Введение к работе
Актуальность исследования. Устройства автоматики на железнодорожном транспорте являются важным звеном в обеспечении безопасности движения поездов. От их работы также во многом зависят экономические показатели железнодорожного транспорта. В устройствах автоматики на железнодорожном транспорте применяется широкий спектр электротехнического оборудования: электроприводы различных типов, полупроводниковые выпрямители, преобразователи частоты, релейная и электронная аппаратура, что определяет разнообразие требований к электропитанию и качеству получаемой электроэнергии. Устройства автоматики являются нетяговыми железнодорожными электропотребителями первой категории и, поэтому, их электроснабжение должно осуществляться не менее чем от двух независимых источников электроэнергии. Для электроснабжения устройств автоматики в условиях электрифицированного железнодорожного транспорта применяется специальная система электроснабжения, обеспечивающая получение электроэнергии от двух разных тяговых подстанций.
Система электроснабжения устройств автоматики на электрифицированном железнодорожном транспорте представляет собой сложную электротехническую систему, в которой должно обеспечиваться бесперебойное и качественное электропитание всего спектра применяемого оборудования. Параметры электроэнергии и показатели ее качества (ПКЭ) в этой электротехнической системе изменяются с течением времени, что обусловлено множеством факторов, главным из которых является работа тяговых потребителей. Наличие в такой системе двух независимых источников электроэнергии предполагает оперативный выбор источника, обеспечивающего в текущий момент более высокое качество электроэнергии. В настоящее время задача оперативного выбора источника электропитания в такой постановке решена недостаточно полно и, в большинстве случаев, сведена к выбору источника, напряжение которого находится в заданных пределах. Вместе с тем, для электротехнического оборудования, входящего в состав устройств автоматики, не менее важны и другие параметры электроэнергии. О необходимости решения данной задачи свидетельствуют и периодические отказы устройств автоматики связанные с электропитанием. Таким образом, разработка системы оперативного выбора источника электропитания на основе комплексной оценки качества электроэнергии является актуальной. В качестве теоретического базиса для решения данной задачи предлагается использовать теорию нечетких множеств, нечеткую логику и теорию искусственных нейронных сетей.
Значительный вклад в решение проблем связанных с развитием систем электроснабжения нетяговых потребителей железнодорожного транспорта, в том числе и устройств автоматики, внесли ученые В. Г. Аввакумов, В. Д. Авилов,
М. П. Бадер, А. Л. Быкадоров, Л. А. Герман, Б. Е. Дынькин, Р. И. Караев, Е. И. Кордюков, К. Г. Марквардт, Г. Г. Марквардт, Г. П. Маслов, В. Т. Черемисин, М. Г. Шалимов, А. К. Шидловский и др.
Целью диссертационной работы является совершенствование системы электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог за счет разработки и применения системы оперативного выбора источника электроэнергии на основе комплексной оценки ее качества.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
проанализировать систему электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог и определить номенклатуру параметров для оценки качества электроэнергии;
сформулировать комплексный критерий, позволяющий оценивать качество электроэнергии по совокупности ее параметров;
разработать методы оценки и контроля качества электроэнергии при оперативном выборе источника в системе электроснабжения устройств автоматики электрифицированного железнодорожного транспорта;
разработать рекомендации и технические решения для построения систем оперативного выбора источника электропитания на основе комплексной оценки качества электроэнергии;
оценить экономическую эффективность применения систем оперативного выбора источника электропитания на основе комплексной оценки качества электроэнергии в системе электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического анализа и математической статистики, положения теории нечетких множеств и теории искусственных нейронных сетей. Параметры моделей электротехнических устройств уточнялись на основе законов теоретической электротехники. Для имитационного моделирования и обработки экспериментальных данных применялась система компьютерной математики Matlab и ее расширение Simulink. Специальное программное обеспечение для проведения экспериментов разработано в интегрированной среде разработки приложений Borland С++ Builder.
Научная новизна работы заключается в следующем:
составлена имитационная модель системы электроснабжения устройств автоматики железной дороги электрифицированной на постоянном токе, позволяющая выбрать номенклатуру параметров для оценки качества электроэнергии с целью последующего принятия решения о выборе источника;
предложен комплексный показатель качества электроэнергии, позволяющий принимать решения об оперативном выборе источника электропитания;
предложен метод комплексной оценки, позволяющий, на основе системы нечеткого вывода, оценивать качество электроэнергии при выборе источника электропитания в системе электроснабжения устройств автоматики железной дороги, электрифицированной на постоянном токе;
разработана нейросетевая модель комплексной оценки и контроля качества электроэнергии, получаемой потребителями в системе электроснабжения устройств автоматики железной дорога, электрифицированной на постоянном токе.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. В ходе экспериментальных исследований, при оперативном выборе источника электропитания, расхождение комплексных оценок качества электроэнергии, выполненных на основе разработанных методов, не превысило 10 %.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
разработанная имитационная модель позволяет оценить влияние процесса выпрямления тока на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог на качество электроэнергии, получаемой устройствами автоматики;
предложенные методы комплексной оценки и контроля качества электроэнергии позволяют оценивать качество электроэнергии по совокупности параметров и показателей, и, на основании этой оценки, осуществлять оперативный выбор источника электропитания устройств автоматики на электрифицированном железнодорожном транспорте;
полученные структурные технические и алгоритмические решения позволяют организовать систему мониторинга и оперативного выбора источника электропитания устройств автоматики электрифицированных железных дорог.
Апробация работы. Основные положения работы представлялись на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на жлезнодорожном транспорте» (Омск, 2007), XII научно-практической конференции «Энерго-, ресурсосбережение в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2008), XIV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008), всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (Екатеринбург, 2008), научно-технических семинарах кафедры «Автоматика и телемеханика» ОмГУПСа (Омск, 2005 - 2008).
Публикации. Положения диссертации и основные результаты исследований опубликованы в девяти научных работах, включающих в себя шесть статей
(из них две - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ) и три патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 98 источников и приложений. Работа изложена на 168 страницах и содержит 73 иллюстрации 2 таблицы, 4 приложения.
