OpenPowerNet – Simulation von Bahnstromsystemen … · 2010. 5. 10. · Pulswechselrichter Asynchron-Fahrmotor Radsatzgetriebe Gesamt Hz Wirkungsgradkennlinien (Beispiel: ICE3)

Stephan_080124_OpenPowerNet.ppt (Folie 1)

OpenPowerNet – Simulation von Bahnstromsystemen IT08 Rail Userworkshop

Prof. Dr.-Ing. Arnd StephanInstitut für Bahntechnik GmbH

OpenPowerNetSimulation von Bahnstromsystemen



• Es gibt zeitlich und örtlich veränderliche Verbraucher.• Netzstruktur und Spannung bestimmen den Lastfluss.• Das Bahnstromsystem kann den Energiebedarf beeinflussen.

Die Lastflüsse und der Energiebedarf im Stromversorgungsnetz werden von den fahrenden Zügen und von der Gestaltung der Bahnstromversorgung bestimmt.

• zum Leistungs- und Energiebedarf• für die technische Gestaltung und Dimensionierung der Anlagen

Mit der Simulation werden Analysen und Prognosen ermöglicht.

Warum Simulation von Bahnstromsystemen?



• mit abnehmender Spannung steigen die Ströme und Verluste, • bei geringer Spannung greifen Strom- bzw. Leistungsbegrenzungen

der Antriebsregelung ein ⇒ Auswirkung auf die Fahrdynamik,• die Netzspannung beeinflusst maßgeblich die Bremsenergie-

rückspeisung (Energieaufnahmefähigkeit des Netzes).

Die Spannungssituation im Bahnenergieversorgungsnetz bestimmt die Lastflüsse und kann auf die Antriebe der Triebfahrzeuge zurückwirken:

• für AC-Netze weniger relevant durch meist stabile Spannung• bei DC-Netzen mit starker Lastdynamik unumgänglich

Diese Rückwirkungen sind bei der Simulation zu erfassen.

Anforderungen



• Fahrzustände aller Züge mit angeforderter Leistung, • Positionen aller Züge im Streckennetz,• Struktur, Schaltung und Leistungsfähigkeit des Bahnstromnetzes.

Die Simulation von Bahnstromsystemen erfordert zeitgleich detaillierte Informationen zu folgenden physikalischen Prozessen:

• entweder zur Komplexität der Eisenbahnbetriebssimulation,• oder hinsichtlich der Modellierungstiefe des elektrischen Netzes

und der Fahrzeugantriebstechnik.

Aus diesem Grund wurden bisher Kompromisse eingegangen

Ausgangslage



• Linienführung/Trassierung• Gleisplan• Signalsystem• Zugdaten• Antriebsdaten• Fahrplan• Abschlussbeziehungen• Bahnbetriebsregeln

Bahnbetrieb Lastfluss und Energie

• Linienführung/Trassierung• Gleisplan• Signalsystem• Zugdaten• Antriebsdaten• Fahrplan• Anschlussbeziehungen• Bahnbetriebsregeln• Einspeisung / Unterwerke• Speiseleitungen / Kabel• Fahrleitung / Rückleitung

Anforderungen an die Simulation



• Linienführung/Trassierung• Gleisplan• Signalsystem• Zugdaten

• Fahrplan• Anschlussbeziehungen• Bahnbetriebsregeln

Bahnbetrieb Lastfluss und Energie

• Antriebsdaten

• Einspeisung / Unterwerke• Speiseleitungen / Kabel• Fahrleitung / Rückleitung

Plug-in

Trennung der Simulationsaufgaben

OpenPowerNet



OpenPowerNet

Propulsion Technology

Railway Operation Simulation

ATMAdvanced

Train Module

“Co-Simulation”

Power Supply System

PSCPower Supply

CalculationInteraction



Ablauf der Simulation pro Zeitschritt

Fahrleitungsspannung, Geforderte Zugkraft

Zugstrom

Zugposition,Geforderte

ZugkraftErreichte Zugkraft

OpenTrack

PSC ATM

OpenPowerNet



a) konstante Wirkungsgrade für die Antriebsausrüstung

b) fahrzustandsabhängige Antriebswirkungsgrade

c) lastabhängige Komponentenwirkungsgrade

d) detaillierte Maschinenmodelle für Einzelkomponenten

+ Hilfsbetriebe- und Wirbelstrombremsleistung

+ zusätzlich: Grenzwerte der Antriebsregelung(z.B. spannungsabhängige Netzstrombegrenzung)

Verfügbare Modelle für die Antriebssimulation



Pel

Pmech

Antriebsstruktur



Wirkungsgradverläufe ICE 3 für maximale ZugkraftHerstellerangabe für Betrieb bei 15 kV 16,7 Hz

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Motorfrequenz

Wirk

ungs

grad

Transformator

4-QS

Pulswechselrichter

Asynchron-Fahrmotor

Radsatzgetriebe

Gesamt

Hz

Wirkungsgradkennlinien (Beispiel: ICE3)1 AC 15 kV 16,7 Hz



1σL 2'σL1R sR 2'

HL1u

2'i1i

1 2'+i iΨH

1Ψ 2'Ψ

= +e le k t m e c h L ä u fe r v e r lu s teM M M23

2 22 ' '

2 2

⋅= =

π πR o to r v e r lu s te

L ä u fe r v e r lu s te

i RPM

n n

Modellierung von Antriebskomponenten (Beispiel: Asynchron-Fahrmotor)



23000

23500

24000

24500

25000

25500

26000

26500

27000

00:0

0

00:3

0

01:0

0

01:3

0

02:0

0

02:3

0

03:0

0

03:3

0

04:0

0

04:3

0

05:0

0

05:3

0

06:0

0

06:3

0

07:0

0

07:3

0

08:0

0

08:3

0

09:0

0

Zeit in Minuten

Spa

nnun

g in

Vol

t

-500,00

-400,00

-300,00

-200,00

-100,00

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

Str

om in

Am

pere

Spannung in Volt Strom in Ampere

Verifizierung des AntriebsmodellsStrom and Spannung am Stromabnehmer



Fahrschaubild und Leistungsverlauf ICE1Betriebsfahrt Hannover - Göttingen, Meßwerte am führenden Triebkopf,

Simulation IFB: Standardparameter und Wirkungsgradmodell ICE1/2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Weg

v

-4

-2

0

2

4

6

8

PS

tr

v Meßfahrt

v Simulation

P Meßfahrt

P Simulation

km/h

MW

km

Fehlertoleranzen: Fahrschaubild < 1 %

Energie ab Stromabnehmer < 2 %

Quelle: IFB

Geschwindigkeit und LeistungsverlaufMessung und Simulation

ICE1 Hannover – Göttingen



- Simulation aller gängigen AC- und DC-Bahnstromsystem e

- Abbildung der kompletten elektrischen Netzinfrastr uktur

- uneingeschränkte Wahl der Leiteranordnung entlang d er Strecke

- Berücksichtigung der elektromagnetischen Verkopplun gen zwischen den einzelnen Leitern bei AC-Bahnstromsyst emen

- Schaltzustandsänderungen im Bahnstromnetz während d er Simulation

- Rückwirkung auf die Fahrdynamik in der Bahnbetriebs simulation (OpenTrack)

- iterative Kommunikation mit der Antriebssimulation (ATM)

- konfigurierbare Datenausgabe

- Schnittstellen für Nachbearbeitung und Visualisieru ng

Anforderungen an das elektrische Netzmodell



Modellierung der Infrastruktur

Fahrleitungsanordnung und -schaltung



Modellierung Bahnenergieversorgung / Fahrleitungsne tz

- Abbildung der elektrischen Netzstruktur (Sektoren, Speisepunkte,Schaltung) in Kongruenz zur Gleisnetztopologie

- Elektrische Eigenschaften des speisenden Netzes

- Elektrische Eigenschaften der Unterwerke

- Elektrische Eigenschaften der Leiter (Kabel, Fahrle itung, Gleise)

- Elektrische Eigenschaften Gleis – Erde

- Modellierung von Zusatzverbrauchern (z.B. Weichenhe izungen)

- Belastbarkeit (Leiter und Unterwerke)

- Schutzeinstellungen



Aufbau der Bahnenergieversorgung (DC 0,6 … 3,0 kV)

Netzanbindung3 AC 10 / 20 / 30 kV

OLA

Schiene

Zug NICHT im Abschnitt

Zug im Abschnitt

Unterwerk

GO1

GR1

GO3

GR2

GO4

GR3

GO5

GR4

s

s

Uw1

s

s

Uw2

s

s

Uw3

s

s

Uw4

Erde

G’RE G’RE G’RE G’RE G’RE G’RE G’RE

s s s s

GO2

einseitig zweiseitig zweiseitig

0.6 kV



Aufbau der Bahnenergieversorgung (1 AC 15 kV 16,7 Hz )

Hochspannungsnetz1 AC 110 kV 16,7 Hz

OLA

Schiene

Unterwerk

YO1

YR1

YO2

YR2

YO3

YR3

s

s

Uw1

s

s

Uw2

Erde

Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE

s ss

KS

s

15 kV



Aufbau der Bahnenergieversorgung (2 AC 25 kV ~ 50 / 60 Hz)

OLA

Schiene

Negative Feeder

Zug NICHT im Abschnitt

Zug im Abschnitt

AutotransformatorUnterwerk

YO1

YR1

YN1

Autotransformator Autotransformator

YO2

YR2

YN2

YO3

YR3

YN3

YO4

YR4

s

s

s

Uw

s

s

s

AT1

s

s

s

AT2

s

s

s

AT3

Hochspannungsnetz3 AC 110 / 220 kV

Erde

Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE Y’RE

25 kV

-25 kV



Aufbau des Unterwerkes (2 AC 25 kV ~ 50/60 Hz)



Streckenseitige Leiteranordnung (z.B. Tunnel)

Source: DB KoRiL 997



300

mRL RR

E

RF

NF

MW

CW

Streckenseitige Leiteranordnung (z.B. freie Strecke )



„Scheibe“

Geometrische Anordnung der Oberleitung



y

x

(0; 0)

(x1; y1)

Material, Querschnitt

elektromagnetischeVerkopplung

Scheibe n

Geometrisches Leitermodell der Oberleitung



Abfolge der Scheiben

Scheibe 0 Scheibe 1 Scheibe 2

Knoten

Abschnitt Verbinder

Ortskoordinate

Leiter

Erde

Schiene

OLA

Negative Feeder



Mathematisches Netzwerkmodell



Elektrische Netzberechnung durch Erweitere Knotenspannungsanalyse

Spannungsfälle über den Selbst- und Gegeninduktivitäten



Verifizierung der Simulation

� punktuelle theoretische Prüfung

- Stromsumme Null für Netz-Schnitte

- Energieabgabe gleich Energieaufnahme

- Korrespondenz von Spannungs-Minima/Maxima/Sprüngen mit der Netzstruktur bei Konstantlastfahrt

� Vergleich Messfahrt / Simulation für definierte Bet riebsfälle

- fahrdynamisches Verhalten

- Strom- und Spannungsverläufe



AB07, Messfahrt F8, mit Halt

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120

Zeit [s]

Ges

chw

idni

gkei

t [km

/h]

v_TFZ_2099 v_Tfz_Simu

Verifizierung: Messfahrt und Simulation



Verifizierung: Messfahrt und Simulation

AB07, Messfahrt F8, mit Halt

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 20 40 60 80 100 120

Zeit [s]

Spa

nnun

g [V

]

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Str

om [A

]

Toleranz U (EN 50163) U_nenn U_TFZ_2099 U_Tfz_Simu I_TFZ_2099 I_Tfz_Simu

675 A

673 A



HGV-Strecke 300 km/h

100 km Doppelspur2AC 25 kV 50 Hz



Train Current

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

200 210 220 230 240 250 260

km

I [A

]

Zugstrom I = f(s)

Simulationsergebnisse: HGV-Strecke 2AC 25 kV



Train Current

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

200 210 220 230 240 250 260

km

I [A

]

Train Voltage

25000

25500

26000

26500

27000

27500

28000

200 210 220 230 240 250 260

km

U [V

]

Zugstrom I = f(s), Fahrdrahtspannung am Stromabnehmer U = f(s)




Multiple Train Voltage

25000

25500

26000

26500

27000

27500

28000

200 210 220 230 240 250 260

km

U [V

]

Spannungen am Stromabnehmer aller Züge U = f(s)




26600

26800

27000

27200

27400

27600

27800

28000

2820010

:00:

00

10:0

0:06

10:0

0:12

10:0

0:18

10:0

0:24

10:0

0:30

10:0

0:36

10:0

0:42

10:0

0:48

10:0

0:54

10:0

1:00

10:0

1:06

10:0

1:12

10:0

1:18

10:0

1:24

10:0

1:30

10:0

1:36

10:0

1:42

10:0

1:48

10:0

1:54

10:0

2:00

10:0

2:06

10:0

2:12

10:0

2:18

10:0

2:24

10:0

2:30

10:0

2:36

10:0

2:42

10:0

2:48

10:0

2:54

10:0

3:00

10:0

3:06

10:0

3:12

10:0

3:18

10:0

3:24

10:0

3:30

10:0

3:36

10:0

3:42

10:0

3:48

10:0

3:54

10:0

4:00

U[V

]

26600

26800

27000

27200

27400

27600

27800

28000

2820010

:00:

00

10:0

0:06

10:0

0:12

10:0

0:18

10:0

0:24

10:0

0:30

10:0

0:36

10:0

0:42

10:0

0:48

10:0

0:54

10:0

1:00

10:0

1:06

10:0

1:12

10:0

1:18

10:0

1:24

10:0

1:30

10:0

1:36

10:0

1:42

10:0

1:48

10:0

1:54

10:0

2:00

10:0

2:06

10:0

2:12

10:0

2:18

10:0

2:24

10:0

2:30

10:0

2:36

10:0

2:42

10:0

2:48

10:0

2:54

10:0

3:00

10:0

3:06

10:0

3:12

10:0

3:18

10:0

3:24

10:0

3:30

10:0

3:36

10:0

3:42

10:0

3:48

10:0

3:54

10:0

4:00

U[V

]

10:02:30 AT-Station ausgeschaltet

Fahrleitungsspannung U = f(t)




Conductor Current

0

20

40

60

80

100

120

140

0 3 6 9 12 15 18 21 24

km

I [A] Return Feeder

Earth

Erdstromverteilung I = f(s)T

rain

Pos

ition

SS AT1 AT2




T ra n s fo rm e r P o w e r

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

0:00

:00

10:0

6:46

10:0

6:53

10:0

7:00

10:0

7:07

10:0

7:14

10:0

7:21

10:0

7:28

10:0

7:35

10:0

7:42

10:0

7:49

10:0

7:56

10:0

8:03

10:0

8:10

10:0

8:17

10:0

8:24

10:0

8:31

10:0

8:38

10:0

8:45

10:0

8:52

10:0

8:59

10:0

9:06

10:0

9:13

10:0

9:20

10:0

9:27

10:0

9:34

10:0

9:41

10:0

9:48

10:0

9:55

10:1

0:02

10:1

0:09

10:1

0:16

10:1

0:23

P [M

W]

Transformatorleistungsgang im Unterwerk P = f(t)




T ra n s fo rm e r E n e rg y C o n s u m p tio n

0 ,0 0 0

0 ,2 0 0

0 ,4 0 0

0 ,6 0 0

0 ,8 0 0

1 ,0 0 0

1 ,2 0 0

0:00

:00

10:0

6:46

10:0

6:53

10:0

7:00

10:0

7:07

10:0

7:14

10:0

7:21

10:0

7:28

10:0

7:35

10:0

7:42

10:0

7:49

10:0

7:56

10:0

8:03

10:0

8:10

10:0

8:17

10:0

8:24

10:0

8:31

10:0

8:38

10:0

8:45

10:0

8:52

10:0

8:59

10:0

9:06

10:0

9:13

10:0

9:20

10:0

9:27

10:0

9:34

10:0

9:41

10:0

9:48

10:0

9:55

10:1

0:02

10:1

0:09

10:1

0:16

10:1

0:23

E [M

Wh]

Energiebezug ab Sammelschiene Unterwerk E = f(t)




Stadtbahnnetz300 km TRAM 220 km Trolley

DC 600 V



Fahrzeugmodellierung TRAM und Trolleybus

2 x Mirage Cobra

Tram2000 Tram2000+Pony Tram2000 Sänfte

Mercedes GTB Hess DGTB Hess



Bildfahrplan Strecke A



minimale Spannung an der Fahrleitung und am Stromab nehmerNormalbetrieb

ST

RV

t [5.

804]

HE

GA

[5.3

98]

IHA

G [5

.017

]

FR

IE [4

.681

]

FR

IB [4

.304

]

HO

EF

[3.7

48]

GO

LPt [

3.46

9]

ZW

IN [3

.175

]

KA

LKt [

2.76

2]

KE

RN

[2.4

93]

HE

LVt [

2.31

1]

MIL

A [1

.913

]

RO

EN

[1.5

81]

LIM

Mt [

1.28

8]

Heu

ri-F

riese

n

Heu

ri-H

öfliw

e

Bad

en-K

alkb

reB

aden

-Lan

gstr

Alb

is-S

chw

eig

Lette

-Lim

mat

p

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Weg [km]

Spa

nnun

g [V

]

Trenner Toleranz U (EN 50163) U_nenn U_min_abs U_min_Tfz



Gleis-Erde-Potenzial Normalbetrieb

FR

AN

[6.9

15]

WIN

Z [6

.494

]

WA

RT

[6.0

51]

ZW

IE [5

.691

]

ME

IE [5

.374

]

SC

HT

[4.9

98]

AT

RO

[4.6

02]

EG

UT

[4.2

34]

WA

IF [3

.754

]

WIP

K [3

.297

]

EW

YS

[3.0

63]

DA

MM

[2.6

89]

QU

EL

[2.4

16]

LIM

M [2

.092

]LI

MM

p [2

.003

]

MU

FG

[1.7

32]

SIH

L [1

.391

]

Fra

nk-ä

.Lim

ma

Tob

el-m

_Lim

ma

Lette

-i.Li

mm

a

Lette

-Wip

king

Lette

-o.L

imm

a

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7

Weg [km]

Spa

nnun

g [V

]



Gleichrichterbelastung und Sammelschienenspannung Normalbetrieb

400

450

500

550

600

650

700

750

0 450 900 1350 1800 2250 2700 3150 3600 4050 4500 4950 5400 5850 6300 6750 7200

Zeit [s]

Spa

nnun

g [V

]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Str

om [A

]

U-Sammelschiene I-Sammelschiene



Gleichrichterbelastung und Sammelschienenspannung Depotausfahrt

400

450

500

550

600

650

700

750

0 450 900 1350 1800 2250 2700 3150 3600 4050 4500 4950 5400 5850 6300 6750 7200 7650 8100

Zeit [s]

Spa

nnun

g [V

]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Str

om [A

]

U-Sammelschiene I-Sammelschiene



Belastung und Belastbarkeit UnterwerkNormalbetrieb, Ausfall Nachbarunterwerk

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 10 100 1000 10000

Zeit [s]

Effe

ktiv

stro

m [A

]Sammelschiene

SK i.Limmatst

SK i.Hardturm

SK Rosengarte

SK Hardbrücke

SK ZWest

RK Hardturmst

RK Rosengarte

BK V, 2381 A

BK VI, 2381 A



Belastungsgrößen Unterwerk, Normalbetrieb ohne Ausfälle

Station Sektor Imax Ieff Pmax Eab Eauf Everl IEinst IKmin IKmin /IEinst Imax/IEinst[A] [A] [kW] [kWh] [kWh] [kWh] [kA] [kA]

1 s 7200 s soll > 110% soll < 90%

2 h

SK -o.Rämistraße 1915 588 1221 520 -10 4 3,5 14,0 400% 54,7%SK -Seilergraben 1686 404 1072 264 0 2 3,0 11,7 390% 56,2%SK -Hottingerstraße 1961 475 1252 417 0 3 3,0 10,4 347% 65,4%SK -Klosbachstraße 1665 332 1048 257 0 4 3,5 10,4 297% 47,6%SK -Kreuzbühlstraße 3710 1018 2312 1000 -33 36 4,2 12,7 302% 88,3%SK -Heimplatz 1128 310 720 290 0 1 3,0 34,0 1133% 37,6%SK -u.Rämistraße 40 172 50 111 36 0 0 3,0 23,0 767% 5,7%SK -u.Rämistraße 129 1145 316 738 220 0 1 3,0 38,2%SK -Bellevueplatz 2824 1075 1770 1226 -6 18 3,5 16,6 474% 80,7%SK -Zeltweg TB 912 279 582 153 -28 1 2,5 2,7 108% 36,5%RK -Heimplatz 2 Kabel -1242 513 -749 0 -627 3RK -Kreuzbühlstraße -2164 678 -1324 2 -789 8RK -o.Rämistraße -649 238 -393 0 -281 2RK -Heimplatz -3425 1375 -2065 0 -1683 8RK -Bellevueplatz -1742 657 -1050 0 -804 7RK -Zeltweg TB -912 279 -582 28 -153 1gesamt 8773 3527 5289 4305 0 97

SK: SpeisekabelRK: Rückleiterkabel

Pro

men

ade



Belastung und Belastbarkeit Fahrdraht am Speisepunk tNormalbetrieb, Ausfall Nachbarunterwerk

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 10 100 1000 10000

Zeit

Str

omst

ärke

Belastbarkeit Ri107 Abnutzung 0 %

Belastbarkeit Ri107 Abnutzung 20 %

Ieff je VL Abnutzung 0 %

Ieff je FD Abnutzung 20 %

s

A



Energiebilanz

Fall 1 Fall 2 Fall 3 Fall 4



Verlustbilanz




Bremsenergiebilanz




Visualisation

Weiterverarbeitung: Elektromagnetische Felder bei 1AC 15 kV 16,7 Hz



1. Bahnbetriebssimulation (OpenTrack)• Co-Simulation mit dem elektrischen Netzsimulator Op enPowerNet• Online-Kommunikation zwischen Bahnbetriebs- und Netz simulation über ein

SOAP-Interface• Rückwirkung der elektrischen Netzberechnung auf die Fahrdynamik der Züge• zusätzlich: automatische / interaktive Generation v on Störzuständen

2. Lastfluss- und Energieberechnung (OpenPowerNet)• Vollständige elektrische Netzberechnung im Modul PS C• Vorgabe der elektrischen Netzparameter über Leitera nordnung und Material-

eigenschaften • Schaltzustandsänderungen im elektrischen Netz währe nd der Simulation• konfigurierbare Modellierungstiefe für die Antriebs simulation• Umfangreiche Analysemöglichkeiten (Energie, Lastflu ss, Ströme, Spannungen,

zeitlich / örtlich)• Datenexport für Post-Processing

Zusammenfassung



Eine Expertenrunde für das Gesamtsystem Bahn

The Expert Team for the Complete Railway System

IFB Niederlassung Dresden, Wiener Str. 114-116, 01219 Dresden, GermanyPhone: +49 351 87759-0 E-Mail: ifb-dresden@bahnt echnik.de www.bahntechnik.de

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OpenPowerNet – Simulation von Bahnstromsystemen … · 2010. 5. 10. · Pulswechselrichter Asynchron-Fahrmotor Radsatzgetriebe Gesamt Hz Wirkungsgradkennlinien (Beispiel: ICE3)