Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния расчетов нагрузочной способности системы тягового электроснабжения 10
1.1 Аналитические методы расчета нагрузочной способности 10
1.1.1. Специфика расчета системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта 10
1.1.2 Расчет параметров нагрузочной способности системы тягового электроснабжения 13
1.2 Расчет нагрузочной способности тяговой энергосистемы методами имитационного моделирования 17
1.3 Рейтинговый анализ критериальных параметров нагрузочной способности системы тягового электроснабжения 27
1.4 Выводы 31
2 Математическая модель системы тягового электроснабжения 32
2.1 Аналитическая оценка мощности тяговой подстанции исходя из оценки потребляемой мощности необходимой для пропуска поездов повышенной массы и длины 32
2.1.1 Расчет тока тяговой подстанции 32
2.1.2 Расчет системы тягового электроснабжения по мощностной характеристике 36
2.1.3 Расчет мощности тяговой подстанции при задании нагрузки мощностной характеристикой 42
2.2 Оценка взаимосвязи нагрузки системы тягового электроснабжения с характером дислокации поездов на участке 46
2.3 Расчет системы тягового электроснабжения по мощностным характеристикам движения поездов 50
2.3.1 Математическое описание мгновенной схемы работы системы тягового электроснабжения 50
2.3.2 Алгоритм расчета системы тягового электроснабжения,... 53
2.4 Выводы 58
Структура имитационной модели уточненного расчета параметров нагрузочной способности системы тягового электроснабжения 59
3.1 Структурная схема модели 59
3.2 Моделирование режимов работы системы тягового электроснабжения. Моделирование графика движения поездов 65
3.3 Сопоставительный анализ тестового моделирования работы системы тягового электроснабжения 78
3.4 Анализ расчетов нагрузочной способности системы тягового электроснабжения при использовании методов адаптации по критерию электропотребления на участке 84
3.5 Выводы 99
Оптимизация режимов работы системы тягового электроснабжения по критерию минимального расхода электроэнергии 101
4.1 Критериальная оценка оптимизации работы системы тягового электроснабжения 101
4.2 Выбор оптимальных межпоездных интервалов с учетом критериальных параметров нагрузочной способности системы тягового электроснабжения 121
4.3 Выводы 127
Практическая реализация использования модели расчета нагрузочной способности для электрифицированных участков железной дороги 128
5.1 Программно-расчетный комплекс 128
5.2 Построение энергооптимального графика движения поездов 134
5.3 Расчет экономической эффективности 137
5.4 Выводы 138
Основные выводы и предложения 139
- Специфика расчета системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта
- Расчет системы тягового электроснабжения по мощностной характеристике
- Моделирование режимов работы системы тягового электроснабжения. Моделирование графика движения поездов
- Построение энергооптимального графика движения поездов
Введение к работе
Основной задачей «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до
2010 года и на перспективу до 2020 года» является полное и надежное
энергетическое обеспечение перевозочного процесса при снижении рисков и
недопущении развития кризисных ситуаций в энергообеспечении
железнодорожного транспорта. Решение этой задачи и задачи снижения на 0,5 -
0,6 % в год удельных расходов энергии на тягу поездов предполагается
осуществлять посредством внедрения автоматизированных информационных
технологий, систем мониторинга технологических процессов расходования
і энергоресурсов.
Наметившаяся в последнее время в ОАО «РЖД» тенденция выполнения грузовой работы поездами повышенной массы (6-7 тыс. тонн) и длины (71 — 100 усл. вагон), а также организация скоростного движения в пассажирских перевозках приводит к существенному росту нагрузки на систему тягового электроснабжения (СТЭ) со стороны электроподвижного состава (ЭПС), что особенно сказывается на СТЭ постоянного тока.
Для оценки основных показателей нагрузочной способности (НС) СТЭ, к
которым согласно Правил устройства системы тягового электроснабжения
і железных дорог Российской Федерации (ПУСТЭ) отнесены: уровень
напряжения на токоприемнике ЭПС, температура нагрева проводов, нагрузка
силового и коммуникационного оборудования, используются как
инструментальные так и расчетные средства контроля.
Однако при инструментальном мониторинге показателей нагрузочной способности СТЭ отсутствует возможность предварительной оценки их значений и причин отклонения от нормы. Существующие имитационные модели на базе ЭВМ не позволяют проверить адекватность расчетов, что снижает практическую ценность оценки НС СТЭ.
Таким образом, выполнение задач, определенных в Энергетической стратегии и тенденции в организации поездной работы требует разработки
усовершенствованных методов и моделей адекватного оперативного контроля,
і прогнозирования показателей нагрузочной способности СТЭ, и расчета
оптимальных режимов электропотребления.
Целью работы является совершенствование расчетных методов оперативного контроля, оценки и прогнозирования показателей нагрузочной способности системы тягового электроснабжения постоянного тока.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:
провести анализ существующих методов и систем расчета показателей нагрузочной способности СТЭ постоянного тока с позиции оценки их адекватного использования в задаче оперативного контроля и мониторинга режимов СТЭ;
разработать аналитические зависимости и математическую модель электрического расчета СТЭ по мощностной характеристике нагрузки ЭПС, обладающей свойствами повышенной точности представления процессов электроснабжения;
разработать адаптационную имитационную модель расчета показателей нагрузочной способности СТЭ на базе использования мощностных характеристик нагрузки ЭПС и процедур настройки результатов расчета с реальными показаниями электропотребления на расчетном участке СТЭ;
разработать методику расчета и прогнозирования оптимального расхода электроэнергии в СТЭ по подстанциям расчетного участка по показателю наиболее полного использования энергии рекуперации;
разработать программно-технологические средства оперативного расчета показателей нагрузочной способности СТЭ и провести экспериментальные исследования точностных характеристик предложенной модели и расчетных процессов электроснабжения.
Основные методы научных исследований. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического анализа, методы математического моделирования, математическая статистика, теоретические
7 основы электротехники, численные методы решения систем уравнений,
идентификационные методы синтеза моделей и построения алгоритмов.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждены результатами экспериментальных исследований проведенных на основе проверки статистической совместимости результатов моделирования с показателями работы реального участка электрифицированной железной дороги.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключатся в развитии методов расчета показателей нагрузочной способности способами имитационного моделирования. Основными научными результатами, полученными в работе, являются:
аналитические выражения для оценки мощности нагрузки тяговых подстанций, учитывающие влияние характеристик мощностной нагрузки электроподвижного состава в режиме тяги и рекуперации;
адаптационная имитационная модель расчета и прогнозирования показателей нагрузочной способности системы тягового электроснабжения
постоянного тока, использующая в расчетах мощностные характеристики
I тяговой нагрузки, уточненные характеристики дислокации поездов и
процедуры контроля адекватности расчета показателей нагрузочной
способности СТЭ;
- методика и модель расчета и прогнозирования оптимального расхода
электроэнергии в СТЭ по подстанциям расчетного участка по показателю
наиболее полного использования энергии рекуперации.
Практическая ценность. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований были разработаны программные средства оперативного расчета, оценки и прогнозирования показателей нагрузочной способности СТЭ постоянного тока; разработаны программные средства оценки оптимального использования энергии рекуперации и расхода электроэнергии на тягу поездов. Использование разработанных программных средств оперативного расчетного контроля режимов работы СТЭ позволяет
моделировать и прогнозировать развитие кризисных ситуаций в тяговом электроснабжении и оценить возможность снижения расхода электроэнергии на тягу поездов.
Практические результаты подтверждены двумя свидетельствами на полезную модель, шестью свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ и двумя свидетельствами о регистрации интеллектуального продукта.
Внедрение результатов работы. Разработанные программные средства по расчету показателей НС СТЭ, включены в состав программно-технологического комплекса расчета наличной пропускной способности (ПТК РНПС -ЭЧ разработки СамГАПС) и внедренны на 7-ми дистанциях электроснабжения главного хода и в ДЭЛ Куйбышевской железной дороги -филиала ОАО "РЖД". По результатам расчета определены межпоездные интервалы, удовлетворяющие нормативным показателям НС СТЭ при пропуске поездов повышенной массы (6000 - 7000 тонн). Экономический эффект от внедрения модуля по расчету НС СТЭ в составе (ПТК РНПС-ЭЧ) составляет 4,8 млн. рублей в год. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе по дисциплинам специальности 190401 — Электроснабжение железных дорог.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на втором международном симпозиуме «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Санкт - Петербург, Eltrans 2003 г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса» (Гомель, 2003 г.); на региональной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, 2003г.); на XXX межвузовской научной конференции студентов и аспирантов (Самара, 2003), на региональной научно-практической конференции, посвященной 130-летию КБШ ж.д. «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного
9 транспорта» (Самара, 2004), на сетевой научно-практической конференции
«Энергетическое обследование структурных подразделений филиалов ОАО
«РЖД» (Омск, 2004).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 18 печатных
работах, включающих 4 статьи и тезисы 4 докладов, 2 патента на полезную
модель, 6 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ и 2
свидетельства о регистрации интеллектуального продукта.
Специфика расчета системы тягового электроснабжения железнодорожного транспорта
Системы электроснабжения электрифицированных железных дорог по предъявляемым к ним требованиям, условиям работы, используемому оборудованию и устройствам и, наконец, по задачам, решаемым ими, коренным образом отличаются от систем электроснабжения предприятий. Это накладывает особые требования при их расчете. Главным отличием расчета тяговых сетей от сетей со стационарными нагрузками является непрерывное изменении положения нагрузки и ее величины (вследствие движения поездов различных весов по пути с изменяющимся профилем), а также числа нагрузок /3/. Поэтому контроль показателей нагрузочной способности системы тягового электроснабжения необходимо вести в оперативном режиме. При этом не достаточно использовать аппаратные средства контроля поскольку с их помощью нельзя спрогнозировать нагрузку на СТЭ в предстоящий период. Для прогноза показателей нагрузки системы используется расчетный метод контроля. Особую актуальность имеет оперативный контроль на железных дорогах, электрифицированных по системе постоянного тока, поскольку токовая нагрузка на оборудование СТЭ на порядок выше, чем в системе на переменном токе.
В результате расчетов системы тягового электроснабжения (СТЭ) должны быть определены основные технические и экономические показатели ее работы: уровень напряжения на шинах тяговых подстанций и токоприемниках электровозов, потери энергии в тяговой сети, максимальные токи нагрузки фидеров подстанций и проводов, степень использование рекуперации.
Существуют несколько методов расчета систем электроснабжения /3/.
Общим в этих методах расчета является то, что все они основываются на заданных схемах питания сети, числе, расположении и значении нагрузок. Нагрузки задаются мощностью или током. Если заданы график движения поездов и кривые нагрузок, то для любого момента времени по графику движения могут быть установлены места расположения поездов, а для этих мест расположения по нагрузочным кривым могут быть определены величины нагрузок от поездов. В силу динамичности изменения нагрузок (движение поездов) методы подразделяются на метод равномерного сечения графика движения, метод характерных сечений графика движения, метод непрерывного исследования графика движения. По методу равномерного сечения графика движения мгновенные схемы расположения поездов берутся из графика движения через равные интервалы времени. По методу характерных сечений графика движения расчетные моменты времени выбираются не произвольно, а так, чтобы в рассмотрение попали все значительные изменения поездных токов, для чего на графике тока поездов намечают так называемые «характерные точки», отмечающие основные места изменения тока. Недостатком метода равномерного сечения считалось, что он не учитывает кратковременные изменения нагрузок, которые учитывает расчет по характерным точкам, но его применение для расчетов имитационного моделирования на компьютере позволяет производить расчеты с любой дискретизацией по времени, сводясь при этом к методу непрерывного исследования. Кроме того, метод равномерного сечения реализуется при этом проще, чем метод характерных сечений графика движении.
Для расчета мгновенных схем применяются любые из известных методов из теоретических основ электротехники, в зависимости от способа задания нагрузки. Нагрузка может быть задана сопротивлением, мощностью, но чаще всего она задается током. На рис.1 представлена токовая нагрузка от движения поезда по перегону в зависимости от места его нахождения. Движение поездов \о участкам определяет график исполненного движения (ГИД) (рис.2). Имея
График можно определить координаты поездов в любой момент времени, а по токовой характеристике величину нагрузки. Таким образом, получается мгновенная электрическая схема (рис.3).
На участках с малыми расстояниями между подстанциями, что характерно для системы постоянного тока, в некоторых случаях сопротивление тяговой сети межподстанционных зон невелико, вследствие чего уравнительные токи между подстанциями, вызванные неравенством напряжений, могут быть значительными. По этому расчеты токораспределения производятся при учете напряжения холостого хода тяговых подстанций, а также при изменении напряжения на шинах подстанций, вызванных изменением их нагрузок. В этом случае ряд соседних подстанций питает нагрузку совместно, разгружая уравнительными токами более загруженные и нагружая менее нагруженные подстанции. На пиковые значения нагрузок подстанций падающие характеристики оказывают благоприятное для работы системы энергоснабжения влияние. Максимальные нагрузки подстанций и фидеров при таких характеристиках снижаются
Расчет системы тягового электроснабжения по мощностной характеристике
Рассмотрим альтернативный подход к расчету СТЭ с заданием мощностной характеристики. Исходные данные остаются те же самые, только нагрузка определяется не значением потребляемого тока, а мощностью. Основными режимами движения поезда являются: режим тяги, или движение под током; режим выбега, или движение без тока и торможение. При расчете учитываются только режимы под током, то есть -тяги и торможения (если используется рекуперативное торможение). В этих случаях происходит поглощение электроэнергии или её генерирование. При этом по закону сохранения энергии сумма поглощенной электроэнергии (складывается из расхода на тягу А и потерь в сети AW) и генерированной (складывается из рекуперированной Wp и выделенной на подстанциях W): A + AW Wp+lV (2.17) Применяя для расчета мгновенные схемы, переходим таким образом к мощности - то есть к балансу мощностей: подставив (2.17) в (2.18) получили: г « + Л с = + /7/с (2-19) Мощность, расходуемая на тягу плюс потери в сети равны мощности рекуперируемой при торможении плюс мощность, выделяемая на подстанциях. Мощность, теряемая в сопротивлениях тяговой сети и выделяемая на подстанциях, зависят от тяговой и рекуперируемой мощности поездов. Таким образом, выражение (2,19) нужно записать: Рт -Р уп Ртс- с (2.20) Далее, мощность равняется произведению тока на напряжение: P = U-I (2.21) следовательно, учитывает и напряжение и ток. Если рассматривать с механической стороны, то мощность равна произведению силы тяги F на скорость движения V: P = F-V (2.22) Получается, что мощность учитывает и скорость движения поезда, и силу тяги. Из теории электрических машин для двигателей постоянного тока известно, что питающий ток пропорционален силе тяги, а напряжение пропорционально скорости: F = I-c-0 (2.23)
Теперь вернёмся к движению поездов. При движении поезда с постоянным напряжением на токоприемнике его мощность зависит только от тока, но при реальном движении напряжение постоянным оставаться не может. Если поезд движется по участку один, то напряжение на токоприемнике, при нахождении его возле подстанции выше, чем в середине участка при одном и том же значении тока. Если поезд движется не один, то на уровень напряжения влияют все поезда. А если участок имеет значительную протяженность, многопутный, его запитывают несколько подстанций с разными параметрами, установлены ПС и ППС, то напряжение на токоприемнике будет зависеть уже от множества факторов. При построении же токовой характеристики напряжение не учитывается, и оно не является постоянной величиной для каждой точки участка. Напряжение может варьироваться в широких пределах от 2600 до 4000 В, то есть разброс составляет порядка 40%. И оно, как отмечалось выше (2.23), пропорционально скорости, то есть при изменении напряжения изменяется скорость. Машинист при управлении поездом стремится сохранить установленную скорость, чтобы прибыть вовремя, но и соблюдает её ограничения /12 - 15/. Регулировка силы тяги и скорости на локомотиве осуществляется посредством контроллера, который переключает схемы включения двигателей, регулирует магнитное поле или использует реостаты для ограничения напряжения. При этом имеется следующая тенденция - при одном и том же значении тока на последующей позиции контролера скорость больше, но сила тяги меньше. Таким образом, при снижении напряжения начинает падать скорость, машинист переключает позицию контроллера для её поддержания, при этом возрастает ток, который поддерживает силу тяги (переходные процессы не рассматриваются, имеются в виду только установившиеся значения). В итоге получается то, что скорость и сила тяги не меняется, напряжение падает, но ток растет, а значит, мощность не меняется.
В случае если машинист не предпринял никаких управляющих действий, то скорость снижается. Но так как расчет ведется по заданному графику движения, то предполагается, что скорость была такая, чтобы проходить все пункты в заданное время, какой бы не была ситуация на дороге.
Рассмотрим элементарный участок, При движении по нему поезд затрачивает энергию равную совершенной работе: dlV dA F-dS, (2.24) работа равна произведению силы на расстояние. Сила тяги равна силе сопротивлению движения, которая, в свою очередь, определяется в основном профилем пути и скоростью. Отбросив зависимость от скорости, получили, что сила сопротивления движению на участке dS = const - постоянна для всех поездов с одинаковыми характеристиками, а значит, одинаков расход энергии.
Моделирование режимов работы системы тягового электроснабжения. Моделирование графика движения поездов
Работу СТЭ определяет уровень нагрузки, который зависит от движения поездов, то есть от графика движения /21/.
Создание модели графика движения сводится к моделированию очередности отправления поездов разных типов и интервалов меду ними с вероятностной точки зрения /10/.
Для оценки работы участка необходимо получить его наиболее вероятную нагрузку, которая обеспечивается графиком движения, то есть нужно построить и провести расчет наиболее вероятного графика движения поездов.
Расстановка поездов для такого графика движения производится на основе анализа движения для расчетного участка за прошедший аналогичный период (зимний, летний или осенне-весенний).
С помощью функции распределения массы поездов, следующих по расчетному участку и массы, которую необходимо пропустить по перегону за заданный период можно найти необходимое количество поездов и их массы. І Іепрерьівная случайная величина R имеет равномерное распределение в интервале [О, I], если функция плотности вероятностей имеет следующий вид: Г 1 при 0 R \ f(R) = \ [О вне интервала. Интегральная функция распределения вероятностей имеет вид О при Д 0 F(R) = lR при 0 Я 1 1 при R \, Математическое ожидание М [R] и дисперсия D[R], соответственно, равны: Особенностью подобного распределения вероятностей является то обстоятельство, что вероятность попадания случайноц величины R в интервал определенной длины Д= R(2)-R{U (0 Д ]) равна длине этого интервала. На самом деле P{RcA} = p{R0) R R{2)} = f(R)(Ri2)-Rl])) = Ri2)-R(l)=Ay
Эта особенность равномерного распределения в интервале [О, I] широко используется при цифровой реализации случайных величин с различными законами распределения вероятностей.
Строго говоря, получить на компьютере программным путем реализаций «чисто» случайной величины с равномерным законом распределения вероятностей невозможно /29, 30/. Это объясняется, в первую очередь, конечной разрядностью любой цифровой машины. В состав же матобеспечения современных машин вводятся, как правило, стандартные программы получения «псевдослучайных» последовательностей чисел. Принципы составления алгоритмов, по которым функционируют подобные программы, подробно описаны в работе /31/. Эти алгоритмы объединяет одно общее для всех обстоятельство: они имеют в своей основе не случайную, а детерминированную структуру. Однако генерируемые с их помощью последовательности чисел весьма «похожи» на случайные. Этим и объясняется термин «псевдослучайность».
Для получения реализаций случайной величины х с заданной плотностью распределения вероятностей f(x) существует немало искусственных приемов. Весьма распространен метод нелинейного преобразования, обратного функции распределения. Метод основан на использовании соотношения jf(x)dx = Ri,i =1,2,..,. (3,8)
Рассматривая выражение (3.8) как уравнение относительно X; и разрешая его: получим явную функциональную связь между Xj и Rj, которая легко алгоритмизируется. Например, для экспоненциального распределения вероятностей Дх) = Ае-Ах;х 0 Л 0. из выражения (3.8) получается: AJe-Axdx = l e Ajt=Ri (3.9) о откуда ,=- 1п(1-Д(). (3.10) А поскольку величина (I — R) распределена так же, как и Rj, т.е. равномерно в интервале [О, I], можно переписать выражения (3.9) в окончательном виде xt = — In Л(.;/= 1,2,,..
Использование последнего соотношения позволяет получить реализации случайной величины х, каждая из которых будет зависеть лишь от R[. Таким образом, если программный датчик (стандартная программа генерации R ) выдает независимые реализации R;, реализации xj также будут независимы друг от друга.
Построение энергооптимального графика движения поездов
График на рис.5.9 составлен для двух поездов попутного направления. Увеличение интервала попутного следования относительно минимального дает снижение затрат электроэнергии до определенного момента, когда электропотребление одного поезда не оказывает влияние электропотребление другого поезда. Стоимость простоя при увеличении межпоездного интервала возрастает линейно. Суммарная эффективность проведения сдвижки находится как разность между снижением затрат на электроэнергию и стоимостью простоя. Зона положительного эффекта в данном случае находится до 25 минут, наибольший выигрыш составляет 780 рублей при увеличении времени простоя на 13 минут.
Исходя из объема рекуперированной энергии на КБШ ж.д. по счетчикам ЭПС 178 млн. кВт ч/год доиспользование рекуперации в объеме 7% позволит сократить расход электроэнергии на 11 млн. кВт ч.
Экономический эффект от внедрения программного модуля расчета НС СТЭ в составе ПТК РНПС на КБШ ж.д. за счет сокращения межпоездных интервалов на 28,5% составил 4,8 млн. руб (Приложение 3).
По практической реализации использования системы расчета энергооптимальных графиков движения поездов для участков электрифицированных железных дорог постоянного тока можно сделать следующие выводы:
1. Разработан и внедрен в опытную эксплуатацию модуль программно-технологического комплекса по расчету межпоездных интервалов соответствующих нормальным условиям работы СТЭ и энергооптимальному пропуску поездов по участкам;
2. Предполагаемый эффект внедрения программно-технологичекого комплекса на Куйбышевской железной дороге - увеличение использования энергии рекуперации на 7%, что позволит снизить расход электроэнергии на 11 млн. кВт ч в год.
3. Экономический эффект от внедрения программного модуля расчета НС СТЭ на КБШ ж.д. за счет сокращения межпоездных интервалов на 28,5% составил 4,8 млн. руб.
Проведенные исследования в области расчетных методов контроля показателей НС СТЭ позволили получить следующие основные результаты:
1. Разработаны аналитические зависимости и математическая модель электрического расчета СТЭ по мощностной характеристике нагрузки ЭПС, обладающей свойствами многофакторного представления процессов электроснабжения с повышением до 88-90% корректности результатов расчета.
2. Разработана адаптационная имитационная модель расчета показателей нагрузочной способности СТЭ на базе использования мощностных характеристик нагрузки ЭПС и процедур настройки результатов расчета с реальными показаниями электропотребления на расчетном участке СТЭ, позволяющая повысить точность оценки расчетных показателей НС СТЭ не менее чем на 20%.
3. Разработана методика расчета и прогнозирования режимов работы СТЭ по оптимальному расходу электроэнергии на тягу по подстанциям за счет повышения до 7% степени использования энергии рекуперации с учетом выполнения норм, установленных ПУСТЭ.
4. Разработан и внедрен в опытную эксплуатацию программно-технологический комплекс для оперативного контроля и прогнозирования показателей нагрузочной способности СТЭ с реализацией процедуры оценки режимов оптимального электропотребления.
5. Экономический эффект от внедрения программного модуля расчета НС СТЭ на Куйбышевской железной дороге за счет сокращения межпоездных интервалов на 28,5% составил 4,8 млн. руб.
