实现分时分区的削峰填谷；

通过势能回收与能量再利用，所述储能牵引系统与场站门吊集群间双向供需，以实现负荷平稳波动的状态；

依据分时分区电价信息、列车牵引能耗和门吊势能回收模型，构建储能牵引系统容量优化配置模型，对所述优化配置模型进行求解，得到最优配置容量及充放电策略。

作为本发明所述的铁路运输储能调度方法的一种优选方案，其中：所述获取货运信息参数，通过分析所述货运信息参数确定货运班列运行能耗，根据门机不同工况可计算单次可回收势能理论值，建立列车牵引能耗和门吊势能回收模型，其中，列车牵引能耗模型，包括，

列车牵引能耗模型，表示为：

ω′

ω″

其中，ω′

作为本发明所述的铁路运输储能调度方法的一种优选方案，其中：所述门吊势能回收模型，包括，

门吊势能回收模型，表示为：

其中，E

作为本发明所述的铁路运输储能调度方法的一种优选方案，其中：所述分析移动式储能放电的时空特性，通过分时分区的电价信息引导负荷实现分时分区的削峰填谷，其中，所述分时分区电价信息，包括，

其中，C

作为本发明所述的铁路运输储能调度方法的一种优选方案，其中：所述分时分区的削峰填谷，包括，

削峰填谷的负荷标准差，表示为：

P

其中，P

作为本发明所述的铁路运输储能调度方法的一种优选方案，其中：所述通过势能回收与能量再利用，所述储能牵引系统与场站门吊集群间双向供需，以实现负荷平稳波动的状态，其中，实现负荷平稳波动的状态，包括，

车站吊机集群利用列车储能电池实现再生能耗的互济，得到储能电池效益最优化，列车储能电池成本，表示为：

其中，r

作为本发明所述的铁路运输储能调度方法的一种优选方案，其中：通过所述依据分时分区电价信息、列车牵引能耗和门吊势能回收模型，构建储能牵引系统容量优化配置模型，对所述优化配置模型进行求解，得到最优配置容量及充放电策略，其中，储能牵引系统容量优化配置模型，表示为：

F＝max(I

其中，C

第二方面，本发明提供了一种铁路运输储能调度的系统，包括：

模型建立模块，用于获取货运信息参数，通过分析所述货运信息参数确定货运班列运行能耗，根据门机不同工况可计算单次可回收势能理论值，建立列车牵引能耗和门吊势能回收模型；

引导模块，用于分析移动式储能放电的时空特性，通过分时分区的电价信息引导负荷实现分时分区的削峰填谷；

实现模块，用于通过势能回收与能量再利用，实现所述储能牵引系统与场站门吊集群间双向供需，以获取负荷平稳波动的状态；

求解模块，用于依据分时分区电价信息、列车牵引能耗和门吊势能回收模型，构建储能牵引系统容量优化配置模型，对所述优化配置模型进行求解，得到最优配置容量及充放电策略。

第三方面，本发明提供了一种计算设备，包括：

存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述铁路运输储能调度方法的步骤。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现所述铁路运输储能调度方法的步骤。

本发明的有益效果：本发明巧妙利用跨地域分时段的区域负荷能源分布情况生成分时分区电价信息，实现货运班列在不同线路不同时段更贴合实际的运行情况，避免采用固定电价信息进行调度计算，产生误差，造成额外的成本支出，利用储能牵引系统可以有效提升系统的新能源接纳量，降低班列运行总成本，在供电系统故障时提供电能具有较高的可靠性，并且其自身也拥有较好的经济性。对于负荷和能源分布存在差异的不同线路，可采用与本文相同的容量配置方法和经济性模型，故所提的调度方法及模型对不同情况具有普适性，具有一定的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的一种铁路运输储能调度方法的整体流程图；

图2为本发明提供的一种铁路运输储能调度方法中负荷耗电分布的优化结果；

图3为本发明提供的一种铁路运输储能调度中负荷耗电分布的优化结果；

图4为本发明提供的一种铁路运输储能调度中储能容量对运行成本影响的优化结果；

图5为本发明提供的一种铁路运输储能调度中储能容量灵敏度分析的优化结果。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种铁路运输储能调度方法，包括：

S1：获取货运信息参数，通过分析所述货运信息参数确定货运班列运行能耗，根据门机不同工况可计算单次可回收势能理论值，建立列车牵引能耗和门吊势能回收模型；

更进一步，建立列车牵引能耗和门吊势能回收模型；

应说明的是，货运信息包括班列载重、技术速度、持续牵引力等信息，列车牵引能耗模型中班列牵引重量，表示为：

其中，M

还应说明的是，门吊起重机能量利用端的节能方法主要是对势能进行回收，在不同工况下，起升机构下降时所产生的再生能量以及上升时所需要的能量不同，需合理配置班列储能系统的容量，根据门机不同工况可计算单次可回收势能理论值，考虑作业工况不同，储能平均利用度均按0.49计算。

建立列车牵引能耗模型和门吊势能回收模型，为后续技术提供了有力的支撑，降低班列运行总成本，在供电系统故障时提供电能具有较高的可靠性。

S2：分析移动式储能放电的时空特性，通过分时分区的电价信息引导负荷实现分时分区的削峰填谷；

更进一步的，通过分时分区的电价信息引导负荷实现分时分区的削峰填谷；

应说明的是，通过交通侧与能源侧协同优化，以削峰填谷效果、新能源利用率和储能系统日化全寿命周期成本进行多目标联合优化，确定此运行模式下储能系统的配置容量及充放电策略，引入分时分区电价信息，引导负荷时移以实现在不同时域、地域跨度上的削峰填谷，为了服务削峰填谷，在货运班列中加入储能牵引系统，能够合理利用铁路沿线禀赋的新能源，为了提高沿线可再生能源的利用率，引入弃风弃光惩罚成本，表示为：

其中，P

通过巧妙利用跨地域分时段的区域负荷能源分布情况生成分时分区电价信息，实现货运班列在不同线路不同时段更贴合实际的运行情况，从而避免误差而造成的其他支出。

S3：通过势能回收与能量再利用，所述储能牵引系统与场站门吊集群间双向供需，以实现负荷平稳波动的状态；

更进一步的，能牵引系统与场站门吊集群间双向供需；

应说明的是，门机的工作状态可分为驱动状态和再生反馈状态，在传统起重机中再生反馈的能量都由制动电阻消耗，将势能转换为热能。在启动时载荷突增，会造成电网电压和频率的振荡，对电力系统的运行造成冲击，容易损坏电气设备，影响起重机工作寿命。门吊势能回收系统是以储能牵引系统为过度载体，采用直流供电端与储能器件联合对工作机构供电，不改变既有设备，并能满足各种工况要求，根据储能牵引系统电池投资成本模型可得系统配套设备投资成本模型，表示为：

其中，r

将货运班列集装箱式储能牵引系统进行合理配置，随着储能系统容量的增加，其可在不同的时域、地域跨度上和场站门吊集群间实现供需双向平衡，合理利用铁路沿线新能源、改善负荷波动，能很好地发挥削峰填谷的效果，班列运行成本得到显著下降，在能耗方面也带来的轻量化效益。

S4：依据分时分区电价信息、列车牵引能耗和门吊势能回收模型，构建储能牵引系统容量优化配置模型，对所述优化配置模型进行求解，得到最优配置容量及充放电策略；

更进一步的，依据分时分区电价信息、列车牵引能耗和门吊势能回收模型，构建储能牵引系统容量优化配置模型；

更进一步的，对所述优化配置模型进行求解；

应说明的是，针对电气化铁路沿线新能源资源调节困难、负荷分布不均以及班列到站后装卸作业存在势能浪费的问题，设计三位一体的跨区货运铁路储能牵引系统，将集装箱式储能系统与重载货运班列相结合得到货运铁路储能牵引系统，表示为：

其中，E

应说明的是，对班列载重、计算速度和分时分区电价信息参数作为输入，建立以铁路货运班列储能牵引系统配置、运行净成本最小为目标的生命周期成本模型，表示为：

F＝min(αF

其中，F

上述为本实施例的一种铁路运输储能调度方法的示意性方案。需要说明的是，该铁路运输储能调度的装置的技术方案与上述的铁路运输储能调度方法的技术方案属于同一构思，本实施例中铁路运输储能调度的装置的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述铁路运输储能调度方法的技术方案的描述。

本实施例中铁路运输储能调度的装置，包括：

模型建立模块，用于获取货运信息参数，通过分析所述货运信息参数确定货运班列运行能耗，根据门机不同工况可计算单次可回收势能理论值，建立列车牵引能耗和门吊势能回收模型；

引导模块，用于分析移动式储能放电的时空特性，通过分时分区的电价信息引导负荷实现分时分区的削峰填谷；

实现模块，用于通过势能回收与能量再利用，实现所述储能牵引系统与场站门吊集群间双向供需，以获取负荷平稳波动的状态；

求解模块，用于依据分时分区电价信息、列车牵引能耗和门吊势能回收模型，构建储能牵引系统容量优化配置模型，对所述优化配置模型进行求解，得到最优配置容量及充放电策略。

本实施例还提供一种计算设备，适用于铁路运输储能调度情况，包括：

存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的实现铁路运输储能调度方法。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现铁路运输储能调度方法。

本实施例提出的存储介质与上述实施例提出的实现铁路运输储能调度方法属于同一发明构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(ReadOnly，Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。

实施例2

参照表1，图2-5为本发明的一个实施例，提供了一种铁路运输储能调度方法，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明。

本发明通过设置4种运行场景进行对比

情景1：货运班列以传统形式运行，不加入储能牵引系统；

情景2：考虑储能牵引系统加入、但不考虑起重机群势能回收和向起重机群提供电能；

情景3：考虑储能牵引系统加入、起重机群势能回收和向起重机群提供电能；

情景4：考虑储能牵引系统加入，班列沿线存在无电气化路段

表1：4种情景的运行结果对比

从表1可知,情景2中由于货运铁路储能牵引系统的生命周期内成本最低，同时保持沿线新能源较高的利用率，因此比起情景1的典型日总成本有所降低，但由于没有合理利用班列到站进行装卸作业过程中浪费的势能，总成本比情景3高2.3％。说明在电气化货运铁路中考虑区域负荷能源分布差异并合理利用能够有效提升系统经济性。

传统货运班列电力牵引供电来源由沿线某一地区的能源结构决定，部分地区侧重碳化燃料发电，因此电力牵引系统的运行总成本较高，如图2所示，通过加装储能牵引系统协助机车牵引供能，能改善沿线新能源资源的合理分配。

如图3可知，班列在场站进行装卸作业时可通过集装箱式电池储能系统回收并及时利用起重机集群在作业过程中浪费的势能，实现车站吊机集群和列车储能电池再生能量共享，大幅降低车站吊机能耗，储能牵引系统不仅能够满足对沿线区域能源结构的合理分配，实现跨区域分时段削峰填谷，在电网故障时短期内可由储能全权供电保证货运班列正常运行。

如图4图5可知，储能牵引系统日总运行效益受班列和场站起重机群运行成本的影响。由结果可知，当储能容量配置较小时，在维持班列正常运行的前提下储能牵引系统优先进行势能回收并向起重机群放电，受每次装卸量的影响较大，经济效益较低；随着储能容量的增加，班列及场站的总运行成本逐渐降低并趋于定值，具有较好的经济效益。储能容量的增加表明其在新能源丰富且电价较低的地区能够存储更多能量，储能牵引系统向负荷、班列及起重机群的放电功率逐步提升。然而，一旦达到一定阈值后，系统的放电功率不再上升，储能容量达到上限并保持不变。

应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。