Содержание к диссертации
Введение
1. Способы моделирования системы энергоснабжения электрифицированных железных дорог 15
1.1. Характеристика объекта исследования 15
1.2. Анализ основных подходов при составлении модели системы тягового электроснабжения 21
1.3. Структурная схема имитационной модели электрифицированного участка 28
1.4. Анализ имитационных моделей системы тягового электроснабжения... 32
1.5. Выводы 43
2. Совершенствование математической модели системы тягового электро снабжения для исследования эффективности использования энергии рекуперации 45
2.1. Разработка имитационной модели системы тягового электроснабжения постоянного тока с учетом рекуперации электрической энергии 45
2.2. Алгоритм расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока с учетом рекуперации электрической энергии 50
2.3. Разработка программного комплекса расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока 61
2.3.1. Разработка программы тяговых расчетов для моделирования работы системы тягового электроснабжения 61
2.3.2. Разработка программы расчета системы тягового электроснабжения 69
2.4. Выводы 74
3. Оценка адекватности программного комплекса расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока 75
3.1. Основные подходы к оценке адекватности сложных систем 75
3.2. Оценка адекватности программы тяговых расчетов 81
3.3. Оценка адекватности программы расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока 92
3.4. Выводы 106
4. Исследование эффективности использования рекуперируемой электрической энергии на действующем участке железной дороги 107
4.1. Анализ влияния рекуперативного торможения на расход электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций 107
4.2. Анализ технических потерь в системе тягового электроснабжения при наличии рекуперации электроэнергии 112
4.3. Повышение эффективности использования энергии рекуперации на электрифицированных участках постоянного тока 118
4.3.1. Оценка рациональности использования электрической энергии, рекуперируемой в системе тягового электроснабжения 118
4.3.2. Выбор уровня напряжения на шинах тяговых подстанций для повышения эффективности использования энергии рекуперации.. 122
4.3.3. Исследование влияния скорости движения рекуперирующего поезда на эффективность использования энергии рекуперации 133
4.4. Выводы 138
5. Оценка экономической эффективности использования программного комплекса расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока 140
5.1. Показатели экономической эффективности 140
5.2. Расчет капитальных вложений и эксплуатационных расходов 142
5.3. Оценка экономического эффекта 144
Заключение 146
Библиографический список
- Анализ основных подходов при составлении модели системы тягового электроснабжения
- Алгоритм расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока с учетом рекуперации электрической энергии
- Оценка адекватности программы тяговых расчетов
- Анализ технических потерь в системе тягового электроснабжения при наличии рекуперации электроэнергии
Введение к работе
В настоящее время проблема энергосбережения и эффективного использования электроэнергии на электрифицированном железнодорожном транспорте приобрела особую актуальность. Так, согласно федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика» на 2002 - 2005 г. и на перспективу до 2010 г., утвержденной постановлением правительства Российской Федерации № 796 от 17 ноября 2001 г., одним из трех основных направлений снижения расхода топливно-энергетических ресурсов, определенных для железнодорожного транспорта, является электропотребление на тягу поездов.
Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт является одним из наиболее энергоемких потребителей, действующих на энергетическом рынке Российской Федерации. Так, в 2003 г. доля железнодорожного транспорта в структуре электропотребления по России составила 5,8 %, в том числе электротяга - 4,8. В структуре электропотребления железнодорожного транспорта удельный вес электротяги — 83,5 %, эксплуатационных нужд - 11,7, прочих потребителей - 4,8 %. Всего же потребление электроэнергии железными дорогами России в 2003 году составило 40 891,3 млн кВтч, в том числе на тягу поездов -34 130,3, на железнодорожные узлы 6 761,0 млн кВт-ч.
Динамика общего потребления электрической энергии и в том числе тяги поездов в целом по сети железных дорог показывает (рисунок), что в течение последних пяти лет наблюдается устойчивая тенденция роста этих показателей работы системы тягового электроснабжения (СТЭ).
В соответствии с основными положениями «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.», утвержденной правительством Российской Федерации № 1234-р от 28 августа 2003 г., прогнозируется дальнейший рост тарифов на энергоресурсы. С учетом того, что электротяга составляет существенную долю в общей структуре потребления железнодорожного транспорта, а объемы электроэнергии, расходуемой на тягу, постоянно растут, понятно, что вопрос ра ционального использования топливно-энергетических ресурсов на тягу 2003
Динамика общего потребления и потребления электрической энергии на тягу поездов
Одним из наиболее действенных мероприятий в области ресурсосберегающих технологий, определенных программой «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» для тяговой энергетики и направленных на снижение расхода электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций, является повышение эффективности использования электрической энергии рекуперируемой электроподвижным составом в систему тягового электроснабжения.
Вопросы надежности и рациональности режимов рекуперации изучались с самого начала применения данного вида торможения на полигоне железных дорог [2,7, 37, 42, 48, 52, 57, 70, 92, 116, 125]. При загруженном графике движения поездов интервал между поездами исчисляется минутами и большая часть электроэнергии, рекуперируемой в контактную сеть при электрическом торможении, потребляют поезда, находящиеся в тяговом режиме, а меньшая передается на тяговые подстанции, оснащенные инверторными агрегатами или поглощающими сопротивлениями. Поэтому при загруженном графике движения поездов доля рекуперированной электрической энергии, которая используется неэффективно, является незначительной.
При снижении интенсивности движения поездов возрастает доля избыточной энергии рекуперации. Значительное увеличение и тенденция к дальнейшему росту стоимости электрической энергии придают в настоящее время вопросу разработки мероприятий по повышению эффективности использования рекуперированной энергии особую актуальность, о чем свидетельствует ее широкое обсуждение в специальных изданиях [30, 50, 83, 94, 109, ПО, 121].
Чтобы создать условия для полной реализации токов рекуперации, вся ее энергия должна приниматься электровозами, инвертироваться во внешнюю систему электроснабжения или, в крайнем случае, рассеиваться в поглощающих устройствах. Оптимальным по критерию экономии электроэнергии является использование всей рекуперируемой энергии путем передачи ее электровозам, находящимся в режиме тяги.
Конечным показателем эффективности различных способов приема энергии рекуперации является потребление электроэнергии от системы, определяемое на шинах тяговых подстанций [116]. Еще более важным показателем, определяющим эффективность рекуперации в системе энергоснабжения, является реализация заданных токов рекуперации, т. е. обеспечение в любой момент времени возможности применения электрического торможения.
Количество рекуперируемой электрической энергии, а также условия ее потребления в общем случае являются функцией нескольких факторов, в том числе профиля пути, веса и количества поездов на каждом пути, неравномерности тонно-километровой работы в четном и нечетном направлениях участка. Кроме того, различие для каждой железной дороги числа погрузочно-разгрузочных станций и разветвленности сети магистральных, подъездных путей обусловливает различные для каждой железной дороги объемы рекуперируемой электрической энергии (таблица).
Расход электроэнергии на тягу поездов и объем рекуперированной электрической энергии по железным дорогам в 2003 г. Дорога Расход ЭЭна тягу поездов, млн кВт-ч РекуперированнаяЭЭ,млн кВт-ч Процент рекуперации Октябрьская 2 100,2 Калининградская 6,1 Московская 3 205,0 24,9 0,78 Горьковская 2 657,7 Северная 1 552,7 15,3 0,99 Северо-Кавказская 1 460,6 9,6 0,66 Юго-Восточная 2 060,2 Приволжская 639,8 Куйбышевская 2 429,0 178,5 7,35 Свердловская 2 559,9 102,0 3,98 Южно-Уральская 2 268,3 129,1 5,69 Западно-Сибирская 3 726,4 95,6 2,57 Красноярская 1 447,6 164,6 11,37 Восточно-Сибирская 2 617,8 177,9 6,80 Забайкальская 2 952,3 Дальневосточная 1 780,7 8,2 0,46 Наиболее полным и удобным показателем для оценки использования рекуперативного торможения является отношение энергии, возвращенной электровозом при рекуперации, к энергии, затраченной на тягу поездов этим же электровозом, выраженное в процентах (процент рекуперации).
Анализ результатов, представленных в таблице, показывает, что на дорогах, где применяется рекуперативное торможение, процент рекуперации изменяется в широких пределах, а на шести железных дорогах данный показатель составляет значительную долю от электрической энергии, расходуемой на тягу поездов.
Рекуперативное торможение является одним из важнейших источников экономии электроэнергии на электрифицированных участках железных дорог. Именно поэтому, расширение применения рекуперативного торможения и повышение его эффективности, является одним из основных направлений технических мероприятий по выполнению норм удельного расхода топливно энергетических ресурсов, определенных Департаментом локомотивного хозяйства ОАО «Российские железные дороги».
Те процессы, которые происходят в системе электрической тяги при наличии на участке рекуперации электрической энергии, довольно сложны, а сопровождающие их явления весьма разнообразны, поэтому изучение вопроса эффективности использования рекуперируемой электрической энергии требует комплексного подхода, когда на основании натурного эксперимента и проведенного математического моделирования принимается решение об основных направлениях разработки мероприятий, направленных на повышение рациональности использования энергии рекуперации.
Изучение процессов, происходящих в системе электрической тяги с использованием теории моделирования получило широкое применение с самого начала электрификации железных дорог. В настоящее время из всех видов моделирования, возможных для применения при решении задач и анализе работы системы электрической тяги, особое распространение получило имитационное моделирование [58].
К настоящему моменту уже разработан ряд программных комплексов, имитирующих работу СТЭ. В большинстве имитационных моделей электрический расчет схемы СТЭ выполняется отдельно от тяговых расчетов для поездов находящихся на участке, что не позволяет контролировать уровень фактического напряжения на токоприемниках электровозов и учитывать влияние напряжения на ток, а также на время хода поезда по участку.
Основной особенностью работы СТЭ при рекуперации является значительно большая, чем в режиме тяги, зависимость условий работы устройств энергоснабжения от режима напряжения. Поэтому если в расчетах без рекуперации неучет действительного режима напряжения вызывает несущественные погрешности (и в большинстве случаев допустим), то при рекуперации электрической энергии достаточно достоверные расчеты могут быть выполнены только с учетом действительных уровней напряжения как на тяговых подстанциях, так и на токоприемниках всех электровозов.
Для правильно построенной модели характерным является то, что она выявляет лишь те закономерности, которые нужны исследователю, и не рассматривает свойства системы, не существенные для данного исследования. В существующих имитационных моделях СТЭ не ставится задача производить анализ токораспределения в тяговой сети при наличии на участке электроподвижного состава, находящегося в режиме рекуперации, а следовательно, задача анализа эффективности использования энергии, рекуперируемой в системе тягового электроснабжения, в них не предусматривается.
Цель диссертационной работы заключается в разработке научно-обоснованных технических решений на основе экспериментальных исследований и усовершенствованной математической модели для повышения эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой в системе тягового электроснабжения постоянного тока.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.
1. Проведен натурный эксперимент на действующем участке электрифицированной железной дороги по оценке эффективности использования энергии рекуперации.
2. Усовершенствована математическая модель СТЭ для создания возможности с достаточной степенью достоверности вести исследование эффективности использования рекуперируемой электрической энергии.
3. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для расчета токораспределения рекуперируемой электроэнергии в системе тягового электроснабжения.
4. Проведен анализ составляющих технических потерь в системе тягового электроснабжения на действующем участке электрифицированной железной дороги при наличии рекуперации электрической энергии.
5. Выполнена оценка эффективности мероприятий по снижению расхода электрической энергии на тягу поездов посредством повышения рационально
сти использования энергии, рекуперируемой в системе тягового электроснабжения на действующем участке электрифицированной железной дороги.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи были решены с привлечением методов системного анализа, математического моделирования, теории линейных электрических цепей, классических приложений методов математической статистики, статистической проверки гипотез и теории вероятностей. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись пакет прикладных программ STATISTIC A for Windows Release 5.0 и электронные таблицы Microsoft Excel 2000. Разработка программных продуктов производилась в среде программирования Microsoft Visual Basic 6.0.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.
1. Предложена усовершенствованная математическая модель СТЭ, позволяющая производить электрический расчет схемы СТЭ с учетом фактического напряжения на токоприемниках электроподвижного состава (ЭПС), находящегося на участке, и адекватно имитировать процессы, происходящие в СТЭ.
2. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для исследования токораспределения в системе электрической тяги рекуперируемой электроэнергии.
3. Установлена степень влияния рекуперации электрической энергии на технические потери электроэнергии в тяговой сети, в фидерах и оборудовании тяговых подстанций.
4. Предложено при оценке эффективности использования рекуперируемой электрической энергии руководствоваться не только показателями избыточной энергии рекуперации, но и величиной потенциально возможного увеличения рекуперируемой электрической энергии как показателя, характеризующего резервы рекуперативного торможения на участках с ограниченно установленными приемниками избыточной энергии рекуперации.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена путем проверки статистической совместимости результатов модели рования с показателями работы реального участка электрифицированной железной дороги, полученными в ходе экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы определяется комплексом решенных научно-технических задач, обеспечивающих снижение эксплуатационных расходов в локомотивном хозяйстве и хозяйстве электроснабжения на основе использования разработанной математической модели системы электрической тяги.
1. На действующем участке электрифицированной железной дороги осуществлен эксперимент по оценке энергетической эффективности рекуперативного торможения, результаты которого позволили вести разработку программного комплекса расчета СТЭ постоянного тока для исследования мероприятий по рациональному использованию энергии рекуперации.
2. Разработан программный комплекс расчета СТЭ, в котором электрический расчет системы электроснабжения ведется одновременно с выполнением тяговых расчетов для поездов, находящихся на участке, позволяющий адекватно имитировать процессы, происходящие в СТЭ при наличии на участке рекуперации электрической энергии.
3. Выполнен анализ эффективности использования энергии рекуперации в границах Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги, который показал, что при существующих в настоящее время условиях эксплуатации имеются значительные технические и организационные резервы для повышения объемов рекуперируемой электрической энергии (ЭЭ) на участках с ограниченно установленными приемниками избыточной энергии рекуперации.
4. Произведена оценка составляющих технических потерь (и влияния на них рекуперации электрической энергии) в тяговой сети, оборудовании и фидерах тяговых подстанций на примере Кузбасского отделения.
5. Разработан способ определения уровня напряжения холостого хода тяговых подстанций, позволяющего снижать удельный расход электрической энергии на тягу поездов, учитываемый счетчиками тяговых подстанций, за счет создания условий для увеличения перетоков мощности рекуперации на соседние межподстанционные зоны (МПЗ).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены, докладывались и обсуждались
на региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока — Транссибу» (Новосибирск, 2002);
научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2003);
всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, 2003);
десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2004);
научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2004);
сетевой научно-практической конференции «Энергетическое обследование структурных подразделений филиалов ОАО «РЖД» (Омск, 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 10 статей и тезисы пяти докладов.
В первой главе рассматриваются основные подходы к решению вопроса повышения эффективности использования энергии рекуперации. Показывается, что задача повышения эффективности использования рекуперируемой электрической энергии является задачей, требующей всестороннего и точного анализа многих экономических и технических вопросов. Экспериментальное исследование данного вопроса представляется крайне сложным, а одним из наиболее предпочтительных способов, позволяющих с достаточной степенью достоверности осуществлять изучение вопроса, является моделирование.
Далее описываются основные способы использования математической модели, получившие наибольшее распространение при решении задач функционирования СТЭ, и осуществляется выбор наиболее рационального способа для решения исследуемого вопроса. Производится анализ основных подходов при составлении модели системы электрической тяги и использовании имитационного моделирования для решения задач функционирования СТЭ.
Выполнен анализ существующих программных комплексов расчета системы тягового электроснабжения. Существующие программные комплексы расчета СТЭ позволяют решать довольно широкий круг задач, связанных с процессами, происходящими в системе электрической тяги, однако исследование вопроса эффективности использования энергии рекуперации в данных имитационных моделях не предусматривается. Решение поставленной задачи связано с созданием программного комплекса расчета СТЭ, адекватно имитирующего работу электрифицированного участка железной дороги при наличии на нем электротяговой нагрузки, находящейся в режиме рекуперативного торможения.
Во второй главе рассматривается агрегативный подход при разработке математической модели СТЭ, позволяющий обеспечить требуемую точность решения множества теоретических и практических задач расчета и анализа работы СТЭ.
Формулируется последовательность разработки имитационной модели СТЭ: обосновывается выбор системного подхода при разработке модели сложной системы; производится анализ агрегативной схемы, используемой в настоящее время, при разработке имитационной модели СТЭ и описываются новые блоки, добавленные в математическую модель, необходимые при исследовании эффективности использования энергии рекуперации; производится описание усовершенствованной агрегативной схемы СТЭ и указываются функциональные связи, обусловливающие взаимную зависимость между агрегатами и назначение каждого агрегата в отдельности.
От разработки имитационной модели осуществляется переход к алгоритму расчета СТЭ постоянного тока, позволяющему за счет использования метода наложения производить анализ токораспределения рекуперированной электрической энергии и энергии, поступающей в систему тягового электроснабжения из системы внешнего электроснабжения, и вести исследования влияния рекуперации электрической энергии на основные показатели работы СТЭ. Производится описание того, как велась разработка программного комплекса, включающего в себя программу тяговых расчетов и программу расчета СТЭ.
В третьей главе производится оценка адекватности разработанного программного комплекса: сначала описываются основные подходы при оценке адекватности сложных систем и обосновывается выбор критерия адекватности, а затем отдельно для каждой программы, входящей в программный комплекс, по результатам выполненных экспериментальных исследований осуществляется доказательство их адекватной имитации реальных процессов.
В четвертой главе рассматривается применение разработанного программного комплекса для исследования эффективности использования рекуперируемой электрической энергии на Кузбасском отделении Западно-Сибирской железной дороги: сначала для всех участков отделения выполняется анализ влияния рекуперативного торможения на расход электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций, затем производится исследование влияния рекуперации на потери электроэнергии в СТЭ; вносится предложение при изучении вопросов надежности и рациональности рекуперативного торможения, а также вопроса эффективности использования энергии рекуперации руководствоваться не только объемом избыточной энергии рекуперации, но и значением потенциально возможного увеличения рекуперируемой электрической энергии; осуществляется оценка эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой в СТЭ; в заключение для одного из участков отделения с помощью разработанного программного комплекса производится выбор уровня напряжения на шинах тяговых подстанций для повышения эффективности использования энергии рекуперации.
В пятой главе рассматриваются основные экономические показатели общей и сравнительной эффективности внедрения на железнодорожном транспорте инновационного мероприятия и производится оценка экономической эффективности использования разработанного программного комплекса расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока.
Анализ основных подходов при составлении модели системы тягового электроснабжения
Теория моделирования для решения задач функционирования системы электроснабжения железнодорожного транспорта получила широкое применение с самого начала электрификации железных дорог [68]. Значительные сложности при создании специальных установок (стендов) для аналогового моделирования процессов, происходящих в СТЭ, на начальном этапе использования теории моделирования выдвинули на первый план аналитические способы использования математической модели.
При аналитическом моделировании СТЭ процессы функционирования системы записывались в виде некоторых функциональных соотношений или логических условий. При этом наибольшее распространение получили следующие три основных способа использования аналитической модели: 1) аналитический - когда стремились получить в общем виде явные зависимости для искомых величин; 2) численный - когда, не располагая возможностью решения имеющихся уравнений в общем виде, все же получали числовые результаты при конкретных начальных данных; 3) качественный - когда, не имея решения в явном виде, тем не менее находили некоторые свойства данного решения. То обстоятельство, что математические модели сложных процессов, происходящих в СТЭ, в своем первоначальном виде далеко не всегда оказывались пригодными для применения численных методов, а преобразования математических моделей в соответствующую систему уравнений при выполнении аналитических исследований, как правило, оставались весьма сложными, позволяло применять описанные выше способы использования математических моделей только для решения достаточно простых задач функционирования СТЭ- В частности, данные способы использования математической модели получили широкое применение при решении уравнения движения поезда численными методами [16, 23,39,41,89,9),92,93,112].
Наиболее полное, а в некоторых случаях и исчерпывающее исследование удавалось провести лишь при решении сравнительно простых задач, т. е. в тех случаях, когда имелись явные зависимости, связывающие искомые величины с параметрами системы и начальными условиями. При решении же достаточно сложных задач аналитическое исследование наталкивалось на значительные, а зачастую и непреодолимые трудности- Поэтому, стремясь все же получить аналитическое решение, нередко шли на умышленное упрощение первоначальной модели, чтобы иметь возможность изучить некоторые общие свойства системы. Данные упрощения приводили к недопустимо грубым результатам моделирования, но даже при решении достаточно простых задач функционирования СТЭ не всегда удавалось преобразовывать математическую модель в подходящую систему уравнений, поэтому в дальнейшем для анализа работы системы электрической тяги наибольшее распространение получили аналоговые, аналого-цифровые и имитационные модели.
Недостаточно высокий уровень развития универсальных цифровых вычислительных машин в прошлом не позволял выполнять имитационные модели на ЭВМ. Так, при исследованиях математической модели СТЭ на ЭВМ до 80 % машинного времени тратилось на операции, которые в аналоговых моделях протекали практически мгновенно, поэтому первые модели СТЭ реализовыва-лись на принципах аналогового моделирования.
Для аналогового моделирования характерно воспроизведение явлений, описываемых математической моделью, с сохранением их логической структуры, последовательности чередования во времени и физического содержания, выполняемое при помощи специальных моделирующих установок. Переход к использованию аналоговых моделей для отыскания оптимальных решений большинства эксплуатационных задач позволил приблизить исследования практически к натурному эксперименту и значительно расширил сам круг за 23 дач, которые могут быть решены при таком подходе [8, 28, 38, 61, 62, 63, 61 , 69, 79.П7Л24].
Большое число прямых и обратных связей между элементами СТЭ практически исключало использование аналоговых моделей для отыскания оптимальных решений большинства практических и эксплуатационных задач, поэтому для расчета и исследования систем энергоснабжения электрических железных дорог стали применяться аналого-цифровые комплексы, в которых специализированное цифровое устройство генерировало программу состояний модели, а в аналоговой части производился расчет отдельных мгновенных схем. Гибридное вычислительное устройство позволило автоматизировать процесс расчета и расширило круг решаемых задач.
Большинство физических моделей, созданных в различное время для исследования режимов работы СТЭ во ВЗИИТе [56, 60], МИИТе [8], ОмИИТе [10, 35] и других институтах, не обладало достаточной универсальностью и, в силу ограниченности своих возможностей, преследовали цель исследования довольно узких задач.
Для существенного расширения круга решаемых сложных задач, а также для создания моделей СТЭ, значительно более полно отражающих реально происходящие в системе процессы, потребовалось прибегнуть к помощи электронных вычислительных машин, для которых составлялся такой моделирующий алгоритм, который приближенно восцроизводил сам процесс-оригинал, в смысле его функционирования во времени, с сохранением логической структуры и последовательности протекания во времени элементарных явлений данного процесса, а описанный подход к разработке модели получил название имитационного моделирования.
Существенным преимуществом аналого-цифровых моделей по сравнению с имитационными являлось достаточно быстрое решение задач токорас-лределения, какой бы сложной ни была схема СТЭ. Однако это преимущество по мере роста быстродействия ЭВМ и объема оперативной памяти утрачивалось и на первый план при расчетах и исследованиях систем электроснабжения железнодорожного транспорта выходили имитационные модели [49, 66, 107, 114, 115, 126]- В настоящее время имитационное моделирование является наиболее эффективным методом исследования СТЭ. Использование имитационного моделирования позволяет более широко использовать методы анализа заданных графиков движения поездов [6, 64, 111, 113].
В отличие от стационарных потребителей электрической энергии на режим тяговой нагрузки оказывают влияние многие факторы: перемещение ЭПС, схема питания тяговой сети, профиль участка, взаимное расположение поездов на зоне питания, масса поездов, тип ЭПС, метеорологические условия, организация движения поездов и ряд других факторов, связанных с конкретными условиями эксплуатации железных дорог [11],
Жестко фиксированный график движения пригородных поездов, менее устойчивый график движения поездов дальнего следования, наличие «окон», применение поездов повышенной массы, сдвоенных и строенных составов, «сгущение» поездов, вызванное неравномерностью движения, - все это в совокупности приводит к неравномерному и практически непредсказуемому потреблению электрической энергии. Кроме того, неравномерность распределения поездов по массе вызывает дополнительное усиление колебания нагрузок в системе электроснабжения. Таким образом, расчет системы электроснабжения электрической железной дороги должен производиться особыми методами, учитывающими специфику тяговой нагрузки.
Алгоритм расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока с учетом рекуперации электрической энергии
При создании программной реализации модели СТЭ важным моментом является разработка алгоритма расчета мгновенной схемы СТЭ, представляющей собой электрическую цепь со смешанным соединением элементов - последовательных (контактная сеть и рельсы) и параллельных (тяговые подстанции и нагрузки). Установившиеся режимы СТЭ обычно описываются известными законами Ома и Кирхгофа. Применение этих законов позволяет получить системы уравнений узловых напряжений или уравнений контурных токов, представляющих собой математическую модель установившегося режима. Математический анализ установившихся режимов СТЭ постоянного тока сводится к составлению и решению систем линейных уравнений.
Отдельные элементы системы электроснабжения при расчете установившегося режима представляются схемами замещения, состоящими из элементов электрической цепи. Источники электроэнергии при моделировании СТЭ обычно представляются в виде источника напряжения с ЭДС Е и внутренним сопротивлением R либо в виде источника тока, значение которого равно току ф установившегося режима. Электрическая же нагрузка может быть представлена в виде сопротивления либо источника тока [102].
Математическим описанием установившегося режима является уравнение состояния линейной электрической сети. Исходной информацией при расчете СТЭ являются параметры системы электроснабжения (внешние характеристики и паспортные данные силового оборудования подстанций, характеристика питающих фидеров и тяговой сети с учетом износа, схема питания контактной сети) и информация о расположении поездов на участке и потребляемых ими токов.
При формировании схемы замещения СТЭ на характеристиках параллельных элементов за положительный принимается ток, направленный к проводам контактной сети (для выпрямительных агрегатов и рекуперирующих локомотивов), отрицательным - ток, направленный от проводов к рельсам (для приемников избыточной энергии рекуперации и локомотивов в режиме тяги).
Таким образом, схема замещения тяговой подстанции в выпрямительном режиме представляет собой последовательное соединение идеального источника ЭДС (напряжение холостого хода тяговой подстанции) и активного сопротивления (внутреннее сопротивление подстанции). Схема замещения подстанции в инверторном режиме может быть представлена аналогичным образом с параметрами Еи и ри, с током подстанции, имеющим отрицательное значение.
Поскольку пересчет токовых характеристик электровоза в тяговом и тормозном режимах производится для напряжения на токоприемнике, полученного на предыдущем шаге расчета, при замещении локомотив может быть представлен в виде источника тока с неизменным значением в рабочем диапазоне напряжения контактной сети.
Схема замещения расчетного участка, как принято в расчетах, не учитывает рельсовой цепи, заменяя ее эквивалентным проводником, сопротивление которого суммируется с сопротивлением контактной сети,
Если решать уравнение состояния электрической цепи, то необходимо получить решение уравнений порядка р (число ветвей). Обычно число узлов в схеме замещения СТЭ меньше, чем число ветвей, поэтому если определять сначала напряжения в узлах схемы относительно базового, то порядок решаемой системы понизится до (q-I\ где q - число узлов в схеме [95].
По указанной выше причине для расчета параметров системы электрической тяги был выбран метод узловых потенциалов, который позволяет при помощи ЭВМ анализировать тяговые сети довольно сложной конфигурации и использовать при решении данной задачи матрично-топологический подход. Система (q-1) уравнений, связывающая напряжение узлов (относительно базового) с задающим током в узлах, называется системой узловых уравнений.
В матрице узловых проводимостеи на главной диагонали записывают суммы проводимостеи ветвей, присоединенных к соответствующему узлу с положительным знаком. Элемент gy матрицы узловых проводимостеи (i j) равен сумме проводимостеи ветвей, присоединенных между узлами L и], взятой с отрицательным знаком. Матрица узловых проводимостеи симметрична, т. е. gij=gj,HGw=[G r. Элемент J(y) матрицы узловых, токов равен алгебраической сумме токов источников тока, присоединенных к j-му узлу, включая токи источников тока, эквивалентные источникам ЭДС. При этом с положительным (отрицательным) знаком записывают токи, направленные к узлу (от узла).
Таким образом, по известной матрице узловых проводимостей и матрице узловых токов но (2,7) определяются потенциалы всех узлов схемы замещения, а по известным проводимостям ветвей определяется токораспределение электрической энергии в СТЭ.
Для повышения эффективности исследований по влиянию рекуперации электрической энергии на основные показатели работы СТЭ желательно знать отдельно токораспределение рекуперированной электрической энергии и энергии поступившей в СТЭ из системы внешнего электроснабжения. Получение результирующего токораспределения и каждой его составляющей возможно только с применением метода наложения. Расчет токораспределения в СТЭ при использовании данного метода осуществляется в следующей последовательности: 1) производится расчет результирующего токораспределения электрической энергии, когда учитывается и энергия, поступающая в СТЭ из СВЭ, и рекуперированная энергия; 2) определяется токораспределение электрической энергии, поступающей в тяговую сеть, от электровозов, находящихся в режиме рекуперативного торможения; 3) по известным результирующему токораспределению и токораспреде-лению рекуперированной электрической энергии определяется токораспределение электрической энергии, поступившей в СТЭ из СВЭ. Алгоритм расчета СТЭ постоянного тока при наличии на участке рекуперирующих электровозов и отсутствия на подстанциях приемников избыточной энергии рекуперации представлен на рис, 2.4, С учетом данных массива точек в блоке 2 производится составление массива узлов (нумерация узлов схемы замещения следующая: шины тяговых подстанций, точки подключения к контактной сети питающих фидеров, места подключения ЭПС, ПС и ППС).
При вводе данных ветвей тяговых подстанций (блок 3) для каждой ветви указываются ее проводимость и ЭДС, равная напряжению холостого хода подстанции. При вводе данных ветвей питающих фидеров и тяговой сети (блоки 4 и 5) для каждой ветви указывается только ее проводимость. Поскольку электровозы, находящиеся на участке, замещаются идеальными источниками тока, при вводе данных ветвей электровозов проводимость каждой ветви принимается равной нулю, а величина тока источника тока принимается равной току электровоза (блок 6),
В блоке 7 производится составление матриц узловых проводимостей и токов, по которым производится электрический расчет СТЭ - определяются потенциалы узлов схемы замещения СТЭ при результирующем токораспределе-нне электрической энергии. Результаты расчета заносятся в массив узловых потенциалов Фр-аО), где і - номер узла.
Когда на участке отсутствуют приемники избыточной энергии рекуперации, вырабатываемая рекуперирующими электровозами энергия передается локомотивам, работающим в тяговом режиме, которые принимают ток рекуперации непосредственно через тяговую сеть (если они находятся на той же фидерной зоне, что и рекуперирующий локомотив) либо через шииы подстанций 58
Оценка адекватности программы тяговых расчетов
Колебания токов, потребляемых электровозами, следующими с поездами в зонах питания тяговых подстанций, оказывают значительное влияние на изменение напряжения на токоприемнике как своего, так и других электровозов, поэтому для оценки адекватности программы тяговых расчетов на основе критерия Смирнова производилась проверка гипотезы о тождественности законов распределения двух выборок, представляющих собой средние значения напряжения за время хода поезда по межподстанционной зоне.
Экспериментальные значения напряжения на токоприемнике электровоза были получены в результате опытных поездок с электровозом BJI10Y, вторая кабина машиниста которого была специально оборудована приборами измерительно-вычислительного комплекса. Поездки были выполнены на участке Бе-лово - Новокузнецк Западно-Сибирской железной дороги с грузовыми поездами массой 4397, 1537,4046,3969,4025 и 4190 т.
Закон распределения напряжения на токоприемнике электровоза по данным первой поездки приведен в табл. 3.1. В этой таблице для каждой фидерной зоны участка указаны значения вероятности напряжений на токоприемнике электровоза с разбивкой их на разряды.
Расчетные значения напряжения на токоприемнике электровоза были получены в результате имитационного моделирования функционирования участка Белово - Новокузнецк с сохранением основных параметров движения поездов, находящихся на участке. Для этого наряду с параметрами устройств электроснабжения и режимами их работы в исходную информацию разработанного программного комплекса были введены данные, характеризующие существующие условия эксплуатации участка.
Расчет производился при строго заданных нитках графика для пропуска грузовых, пассажирских и пригородных поездов (данная информация была взята из использующейся на дороге программы ГИД «Урал-92» за период времени, когда выполнялись опытные поездки с динамометрическим вагоном). Закон распределения напряжения на токоприемнике электровоза, полученный в результате моделирования на ЭВМ движения поезда массой 4397 т по маршруту Белово - Новокузнецк-Сортировочный, представлен в табл. 3.2.
Доказательство гипотезы о тождественности законов распределения напряжения на токоприемнике электровоза, полученных по результатам опытной поездки и имитационного моделирования, рассмотрим на примере межподстанцнонной зоны Бускускан - Артышта-2 при движении по ней данного поезда. По данным, приведенным в табл. 3.1 и 3.2 для данной межподстанцнонной зоны, строим гистограммы вероятности напряжения на токоприемнике электровоза по результатам натурных испытаний (рис. 3.1) и моделирования (рис. 3,2), а также интегральные функции распределения Fln(U3) и F2m(UM) (рис. 3.3).
Аналогично первой поездке было произведено доказательство адекватности для остальных экспериментальных поездок, выполненных с динамометрическим вагоном. Анализ полученных результатов показал, что для всех опытных поездок расчетное значение статистики Смирнова не превышает критического значения (для уровня значимости 2р = 0Д0) ни по одной межподстанци-онной зоне, поэтому можно считать, что программа тяговых расчетов, используемая в программном комплексе расчета СТЭ постоянного тока, адекватно имитирует реальный процесс движения поезда. Таблица 3.3 Основные величины для оценки адекватности имитационного моделирования движения поезда массой 4397 т по маршруту Белово — Новокузнецк-Сорт.
Также данный алгоритм приводит к существенному различию экспериментальных и расчетных значений рекуперированной электрической энергии. Согласно ИГР рекуперативное торможение осуществляется только на «вред ных» спусках, а на элементах пути, отличных от «вредного» спуска, движение осуществляется на выбеге с максимально допустимой скоростью. Кроме того, движение по «вредному» спуску в режиме рекуперативного торможения на максимально допустимой скорости приводит к тому, что расчетные значения тока электровоза при рекуперации практически всегда превышают фактические (см. рис_ 3.5), но поскольку расчетное время движения в режиме рекуперации меньше фактического. Диаграмма тока электровоза грузового поезда массой 4025 т на участке Белово - Новокузнецк-Сортировочный троэнергии меньше данного показателя, полученного в результате опытных поездок.
Полученные результаты показывают, что выполнение расчетов по алгоритму, составленному согласно ГТГР, приводит к некоторому расхождению расчетных показателей и показателей, полученных в результате опытных поездок. Тем не менее в настоящее время данный алгоритм становится все более актуальным- Это связано в первую очередь с ежегодным увеличением объемов железнодорожных перевозок и сокращением межпоездных интервалов следования. Применение же данного алгоритма для тех участков, на которых график движения поездов остается слабозагруженным, может приводить к некоторому искажению моделируемых процессов относительно реальных процессов, происходящих в СТЭ.
В данном случае целесообразным представляется в программе тяговых расчетов использовать алгоритмы, разработанные согласно методике расчета оптимальных программ ведения поезда по конкретному участку с учетом критериев безопасности движения.
Анализ технических потерь в системе тягового электроснабжения при наличии рекуперации электроэнергии
Одной из актуальных проблем на Кузбасском отделении Западно-Сибирской железной дороги является проблема повышенного «небаланса» электрической энергии, определяемого по счетчикам тяговых подстанций и электроподвижного состава. Анализ помесячного расхода электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций и по счетчикам ЭПС за 2003 г. показывает, что в зависимости от месяца отчетное значение «небаланса» изменялось в пределах 15,7 - 25,6 %, а в среднем за год для каждого локомотивного депо Кузбасского отделения данная величина составила около 20 % (табл, 4,4).
Тайга Топки Белово Новокузнецк 371 115 109 282 289 553 198 780 296 96887 464234 509158 942 74 147 21818 55 044 39 838 19,9819,97 19,0120,04
Величина «небаланса» включает в себя технологические потери на транспортировку электрической энергии от источника к потребителям AWTCX и потери, обусловленные неточностью определения Wmc и W3nc» поэтому для разработки мероприятий по снижению «небаланса» электрической энергии необходимо определить значение каждой составляющей данных потерь [120].
Одна из предполагаемых причин повышенного «небаланса» - это влияние энергии рекуперации на увеличение технических потерь в СТЭ.
Вопрос влияния рекуперации ЭЭ на технические потери в СТЭ исследовался с применением разработанного программного комплекса расчета СТЭ постоянного тока. Для каждого из девяти участков Кузбасского отделения расчеты производились при идентичных графиках движения поездов для штатного режима и для режима, когда на участке отсутствовала рекуперация ЭЭ. Размеры грузового движения и массы грузовых поездов были приняты на основе данных, полученных при обработке исполненных графиков движения. Для учета числа пассажирских поездов и времени их хода по участкам было использовано расписание движения пассажирских поездов и электропоездов.
При выполнении расчета моделирование графика движения поездов на рассматриваемых участках проводилось по варианту, предусматривающему вероятностную схему пропуска грузовых поездов и заданную схему пропуска пассажирских поездов и электропоездов. При полученной плотности распределения приращения межпоездных интервалов для грузовых поездов проводилось несколько розыгрышей реализаций графика движения поездов, и для дальнейшего расчета принимались реализации графика, при которых смоделированное число грузовых поездов для каждого из направлений соответствовало суточным размерам движения.
Таким образом, при выполнении расчетов показатели работы системы электроснабжения оценивались для нескольких устраивающих суточных реализаций графика движения, а итоговый результат определялся как средний по отдельным значениям, полученным для того или иного показателя работы системы [53, 54].
Поскольку при рекуперации ЭЭ электровоз работает параллельно с энергосистемой, отсутствие рекуперации приводит к увеличению расхода ЭЭ, отпускаемой с шин тяговых подстанций, что в свою очередь ведет к увеличению технических потерь ЭЭ в оборудовании тяговых подстанций (табл. 4.5).
Увеличение технических потерь в оборудовании тяговых подстанций на участках Тайга - Томск и Новокузнецк - Таштагол (при наличии рекуперации ЭЭ) связано с учетом потерь при работе тяговых подстанций в инверторном режиме.
Результаты выполненного расчета показали, что хотя отсутствие рекуперации и ведет к увеличению расхода ЭЭ на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций, потери в фидерах ТПС имеют не столь значительное приращение, как потери в оборудовании ТПС (табл. 4.6), а в некоторых случаях потери в фи 114 дерах ТПС даже увеличиваются при наличии на участке рекуперации ЭЭ. Основной причиной этого является увеличеыие перетоков ЭЭ через шины тяговых подстанций.
Технические потери в оборудовании тяговых подстанций по результатам моделирования работы участков Кузбасского отделения за 2003 г. Таким образом» детальный анализ структуры потерь электроэнергии показывает, что рекуперация ЭЭ в границах Кузбасского отделения приводит к снижению потерь в оборудовании тяговых подстанций и в некоторых случаях к снижению потерь в фидерах тяговых подстанций, но поскольку доминирующими являются потери в тяговой сети, а они в связи с увеличением перетоков ЭЭ через шины ТПС (при рекуперации ЭЭ) также увеличиваются, суммарные технические потери в штатном режиме становятся больше суммарных технических потерь при отсутствии рекуперации ЭЭ (табл. 4-8).
Таким образом, относительная величина технически объяснимого «небаланса» электроэнергии, полученная расчетным путем, составляет 8,71 %, что значительно меньше отчетного значения «небаланса» электрической энергии в границах Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги (около 20 %). Поэтому основные мероприятия по снижению «небаланса» должны быть направлены на исследование структуры и снижение величины коммерческих потерь, т. е- потерь, обусловленных несанкционированным вмешательством в работу приборов учета, их высокой погрешностью, несоответствием показаний счетчиков оплате за электроэнергию и другими причинами в сфере организации контроля за потреблением электрической энергии.
Поскольку расчетные значения расхода электрической энергии на тягу поездов и объема рекуперированной электроэнергии в данной программе могут быть определены только по отдельности дня каждого расчетного участка, а фактические значения указаны по отдельности для каждого депо, оценка расхождения расчетных результатов и реальных значений может быть произведена только по обобщенным показателям данных величин в целом по Кузбасскому отделению Западно-Сибирской железной дороги (табл. 4-9). Сопоставление действительных значений расхода электрической энергии на тягу поездов, а также объема рекуперированной электроэнергии со значениями, полученными в результате имитационного моделирования в разработанном программном комплексе в очередной раз показало достаточно удовлетворительное совпадение фактических показателей работы СТЭ и показателей, полученных расчетным путем (см, табл. 4.9).
При рекуперативном торможении электрическая энергия, вырабатываемая тяговыми двигателями, передается через тяговую сеть потребителям (в первую очередь локомотивам, работающим в тяговом режиме) и» таким образом, локомотив работает параллельно с тяговыми подстанциями. Эта особенность определяет условия работы электрического локомотива при рекуперативном торможении и создает совершенно особые условия для работы системы электроснабжения.
При этом необходимо отметить, что если в режиме тяги напряжение в контактной сети в той или иной мере влияет на скорость поезда, пропускную способность и другое, то при рекуперативном торможении от уровня напряжения в контактной сети и на подстанциях зависят не только экономические показатели, но и сама возможность рекуперации (во всех случаях ток и мощность рекуперации ограничены максимально возможной разностью напряжений между рекуперирующим электровозом и потребителями энергии рекуперации) Вопросы надежности и рациональности режимов рекуперации изучались с самого начала широкого применения данного вида торможения на полигоне железных дорог. При этом особое внимание уделялось избыточной энергии рекуперации, т. е. той части энергии рекуперации, прием которой не обеспечивается локомотивами, работающими в тяговом режиме, и которая должна быть принята специальными приемниками электрической энергии. Расчет объемов избыточной энергии рекуперации производился исходя из предположения, что все тяговые подстанции оснащены ее приемниками - инверторами или поглощающими сопротивлениями, и в этом случае значение избыточной энергии рекуперации и режим напряжения в тяговой сети при рекуперативном торможении в значительной степени определялись параметрами их внешних характеристик, т. е. вопрос ставился следующим образом: «Как наиболее рационально расположить приемники избыточной энергии рекуперации и какие внешние характеристики им придать, чтобы свести к минимуму число срывов режима рекуперативного торможения?»
