Содержание к диссертации
Введение
1. Управление режимами систем тягового электроснабжения 14
1.1. Цели управления режимами СТЭ 14
1.2. Современное состояние технического и информационного обеспечения для управления режимами СТЭ 27
1.3. Новые направления в управлении режимами СТЭ 50
Выводы 66
2. Моделирование в управлении режимами систем тягового электроснабжения 68
2.1. Особенности СТЭ 68
2.2. Системное описание СТЭ 80
2.3. Особенности построения имитационной модели СТЭ 90
Выводы 94
3. Ситуационное управление режимами систем тягового электроснабжения 96
3.1. Постановка задачи ситуационного управления 96
3.2. Кластерный анализ режимов СТЭ на основе метода k-средних 100
3.3. Использование процедуры нечеткой кластеризации 111
3.4. Пример реализации ситуационного управления 118
Выводы 120
4. Линеаризованные и идентификационные математические модели внешней сети для целей управления режимами систем тягового электроснабжения 122
4.1. Общие замечания 122
4.2. Проблема редукции моделей внешней сети и возможные пути ее решения 128
4.3. Линеаризованные эквивалентные модели 137
4.4. Исследование точности эквивалентирования 141
4.5. Эквивалентирование внешней сети на основе измерений параметров режима 149
Выводы 155
Заключение 157
Библиографический список 160
Материалы о внедрении 170
- Современное состояние технического и информационного обеспечения для управления режимами СТЭ
- Особенности построения имитационной модели СТЭ
- Использование процедуры нечеткой кластеризации
- Проблема редукции моделей внешней сети и возможные пути ее решения
Введение к работе
Актуальность темы. Глобальная цель управления режимами систем тягового электроснабжения (СТЭ) может быть сформулирована как обеспечение заданных размеров движения при соблюдении ряда ограничений технического, экономического и экологического характера [54]. С помощью введения этих ограничений многоцелевая задача управления редуцируется к одноцелевой, что позволяет существенно упростить анализ. Достижение поставленной цели возможно на основе применения компьютерных технологий, что требует создания эффективных методов управления режимами СТЭ.
Разработка таких методов является сложной научно-технической проблемой, так как СТЭ является многомерным динамическим объектом с нелинейными характеристиками [1, 37, 54], непрерывно взаимодействующим с питающей электроэнергетической системой (ЭЭС) и районами электроснабжения нетяговых потребителей (РЭС). Ввиду значительной сложности и недостаточной информационной обеспеченности динамические модели систем тягового электроснабжения имеют ограниченное применение и для моделирования их режимов применяют имитационные методы [37, 73, 96]. При этом используется концепция мгновенных схем [72] и осуществляется редукция динамической моде-ли к набору статических. Для выполнения моделирования исследуемый интервал разбивается на малые промежутки времени, внутри которых параметры СТЭ принимаются неизменными. Анализ измерений параметров режима в реальных СТЭ [37], а также результаты компьютерного моделирования показывают, что такое допущение является приемлемым и не вносит заметной погрешности в результаты расчетов.
Существенный вклад в решение проблемы моделирования и управления в ЭЭС и СТЭ внесли Аржанников Б.А., Бадер М.П., Баринов В.А., Берман А.П., Бочев А.С., Быкадоров А.Л., Веников В.А., Висящев А.Н., Воропай Н.И., Гамм А.З., Герман Л.А., Голуб И.И., Горев А.А., Груздев И.А., Дынькин Б.Е., Жарков Ю.И., Идельчик В.И., Конторович A.M., Котельников А.В., Косарев А.Б., Крумм Л.А., Лосев СБ., Мамошин P.P., Марквардт Г.Г., Марквардт К.Г., Мар-ский В.Е., Мельников Н.А., Мирошниченко Р.И., Мисриханов М.Ш., Попов Н.М., Пупынин В.Н., Совалов С.А., Строев В.А., Тарасов В.И., Тер-Оганов Э.В., Фигурнов Е.П., Черемисин В.Т., Чернин А.Б., Шалимов М.Г., Щербачев О.В., Brameller A., Laughton М.А., Roy L., Rao N.D., Stott В., Mo Син Чень и их коллеги [7, 9, 13...18, 22...24, 28...33, 35...41, 43, 44, 51, 55, 57, 58, 60...62, 64...66, 78, 93...95, 102, 105, 108...122]. Общие вопросы ситуационного управления сформулированы в работах Поспелова Д.А. [86] Применение методов ситуационного управления в системах электроснабжения общего назначения рассматривали Пантелеев В.И. и Туликов А.Н. [85].
Несмотря на значительное число работ [72, 73, 96], посвященных вопросам управления СТЭ, остался ряд нерешенных задач, связанных, в основном, с корректным моделированием питающей ЭЭС и учетом взаимных электромагнитных влияний токоведущих частей в сложных электротяговых сетях.
Цель диссертационной работы заключается в разработке метода оперативного управления режимами систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока как сложного объекта, активно взаимодействующего с питающей ЭЭС.
Для реализации сформулированной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
• разработана методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, применимая для рационального размещения устройств управления режимами;
• разработан метод управления режимами СТЭ, основанный на ситуационном подходе;
• разработаны методики и компьютерные технологии кластеризации режимов СТЭ;
• предложены методы построения упрощенных моделей внешней сети для целей управления режимами СТЭ.
Методы исследования рассмотренных в диссертации задач базируются на анализе математических моделей сложных электрических систем и систем тягового электроснабжения с применением аппарата теории автоматического управления, линейной алгебры, теории функций многих переменных, многомерных статистических методов.
В качестве основного инструмента для проведения вычислительных экспериментов использовался разработанный в ИрГУПСе комплекс программ «FAZONORD-Качество», который был модернизирован в части реализации пошагового управления регулируемыми устройствами СТЭ на тяговых подстанциях и постах секционирования.
Научная новизна заключается в том, что в диссертационной работе впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты.
1. Методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, основанная на использовании специальной технологии имитационного моделирования и применимая для научно обоснованного решения задачи рационального размещения устройств управления режимами.
2. Метод управления режимами систем тягового электроснабжения, основанный на ситуационном подходе и позволяющий рассматривать при управлении ограниченное количество характерных режимных ситуаций.
3. Технология выделения характерных режимных ситуаций с помощью кластеризации мгновенных режимов СТЭ на основе метода к-средних.
4. Методика нечеткой кластеризации мгновенных режимов СТЭ, учитывающая размытость формируемых кластеров и применимая для реализации алгоритмов ситуационного управления СТЭ.
5. Методика построения и оперативной корректировки упрощенных моделей внешней сети по данным синхронизированных измерений (PMU-WAMS), основанная на линеаризации уравнений установившегося режима (УУР) в фаз ных координатах.
6. Идентификационный метод построения упрощенной модели внешней сети в фазных координатах, в основу которого положено получение эквивалентной решетчатой схемы замещения.
7. Методика глубокого эквивалентирования внешней сети, отличающаяся от известных использованием информации, получаемой из системы синхронизированных измерений PMU-WAMS.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена их сопоставлением с результатами моделирования, выполненного с помощью промышленных компьютерных программ, а также с данными инструментальных замеров в системах тягового электроснабжения.
Практическая значимость полученных научных результатов состоит в решении актуальных научно-технических задач, связанных с оперативным управлением режимами систем тягового электроснабжения. На основе полученных в диссертации результатов возможно научно обоснованное решение следующих актуальных практических задач:
• рациональный выбор комплекса средств автоматического управления на тяговых подстанциях и постах секционирования контактной сети железных дорог переменного тока;
• управление режимами СТЭ с учетом массы поездов, размеров движения и профиля пути;
• стабилизация уровней напряжения на токоприемниках электроподвижного состава и снижение потерь электроэнергии в СТЭ.
Основные результаты диссертационной работы в виде результатов компьютерного моделирования реальных СТЭ, практических рекомендаций по размещению устройств управления режимами переданы в филиал «Восточно-Сибирская железная дорога» ОАО «РЖД», а также в ООО «Пуско-наладочное предприятие Вектор-А». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения. Апробация работы. Результаты, полученные на основе проведенных в диссертации исследований, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XII Байкальская всероссийская конференция с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2007 г.; международная научно-практическая конференция «Совместная деятельность сельскохозяйственных товаропроизводителей и научных организаций в развитии АПК Центральной Азии», г. Иркутск, 2008 г.; III заочная международная научно — технической конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии», г.Липецк, 2008 г.; всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 2008 г.; 4-я всероссийская конференция «Винеровские чтения», г. Иркутск, 2009 г.; V всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, 2009 г.; всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Научно-техническое сотрудничество стран АТР в XXI веке», г. Хабаровск, 2009 г.; 3-я научная конференция «Автоматизация в промышленности», г. Москва, 2009 г.; XIV Байкальская всероссийская конференция с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2009 г.; XV Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надежность, безопасность», г. Томск, 2009 г.; межвузовская научно-практическая конференция «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», г. Иркутск, 2009 г.; научно-практическая конференция «Проблемы развития железнодорожного транспорта», г. Красноярск, 2009 г.; международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство», г. Ростов-на-Дону, 2009 г.; 2-я международная научно-практическая конференция «Наука и образование — транспорту», г. Самара, 2010 г.; всероссийская научно-практическая конференция «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», г. Хабаровск, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе четыре статьи в рецензируемых журналах по списку ВАК. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Во введении обосновывается актуальность исследований, направленных на создание математических моделей и методов, обеспечивающих повышение эффективности управления режимами СТЭ железных дорог переменного тока. Сформулированы цель и основные задачи исследований, определена научная и практическая ценность работы. Приведено краткое содержание работы.
В первой главе предложена развернутая формулировка целей управления режимами СТЭ. Проанализировано современное состояние технического и информационного обеспечения для управления режимами СТЭ [48]. Описаны новые направления в управлении режимами СТЭ.
Во второй главе приведено описание режимных особенностей СТЭ, которые необходимо учитывать при реализации алгоритмов оперативного и автоматического управления. Дано формализованное системное описание СТЭ. Проанализированы особенности построения имитационной модели СТЭ [1, 34, 50, 54, 56].
В третьей главе сформулирована задача ситуационного управления режимами СТЭ. Приведены результаты кластерного анализа режимов СТЭ на основе метода к-средних [52, 53, 63]. Описан разработанный метод, использующий процедуру нечеткой кластеризации [59]. Приведены примеры реализации ситуационного управления.
В четвертой главе сформулирована проблема редукции моделей внешней сети и намечены возможные пути ее решения. Приведены результаты построения редуцированной модели внешней сети на основе линеаризации уравнений установившегося режима в фазных координатах [2, 36, 47]. Описан разработанный автором метод эквивалентирование внешней сети на основе измерений параметров режима с помощью технологий PMU-WAMS [49].
В заключении отмечается, что на основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие результаты:
• проведен системный анализ современного состояния технических и информационных средств для управления режимами СТЭ и предложена структурно-топологическая классификация систем управления режимами СТЭ;
• разработана методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, применимая для научно обоснованного решения задачи рационального размещения устройств управления режимами;
• проведен системный анализ особенностей систем тягового электроснабжения и показана необходимость их учета при решении задач управления режимами; предложено формализованное описание СТЭ в виде набора сложных подсистем, активно взаимодействующих друг с другом.
• показано, что система тягового электроснабжения железных дорог переменного тока представляет собой нелинейный динамический объект, отличающийся многорежимностыо, что существенно усложняет оперативное управление СТЭ; предложено для преодоления указанной трудности использовать концепцию ситуационного управления (СУ), основанного на выявлении проблемных ситуаций и преобразовании имеющейся информации в управляющие воздействия, направленные на их разрешение;
• показано, что мгновенные режимы системы тягового электроснабжения могут быть разбиты на сравнительно однородные группы (кластеры) и на этой основе возможна реализация ситуационного управления режимами СТЭ; качество и компактность кластеризации подтверждены объективными критериями;
• предложена методика нечеткой кластеризации мгновенных режимов СТЭ, учитывающая размытость формируемых кластеров и применимая для реализации алгоритмов ситуационного управления СТЭ;
• сформулирована проблема редукции внешней сети при управлении режимами системами тягового электроснабжения и предложены методы ее решения на основе технологий эквивалентирования ЭЭС; проведена классификация методов эквивалентирования;
• показано, что эквивалентные модели внешней сети, основанные на использовании линеаризованных УУР, записанных в фазных координатах, отличаются следующими свойствами:
точным воспроизведением параметров режимов в широком диапазоне их изменения;
весьма малым временем, необходимым для получения эквивалента;
точным воспроизведением потерь активной и реактивной мощности в электрической сети;
возможностью оперативной корректировки эквивалентов по данным телеизмерений, реализованных на основе технологий PMU-WANS;
• на основе имитационного моделирования показано, что погрешности эквивалентирования не превышают сотых долей процента при мощностях короткого замыкания тяговых подстанций не менее 1300 MB-А и увеличиваются до единиц процентов, когда эти мощности составляют несколько сотен MB-А; в режиме максимальных нагрузок, возникающих при движении поездов по горно-перевальным участкам, погрешность приближается к 5 %, в редких пиковых режимах достигает 7 %, однако остается приемлемой для решения практических задач управления СТЭ;
• предложен метод построения идентификационной редуцированной модели внешней сети в фазных координатах, в основу которого положено получение эквивалентной решетчатой схемы замещения; показано, что погрешности в определении напряжений на токоприемниках ЭПС не превышают 2 %;
• реализована методика глубокого эквивалентирования, использующая фиксацию модулей и фаз первичных напряжений ТП, полученных на основе технологий PMU-WAMS; показано, что при питании СТЭ от достаточно мош ной ЭЭС (мощность короткого замыкания более 1000 MB-А) погрешность эк-вивалентирования не превышает 1.7 %.
Основные результаты диссертационной работы в виде программного обеспечения для ЭВМ, рекомендаций и практических разработок переданы в филиал «Восточно-Сибирская железная дорога» ОАО «РЖД», а также в ООО «Пуско-наладочное предприятие Вектор-А». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.
Автор благодарит за предоставленные научные консультации кандидата технических наук, доцента Закарюкина В.П.
Современное состояние технического и информационного обеспечения для управления режимами СТЭ
Снижение уровня несинусоидальности кривых тока и напряжения приводит к повышению эксплуатационного ресурса электрооборудования ТП, о чем свидетельствуют результаты анализа измерений показателей качества электроэнергии на ряде подстанций ВСЖД и данных о повреждаемости электрооборудования, рис. 1.23. При этом использовалась ретроспективная информация о повреждаемости, а также результаты тепловизионных обследований ТП [77].
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что применение устройств управления режимами СТЭ позволит получить дополнительный положительный эффект, связанный с увеличением эксплуатационного ресурса электрооборудования.
Ниже рассматриваются основные схемотехнические характеристики наиболее эффективных устройств управления режимами - регулируемых установок продольной и поперечной емкостной компенсации, а также накопителей энергии. При этом основное внимание уделяется современным технологиям FACTS (Flexible alternative current transmission systems - гибкие системы передачи энергии переменного тока) [68].
Устройства продольной емкостной компенсации, устанавливаемые на фидерах контактной сети или в отсосе, мало пригодны для стабилизации напряжения на шинах районных потребителей или на шинах автоблокировки из-за специфики их действия. Стабилизация напряжения может быть достигнута установками поперечной емкостной компенсации (реактивной мощности). Большинство применяемых в настоящее время на электрифицированных железных дорогах устройств компенсации реактивной мощности являются нерегулируемыми, в редких случаях применяется ступенчатое регулирование с очень ограниченным количеством ступеней. Вместе с тем регулируемые источники реактивной мощности (ИРМ) могут быть эффективным средством стабилизации напряжения на тяговых шинах тяговых подстанций. При выборе места установки ИРМ тяговые шины имеют несомненное преимущество перед шинами питающего напряжения ввиду приближения ИРМ к источнику искажения качества и ввиду меньших затрат при меньшем рабочем напряжении.
Управляемые ИРМ на базе реакторов с конденсаторными батареями изготавливаются на предприятиях России достаточно давно [8, 23, 46]. Имеется положительный опыт их использования в РАО ЕЭС РФ.
Регулируемый ИРМ представляет собой устройство, способное поглощать и возвращать реактивную мощность, обеспечивая постоянство напряжения. В нужной точке электрической сети подключается батарея конденсаторов, а параллельно ей - регулируемое устройство, способное компенсировать избыточную реактивную мощность для поддержания постоянного значения напряжения в точке подключения (рис. 1.24) [68]. Индуктивность устройства изменяется за счет использования тиристоров. Такие системы называются SVC (Static VAR compensator). Для устранения возможных резонан-сов и снижения уровня генерируемых гармоник схему устройства усложняют (рис. 1.25), включая в нее цепь управления реактором TCR и цепь ступенчатого подключения элементов конденсаторной батареи TSC. Установки SVC могут проектироваться с учетом необходимости возможного поглощения реактивной мощности. um(t)
Современные FACTS (гибкие системы передачи энергии переменного тока) появились в 90-х годах XX века. Предпосылками их разработки послужило появление запираемых электронных компонентов высокой мощности -IGBT, GTO, IEGT. Важнейшее свойство FACTS — их способность поглощать или возвращать реактивную мощность. В соответствии с такой структурой строятся современные устройства продольной и поперечной компенсации. Поперечная компенсация - STATCOM (STATic synchronous COMpensator -статический синхронный компенсатор) - в случае, когда напряжение в точке подключения остается постоянным, ведет себя как компенсатор SVC. Однако в режиме ограничения мощности компенсатор STATCOM становится источником тока, тогда как компенсатор SVC приобретает свойства конденсатора (рис. 1.26). Для повышения функциональных возможностей управления режимами, не только по реактивной, но и по активной мощности, СТАТКОМ может комплектоваться накопителем энергии, рис. 1.27.
Расчеты показывают, что характерным значением максимальной генерируемой мощности регулируемых ИРМ для тяговых подстанций переменного тока 1x25 кВ при их установке в две фазы на тяговых шинах является 10 Мвар. От таких ИРМ требуется обычно и способность поглощения такого же порядка реактивной мощности. Однофазные SVC, в том числе для нужд электрифицированных железных дорог, изготавливаются, в частности, фирмой ABB. Удельные стоимости регулируемых ИРМ лежат в пределах 1..1.5 млн. руб/Мвар.
Особенности построения имитационной модели СТЭ
Перед началом имитационного моделирования выполняется операция формирования моделей всех элементов исходной расчетной схемы. Эти модели объединяются в две группы: стационарную и изменяющуюся. Последняя группа подвергается вариации при составлении очередной мгновенной схемы. Алгоритм формирования мгновенной схемы включает следующие этапы [37]: в расчетный момент времени анализируется график движения для определения положения каждого поезда; в первой межподстанционной зоне (МПЗ) определяется положение ближайшего к первой подстанции поезда путем сопоставления пикетов положения поездов с пикетами неоднородностей контактной сети, рис. 2.21. по информации о тяговых токах, весу и пикету поезда определяются активная и реактивная мощности нагрузки в соответствующем узле; для очередного поезда длина элемента контактной сети определяется либо по отношению к пикету ближайшего предыдущего поезда, либо по отношению к пикету ближайшей неоднородности; поскольку количество элементов контактной сети рассчитано на максимальное число поездов в зоне, то в некоторых мгновенных схемах в межподстанционной зоне останется какое-то число неиспользованных элементов; их длины устанавливаются равными 0.01 км; после определения длин всех элементов контактной сети и нагрузок их узлов пересчитываются модели этих элементов и присоединяются к стационарной части расчетной схемы. Специфика формирования модели контактной сети требует задания маршрута движения поезда по узлам расчетной схемы. Алгоритм формирования маршрута включает следующие этапы. 1. Из всех элементов расчетной схемы выделяются элементы контактной сети. 2. Однородные элементы КС, «правильным» образом соединенные друг с другом, объединяются в участки. «Правильным» соединением считается соединение по рис. 2.22а. При этом соединенные элементы имеют одинаковое число путей, один тип подвески и все узлы конца первого элемента упорядоченно связаны со всеми узлами начала второго элемента. 3. Для каждого участка указываются поезда нечетного и четного направлений с определением времени входа поезда на участок и указанием номера первого узла участка, с которого начинается маршрут. Дальнейший маршрут определяется по аналогичному расположению узлов следующего элемента. Для каждого поезда указывается файл с тяговыми токами. При этом используется формат файла тяговых расчетов пакета NORD или Кортэс [73], содержащий активные и полные токи поезда. Пересчет токов в мощности производится для напряжения на токоприемнике 25 кВ. При «неправильном» соединении элементов (рис. 2.22 б, в, г) представляется некоторый маршрут по умолчанию. Описанный алгоритм реализован в комплексе программ FAZONORD «Расчеты режимов и нагрузочной способности систем тягового электроснабжения в фазных координатах», разработанном в ИрГУПСе, рис. 2.23. Комплекс предназначен для имитационного моделирования систем тягового электроснабжения переменного тока (1x25 кВ, 2x25 кВ и новых типов) и для расчетов токов коротких замыканий с учетом внешней сети. Моделирование проводится с использованием визуальных методов. Рассчитываемая СТЭ может включать в свой состав воздушные, кабельные линии электропередачи и контактные сети любой конфигурации, трехфазные и однофазные трансформаторы с различным соединением обмоток, асинхронные двигатели, источники тока и ЭДС, нагрузки, включенные в узлах сети и между ними. Программный комплекс позволяет проводить следующие операции: подготовку моделей элементов СТЭ с помощью специализированного редактора, а также хранение этих моделей в базе данных; составление расчетной схемы из подготовленных элементов на основе графического интерфейса; выделение элементов контактной сети (КС) для составления маршрута следования поезда с привязкой к узлам КС; расчет режима отдельной мгновенной схемы и моделирование ряда мгновенных схем в соответствии с графиком движения поездов; формирование мгновенных схем на основе графика движения поездов и использование данных тягового расчета для формирования перемещающихся нагрузок; расчеты наведенных напряжений на смежных линиях электропередачи и проводной связи; графическое и табличное представление результатов имитационного моделирования с выводом основных интегральных показателей; ведение базы данных по расчетным схемам и результатам их анализа; представление выбранных напряжений и токов на векторных диаграммах. расчёт несинусоидальных режимов. Выводы 1. Проведен системный анализ особенностей систем тягового электроснабжения. На основе обработки натурных измерений и имитационного моделирования показано следующее: - активная тяговая нагрузка значительно более нестационарна, чем общепромышленная: относительный размах колебаний выше в шесть раз; коэффициент максимума - в 3.7 раза; коэффициент формы на 26%; - реактивная тяговая нагрузка отличается еще большей нестационарностью, кроме того, может наблюдаться изменение направления потока мощности; - тяговая нагрузка характеризуется значительными колебаниями коэффициента мощности, что требует применения автоматически управляемых компенсирующих устройств для поддержания процессов реактивного электропотребления в нормативных границах; - возможен реверс активной тяговой нагрузки при выполнении рекуперативного торможения на участках с большими уклонами; - наблюдается существенная несимметрия напряжений на шинах 6-10-35-110-220 кВ тяговых подстанций и на зажимах потребителей, питающихся от этих шин; при подключении СТЭ к сетям электроэнергетических систем с малым значением мощности короткого замыкания (1000 MB-А и менее) уровень несимметрии может превышать нормируемые пределы; - выпрямительные электровозы являются нелинейными нагрузками, генерирующими в сеть высшие гармоники, при этом коэффициенты несинусоидальности кривых напряжения на шинах тяговых подстанций могут значительно превышать нормативные значения; - линии автоблокировки и продольного электроснабжения, проложенные по опорам контактной сети, в сильной степени подвержены ее электрическому и магнитному влияниям. Указанные особенности систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока необходимо учитывать при решении вопросов разработки методов и средств управления режимами СТЭ. Неучет этих особенностей может привести к резкому снижению эффективности алгоритмов управления, а в некоторых случаях и к неработоспособности устройств автоматики. 2. Предложено формализованное описание СТЭ в виде набора сложных подсистем, активно взаимодействующих друг с другом. 3. Проанализированы возможные подходы к решению задачи моделирования режимов СТЭ для целей управления и показано, что наиболее приемлемый метод решения этой задачи может быть реализован на основе использования фазных координат и решетчатых схем замещения, составленных из RLC-элементов, соединенных по схеме полного графа; выявлены особенности моделирования многопроводных линий электропередачи и многообмоточных трансформаторов.
Использование процедуры нечеткой кластеризации
При проектировании и эксплуатации СТЭ приходится решать большое количество разнообразных задач. Так как задачи сложны, то для их решения разрабатываются специальные методы. В повседневной инженерной практике все более широкое применение находят сложные математические методы [91]. Развитие СТЭ повышает требования к точности расчетов и затратам времени на них, особенно при оперативном управлении. Увеличение объема информации, используемой для расчетов, обусловлено желанием учесть большое количество факторов и стремлением включить значительное число элементов в единый управляемый комплекс. Это приводит к необходимости обращать особое внимание на теоретические основы анализа режимов сложных СТЭ и на разработку специальных методов решения задач большой размерности, использующих идеи приближенного моделирования, диакоптики или эквивалентирования. При эквивалентировании используется замена некоторой совокупности элементов системы их обобщенным эквивалентным представителем. Этот метод применяется не только для расчетов режимов ЭЭС и СТЭ, но и для целого ряда других задач. Применительно к электроэнергетическим задачам вопросы эквивалентирования рассматривались в работах Л.А. Жукова, Ф.Г. Гусейнова, Н.Н.Щедрина и других авторов [22, 29, 105].
Весьма важным в эквивалентировании ЭЭС и СТЭ является вопрос об изменении параметров эквивалента в области исследуемых режимов и оценка влияния изменения этих параметров на конечную цель исследования. В этом случае целесообразно вместо оценки результатов по единичным опытам или расчетам применять статистические методы, т.е. оценивать наиболее вероятное значение результата при учете стохастического характера изменения параметров исследуемой системы.
Многообразие и сложность задач электроэнергетики не позволяют предложить одинаково пригодный для всех задач универсальный метод. Каждый метод подходит для определенного класса задач, однако у всех этих методов можно выделить общие признаки и принципы. Несмотря на эффективность использования метода эквивалентирования для решения различных научно-технических задач, проблема эквивалентирования еще не нашла полного разрешения, и на многие ее аспекты не определились установившиеся точки зрения [91]. Слово "эквивалентность" латинского происхождении и образовано из двух слов: aequus - равный и valens, valentis — имеющий силу, значение; то есть термин "эквивалентность" может быть интерпретирован как "равносильность", "равнозначность". В позднелатинском языке имеется аналогичное слово equivalens (в переводе - равноценный). Термин "эквивалентное" применяется как наименование всевозможных отношений типа равенства. При использовании в логике эквивалентность означает отношение между высказываниями, выражающее тот факт, что два суждения имеют одинаковые значения истинности. Эквивалентирование каких-либо объектов означает их тождество в каком-либо отношении. В математике к эквивалентности подходят через понятие взаимозаменяемости. Если два объекта X и Y взаимозаменяемы в данной ситуации, то каждый из них содержит всю информацию о другом объекте, небезразличную в данной ситуации, т.е. взаимозаменяемость объектов есть совпадение признаков, существенных в данной ситуации. Кроме того, в математике эквивалентность трактуется и в другом смысле: «... любое отношение эквивалентности может быть ... определено с помощью отношения "быть эталоном" и, наоборот, любое отношение "быть эталоном" определяет некоторую эквивалентность». Приведенный анализ показывает, что в одних случаях эквивалентность обозначает равноденствие, равнозначность, равносильность, в других - свойство быть эталоном и т.д. Но во всех случаях эквивалентность обозначает от 123 ношения типа равенства между объектами или их свойствами. Выполненный анализ понятия "эквивалентность" позволяет дать следующее определение термину "эквивалент". Эквивалент - это объект, который находится в отношении эквивалентности с другим объектом (или объектами). В общем случае эквивалент может иметь большее или меньшее число степеней свободы, чем исходный объект (второй случай используется чаще). Понятие "эквивалент" имеет большое прикладное значение в естественных науках, где оно используется для целей познания и призвано замещать какой-либо объект (или явление) с которым он находится в отношении эквивалентности. Объект (или явление), который подлежит замещению, принято называть "оригиналом". Одним на главных требований к эквиваленту является существенность сходства и несущественность различия с оригиналом в плане познавательной задачи. Характерные признаки эквивалента могут быть представлены так: 1) эквивалент замещает оригинал в определенном отношении, т.е. выступает его представителем при исследованиях; 2) эквивалент охватывает не все свойства оригинала, а только те, которые существенны для исследователя, который применяет эквивалент; 3) эквивалент однозначно соответствует оригиналу (обратное отношение в общем случае может не выполняться)» Эквивалент может замещать объекты или явления, воспроизводя их определенный эффект (или совокупность эффектов) как в качественном, так и в количественном отношении. При соответствующей системе оценки этого эффекта эквивалент и оригинал дают одинаковый или близкий результат. Все остальные качества исходного объекта в эквиваленте или вообще не отражаются, или отходят на второй план и отражается неточно.
Проблема редукции моделей внешней сети и возможные пути ее решения
На основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие результаты: проведен системный анализ современного состояния технических и информационных средств для управления режимами СТЭ и предложена структурно-топологическая классификация систем управления режимами СТЭ в виде трех структурных схем: локальной, централизованной и комбинированной; показано, что локальная структура управления отличается простой применяемых алгоритмов и не требует для своей реализации развитой сети каналов для передачи информации; ее основной недостаток состоит в отсутствии координации, что может приводить к снижению качества управления; централизованная структура обеспечивает координацию, но для ее реализации требуется разработка достаточно сложных алгоритмов выбора управляющих воздействий, а также новых методов оценивания состояния электроэнергетических систем; комбинированная структура обеспечивает координацию управляющих воздействий и позволяет получить существенную экономию за счет сокращения каналов передачи измерительной информации и управляющих воздействий; разработана методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, применимая для научно обоснованного решения задачи рационального размещения устройств управления режимами и основанная на имитационном моделировании режимов систем при реальном и условном токовых профилях; для более четкого выделения сенсорных элементов можно использовать нелинейное преобразование полученной в результате расчетов зависимости напряжения на токоприемнике электроподвижного состава от времени или соответствующей пространственной координаты; проведен системный анализ особенностей систем тягового электроснабжения и показана необходимость их учета при решении задач управления режимами; предложено формализованное описание СТЭ в виде набора сложных подсистем, активно взаимодействующих друг с другом; показано, что система тягового электроснабжения железных дорог переменного тока представляет собой нелинейный динамический объект, отличающийся многорежимностыо, что существенно усложняет оперативное управление СТЭ; предложено для преодоления указанной трудности использовать концепцию ситуационного управления, основанного на выявлении проблемных ситуаций и преобразовании имеющейся информации в управляющие воздействия, направленные на их разрешение; показано, что мгновенные режимы системы тягового электроснабжения могут быть разбиты на сравнительно однородные группы (кластеры) и на этой основе возможна реализация ситуационного управления режимами СТЭ; качество и компактность кластеризации подтверждены объективными критериями: энтропия разбиения равна 0.932; второй функционал Рубенса достигает значения 0.998; объясненная доля общего разброса составляет 0.7, что свидетельствуют о достаточно высоком качестве кластеризации; предложена методика нечеткой кластеризации мгновенных режимов СТЭ, учитывающая размытость формируемых кластеров и применимая для реализации алгоритмов ситуационного управления СТЭ; сформулирована проблема редукции внешней сети при управлении режимами систем тягового электроснабжения и предложены методы ее решения на основе технологий эквивалентирования электроэнергетических систем; проведена классификация методов эквивалентирования; показано, что эквивалентные модели внешней сети, основанные на использовании линеаризованных уравнений установившегося режима, записанных в фазных координатах, отличаются следующими свойствами: точным воспроизведением параметров режимов в широком диапазоне их изменения; весьма малым временем, необходимым для получения эквивалента; точным воспроизведением потерь активной и реактивной мощности в электрической сети; возможностью оперативной корректировки эквивалентов по данным телеизмерений, реализованных на основе технологий PMU-WANS; на основе имитационного моделирования показано, что погрешности эквивалентирования не превышают сотых долей процента при мощностях короткого замыкания тяговых подстанций не менее 1300 MB-А и увеличиваются до единиц процентов, когда эти мощности составляют несколько сотен МВ-А; в режиме максимальных нагрузок, возникающих при движении поездов по горно-перевальным участкам, погрешность приближается к 5 %, в редких пиковых режимах достигает 7 %, однако остается приемлемой для решения практических задач управления СТЭ; предложен метод построения идентификационной редуцированной модели внешней сети в фазных координатах, в основу которого положено получение эквивалентной решетчатой схемы замещения; показано, что погрешности в определении напряжений на токоприемниках ЭПС не превышают 2 %; реализована методика глубокого эквивалентирования, использующая фиксацию модулей и фаз первичных напряжений тяговых подстанций, полученных на основе технологий PMU-WAMS; показано, что при питании СТЭ от достаточно мощной электроэнергетической системы (мощность короткого замыкания более 1000 МВ-А) погрешность эквивалентирования не превышает 1.7%. Основные результаты диссертационной работы в виде программного обеспечения для ЭВМ, рекомендаций и практических разработок переданы в филиал «Восточно-Сибирская железная дорога» ОАО «РЖД», а также в ООО «Пуско-наладочное предприятие Вектор-А». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.
