Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов расчета электрических параметров и величин в электротехнической системе электрического транспорта 12
1.1. Функциональные связи в подсистемах электрического транспорта 12
1.2. Обзор методов расчета электрических величин 16
1.2.1. Методы расчета по графику движения поездов 18
1.2.2. Методы расчетов по средним размерам движения 22
1.2.3. Методы расчета с учетом неравномерности движения 26
1.3. Анализ и оценка методов расчета электрических величин 29
1.4. Моделирование транспортных потоков 31
2. Энергопотребление поездов, как случайный процесс 39
2.1. Случайный процесс энергопотребления поездов 39
2.2. Случайный процесс движения поездов 55
3. Моделирование режимов энергопотребления электрифицированных транспортных средств 62
3.1. Имитационное моделирование 62
3.1.1. Общие сведения по имитационному моделированию 62
3.1.2. Механизм имитации функционирования сложной системы 67
3.1.3. Структурная схема и состав имитационной модели 70
3.1.4. Характеристика способов организации имитации 73
3.2. Модель участка электротранспортной системы 81
3.3. Описание функциональных действий поезда на участке пути 85
3.4. Движение поезда по перегону 92
3.5. Моделирование пассажирообмеиа поезда на остановочном пункте 95
3.6. Моделирование графика движения поездов 97
3.7. Методы расчета токов фидеров и подстанций 103
4. Методы имитационного моделирования электротранспортного комплекса с учетом ограничений питающей системы 108
4.1. Ограничения, накладываемые системой электропитания, на процесс функционирования электроподвижного состава 108
4.2. Методы расчета пропускной способности электротранспортных средств 111
4.2.1. Расчет пропускной способности транспортных средств, ограниченной потерями напряжения в тяговой сети 111
4.2.2. Расчет пропускной способности транспортных средств по допустимым токам линий 114
4.2.3. Расчет пропускной способности транспортных средств, ограниченной мощностью тяговой подстанции 116
4.3. Расчет пропускной способности на основе методов имитационного моделирования 119
Заключение 126
Список использованных источников 128
Приложения 137
- Методы расчета по графику движения поездов
- Случайный процесс движения поездов
- Характеристика способов организации имитации
- Расчет пропускной способности транспортных средств, ограниченной потерями напряжения в тяговой сети
Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост интенсивности транспортных потоков в крупных городах приводит к возрастанию влияния случайных факторов на процесс движения городского электрического транспорта, а это, в свою очередь, приводит к увеличению расхода электроэнергии. Поэтому фактические расходы электроэнергии, как показывают исследования, значительно отличаются от нормативных, рассчитываемых, в основном, детерминированными методами расчета.
Существующие методы энергетических расчетов в недостаточной мере обеспечивают необходимую точность и полноту описания протекающих в системе процессов, так как рассматривают их как детерминированные, что применимо только для высокоорганизованных транспортных систем, таких как железная дорога и.метрополитен. Для городского наземного электрического транспорта такой подход приводит к существенной и систематической ошибке. Это, в свою очередь, существенно сказывается на прогнозе расхода электроэнергии транспортной системой, выборе параметров элементов.
Адекватные реальным процессам решения можно получить, если исходить не из идеализированных процессов, происходящих под действием постоянных во времени нагрузок, а из реальных процессов с учетом как детерминированных, так и случайных факторов. Детерминированные методы энергетических расчетов, однозначно определяющие процесс по исходным данным, должны быть дополнены при решении таких задач вероятностны.ми и статистическими методами, позволяющими учесть влияние случайных факторов на ход процесса энергопотребления.
К настоящему времени накоплен большой опыт в теории тягово-энергетических расчетов, ориентированных, в основном, на высокоорганизованные электротранспортные системы, такие как железная дорога и метрополитен. Опубликовано большое количество работ. Значительный вклад в решение проблемы повышения точности энергетических расчетов внесли уче-
5 ные: Гочуа М.С., Кадо'мская К.П., Костенко М.В., Левинштеґш М.Л., Мар-квардт Г.Г., Марквардт К.Г., Мирошниченко Р.И., Палей Д.А., Розенфельд В.Е., Соколов С.Д., Сопов В.И., Угрюмов А.К., Феоктистов В.П., Щуров Н.И. и др. [3, 6, 7, 13, 32, 51, 69, 77 и пр.].
Известные работы, выполненные в различное время, в разных научных школах, в основном содержат решения отдельных невзаимосвязанных вопросов. Отсутствие комплексных исследований повышения точности энергетических расчетов, с учетом как неизвестных, так и случайных факторов, не позволяет адекватно оценить процессы, протекающие на электрическом транспорте в целом, а, следовательно, и с достаточной точностью проектировать такие устройста и прогнозировать энергопотребление предприятий.
Комплекс задач, исследованный в диссертационной работе, сформулирован в контексте проблемы совершенствования методов энергетических расчетов в системе электрического транспорта с учетом случайного характера движения поездов и рассмотрения всей сложной технической системы «Электрический транспорт» в целом, а не отдельных его элементов.
Цели работы н задачи научного исследования. Целью диссертационной работы является разработка и создание научно обоснованных методов, направленных на совершенствование энергетических расчетов электротранспортного комплекса с учетом взаимных связей в различных элементах системы и воздействия случайных факторов.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:
Провести анализ теоретических положений и методов расчета энергетических характеристик, описывающих процессы в сложной технической системе электрического транспорта;
Разработать концепции и принципы, существенно повышающие эффективность и точность расчета энергетических характеристик электрического транспорта на базе использования современных инструментальных средств исследования и новых подходов, опи-
сывающих функциионирование электротранспортного комплекса в целом;
Выполнить математическое описание процессов движения электрифицированных транспортных средств с использованием теории потоков случайных событий;
Разработать моделирующий алгоритм, позволяющий строить любые вероятностные графики движения при любом варьировании исходных параметров системы;
Выполнить комплексную оценку процессов функционирования сложной динамической системы электрического транспорта и установить функциональные связи взаимодействия в трехэлементной подсистеме «электроподвижной состав - организация и управление движением - электроснабжение»;
Разработать и создать моделирующие алгоритмы расчета основных энергетических характеристик силового электротехнического комплекса электрического транспорта на основе вероятностного графика движения.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений электродинамики и теории электрических цепей. Использованы аналитические и численные методы решения уравнений; теории случайных процессов; методы имитационного моделирования.
Достоверность полученных результатов исследования определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, сравнением полученных результатов путем параллельного расчета различными методами, а также подтверждается физическими и математическими экспериментами и практическими испытаниями в реальных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты анализа процесса энергопотребления и функциональных связей элементов, полученых при экспериментальных исследованиях силового электротехнического комплекса «Электрический транспорт».
Математическое описание процессов движения поездов на основе теории случайных процессов с моделированием вероятностных графиков движения с последующим определением энергетических показателей.
Моделирующие алгоритмы имитационного моделирования процессов функционирования динамической системы электрического транспорта.
Методика определения пропускной способности электротранспортной системы по ограничениям системы электроснабжения на основе имитационной модели.
Научная значимость и новизна работы. В диссертационной работе комплексно решен ряд важнейших задач, позволяющих математически адекватно описать функциональные действия электрифицированных транспортных средств и значительно повысить точность энергетических расчетов силового электротехнического комплекса «Электрический транспорт». При этом решены следующие задачи:
Впервые электрический транспорт рассматривается как трехэлементный компонент, где процесс функционирования одной из подсистем имеет явно выраженный диффузный характер;
Развиты теоретические основы расчета энергетических характеристик и показателей технической системы «Электрический транспорт», в общем виде получен комплекс выражений, устанавливающий связь между компонентами системы. Показано, что более эффективным является использование методов имитационного моделирования электротранспортного комплекса;
Предложена методика и разработаны алгоритмы имитационного моделирования процессов, протекающих в подсистемах «Электрического транспорта». Алгоритмы направлены на достижение наиболее полного моделирования процессов, протекающих в реальной системе за счет учета случайных факторов;
Показано влияние случайных факторов на весь процесс энергопотребления электротехнического комплекса в целом, а не для отдельных элементов сложной технической системы;
Разработаны концепции построения имитационных моделей различной степени детализации протекающих в электротранспортной системе процессов.
Практическая значимость работы заключается в совершенствовании методов расчета электротранспортного комплекса и востребованности электротранспортными предприятиями г.г. Барнаула и Новосибирска. Разработанные алгоритмы энергетических расчетов реализованы в рамках научно-исследовательских работ, выполненных для г.г. Барнаул и Новосибирск. Использование разработанных методов расчета, моделирующих алгоритмов и программных комплексов при проектировании и в практике эксплуатации систем электрического транспорта сокращает сроки опытно-конструкторских работ, повышает точность расчетов и позволяет адекватно реальным условиям отражать процессы функционирования и определять параметры подсистем электрического транспорта, что, в конечном счете, обеспечивает энерго-и ресурсосбережение.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы получены и использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ, выполненных по заказам предприятий и организаций, связанных с разработкой новых систем мониторинга электроэнергии, потребляемой различными подсистемами электрического транспорта. Результаты проведенных научно-исследовательских работ, в рамках исследова-
9 тельских хозяйственных договоров, нашли применение в различных устройствах на предприятиях городов Барнаул и Новосибирск.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных научно-технических конференциях:
Международная научно-техническая конференция 6-7 сентября 2001 «Электромеханические преобразователи энергии» г. Томск, ТПУ;
Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 2004 «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» г. Москва, МЭИ;
V международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» МКЭЭЭ-2003, 22-27 сентября 2003 г., Крым, Алушта;
Международная научно-техническая конференция 3-5 сентября, 2003 «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» г. Томск;
Международная научно-техническая конференция «Электроэнергия и будущее цивилизации» г. Томск;
Международная научно-техническая конференция «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» г. Тобольск.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в числе которых: 14 статей, включая доклады на конференциях, 2 тезиса докладов на конференциях, 2 отчета по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка библиографических источников из 99 наименования и 5 приложений. Общий объем диссертации 205 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков и 7 таблиц.
Во введении отражено современное состояние проблемы, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследова-
10 ний. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости, практической ценности, реализации и апробации работы.
В первой главе выполнен системный анализ существующих методов расчета энергетических характеристик электрического транспорта. Выполнен обзор и классификация методов, применяемых в настоящее время на практике и в теоретических исследованиях. Приведен анализ методов описания движения транспортных потоков, в частности автомобильных, и возможность применения элементов данной теории для электрического транспорта. Сформулированы дальнейшие направления совершенствования методов расчета энергетических характеристих движения поездов.
Во второй главе проведены теоретические и практические исследования влияния случайных воздействий на энергетические характеристики движения поезда. Рассмотрено энергопотребление в отдельных элементах сложной технической системы электрического транспорта, а также для всей системы в целом.
В третьей главе разработаны алгоритмы и математические описания движения поезда с учетом случайных воздействий. На их основе разработана имитационная модель движения поездов и расчет энергетических характеристик по вероятностному графику движения поезда, полученному в результате моделирования.
В четвертой главе рассмотрено практическое применение разработанной в предыдущей главе модели для расчета пропускной способности транспортной системы на основе ограничений, накладываемых системой электроснабжения.
Заключение содержит характеристику основных результатов по теоретической и практической разработке проблемы, связанной с повышением точности методов расчета энергетических показателей движения поездов и прогнозирования энергопотребления электротехнической системой электрического транспорта. Содержит характеристику разработанной модели движе-
пня поездов на основе теории случайных процессов, а также характеристику не входящих в диссертационную работу важных вопросов, изучение и решение которых открывает дополнительные пути совершенствования энергетических расчетов электротранспортного комплекса.
Настоящая диссертационная работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете и частично содержит результаты исследований, полученных при непосредственном участии автора и проведенных в соответствии с хоздоговорными научно-исследовательскими работами, выполняеенными по заказу электротранспортных предприятих городов Новосибирска и Барнаула. Результаты работы внедрены на предприятиях городского электрического транспорта в городах Барнаул и Новосибирск.
Методы расчета по графику движения поездов
В первой группе в основу положен график движения. К ней относят методы равномерного и характерных сечений, непрерывного исследования графика движения. В данных методах различается только анализ графика движения, полученные же мгновенные схемы рассчитываются одинаково.
Группа методов по средним размерам движения включает метод равномерно распределенной нагрузки, метод подвижных нагрузок, а также аналитический метод. В их основе лежит усреднение исходных величин, таких как поездные токи, число поездов и пр.
В группе методов с учетом неравномерности процесса движения, число поездов и поездные токи представляются случайными величинами. Данная группа состоит из методов расчета максимальных нагрузок фидеров и подстанций. Различие методов здесь заключается в применении выравнивающих функций для распределения вероятностей числа поездов на участке, в качестве которых обоснованы гииергеометрическое и биноминальное распределения [3], гамма-распределение [6].
Наряду с представлением числа поездов и поездных токов случайными величинами, существуют методы, рассматривающие процесс движения как поток событий [7-f9]. В целом, отличие данных методов состоит в выборе законов распределения для межпоездных интервалов и числа поездов на участке контактной или транспортной сети.
Метод равномерного сечения графика движения поездов рассмотрен в [3,10]. В данном методе мгновенные схемы расположения поездов составляются по графику движения через равные интервалы времени. При выполнении таких расчетов, для выбранного периода, наносят на график движения ряд вертикальных прямых (параллельно оси расстояния), равноотстоящих друг от друга (рис. 1.4). Пересечение каждой такой прямой с нитками графика позволяет определить положение поездов в данный момент времени. Отсюда исследование отдельных моментов графика получило наименование «сечение графика». Таким образом, каждое сечение графика соответствует определенному моменту времени.
На основании расчетов мгновенных схем для каждого сечения могут быть получены графики изменения токов фидеров подстанций, потерь напряжения в сети и до поезда, потерь мощности и энергии по времени. Нагрузки подстанций могут быть получены суммированием токов фидеров.
Точность расчетов зависит от числа взятых сечений на одном и том же отрезке времени. Данному методу присущи существенные недостатки, объясняемые в большинстве случаев неопределенностью значения необходимого интервала. При достаточно больших интервалах некоторые моменты, например, резкое увеличение или уменьшение тока между сечениями, не учитываются, что может исказить получаемые результаты.
Метод характерных сечений [3, 10] устраняет недостатки метода равномерного сечения графика движения. По этому методу расчетные моменты времени на графике движения выбираются не произвольно, а так, чтобы в рассмотрение попали все значительные изменения поездных токов. Для этого на графиках тока поездов намечают «характерные точки», отмечающие основные места изменения тока, и действительная кривая тока заменяется спрямленной (рис. 1.5 и рис. 1.6). Число характерных точек может изменяться в зависимости от степени точности, с которой желательно воспроизвести характер графика поездного тока.
Аналогично методу равномерного сечения графика движения, для каждого сечения рассчитываются мгновенные схемы расположения нагрузок, на основании которых могут быть получены токи фидеров и подстанций, потери напряжения и мощности.
Метод характерных сечений графика движения сводится к замене схемы с переменными значениями величин и местами приложения нагрузок несколькими схемами с постоянными нагрузками. Метод же непрерывного исследования графика движения дает возможность рассчитывать величины по графику движения и графикам потребляемого поездом тока без указанной замены схемы. В этом методе, пользуясь готовыми графиками зависимости тока и пути от времени, строят в последовательном порядке графики изменения по времени величин, необходимых при расчете системы электроснабжения (рис. 1.7).
Случайный процесс движения поездов
Связи между нагрузками, напряжениями и энергопотреблением фидера Ф192 установить не удалось из-за влияния других фидеров подстанции, а также соседних подстанций, на токи и напряжения измеряемого фидера. Теоретически, получить такие связи возможно, но это требует наличия большого количества измерительной аппаратуры, объединенной единой информационно-вычислительной сетью и с достаточно жесткой синхронизацией по времени. Кроме того, связи будут достаточно сложны, так как будет происходить наложение нескольких десятков (в случае рассмотрения процессов, протекающих только на фидерах), а то и сотен (в случае рассмотрения процессов, протекающих на подвижном составе) процессов. В настоящее время достичь этого на предприятиях городского электрического транспорта практически невозможно.
Исходя из вышесказанного, требуется подход, требующий значительно меньше ресурсов. Основой такого подхода может служить рассмотрение не каждого процесса в различных элементах сложной технической системы электрического транспорта и установления его связей и характеристик, а базирование на процессообразующей подсистеме.
Энергопотребление, являясь конечным, интегральным показателем, позволяет вести оценку эффективности системы в целом. Однако, для анализа электрических процессов, протекающих с СТС ГЭТ, и причин изменения расхода электроэнергии, не может быть использовано.
Основной подсистемой, определяющей характер протекания процессов в электротехническом комплексе ГЭТ, является подсистема организации и управления движением. Именно характер движения поездов определяет токи поездов, линий и подстанций, равно, как и падения напряжений в контактной сети и потери мощности. Как было отмечено выше, именно процесс движения поездов наименее полно исследован и описан в литературе.
Наиболее адекватным является представление движения поездов потоком случайных событий. Под потоком событий понимают [22] последовательность однородных событий, происходящих одно за другим в случайные моменты времени. С точки зрения движения поездов, событием можно рассматривать прохождение поездом остановочного пункта. При таком подходе, поток поездов является потоком однородных событий, различающихся только моментом появления. Этот поток можно изобразить как последовательность точек ґі, 2 на числовой оси (рис. 2.18), соответствующих моментам появления событий.
Однако, представление движения поездов таким образом не является правомерным. Действительно, представление времени прохождения остановочного пункта мгновенной величиной не соответствует действительности. На самом деле длительность прохождения остановочного пункта будет соответствовать времени, затраченному на пассажирообмен. Тогда, процесс движения поезда может быть представлен как два функциональных действия: движение по перегону и остановка для пассажирообмена.
С точки зрения энергопотребления, рассмотрение остановки на пасса-жирообмен представляет интерес только как временная характеристика. Действительно, при пассажирообмене расход электроэнергии осуществляется только на собственные нужды, такие как отопление, освещение, работа вспомогательных машин и пр. Определение энергопотребления в этом случае требует знания только времени остановки и мощности работающего оборудования, т.е. определяется детерминированными зависимостями. Аналогично и с величинами протекающих в цепях собственных нужд токов и уровней напряжения.
С целью определения времени нахождения на остановочном пункте были выполнены экспериментальные исследования. По отчетам наблюдателей, расстановка которых показана на рис. 2.4, получена статистическая выборка для времени нахождения на остановочном пункте. Выборка обрабатывалась методами математической статистики [23]. Оценки числовых характеристик выполнены по формулам:
Характеристика способов организации имитации
В моделях сложных систем состав активностей в разных компонентах и характер их взаимодействий различны. В одних системах ФДу отличаются друг от друга, в других - аналогичны, совпадают по времени и приводят к появлению одинаковых событий. В ряде случаев между ФДу существует сильное взаимодействие, которое можно апроксимировать явными зависимостями. В зависимости от состава алгоритмов AJTjj, характера связей между компонентами, целей и задач моделирования выбирается тот или иной способ реализации активностей в имитационной модели. Составление описания модели называют формализацией объекта моделирования. Наибольшее распространение получили 5 способов описания имитационной модели: активностями, аппаратом событий, агрегатами, транзактами, процессами. Каждому способу формализации объекта соответствует свой метод организации квазипараллелизма (имитации) при обслуживании активностей УПМ. Различают следующие способы организации имитации (квазипараллелизма) в имитационной модели: просмотр активностей, составление расписания событий, управление агрегатами, синхронизация процессов, управление обслуживанием транзактов.
Систему можно описать любым из указанных способов формализации, но имитационные модели при этом будут отличаться размерами, количеством затрачиваемых ресурсов. Ниже приводится краткое рассмотрение перечисленных способов имитации.
Агрегатный способ имитации целесообразно применять в случае апроксимацій! ФДц явными математическими зависимостями, позволяющими определить момент появления выходных сигналов при наличии входных. Модель здесь можно построить по модульному принципу. Модуль выполняется по унифицированной структуре и называется агрегатом.
Агрегат - это математическая схема, описывающая большой круг процессов. Обобщенная схема агрегата показана на рис. 3.7. Управл. сигнал q(t) В любой момент времени tjj агрегат может находиться в состоянии Сі или Сг- Перевод агрегата из Сі в Сг или обратно осуществляется оператором Н. Агрегат имеет входы и выходы для приема - Xi(t) и генерирования - Xr(t). Кроме того, имеется дополнительный вход для приема управляющего сигнала q(t). Выходные сигналы Xr(t) формируются из входных Xi(t) и q(t) оператором выхода G во взаимодействии с оператором Н. Агрегат взаимодействует с УПМ. Моделирование поведения агрегата представляется последовательной цепью перехода из одного состояния в другое. В случае отсутствия управляющего сигнала будет иметь место частный случай кусочно линейного агрегата. Связи между входами одного и выходами другого агрегата называются каналами. Схема модели объекта, состоящей из агрегатов, показана на рис. 3.8. Взаимодействие агрегатов с УПМ видно из схемы. Структурная схема модели объекта, состоящего из агрегатов Здесь моделируемая система представляется тремя компонентами, каждая из которых описывается ФДу, представляемые кусочно-линейными агрегатами Ay. Агрегат А0 представляет собой поведение внешней среды. Процесс эволюции состояний агрегатов имитационной модели, появление событий Qj обеспечивает УПМ. Пусть на выходе Азд появляется сигнал У3д, тогда А3,2 пасует (выключается) и назначает новый момент его активизации. При наличии сипіала Уз,2 по матрице коммутаций агрегатов УПМ организует активизацию Аз,з- Когда все входные сигналы У у агрегатов Ац обслужены, проверяется условие окончания моделирования и при его невыполнении управление передается на подпрограмму (ПП) активизации агрегатов по времени имитации. Это означает выбор минимального времени ty из упорядоченного списка. УПМ содержит все типовые структурные элементы в виде ПП начала и окончания моделирования организации выхода, операторов сдвига модельного времени, формирования списков и выбора агрегатов. Переходы определяются операторами решений (условий). Имитация способом просмотра активностей используется при следующих условиях: - все ФДу компонент К; различны; - для выполнения каждой ФДу требуется выполнение своих условий, которые известны и могут быть представлены алгоритмически; - связи между ФДу отсутствуют и функционируют независимо от других; при выполнении ФДу происходят различные события Су. Модель в этом случае состоит из двух частей: множества активностей АКу и набора процедур проверки условий их инициализации. Передачу управления от УПМ на выполнение АЛу называют инициализацией AKjj. В свою очередь выполнение АЛу называют обслуживанием АКу. Обслуживание заканчивается выполнением оператора Mty. Схема модели объекта, состоящего из активностей, показана на рис. 3.9. Подпрограмма начала имитации устанавливает начальные состояния компонент КІ И условия инициализации активностей. Возбуждение АКу управляющей программой состоит в следующем: устанавливается параметр цикла 1, равный максимальному числу активностей; выполняется модификация номера активности и проверяются условия инициалнзацин и конца цикла 1 и исчерпание списка активностей; формируются параметры цикла 2, и через условия проверки его конца управление передается блоку выбора очередного АКу для инициализации. Если список активностей по циклу 1 исчерпан, выполняется оператор корректировки модельного времени to. По завершении имитации управление передается подпрограмме окончания моделирования. В случае конца цикла 2 управление передается на установку вновь параметра цикла 1. Выполнение АКу - заканчивается оператором модификации временной координаты Mty.
Расчет пропускной способности транспортных средств, ограниченной потерями напряжения в тяговой сети
Все перерывы электроснабжения поездов можно разделить на две группы: возникающие вследствие электрических процессов в системе; прочие -как результат действия механических нагрузок, при токосъеме из-за дефектов узлов, деталей и т.п. Отказы вследствие электрических процессов появляются в виде отжигов и пережогов контактных проводов, разрушения контактных соединений, пробоев в изоляции кабелей. Последствия таких отказов можно определить как тяжелые, приводящие к длительным перерывам питания, значительным затратам на их ликвидацию, сокращению объемов перевозок. Поэтому, при расчете и проектировании силового электротехнического комплекса необходимо учитывать ограничения, накладываемые системой электроснабжения на процесс функционирования электроподвижного состава.
Принципиальная схема цепи электроснабжения, характерной для трамвая и троллейбуса, показана на рис. 4.1. По классификации схем питания электроприемников, это в чистом виде магистральная схема, где магистралью является секция контактной сети, получающая питание по фидеру и линии электропередач через шины, к которым подключены выводы выпрямительных агрегатов. Электроподвижной состав к секции (магистрали) подключается скользящим контактом (опайкой). По бесперебойности питания секция и ЭПС соответствуют электроприемникам 2-ой категории (по классификации ПУЭ), так как отсутствует второй независимый источник, подключаемый автоматически или работающий параллельно.
В рассматриваемой цепи «узкими» местами являются секции и линии контактной сети, т.к. они имеют ограниченное сечение, что означает наличие ограничений по плотности протекающих токов. Понятие пропускной способности по устройствам электроснабжения трактуется как наибольшие размеры движения, которые могут быть выполнены в определенный период (сутки, час) в зависимости от существующей мощности и размещения тяговых подстанций, сечение контактной подвески и способа организации движения поездов [93].
Можно выделить, следующие ограничения пропускной способности электротранспортного комплекса по устройствам электроснабжения: по мощности тяговых подстанций, по уровню напряжения, по нагреву проводов.
Ограничение по мощности тяговой подстанции обусловлено мощностью элементов подстанции. Это может быть выпрямительный агрегат, понижающий трансформатор. Фактически, превышение допустимого уровня тока (обычно осуществляется проверка по току) приводит к повышенному износу элементов тяговой подстанции и сокращению срока службы.
Ограничение по уровню напряжения на токоприемнике связано со снижением скорости движения поездов при пониженном напряжении, что приводит к увеличению сгущения, частоты циклов «пуск-торможение», к увеличению среднего тока линии, увеличенному расходу электроэнергии. Кроме того, минимальный уровень напряжения в контактной сети нормирован ГОСТами, следовательно, оборудование может оказаться неработоспособным при уровнях напряжения ниже минимально заданного.
Ограничение по нагреву проводов накладывается в связи с опасностью перегрева проводов с возникновением пережигов и отжигов контактных проводов, что приводит к существенному времени простоя транспортной системы и, как следствие, к отказу в обслуживании. Устранение данных типов повреждение весьма трудоемко и требует длительного времени. Кроме того, при перегреве проводов ухудшаются характеристики провода, а следовательно, и качество токосъема. Перегрев кабельных линий может приводить к ухудшению качества изоляции, что увеличивает опасность ее пробоя. Демонтаж и замена подземных кабельных линий приводит к большим затратам, а также увеличению нагрузок на соседние подстанции на время ремонта.
Существующие методы расчета пропускной способности электротранспортного комплекса по ограничениям системы электроснабжения, в основном, базируются на усредненных размерах движения с использованием максимально упрощенных аналитических формул, графиков и номограмм. Кроме того, для городского наземного электрического транспорта методы расчета пропускной способности практически не развиты. Существующие же методы расчета пропускной способности, применяемые для высокоорганизованных транспортных систем (железная дорога, метрополитен), не вполне адекватно отражают действительность. Развитие методов расчета для нужд городского электротранспорта имеет большое значение с точки зрения повышения надежности и отказоустойчивости системы. Одним из подходов к расчету пропускной способности является статистический подход. Сбор и обработка статистического материала для такого рода расчетов является довольно громоздкой и трудоемкой задачей. Использование же имитационной модели, например, рассмотренной в предыдущем разделе, для получения статистического материала может существенно облетить данную задачу, т.к. все расчеты могут выполняться автоматизировано, с применением ПЭВМ.
