城市軌道交通不間斷供電系統(tǒng)蓄電池容量改進(jìn)整定算法

郭陽，李舜康，梁君，施祎辰，黃學(xué)良

(1.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215000)2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

我國的城市軌道交通弱電系統(tǒng)主要由通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)以及乘客信息系統(tǒng)等組成。不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)對(duì)于電氣設(shè)備、系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要[1]，是信息和通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，可通過保持系統(tǒng)電源的連續(xù)性和質(zhì)量來確?？煽啃訹2]。UPS可以保障失電情況下弱電系統(tǒng)的可靠供電[3]，因此目前國內(nèi)軌道交通線路大部分采用了集中供電的UPS系統(tǒng)[4]。為了保證UPS裝置可靠運(yùn)行[5]，需要根據(jù)UPS容量大小與后備時(shí)間要求配備蓄電池作為后備電源。

但在實(shí)際工程建設(shè)中，由于設(shè)計(jì)時(shí)缺乏準(zhǔn)確的資料，估算中往往所保留的裕度過大，造成了UPS容量與蓄電池容量配置嚴(yán)重浪費(fèi)。首先，蓄電池容量整定基于UPS額定容量，但估計(jì)UPS容量時(shí)一般僅將各系統(tǒng)所需要設(shè)備的預(yù)估負(fù)荷簡單相加，再乘以一定的裕度系數(shù)，沒有考慮不同類負(fù)荷特性上的差異，造成UPS提資和實(shí)際需求的較大差異[6]。其次，城市軌道交通系統(tǒng)蓄電池容量整定時(shí)是將設(shè)備看作恒功率模型[3]，基于所帶負(fù)載的總額定功率乘以最大供電需求時(shí)間計(jì)算蓄電池容量，沒有考慮負(fù)載的運(yùn)行特性及不同供電需求時(shí)間，導(dǎo)致蓄電池容量設(shè)計(jì)裕度過大。

針對(duì)UPS設(shè)計(jì)容量偏大問題的研究較少，文獻(xiàn)[7]根據(jù)軌道交通實(shí)際運(yùn)行情況，將實(shí)際負(fù)荷運(yùn)行狀況下的功率相加，并乘以一定的裕度系數(shù)，得出UPS新的容量整定結(jié)果。一方面，由于各系統(tǒng)需求分析和提資時(shí)就考慮了一定的安全裕度，而各設(shè)備長期工作時(shí)的容量一般低于其最大容量，導(dǎo)致設(shè)備本身的負(fù)荷率不會(huì)太高。另一方面，UPS下各負(fù)荷同時(shí)工作的場合較少，簡單相加的結(jié)果和整體實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷相去甚遠(yuǎn)。且該方法更多依賴運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和人為經(jīng)驗(yàn)，缺乏對(duì)負(fù)荷特性的分析和足夠的理論依據(jù)。

針對(duì)蓄電池定容問題，往往假定設(shè)備以UPS恒定功率運(yùn)行，之后兩小時(shí)作為后備時(shí)間計(jì)算電池后備容量。文獻(xiàn)[8]指出，恒功率計(jì)算模型在計(jì)算不同后備時(shí)間負(fù)荷容量時(shí)會(huì)造成容量過大的問題。蓄電池的應(yīng)用范圍較廣，在其他行業(yè)中同樣存在定容問題，也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[9]針對(duì)發(fā)電廠蓄電池容量整定問題，采取容量換算法計(jì)算容量。該方法不但得出的結(jié)果偏大較多，而且需要電壓水平校驗(yàn)。針對(duì)變電站內(nèi)直流負(fù)荷的蓄電池容量計(jì)算問題，較多文獻(xiàn)采用階梯負(fù)荷法得到了變電站蓄電池容量計(jì)算的改進(jìn)方法[10]，但在進(jìn)行直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)的過程中未對(duì)最大負(fù)荷做出預(yù)測。

為節(jié)約城市軌道交通不間斷供電系統(tǒng)的蓄電池投資，加強(qiáng)對(duì)UPS及蓄電池容量整定二者關(guān)系的研究，提出一種新的容量削減方法。首先分析了傳統(tǒng)UPS容量整定方法，指出其容量整定過大的原因。然后根據(jù)負(fù)荷的不同特性進(jìn)行負(fù)荷聚類，對(duì)于波動(dòng)性較大的負(fù)荷，利用負(fù)荷持續(xù)曲線(load duration curve，LDC)來模擬UPS所帶負(fù)荷的特性，采用Weibull分布擬合該曲線以預(yù)測最大運(yùn)行負(fù)荷；對(duì)于平穩(wěn)負(fù)荷，采用負(fù)荷系數(shù)法預(yù)測最大運(yùn)行負(fù)荷，將各類負(fù)荷預(yù)測結(jié)果之和作為蓄電池容量計(jì)算的基礎(chǔ)。接著，根據(jù)不同負(fù)荷后備時(shí)間不同導(dǎo)致不同時(shí)刻放電電流大小不一致的性質(zhì)，采用階梯負(fù)荷法削減蓄電池容量。最后以蘇州軌道交通3號(hào)線為例，削減了某車站通信系統(tǒng)的UPS蓄電池容量。

1 負(fù)荷聚類

負(fù)荷聚類分析是開展負(fù)荷特性分析、負(fù)荷建模等工作的基礎(chǔ)[11]。對(duì)于軌道交通不間斷供電系統(tǒng)所帶負(fù)荷，有的負(fù)荷具有較大的波動(dòng)性，其隨著人流量等因素呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律；有的負(fù)荷則較為平穩(wěn)，與時(shí)序關(guān)聯(lián)性不明顯。因此，有必要根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)，通過對(duì)歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行聚類，為后續(xù)最大負(fù)荷預(yù)測打下基礎(chǔ)。

文中采用近鄰傳播(affinity propagation,AP)算法對(duì)UPS所帶負(fù)荷進(jìn)行特征分析，具體原理可參考文獻(xiàn)[12]。相比其他聚類算法，AP算法具有精度高、速度快的優(yōu)勢[13]。此算法采取待聚類元素相似度矩陣，即取二者之間的負(fù)歐氏距離[14]：

(1)

式中：S(i,j)為場景i與場景j間的相似度；Ri,t，Rj,t分別為場景i，j在t時(shí)刻的狀態(tài)。參考度p=S(k,k)表示第k個(gè)場景成為聚類中心的可能，p的初值關(guān)系到最終的聚類個(gè)數(shù)，將其設(shè)為矩陣的均值。

(2)

矩陣S(i,k)表征了場景k作為場景i聚類中心的概率。對(duì)于其他場景k′，S(i,k′)表示場景k′作為場景i聚類中心的幾率，而a(i,k′)表示i對(duì)k′的認(rèn)可度，兩者之和就是k′成為i聚類中心的合理度。那么可定義場景k對(duì)場景i的吸引度為：

(3)

a(i,k)描述了場景i將場景k作聚類中心的傾向性，含義是：如果場景k是場景i以外的其他場景i′的聚類中心的傾向性很高，那么k成為i的聚類中心的傾向性也很高。

(4)

為了避免AP聚類算法迭代過程中的振蕩，在每次迭代中加上[0.5,1]的阻尼系數(shù)λ。

rnew(i,k)=λrold(i,k)+(1-λ)r(i,k)

(5)

anew(i,k)=λaold(i,k)+(1-λ)a(i,k)

(6)

式中：rold，rnew分別為更新前、后的吸引度；aold，anew分別為更新前、后作為聚類中心的傾向性。

迭代完成后，首先判定聚類中心，當(dāng)式(7)為正時(shí)，可將該場景作為中心。然后為每個(gè)j選擇相應(yīng)的聚類中心，即選擇與場景j的吸引度和認(rèn)可度之和最大的場景i作為場景j的聚類中心。

r(i,i)+a(i,i)>0

(7)

為評(píng)價(jià)聚類的效果，文中采用戴維森堡丁指數(shù)(Davies-Bouldin index，DBI)指標(biāo)來評(píng)價(jià)[15]。具體聚類個(gè)數(shù)下的聚類效果，其值越小，聚類效果越好：

(8)

式中：K為聚類個(gè)數(shù)；Ri為第i類的最大合適度?？筛鶕?jù)組內(nèi)緊致度Gi和組間離散度Mij計(jì)算：

(9)

Mij=||Ai-Aj||2

(10)

式中：Ni為類i的場景數(shù)；Xj為類i的第j個(gè)場景；Ai，Aj分別為類i，j的中心；Mij為類i聚類中心與類j聚類中心的距離，反映了2類之間的離散程度。可以看出，Gi越小，第i類中場景與聚類中心越緊密。綜合兩者可計(jì)算合適度并給出第i類的最大合適度：

(11)

2 UPS實(shí)際最大負(fù)荷預(yù)測

對(duì)UPS下負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不同負(fù)荷的波動(dòng)性存在著較大差異。對(duì)于比較平穩(wěn)的負(fù)荷，最大運(yùn)行負(fù)荷只需在其歷史最大負(fù)荷基礎(chǔ)上考慮一定的備用。對(duì)于波動(dòng)性較大的負(fù)荷，要提煉波動(dòng)性特征并建立合適的預(yù)測模型，以真實(shí)反映波動(dòng)特性。故文中分別采用2種預(yù)測，提出適應(yīng)不同種類的最大負(fù)荷預(yù)測模型，以提供給蓄電池容量削減較為準(zhǔn)確的UPS容量數(shù)據(jù)。

2.1 波動(dòng)負(fù)荷最大負(fù)荷預(yù)測

地鐵負(fù)荷和周邊環(huán)境和人流量等存在一定的關(guān)聯(lián)性，其特性不可能在短期內(nèi)發(fā)生較大改變[16]，可以根據(jù)其最近期的歷史數(shù)據(jù)，形成等效LDC。LDC可以反映峰值和峰谷負(fù)荷之間的差異性，對(duì)其進(jìn)行模擬可以反映該負(fù)荷的波動(dòng)特性，因此可以通過該曲線進(jìn)行最大負(fù)荷預(yù)測。

LDC是將設(shè)備功率按照從大至小的順序重新排序后得到的曲線。在應(yīng)用過程中常將其橫、縱坐標(biāo)互換，得到轉(zhuǎn)置LDC。將轉(zhuǎn)置LDC分別進(jìn)行標(biāo)幺處理后的曲線稱為等效LDC[16]，如圖1所示。

圖1 典型等效LDCFig.1 Typical equivalent LDC

該曲線上的點(diǎn)為設(shè)備運(yùn)行功率值大于該點(diǎn)的概率，如式(12)所示。

FLDC(x)=p(L*>x)

(12)

式中：FLDC(x)為負(fù)荷持續(xù)曲線；p(L*>x)為標(biāo)幺值L*大于x的概率。由式(12)可知，可以用某種概率分布函數(shù)表述負(fù)荷特性。

經(jīng)試驗(yàn)分析可知，大多數(shù)的LDC可采取雙參數(shù)Weibull分布擬合表征。該分布曲線的雙參數(shù)可以較好地表征功率曲線的形狀與峰谷負(fù)荷信息。

由于等效LDC的定義與隨機(jī)變量分布函數(shù)定義的累積方向不同，且曲線中最小負(fù)荷左邊的部分恒等于小時(shí)數(shù)，需要對(duì)雙參數(shù)Weibull分布做適當(dāng)變換。得到實(shí)際LDC與等效LDC(Weibull分布函數(shù)曲線)的關(guān)系如式(13)所示。

(13)

式中：t為用電小時(shí)數(shù)；Pmin，Pmax分別為負(fù)荷最小值和最大值。

基于Weibull分布的LDC擬合模型為：

Fldc(x)=e-(x/c)k

(14)

擬合時(shí)，以上模型中的參數(shù)c與k可由非線性最小二乘法確定。

現(xiàn)分析擬合模型中參數(shù)與系統(tǒng)負(fù)荷的關(guān)系，以雙參數(shù)Weibull分布為例，若假設(shè)負(fù)荷服從Weibull分布，則總用電量為：

(15)

其中，

(16)

令：

s=(x/c)k

(17)

得：

(18)

其中Γ為gamma函數(shù)：

(19)

由式(18)可見，Weibull函數(shù)的參數(shù)c，k與平均負(fù)荷有緊密聯(lián)系。參數(shù)c與總電量呈線性關(guān)系，而參數(shù)k則表征系統(tǒng)峰谷差的大小，間接影響系統(tǒng)總電量，均具有較為明顯的物理意義。

擬合得到LDC并不能直接用于UPS最大運(yùn)行負(fù)荷的確定，因?yàn)樵撉€是基于歷史數(shù)據(jù)的，還需要考慮UPS所帶設(shè)備未來功率增長變動(dòng)等情況。因此，文中提出采用基于雙參數(shù)Weibull的功率曲線預(yù)測模型：

(20)

式中：λ為與預(yù)測相關(guān)的功率增長因子；β為與峰谷功率差相關(guān)的峰谷因子。β反映了預(yù)測負(fù)荷在最大值與最小值至今波動(dòng)變化的情況，預(yù)測時(shí)可取0.8～1.2。β取值小于1.0時(shí)，表示高負(fù)荷時(shí)段所占比重增加；反之，表示比重降低，可以結(jié)合實(shí)際UPS負(fù)荷情況確定。

由以上分析可知，使用該模型對(duì)波動(dòng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，即可有效預(yù)測未來的LDC和最大負(fù)荷。

2.2 平穩(wěn)負(fù)荷最大負(fù)荷預(yù)測

對(duì)于用電較為平穩(wěn)的設(shè)備而言，其負(fù)荷隨時(shí)間變化的周期特性并不明顯，采用傳統(tǒng)的負(fù)荷系數(shù)法進(jìn)行最大負(fù)荷預(yù)測似乎更為合理。文中將設(shè)備類型分為2類：連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷A和備用運(yùn)行負(fù)荷B。其主要計(jì)算過程如下：

Pmax=xA+yB

(21)

式中：Pmax為最大運(yùn)行負(fù)荷；負(fù)荷系數(shù)x一般為100%(當(dāng)負(fù)荷為辦公室電源時(shí)，x取90%)，y為30%。

當(dāng)?shù)玫讲煌愋妥畲筮\(yùn)行負(fù)荷預(yù)測后，可根據(jù)后備時(shí)間和所在系統(tǒng)將其重新整合，得出UPS所帶負(fù)荷的最終預(yù)測結(jié)果。

文中針對(duì)不同設(shè)備類型，采用不同的預(yù)測方法進(jìn)行最大功率預(yù)測。選用的2種方法操作簡單，參數(shù)少，預(yù)測精準(zhǔn)且具有一定的物理意義。方法不僅可以表征歷史數(shù)據(jù)，還可以設(shè)定模型參數(shù)，預(yù)測未來設(shè)備最大功率。如果用于新城市軌道交通不間斷供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以采用相似地鐵線路的數(shù)據(jù)擬合得到該曲線，并根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)等設(shè)定不同的負(fù)荷因子即可。

3 基于階梯符合法的蓄電池容量削減

根據(jù)分析，城市軌道交通通信系統(tǒng)蓄電池容量偏大的原因主要來源于UPS和蓄電池2個(gè)方面。文中將從蓄電池定容方面提出新的蓄電池容量削減方法。考慮到已經(jīng)安裝的UPS很難減容，用UPS最大預(yù)測負(fù)荷來進(jìn)行計(jì)算，為后續(xù)站點(diǎn)容量整定提供借鑒。同時(shí)，考慮不同類負(fù)荷及其后備供電時(shí)間的關(guān)系，將蓄電池容量計(jì)算中的恒功率模型替換成階梯負(fù)荷模式，進(jìn)一步進(jìn)行削減。

根據(jù)安裝地點(diǎn)的不同，UPS所帶負(fù)荷也不完全一致，不同負(fù)荷的后備時(shí)間要求也有所不同?；诘?章的預(yù)測方法，首先需要分析不同類負(fù)荷和其后備供電時(shí)間要求的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，文中采用目前軌道交通蓄電池定容較少使用的階梯負(fù)荷法進(jìn)一步削減蓄電池容量[17]，其步驟是按照各個(gè)階段的放電電流分別整定各階段的蓄電池容量，比較后取最大值[18—20]。該方法以終止電壓不低于最低允許電壓為前提，利用事故放電電流和容量系數(shù)求得經(jīng)常負(fù)荷和事故負(fù)荷所對(duì)應(yīng)容量，因此不需要校驗(yàn)放電電壓水平，如圖2所示。

圖2 階梯負(fù)荷示意Fig.2 Schematic diagram of stepped load

根據(jù)放電電流水平的不同將放電過程分為不同的階段，分別對(duì)不同階段的蓄電池所需容量進(jìn)行整定：

(1)計(jì)算第一階段蓄電池放電所需容量。

Cc1=KkI1/Kc1

(22)

(2)計(jì)算第二階段蓄電池放電所需容量。

(23)

(3)計(jì)算第三階段蓄電池放電所需容量。

(24)

式中：Kk為裕度系數(shù)；Kc1為放電過程全階段容量換算系數(shù)；Kc2為放電過程除去第一階段容量換算系數(shù)；Kc3為放電過程除去第一、第二階段容量換算系數(shù)；I1，I2，I3分別為第一、二、三階段放電電流大小。

剩余放電過程以此類推，求出所有階段所需的蓄電池整定容量后，取所需最大整定容量作為此次全過程放電最終容量整定結(jié)果。

綜上，文中按照如下方法進(jìn)行不間斷供電系統(tǒng)蓄電池容量削減：

(1)根據(jù)UPS所帶負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷聚類，再根據(jù)負(fù)荷聚類結(jié)果將負(fù)荷分為波動(dòng)負(fù)荷和平穩(wěn)負(fù)荷。

(2)針對(duì)波動(dòng)負(fù)荷，采用雙參數(shù)Weibull模擬負(fù)荷曲線預(yù)測最大負(fù)荷；針對(duì)平穩(wěn)負(fù)荷，采用負(fù)荷系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，并將二者預(yù)測結(jié)果相加，得出UPS所帶最大負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。

(3)根據(jù)最大負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，采用階梯負(fù)荷法，計(jì)算該預(yù)測結(jié)果下蓄電池所需容量。

4 軌道交通通信不間斷供電系統(tǒng)蓄電池容量削減算例

蘇州地鐵3號(hào)線，是蘇州市第四條建成運(yùn)營的線路。該線路于2015年1月20日開始建設(shè)，2019年8月18日開始試運(yùn)行，2019年12月25日開通。以蘇州地鐵軌道交通3號(hào)線某站通信系統(tǒng)為例，驗(yàn)證文中所提出的蓄電池容量削減方法。該車站UPS所承載負(fù)荷有：通信子系統(tǒng)包含的各項(xiàng)設(shè)備負(fù)荷，綜合監(jiān)控系統(tǒng)包含的各項(xiàng)設(shè)備負(fù)荷，乘客信息系統(tǒng)負(fù)荷以及自助檢票系統(tǒng)負(fù)荷。

4.1 西津橋站原UPS及蓄電池容量計(jì)算方法

4.1.1 原UPS容量整定方法

在蘇州地鐵設(shè)計(jì)階段，根據(jù)表1的各方提資，該車站通信系統(tǒng)總負(fù)荷為52.975 4 kW，保留一定安全裕度,根據(jù)功耗向上取整。蘇州地鐵3號(hào)線該車站負(fù)荷按54 kW配置，功率因數(shù)取0.8，采用80 kV·A的UPS作為電源主機(jī)。

表1 蘇州地鐵車站負(fù)荷提資統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of load raising of Suzhou metro station

4.1.2 原蓄電池容量整定方法

基于上述整定方法確定的UPS容量后，假定設(shè)備以UPS恒定功率運(yùn)行，蓄電池按每組39節(jié)配置，計(jì)算可得負(fù)荷電流I=134.999 A。以后兩小時(shí)作為后備時(shí)間，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[21]，t和電池溫度系數(shù)一般取15 ℃和0.006。取T=2,K=1.25,根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)放電系數(shù)η=0.61，帶入容量計(jì)算公式：

Q≥KIT/(0.94η)

(25)

則相應(yīng)所需蓄電池容量為588.59 A·h。

4.2 負(fù)荷聚類結(jié)果

對(duì)UPS所帶負(fù)荷進(jìn)行分析，根據(jù)不同類型負(fù)荷進(jìn)行聚類分析，以車站為例，得到其中負(fù)荷聚類中心結(jié)果如圖3。將車站UPS所帶負(fù)荷分為3類時(shí)，此時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)DBI值為0.335 2，最低。將文中所用算法與傳統(tǒng)K-means算法的聚類效果比較，此時(shí)傳統(tǒng)K-means算法DBI值為0.54，表明聚類后各場景與AP算法得到的聚類中心間的緊致程度更高，且聚類中心間的離散程度更大，體現(xiàn)了AP聚類算法的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 車站UPS 3類負(fù)荷聚類中心Fig.3 Three kinds of load clustering center

綜合監(jiān)控系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)為第一類負(fù)荷；自助檢票系統(tǒng)前端設(shè)備、視頻監(jiān)控機(jī)柜2,3為第二類負(fù)荷；廣播機(jī)柜、時(shí)鐘、車控室插排等為第三類負(fù)荷。其中，第一類負(fù)荷由于檢修和上下班出行高峰等原因，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)序相關(guān)性和波動(dòng)性特征，在周末的時(shí)候整體功率呈現(xiàn)上升趨勢。第二類和第三類負(fù)荷的時(shí)序特性并不明顯，由于功率大小存在較大差異，因此分為2類，但二者的聯(lián)系較為緊密且負(fù)荷特性接近，因此均可以采用穩(wěn)定負(fù)荷的最大功率預(yù)測法進(jìn)行預(yù)測。

4.3 車站UPS最大負(fù)荷預(yù)測

根據(jù)4.2節(jié)負(fù)荷聚類結(jié)果進(jìn)行車站最大負(fù)荷預(yù)測，其中，波動(dòng)負(fù)荷預(yù)測方法適用于綜合監(jiān)控系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)，平穩(wěn)負(fù)荷預(yù)測方法適用于其余2類負(fù)荷。

4.3.1 利用Weibull方法的最大負(fù)荷預(yù)測

對(duì)采集到的乘客信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)幺化處理，使其滿足概率分布最大值為1的條件后，繪制LDC，如圖4所示。

圖4 車站乘客信息系統(tǒng)LDCFig.4 The LDC of the station passenger information system

可以看出，該LDC大致符合Weibull分布，采取第2章的負(fù)荷擬合方法，得出基于Weibull概率分布，結(jié)果如圖5所示。

圖5 車站乘客信息系統(tǒng)LDC擬合結(jié)果Fig.5 The LDC fitting results of the station passenger information system

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫坐標(biāo)標(biāo)幺值小于0.75時(shí)，擬合結(jié)果較好。當(dāng)橫坐標(biāo)標(biāo)幺值大于0.75時(shí)，由于Weibull分布右側(cè)是不閉合的，而負(fù)荷曲線右側(cè)是閉合的，因此出現(xiàn)了誤差。對(duì)于此誤差，沒有必要糾正，這是因?yàn)椋?/p>

(1)確定容量的過程中，往往更關(guān)注左側(cè)負(fù)荷峰值情況，右側(cè)常因檢修或者其他原因?qū)е仑?fù)荷較低，參考意義不大。

(2)以下會(huì)將擬合曲線設(shè)定負(fù)荷預(yù)測參數(shù)后積分。此時(shí)Weibull分布的擬合概率大于實(shí)際概率，在積分后的總用電量大于將實(shí)際用電負(fù)荷簡單相加，該部分即可作為部分安全裕度。

根據(jù)式(20)，選取合適的系數(shù)，可以得出LDC預(yù)測模型。其中，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，負(fù)荷增長因子λ取1.8，估計(jì)參數(shù)β一般在0.8～1.2之間，為防止高負(fù)荷時(shí)段有所增加并留有一定裕度，本次預(yù)測取值為0.8。

可得最大功率預(yù)測結(jié)果為：

(26)

式中：Esum為預(yù)測總用電量；P為預(yù)測功率；t為測量的總小時(shí)數(shù)。由此得出明年車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果為3.13 kW，該值相比原來整定的負(fù)荷功率縮減了較大程度的裕度 。如果要保留更大的安全裕度，可以在此基礎(chǔ)上再乘以整定后的裕度系數(shù)。

4.3.2 利用負(fù)荷系數(shù)法的最大負(fù)荷預(yù)測

除視頻監(jiān)控系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)外，其余2類負(fù)荷雖不屬同一類，但其負(fù)荷均較為平穩(wěn)，波動(dòng)不大，與時(shí)間周期性關(guān)系并不明顯，采用負(fù)荷系數(shù)法進(jìn)行最大負(fù)荷預(yù)測較為合理。

對(duì)負(fù)荷特性進(jìn)行分析，根據(jù)式(21)計(jì)算峰值負(fù)荷，裕度系數(shù)Kk根據(jù)專家建議取1.4，則得出其峰值負(fù)荷為8.45 kW。

4.4 車站蓄電池容量削減

據(jù)4.2節(jié)對(duì)蘇州地鐵3號(hào)線某車站通信系統(tǒng)負(fù)荷聚類結(jié)果顯示，第一類負(fù)荷中包含乘客信息系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)；第二類負(fù)荷包含自主檢票系統(tǒng)；第三類負(fù)荷包含通信子系統(tǒng)中各類負(fù)荷。表2則列出了該車站通信負(fù)荷的后備供電時(shí)間。

由表2可見，負(fù)荷聚類結(jié)果與工程中對(duì)各項(xiàng)負(fù)荷后備供電時(shí)間要求一致，說明了負(fù)荷聚類的合理性和必要性。由于兩者的一致性，可以根據(jù)表2中不同后備時(shí)間內(nèi)的事故放電電流，采用階梯負(fù)荷法削減蓄電池容量。

表2 地鐵站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表Table 2 Load statistics of subway stations

繪制階梯負(fù)荷電流曲線如圖6所示。

圖6 地鐵站負(fù)荷曲線Fig.6 Load curve of subway station

為保證直流設(shè)備的端電壓大于最低電壓要求，對(duì)于逆變電源裝置電壓波動(dòng)以±10%考慮[22]。因此，集中UPS系統(tǒng)蓄電池放電終止電壓按1.8 V考慮，電池選取閥控式密封鉛酸電池。

本次容量整定時(shí)，Kk根據(jù)專家建議取1.4。根據(jù)定義，將放電分為4個(gè)階段，放電初始階段(0～1 min)，第一階段(1～30 min)，第二階段(30～60 min)和第三階段(60～120 min)。其中，放電初始階段無沖擊性負(fù)荷，因此無需考慮沖擊電流的影響。根據(jù)選定的終止電壓和蓄電池型號(hào)以及放電時(shí)間，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，得到不同時(shí)刻的容量選擇系數(shù)表[7]。

按照不同的放電階段，根據(jù)容量選擇系數(shù)表計(jì)算不同時(shí)刻的蓄電池所需容量，并選取所需容量最大的階段作為最終整定的結(jié)果，具體計(jì)算結(jié)果如下：

(27)

經(jīng)計(jì)算，第二階段計(jì)算容量最大，為161.42 A·h，選取容量為200 A·h。與原先計(jì)算方法整定的588.39 A·h以及不采用階梯負(fù)荷法的整定值176.95 A·h相比，縮減了蓄電池所需的容量儲(chǔ)備，避免了投資浪費(fèi)。

5 結(jié)語

文中提出一種新的城市軌道交通不間斷供電系統(tǒng)的蓄電池容量削減技術(shù)。針對(duì)UPS容量偏大的問題，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行聚類后針對(duì)不同類型負(fù)荷采用不同預(yù)測方法。考慮到傳統(tǒng)恒功率模型沒有計(jì)及負(fù)載的運(yùn)行特性和供電需求，采用階梯負(fù)荷法計(jì)算蓄電池容量。最后，將所提出方法應(yīng)用于蘇州軌道交通3號(hào)線通信不間斷供電系統(tǒng)蓄電池的容量削減。與傳統(tǒng)整定方法相比，文中采用的方法加強(qiáng)了UPS容量估算與蓄電池容量整定的關(guān)系，削減了UPS容量及蓄電池容量整定值，有效減少投資浪費(fèi)。