一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法

1.本发明涉及列车运行控制与优化技术领域，更具体地，涉及一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法。


背景技术：

2.近年来，我国城镇化进程加快，城市轨道交通规模迅速扩大。储能式列车由于其造价成本低、高效便捷等优点，已在多个城市推广应用，承担了较大的乘客运量。然而，在大规模的运营场景下，列车按照运营计划循环往复地运行，若充电桩发生故障后，列车不能及时恢复至正常运营的状态，将会严重影响整个运营系统的正常运转。
3.在充电桩发生故障时，不同故障程度下后续的充电和运行方案均不同，因此，如何基于充电桩的故障程度进行故障分类对后续求解具有重要意义，还有，如何在尽量降低对运营系统影响的前提下尽快恢复储能式有轨列车的运行状态成为一个亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

4.针对上述背景技术部分提到的现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法，用以解决在充电桩发生故障时，如何在尽量降低对运营系统影响的前提下尽快恢复储能式有轨列车的运行状态。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法，包括：
6.判断第一充电桩不能充电且判断所述储能式列车按照运营计划不能从所述第一充电桩运行至下一个可充电的第二充电桩，则以运行至所述第二充电桩为目标构建节能最优控制模型，优化所述储能式列车的运行方案；
7.判断所述第一充电桩能够充电且判断储能电池不能在所述第一充电桩的停站时间约束内充电至储能电池状态边界，则以所述储能电池充电至所述储能电池状态边界为目标优化所述储能式列车在所述第一充电桩的充电方案和停站时间；
8.以所述储能电池充电至运营计划状态为目标，调整所述储能式列车在所述第二充电桩的充电方案和停站时间；
9.输出所述储能式列车在所述第一充电桩和第二充电桩的充电方案及运行方案的优化结果。
10.进一步地，所述判断第一充电桩不能充电且判断所述储能式列车按照运营计划不能从所述第一充电桩运行至下一个可充电的第二充电桩，则以运行至所述第二充电桩为目标构建节能最优控制模型，优化所述储能式列车的运行方案具体包括：
11.基于所述储能电池在所述第一充电桩的状态，考虑运行约束，按照所述运营计划获取所述储能式列车运行至所述第二充电桩的运行能耗及运行过程中的储能电池可用电量；
12.判断所述储能电池可用电量小于所述运行能耗，考虑所述运行约束，以所述运行能耗最小化为目标，构建所述节能最优控制模型；
13.基于所述节能最优控制模型，使用优化算法以获取所述储能式列车的节能运行方案。
14.进一步地，所述判断所述第一充电桩能够充电且判断储能电池不能在所述第一充电桩的停站时间约束内充电至储能电池状态边界，则以所述储能电池充电至所述储能电池状态边界为目标优化所述储能式列车在所述第一充电桩的充电方案和停站时间具体包括：
15.以所述储能式列车到达所述第二充电桩时的所述储能电池的状态为正常工作状态下界，按照所述运营计划反向获取所述储能电池在所述第一充电桩的所述储能电池状态边界；
16.基于所述储能电池的实际状态获取其在所述第一充电桩的停站时间约束内充电后的电池状态，判断充电后的电池电压和电量小于所述储能电池状态边界，则以所述储能电池充电至所述储能电池状态边界为目标优化所述储能式列车在所述第一充电桩的充电方案和停站时间。
17.进一步地，还包括：
18.判断所述第一充电桩不能充电且判断所述储能式列车按照所述运营计划能够从所述第一充电桩运行至所述第二充电桩，则令所述储能式列车按照所述运营计划运行。
19.进一步地，还包括：
20.判断所述第一充电桩能够充电且判断所述储能电池能够在所述第一充电桩的停站时间约束内充电至所述储能电池状态边界，则以所述停站时间约束作为充电时长约束对所述储能电池进行充电。
21.进一步地，所述运行约束包括列车特性约束、线路限速约束和储能电池输出功率约束中的一种或多种。
22.进一步地，所述储能电池可用电量的表达式为：
23.e
availab
＝e
current-e
min
24.其中，e
current
为储能电池当前电量，e
min
为储能电池最低电量限制，e
availab
为所述储能电池可用电量。
25.进一步地，所述节能最优控制模型的表达式为：
26.j＝min(e
t
+e
aux
)
[0027][0028]eaux
＝p
aux
t
[0029]
其中，e
t
为储能式列车牵引能耗，e
aux
为辅助系统能耗，s0和sf为储能式列车运行的起止点，f为牵引力，η为牵引系统效率，p
aux
为辅助系统功率，t为区间运行时间。
[0030]
进一步地，所述充电方案中的储能式列车充电时间的表达式为：
[0031][0032]
其中，t
charge
为所述储能式列车充电时间，p
charge
为充电功率，e
*pc2
为从所述第二充
电桩出发时的运营计划功耗状态值，e
pc2
为到达所述第二充电桩时的实际功耗状态值。
[0033]
进一步地，所述停站时间的表达式为：
[0034]
t
stop
＝t
charge
+t
margin
[0035]
其中，t
stop
为所述停站时间，t
margin
为时间裕量。
[0036]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0037]
本发明在充电桩发生故障的情况下，针对其不同的充电能力，以能运行至下一可充电站点和降低对运营系统的影响为目标，综合优化充电方案和运行方案，可快速恢复储能式列车的运行状态，从而提高了该运载系统的运营效率和稳定性。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明实施例提供的一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法的总体流程图；
[0040]
图2为本发明实施例提供的在充电桩故障下无法充电时的列车运行方案优化流程图；
[0041]
图3为本发明实施例提供的在充电桩故障下能够部分充电时的列车充电方案优化流程图。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0043]
本技术的说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”或“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序的。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0044]
在充电桩发生故障时，若列车在该站点无法充电，由于列车牵引运行和辅助系统所需电能均由车载的储能电池提供，对其运行能力进行判断，若无法按照运营计划运行至下一可充电站点，则需对列车的运行方案进行优化以实现节能运行，反之则按照原先制定的运营计划方案运行；若列车能在该充电站点进行部分电能的补充，则以列车能够运行至下一可充电站点和降低充电桩故障对运营系统的影响为综合目标，调整列车在该站点的充电时间。列车运行至下一可充电站点后，调整列车储能电池的充电时间，从而恢复列车运行状态。
[0045]
该方案针对充电桩故障的情况，以列车能够运行至下一可充电站点和降低充电桩
故障对运营系统的影响为综合目标，考虑充电桩的故障程度，对列车的充电方案和运行方案进行综合地优化，能够使列车尽快地恢复到正常的运行状态，对于储能式列车运营系统的正常运转具有十分重要的意义。
[0046]
图1所示为储能式列车充电桩故障下运行状态恢复方法的总体流程图。该方法首先获取基本数据，判断故障充电桩站点是否能够充电，若能则优化在该站点的充电方案，若不能则优化运行至下一可充电站点的运行方案，之后优化在下一可充电站点的充电方案并输出。该方法可以实现在充电桩故障下有轨电车在下一可充电站点恢复至计划运行状态的目标。
[0047]
更具体的，在一个实施例中，一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法总体可以包括如下几个步骤：
[0048]
步骤s1：获取列车运营计划(包括列车在各区间的运行时间、速度，在各站的停站时间和在可充电站点的充电方案等)、线路的基本信息(包括限速、坡度和曲线等)、车站的基本信息(包括车站公里标、有无充电桩及充电功率等)、充电桩故障信息(包括是否能够充电、充电功率等)、列车的特性数据(包括车重、牵引制动特性、基本阻力特性等)、辅助系统功率信息(包括辅助系统的功率大小)、车载储能电池的状态信息(包括储能电池的电压、电量信息等)。
[0049]
步骤s2：基于步骤s1的可充电站点(也即充电桩，此处的p
c1
即为第一充电桩)p
c1
的充电桩故障信息，判断站点p
c1
是否能够充电，若不能充电则转步骤s3,若能够充电则转步骤s4。
[0050]
步骤s3：判断列车按照运营计划能否从p
c1
运行至下一可充电站点p
c2
(此处的p
c2
即为从第一充电桩p
c1
开始沿列车运行方向的下一个可充电的充电桩，也即为第二充电桩)，若能够则按照运营计划运行，若不能则以运行至下一可充电站点p
c2
为目标，建立节能最优控制模型，优化列车的运行方案。
[0051]
步骤s4：计算从p
c1
按照运营计划准点运行至p
c2
的储能电池状态边界，判断储能电池能否在p
c1
的停站时间约束内充电至储能电池状态边界，若能则在停站时间约束内充电直至达到储能电池状态边界，若不能则以储能电池充电至储能电池状态边界为目标调整在p
c1
的充电方案和停站时间，之后列车按照运营计划运行方案运行至p
c2
站点。
[0052]
步骤s5：以储能电池充电至运营计划状态为目标，调整列车在p
c2
站点的充电方案和停站时间。
[0053]
步骤s6：输出列车在站点p
c1
、p
c2
的充电方案和运行方案的优化结果。
[0054]
其中，储能式列车一般指由超级电容、蓄电池或两者组成的混合电池组作为车载储能系统供电的有轨列车。
[0055]
充电桩故障：对储能电池充电的装置发生故障导致充电能力下降或者丢失的情况。
[0056]
状态恢复：列车储能电池的电压、电量发生偏离后恢复至运营计划状态的过程。
[0057]
如图2所示，上述的充电桩在发生故障后无法充电的列车运行方案优化过程为：首先判断列车是否能够按照计划运行方案运行至下一可充电站点，若能够则采用原计划运行方案运行，若不能则建立有轨电车运行节能最优控制模型，设计优化算法求解列车的节能速度曲线。如此一来，可以确保列车在充电桩无法充电的情况下可顺利运行至下一可充电
站点。
[0058]
更具体的，上述步骤s3具体可以包括以下几个子步骤：
[0059]
步骤s3.1：基于列车储能电池在p
c1
的状态，考虑运行约束，按照运营计划计算列车运行至下一可充电站点p
c2
的运行能耗及运行过程中的储能电池状态。
[0060]
步骤s3.2：基于步骤s3.1计算的运行能耗及到站状态，若运行能耗小于储能电池可用电量，且储能电池状态在正常工作状态范围内，列车能按照运营计划运行至p
c2
，则不调整运行方案，转步骤s3.5；反之则不能按照运营计划运行至p
c2
，转步骤s3.3。
[0061]
步骤s3.3：考虑运行约束，以列车运行能耗最低为目标，建立节能最优控制模型。
[0062]
步骤s3.4：使用优化算法，求解列车的节能运行方案。
[0063]
步骤s3.5：输出列车运行方案。
[0064]
其中，运行约束包括列车特性约束、线路限速约束和储能电池输出功率约束等。
[0065]
储能电池可用电量：
[0066]eavailab
＝e
current-e
min
[0067]
式中：e
current
为储能电池当前电量，e
min
为储能电池最低电量限制，e
availab
为储能电池可用电量。
[0068]
节能最优控制模型：
[0069]
j＝min(e
t
+e
aux
)
[0070][0071]eaux
＝p
aux
t
[0072]
式中：e
t
为列车牵引能耗，e
aux
为辅助系统能耗，s0、sf为列车运行起止点，f为牵引力，η为牵引系统效率，p
aux
为辅助系统功率，t为区间运行时间。
[0073]
如图3所示，上述的充电桩发生故障后能够部分充电的列车充电方案优化过程为：基于有轨电车到达下一可充电站点时储能电池的最低工作状态，按照计划运行方案反向计算有轨电车从故障充电桩站点出发时储能电池的边界状态，从而确定在故障充电桩站点的充电方案。可以在确保运行至下一充电站点的前提下尽可能地降低对运营系统的影响。
[0074]
更具体的，上述步骤s4具体可以包括以下几个子步骤：
[0075]
步骤s4.1：列车到达站点p
c2
时取储能电池状态为正常工作状态下界(u
min
,e
min
)，按照运营计划运行方案反向计算列车储能电池在p
c1
的储能电池状态边界(u
bound
,e
bound
)。
[0076]
步骤s4.2：基于实际储能电池状态计算在p
c1
停站时间约束内充电后的电池状态，判断充电后电池电压和电量是否大于步骤s4.1计算出的储能电池边界状态，若是则转步骤s4.3；若不是则转步骤s4.4。
[0077]
步骤s4.3：以p
c1
停站时间作为充电时长约束，对列车储能电池进行充电。
[0078]
步骤s4.4：在p
c1
对列车储能电池进行充电，充电至步骤s4.1计算出的储能电池边界状态后停止。
[0079]
步骤s4.5：列车按照运营计划运行方案运行至p
c2
。
[0080]
其中，充电方案和停站时间的表达式分别为：
[0081][0082]
t
stop
＝t
charge
+t
margin
[0083]
式中：t
charge
、t
margin
和t
stop
分别表示充电方案中的储能式列车充电时间、时间裕量和停站时间，e
*pc2
为列车在p
c2
站点出发时的运营计划功耗状态值，e
pc2
为列车在到达p
c2
站点时的实际功耗状态值，p
charge
为充电功率。
[0084]
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
[0085]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0086]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法，其特征在于，包括：判断第一充电桩不能充电且判断所述储能式列车按照运营计划不能从所述第一充电桩运行至下一个可充电的第二充电桩，则以运行至所述第二充电桩为目标构建节能最优控制模型，优化所述储能式列车的运行方案；判断所述第一充电桩能够充电且判断储能电池不能在所述第一充电桩的停站时间约束内充电至储能电池状态边界，则以所述储能电池充电至所述储能电池状态边界为目标优化所述储能式列车在所述第一充电桩的充电方案和停站时间；以所述储能电池充电至运营计划状态为目标，调整所述储能式列车在所述第二充电桩的充电方案和停站时间；输出所述储能式列车在所述第一充电桩和第二充电桩的充电方案及运行方案的优化结果。2.如权利要求1所述的运行状态恢复方法，其特征在于，所述判断第一充电桩不能充电且判断所述储能式列车按照运营计划不能从所述第一充电桩运行至下一个可充电的第二充电桩，则以运行至所述第二充电桩为目标构建节能最优控制模型，优化所述储能式列车的运行方案具体包括：基于所述储能电池在所述第一充电桩的状态，考虑运行约束，按照所述运营计划获取所述储能式列车运行至所述第二充电桩的运行能耗及运行过程中的储能电池可用电量；判断所述储能电池可用电量小于所述运行能耗，考虑所述运行约束，以所述运行能耗最小化为目标，构建所述节能最优控制模型；基于所述节能最优控制模型，使用优化算法以获取所述储能式列车的节能运行方案。3.如权利要求1所述的运行状态恢复方法，其特征在于，所述判断所述第一充电桩能够充电且判断储能电池不能在所述第一充电桩的停站时间约束内充电至储能电池状态边界，则以所述储能电池充电至所述储能电池状态边界为目标优化所述储能式列车在所述第一充电桩的充电方案和停站时间具体包括：以所述储能式列车到达所述第二充电桩时的所述储能电池的状态为正常工作状态下界，按照所述运营计划反向获取所述储能电池在所述第一充电桩的所述储能电池状态边界；基于所述储能电池的实际状态获取其在所述第一充电桩的停站时间约束内充电后的电池状态，判断充电后的电池电压和电量小于所述储能电池状态边界，则以所述储能电池充电至所述储能电池状态边界为目标优化所述储能式列车在所述第一充电桩的充电方案和停站时间。4.如权利要求1所述的运行状态恢复方法，其特征在于，还包括：判断所述第一充电桩不能充电且判断所述储能式列车按照所述运营计划能够从所述第一充电桩运行至所述第二充电桩，则令所述储能式列车按照所述运营计划运行。5.如权利要求1所述的运行状态恢复方法，其特征在于，还包括：判断所述第一充电桩能够充电且判断所述储能电池能够在所述第一充电桩的停站时间约束内充电至所述储能电池状态边界，则以所述停站时间约束作为充电时长约束对所述储能电池进行充电。6.如权利要求2所述的运行状态恢复方法，其特征在于，所述运行约束包括列车特性约
束、线路限速约束和储能电池输出功率约束中的一种或多种。7.如权利要求2所述的运行状态恢复方法，其特征在于，所述储能电池可用电量的表达式为：e
availab
＝e
current-e
min
其中，e
current
为储能电池当前电量，e
min
为储能电池最低电量限制，e
availab
为所述储能电池可用电量。8.如权利要求2所述的运行状态恢复方法，其特征在于，所述节能最优控制模型的表达式为：j＝min(e
t
+e
aux
)e
aux
＝p
aux
t其中，e
t
为储能式列车牵引能耗，e
aux
为辅助系统能耗，s0和s
f
为储能式列车运行的起止点，f为牵引力，η为牵引系统效率，p
aux
为辅助系统功率，t为区间运行时间。9.如权利要求3所述的运行状态恢复方法，其特征在于，所述充电方案中的储能式列车充电时间的表达式为：其中，t
charge
为所述储能式列车充电时间，p
charge
为充电功率，e
*pc2
为从所述第二充电桩出发时的运营计划功耗状态值，e
pc2
为到达所述第二充电桩时的实际功耗状态值。10.如权利要求9所述的运行状态恢复方法，其特征在于，所述停站时间的表达式为：t
stop
＝t
charge
+t
margin
其中，t
stop
为所述停站时间，t
margin
为时间裕量。

技术总结
本发明公开了一种储能式列车在充电桩故障下的运行状态恢复方法，包括：判断故障充电桩站点是否能充电，若能则优化在该站点的充电方案，若不能则优化运行至下一可充电站点的运行方案，之后优化下一可充电站点的充电方案并输出，可以实现在充电桩发生故障时有轨电车在下一可充电站点恢复至计划运行状态的目标。本发明在充电桩发生故障的情况下，针对其不同的充电能力，以能运行至下一可充电站点和降低对运营系统的影响为目标，综合优化充电方案和运行方案，可快速恢复储能式列车的运行状态，从而提高了该运载系统的运营效率和稳定性。而提高了该运载系统的运营效率和稳定性。而提高了该运载系统的运营效率和稳定性。


技术研发人员：张华志 王青元 邓小训 何斌 孙鹏飞 湛博 郑毅 龚孟荣 鄢克勤 张海申 王沛沛 马德明
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.10.20
技术公布日：2022/12/30