Введение к работе
Актуальность темы исследования. Ежегодно объём разнообразной информации в мире удваивается. Для эффективной жизнедеятельности любого объекта или системы необходимо, обеспечивая сбор информации, обладающей, прежде всего, такими свойствами как полнота, достоверность и актуальность, ре-ализовывать полномасштабный высокоскоростной анализ информационных потоков, позволяющих обеспечивать поддержку принятия управленческих решений на различных иерархических уровнях объекта или системы.
Помимо качественного информационного обеспечения, эффективность жизнедеятельности любого объекта или системы зависит от обеспечения надёжности функционирования их элементов в нормальных условиях и минимизации повреждений основных элементов в аварийных и нештатных ситуациях.
Система энергоснабжения электрифицированных железных дорог имеет сложную иерархическую структуру со множеством неоднородных информационных потоков, а, следовательно, эффективность её работы будет зависеть от чёткой реализации сбора, обработки, анализа, хранения, распространения и архивирования информации, а также надёжной работы устройств диагностики и защитных систем основного оборудования.
Работа системы энергоснабжения электрифицированных железных дорог в настоящее время происходит на фоне множества параллельных процессов: увеличения электрических нагрузок, ввода в эксплуатацию высокоскоростного и тяжеловесного транспорта и увеличения скоростей движения поездов, включения транспортной системы ОАО «РЖД» в единую европейско-азиатскую транспортную систему, старения оборудования и снижения численности обслуживающего персонала при большой текучести кадров, выхода на рынок частных операторов пассажирских и грузовых перевозок, применения различных технических средств со сложными алгоритмами работы (цифровые многопараметрические защиты элементов силовой цепи, накопители энергии, управляемые устройства компенсации реактивной мощности, устройства регулирования напряжения под нагрузкой и т.д.), развития железнодорожных путей и, как следствие, увеличения числа параллельных ниток движения, повышающее вероятность возникновения нештатных или аварийных ситуаций и т.д. Все это обуславливает высокую динамичность протекающих «медленных» и «быстрых» процессов, необходимость их регистрации, требование к большому объёму информации для обеспечения
мгновенного, кратко-, средне- и долгосрочного анализа в условиях неполноты априорной информации. Изложенное говорит о сложности и уникальности задач, требующих решения специалистами разных уровней в области электроснабжения электрических железных дорог. Отсутствие априорной информации, перекрытия в определённой области множеством токов нагрузки множества токов коротких замыканий является проблемой при создании надёжных устройств защиты и выборе параметров их работы.
В этих условиях интеллектуальные возможности человека входят в противоречие со сложностью переработки значительных объёмов информации, стремлением избежать ошибок при принятии ответственных управленческих решений, временем принятия решения. К основным средствам преодоления этого противоречия следует отнести расширение коллектива лиц, участвующих в процессе выработки решений, и использование современных аналитических программно-аппаратных систем поддержки их деятельности.
Поэтому наряду с обновлением технических средств необходимо непрерывно совершенствовать системы управления хозяйством электрификации и электроснабжения. Концентрацией всех современных технических средств, информационных технологий, организационных методов управления и принятия решений в области электрифицированных железных дорог является развитие автоматизированной системы управления АСУЭ, что обосновывает актуальность создания её компонента - Измерительно-Аналитической Программно-Аппаратной Системы Защиты и Диагностики основного оборудования Тяговых Подстанций (ИАПАСЗД ТП) постоянного тока.
Степень разработанности темы исследования. Исследования проблем создания математических моделей системы тягового электроснабжения (СТЭ), численного решения систем дифференциальных уравнений, описывающих СТЭ, построения цифровых защит фидеров тяговой сети, расчёта погрешностей и помехоустойчивости тракта аналого-цифрового преобразования, выбора уставок защит фидеров тяговой сети, создания систем мониторинга и диагностики силового и коммутационного оборудования тяговых подстанций проводили многие отраслевые научные школы и организации страны: СамГУПС, ПГУПС, ВНИИЖТ, ИрГУПС, МИИТ, ОмГУПС, РГОТУПС, РГУПС, ДВГУПС, ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», ОАО «НИИАС» и др. Большой вклад в исследование данных проблем внесли учёные: Андреев В.В., Бадёр М.П., Баранов Л.А., Бардушко В.Д., Бочев А.С., Бурков А.Т., Бурьяноватый А.И., Быкадоров А.Л.,
Герман Л.А., Григорьев В.Л., Добровольские Т.П., Доманский В.Т., Дынькин Б.Е., Жарков Ю.И., Жиц М.З., Иньков Ю.М., Кисляков В.А., Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Косарев Б.И., Котельников А.В., Ли В.Н., Литовченко В.В., Мамошин P.P., Марикин А.Н., Марквардт Г.Г., Марквардт К.Г., Митрофанов А.Н., Неугодников Ю.П., Привезенцев Н.Н., Пупынин В.Н., Розенберг Е.Н., Рябцев Г.Г., Савоськин А.Н., Серебряков А.С, Сергеев Н.Г., Сидоров О.А., Скворцов Л.М., Сухопрудский Н.Д., Тер-Оганов Э.В., Феоктистов В.П., Фигурнов Е.П., Черемисин В.Т. и другие.
Цели и задачи работы. Целью работы является разработка теоретических и технических аспектов построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока, методов анализа и прогнозирования состояния системы тягового электроснабжения постоянного тока и выбора параметров защит тяговой сети постоянного тока от перегрузок и коротких замыканий на основе непрерывного измерения показателей работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) и моделирования режимов её работы.
Основными задачами исследования являются: разработка концепции построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка интеллектуального терминала защиты и автоматики и универсального измерителя; разработка методики расчёта электромагнитной обстановки в РУ, КРУ, КСО; разработка модели тракта аналого-цифрового преобразования токов и напряжений фидеров контактной сети тяговых подстанций постоянного тока и методики анализа и синтеза трактов аналого-цифрового преобразования; разработка методики обработки и структуры распределения и представления информации на различных уровнях иерархии ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка средств и алгоритмов диагностирования и оценки состояния основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка программного комплекса для экспресс расчётов квазиустановившихся режимов работы СТЭ и расчётов режимов работы СТЭ с учётом переходных процессов.
Научная новизна: - Предложена математическая модель, описывающая работу СТЭ, как единую электро-магнито-механическую систему, позволяющая моделировать работу основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока, тяговой сети и тягового электрооборудования подвижного состава с учётом переходных процессов.
- Показано, что использование параллельных вычислений при выбранной авто
ром совокупности методов численного решения системы дифференциальных
уравнений позволяет повысить скорость моделирования СТЭ в 5-6 раз и обес
печить возможность использования результатов в системах подготовки приня
тия решений.
-Предложены методы сжатия информации в системах измерения параметров СТЭ, обеспечивающие возможность передачи дискретной информации по заданным каналам связи и уменьшающих объем памяти во встраиваемых системах диагностики и мониторинга.
Предложена методика построения цифровой защиты фидеров тяговой сети постоянного тока на базе статистического подхода к анализу тока и напряжения фидеров тяговой сети постоянного тока.
Показана эффективность разработанных автором моделей для расчёта погрешностей и помехоустойчивости тракта аналого-цифрового преобразования, учитывающих в отличии от известных цифровое интегрирование преобразуемых сигналов и запаздывание информации при первичной обработке сигналов.
Предложена методика расчёта уставок цифровых многопараметрических защит фидеров тяговой сети постоянного тока.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение с применением теории параллельных вычислений и реализацией на базе графических процессоров, позволяющее проводить имитационные эксперименты в СТЭ для выбора параметров силовой и защитной аппаратуры и для систем подготовки принятия решений.
Разработаны методы, позволяющие в условиях эксплуатации рассчитывать и корректировать уставки электромагнитных и цифровых защит фидеров тяговой сети постоянного тока.
Разработаны аппаратная реализация, алгоритмическое и программное обеспечение цифровой защиты фидеров тяговой сети постоянного тока реализующей функцию защиты фидера на основе трёхмерной рабочей области фидера.
Разработана инженерная методика расчёта погрешностей и помехоустойчивости трактов аналого-цифрового преобразования устройств защиты и диагностики учитывающая в отличии от известных цифровое интегрирование преобразуемых сигналов и запаздывание информации при первичной обработке сигналов.
Методология и методы исследований. Методы матричного исчисления, динамическое программирование, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных, теория графов, методы высокопроизводительных вычислений, теория вероятностей, методы минимизации на графах, метод конечных разностей во временной области для расчёта электромагнитных полей.
Положения, выносимые на защиту.
концепция построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока;
методика расчёта электромагнитной обстановки в РУ, КРУ, КСО;
метод сжатия информации о токе и напряжении фидеров тяговой сети и тяговых подстанций без потери информации, реализуемый на базе 8-ми разрядных микроконтроллеров в реальном масштабе времени;
модель и методика анализа и синтеза тракта аналого-цифрового преобразования токов и напряжений фидеров контактной сети тяговых подстанций постоянного тока;
методика обработки и структура распределения и представления информации на различных уровнях иерархии ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока;
алгоритмы диагностирования и оценки состояния оборудования тяговых подстанций постоянного тока;
методика выбора уставок защитных устройств быстродействующих выключателей фидеров тяговой сети постоянного тока, основанных на работе индуктивного шунта и РДШ;
методика расчёта относительной реализуемой мощности тяговых подстанций по условию старения изоляции трансформаторов;
алгоритмы расчёта СТЭ с учётом переходных процессов для персональных суперкомпьютеров;
программный комплекс для расчётов квазиустановившихся режимов работы СТЭ с учётом режимов рекуперативного торможения;
принцип построения защит фидеров тяговой сети на основе построения поверхности, аппроксимирующей «рабочую область» фидера в 3-х мерном пространстве.
Внедрение результатов работы. Новые алгоритмы защит и защитные устройства реализованы НИИЭФА-ЭНЕРГО (г. Санкт-Петербург) и внедрены на
сети дорог ОАО «РЖД». Элементы ИАПАСЗД ТП внедрены в ситуационном центре Российской академии государственной службы при президенте РФ. Программный комплекс по расчёту СТЭ с учётом переходных процессов внедрён в эксплуатацию следующими организациями: МосГипроТранс, МосЖелДорПро-ект, Московский метрополитен.
Достоверность научных результатов. Достоверность результатов обеспечивается сходимостью процессов в СТЭ, полученных на базе имитационного моделирования и экспериментов в эксплуатационных условиях. Экспериментальные исследования, подтвердившие достоверность результатов имитационного моделирования проведены на тяговых подстанциях постоянного тока Московской, Октябрьской, Куйбышевской железных дорог и Московского метрополитена. Длительный опыт эксплуатации цифровых защит тяговой сети постоянного тока подтвердил эффективность заложенных принципов построения и методов выбора уставок.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные её разделы были представлены и получили одобрение на 9 научных конференциях и симпозиумах, в том числе на 3-х международных научно-технических конференциях, а именно:
-на Всероссийской научной конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта», г. Москва, 1-4.10.2002; -на Втором международном симпозиуме "Электрификация и ускорение научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте", г. Санкт-Петербург, 21-24.10.2003; -на Научно-практической конференции «Информационно-аналитические средства поддержки принятия решений и ситуационные центры», г. Москва, 29-31.03.2005; -на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на ж.д. транспорте», г. Москва, 19-22.05.2005; -на Научно-практической конференции «Ситуационные центры: модели, технологии, опыт практической реализации», г. Москва, 18-19.04.2006; -на «Supercaps europe 2006», II European meeting on supercapacitors: Development and implementation in energy and transportation techniques, Москва, Сентябрь, 2006 г.;
-на Третьем международном симпозиуме Eltrans'2007 "Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте", г. Санкт-Петербург, 2007 г.; -на Международной научно-практической конференции учёных транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки - «Инновационные технологии в автоматике, информатике и телекоммуникациях», г. Хабаровск, 9-10.10.2008.
Основные положения диссертации были представлены и получили одобрение на межкафедральном научно-техническом семинаре кафедр "Управление и информатика в технических системах", "Электрическая тяга", "Электротехника, метрология и электроэнергетика" и "Энергоснабжение электрических железных дорог" Института транспортной техники и систем управления МГУПС (МИИТ) 19 сентября 2011 года.
Публикации. По материалам диссертации имеется 59 научных работ, из них: 17 публикаций в изданиях, рекомендуемых ВАК; 2 патента на изобретение; 1 патент на полезную модель; 4 свидетельства на программы для электронных вычислительных машин.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 442 страницах, из них 332 страницы машинописного текста, 84 рисунка, 14 таблиц, 202 ссылки на литературу, 81 страница приложений.
