Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ научно-технической проблемы прогнозирования и управления электропотреблением тяги поездов 19
1.1. Анализ условий функционирования структур ОАО «РЖД» при планировании и покупке электроэнергии для нужд перевозочного процесса 19
1.1.1. Задачи и организационные структуры управления электропотреблением в ОАО «РЖД» 19
1.1.2. Условия и правила покупки электроэнергии на оптовом рынке электроэнергии и мощности 22
1.1.3. Специфика функционирования электросетевого комплекса ОАО «РЖД» в условиях реформирования электроэнергетики РФ 26
1.2. Анализ структур и функций информационно-управляющих систем электропотребления тяги поездов 32
1.2.1. Автоматизированная система АСУ ЭТП 32
1.2.2. Автоматизированная система АСУ ППЭ 43
1.3. Методики анализа расходов электроэнергии в подразделениях ОАО «РЖД» 49
1.3.1. Технология управления показателями энергоемкости перевозочного процесса в ходе реализации Энергетической стратегии ОАО «РЖД» 49
1.3.2. Методика анализа показателей поставки и распределения электроэнергии в ОАО «РЖД» 53
1.3.3. Методика анализа показателей расхода электроэнергии на тягу поездов на филиалах ОАО «РЖД» 57
1.4. Положения методики пофакторного расчета потребности в объемах электроэнергии на тягу поездов подразделений локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» 61
1.5. Анализ и классификация процессов тягового электропотребления на структурных подразделениях ОАО «РЖД» 71
1.6. Цели и задачи исследований 85
1.7. Выводы 87
2. Теоретические принципы построения модели прогнозирования и управления процессами тягового электропотребления 89
2.1. Методологические принципы построения модели автоматизированной системы управления приобретением и потреблением электроэнергии 89
2.2. Постановка задачи построения математической модели прогнозирования и управления электропотреблением тяги поездов в пространстве состояний 94
2.3. Динамическая информационная многоконтурная модель системы управления приобретением и потреблением электроэнергии -АСУ ППЭ-У 102
2.3.1 Математическая модель рекуррентного прогнозирования электропотребления тяги поездов 102
2.3.2. Динамическая математическая рекуррентная А -оптимальная модель управления двухконтурной моделью АСУ ППЭ-У 105
2.3.3. Критерии качества функционирования модели прогнозирования и управления тяговым электропотреблением 113
2.4. Методика аналитического поиска оптимальных управляющих факторов для регулирования процесса тягового электропотребления 117
2.5. Идентификационные методы прогнозирования тягового электропотребления на участках железных дорог на базе динамических моделей 126
2.5.1. Постановка задачи идентификации и прогнозирования процессов тягового электропотребления 126
2.5.2. Идентификация и прогнозирование процессов электропотребления на базе решения уравнения Винера-Хопфа 131
2.5.3. Прогнозирование процесса электропотребления на базе алгоритмов рекуррентного адаптивного предсказания 134
2.6. Адаптивное управление тяговым электропотреблением при регулировании параметров перевозочного процесса 139
2.7. Выводы 145
3. Оценка и прогнозирование электропотребления тяги поездов на базе имитационных моделей системы тягового электроснабжения 148
3.1. Методология, задачи и методы построения имитационныхмоделей системы тягового электроснабжения 148
3.1.1. Принципы построения имитационных моделей системы тягового электроснабжения 148
3.1.2. Базовый метод построения расчетных аналитических моделей СТЭ 150
3.1.3. Анализ имитационных моделей СТЭ и их классификация по признакам функциональной направленности 156
3.2. Методологические принципы и структура построения идентификационной имитационной модели СТЭ для задач прогнозирования и управления тяговым электропотреблением.. 168
3.2.1. Методика построения и алгоритм функционирования идентификационной модели СТЭ 168
3.2.2. Математическая модель расчета тягового электропотребления и параметров СТЭ по мощности потребляемой нагрузки 179
3.2.3.Функциональная схема и алгоритм расчета параметров идентификационной модели СТЭ 186
3.3. Методика оценки и прогнозирования наличной пропускной способности в идентификационной модели СТЭ 194
3.3.1. Методика расчета межпоездных интервалов при«стратегической» идентификации процессов электропотребления 194
3.3.2.Оперативная оценка межпоездных интервалов на базе «портретных» характеристик нагрузки на участках СТЭ... 200
3.4. Выводы 203
4. Программно - технологические средства прогнозирования и управления электропотреблением тяги поездов 205
4.1. Исследование методов прогнозирования процессов тягового электропотребления на долгосрочный и краткосрочный периоды 205
4.1.1. Исследование точности прогнозирования процессов электропотребления методами регрессионной идентификации 205
4.1.2. Исследование точности прогнозирования небаланса электропотребления на долгосрочный и краткосрочный периоды 226
4.2. Исследование точностных характеристик методов прогнозирования процессов тягового электропотребления на оперативный период 230
4.2.1. Исследования статистических характеристик почасового планового потребления электроэнергии на тягу поездов... 230
4.2.2. Моделирование и оценка качества прогнозирования процессов тягового электропотребления в оперативные периоды 240
4.2.3. Повышение качества прогнозирования процессов тягового электропотребления методами
регуляризации 252
4.3 Исследование точности прогнозирования процессов тягового электропотребления на идентификационной имитационной
модели 259
4.4. Выводы 273
5. Практическая реализация программно-технологических средств асу ппэ -у при прогнозировании и управлении тяговым электропотреблением 276
5.1. Технологии прогнозирования тягового электропотребления и режимов нагрузочной способности системы тягового электроснабжения в регламентируемые периоды 276
5.1.1. Материалы обоснования и внедрения разработок по
оценке и прогнозированию тягового электропотребления... 276
5.1.2. Технология прогнозирования тягового электропотребления на долгосрочный и краткосрочный периоды на базе идентификации с показателями поездной работы 277
5.1.3. Технология прогнозирования тягового электропотребления на оперативный период методом идентификации временных рядов 281
1.4. Технология оценки ограничений на тяговое электропотребление и пропускную способность по условиям электроснабжения 283
5.2. Технологии управления тяговым электропотреблением с учетом ограничений нагрузочной способности системы тягового электроснабжения 294
5.3. Технология оценки экономической эффективности планирования энергетических и финансовых затрат 299
5.4. Выводы 304
Заключение 305
Список использованных источников
- Задачи и организационные структуры управления электропотреблением в ОАО «РЖД»
- Постановка задачи построения математической модели прогнозирования и управления электропотреблением тяги поездов в пространстве состояний
- Базовый метод построения расчетных аналитических моделей СТЭ
- Исследование точности прогнозирования процессов электропотребления методами регрессионной идентификации
Введение к работе
Наряду с энергетикой, связью, образованием и здравоохранением, другими инфраструктурными отраслями транспорт и в первую очередь железнодорожный транспорт обеспечивает в Российской Федерации условия жизнедеятельности общества, являясь важным инструментом достижения социальных, экономических и внешнеполитических целей.
Согласно Транспортной стратегии РФ стоимость транспортных услуг должна соответствовать полным экономическим издержкам. В технической политике требуется внедрения наиболее экономически эффективных, безопасных технологий и видов техники. Особую актуальность приобретают направления стратегии в области тарифно-ценового регулирования, как определяющего рентабельность и доходность предприятий транспорта.
При формировании транспортной системы железнодорожного транспорта как единой корпоративной структуры, интегрированной в экономику страны, решение вопросов гарантированного обеспечения энергоресурсами транспортных процессов при железнодорожных перевозках также требует рассмотрения их с позиции общеконцептуальных подходов, определенных в Транспортной стратегии РФ.
Принципы формирования и использования тарифной политики, определяемой поставщиками энергоресурсов для транспортных процессов тесно связаны с экономической эффективностью работы железнодорожного транспорта, поскольку затраты на приобретение энергоресурсов является одной из финансовоемких составляющих эксплуационных затрат железнодорожных перевозок и в частности - затрат на покупку электроэнергии на тягу поездов.
Подавляющие объемы перевозок на железнодорожном транспорте России осуществляются электроподвижным составом (ЭПС) по железным дорогам, электрифицированных по системе постоянного и переменного тока. Доля работы, выполняемой железнодорожным транспортом на электротяге,
составляет 83 - 84% от общего объема перевозок. Согласно структуре расхода электроэнергии ОАО «РЖД» в 2003, 2004, 2005 годах на тягу поездов расходовалось свыше 40 млрд. кВтч в год, что составляет до 82 % от общего объема электропотребления компании. Затраты на приобретение энергоресурсов ОАО «РЖД» достигают 12 % себестоимости перевозок, что в 2004 году составило свыше 72 млрд. руб.
В 2004 году ОАО «РЖД» принята «Энергетическая стратегия на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» (распоряжение ОАО «РЖД» от 01.10.2004 года № 920 ) (далее Энергетическая стратегия), а также программа по ее реализации (распоряжение ОАО «РЖД» от 31.12.2004г № 4407р).
Энергетическая стратегия учитывает основные концептуальные подходы Транспортной стратегии РФ и в качестве основных целей определяет: «максимальное сокращение затрат на приобретение и использование топливно-энергетических ресурсов при безусловном обеспечении перспективных объемов перевозок, требуемых развитием и ростом экономики страны и удовлетворением спроса населения в транспортных услугах». Определено, что цель Энергетической стратегии должна достигаться посредством реализации основных задач:
- полного и надежного энергетического обеспечения перевозочного процесса, при снижении рисков и недопущении развития кризисных ситуаций в энергообеспечении железнодорожного транспорта;
- значительного снижения удельного расхода топливно-энергетических ресурсов во всех сферах деятельности ОАО «РЖД» (в первую очередь на тягу поездов);
- улучшения структуры управления энергетическим комплексом ОАО «РЖД» на основе современных информационных технологий, систем учета и мониторинга топлива и энергопотребления.;
- снижения затрат на приобретение энергоносителей посредством внедрения финансово - оптимальных технологий выбора и регулирования тарифов.
В связи со значительными финансовыми затратами, расходуемыми на приобретение энергоресурсов, становится актуальной задача разработки системы управления энергетическими ресурсами, направленной на оптимизацию их приобретения, распределения и расходования. Первоочередным этапом создания данной системы является разработка систем и процедур планирования, приобретения и мониторинга потребления энергоресурсов. В программе работ по созданию АСУ энергоресурсов ОАО «РЖД» особо актуальной является задача автоматизация управления электропотреблением тяги поездов.
Реализация вышеприведенных задач в ОАО «РЖД» возложена на организационную структуру - сеть дорожных центров планирования и контроля потребления электроэнергии (ЦПК). В качестве технологических средств работы ЦПК предполагается использовать единую корпоративную автоматизированную систему управления покупкой и потреблением электроэнергии (АСУ ППЭ), в структуру которой интегрированы: система планирования потребления электроэнергии на оптовом и региональном рынке электроэнергии (ОРЭМ) и система управления потреблением электроэнергии.
Однако к настоящему времени методология, теоретическое наполнение и информационно - технологическое сопровождение функционирования АСУ ППЭ при прогнозировании потребностей железных дорог и их иерархически структурированных подразделений (отделение, депо, энергоучасток и т.д.) в объемах тягового электропотребления строится только на базе информации автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ).
В условиях покупки электроэнергии на ОРЭМ эффективность работы будет определяться точностью прогнозирования предстоящих процессов электропотребления, либо качеством технологии управления фактического электропотребления в соответствии с плановым. Отсутствие в технологии АСУ ППЭ методов идентификации эксплуатационных факторов, дестабилизирующих отклонение фактического и планового электропотребления, методов учета ограничений режимов электроснабжения тяги поездов и методов оценки, возникающих при этом финансовых издержек, может приводить к существенным финансовым потерям компании при покупке электроэнергии.
Таким образом, становится актуальным решение научно-технической проблемы повышения качества прогнозирования и управления тяговым электропотреблением на иерархически структурированных подразделениях сети железных дорог посредством совершенствования структуры известных информационно-управляющих систем и разработки методов прогнозирования и управления с расширенными функциональными возможностями.
Цель работы и основные задачи исследования. Целью работы является научное обоснование и разработка принципов построения, методов функционирования математических и имитационных моделей прогнозирования и управления электропотреблением тяги поездов повышенной точности, учитывающих характеристики перевозочного процесса, ограничения по нагрузочной способности системы тягового электроснабжения и вариабельность стоимости электроэнергии.
Для достижения цели работы был поставлен комплекс задач:
- проведение анализа современного состояния научно-технической проблемы прогнозирования и планирования электроэнергии, расходуемой на тягу поездов, принципов, методов и условий функционирования информационно - технологических систем, обеспечивающих ее решение;
- проведение оценки и классификации характеристик процессов электропотребления тяги поездов с целью выбора методов и классов моделей, реализующих процедуры адекватного прогнозирования и управления в условиях флуктуации характеристик перевозочного процесса;
- разработка методологических принципов, структуры, критериев и методов функционирования унифицированной системы планирования и управления электропотреблением тяги поездов, способствующих повышению качества прогнозирования и управления тяговым электропотреблением;
разработка математической идентификационной модели прогнозирования тягового электропотребления и управления отклонением фактических расходов электроэнергии от плановых;
- разработка принципов построения, методов функционирования и программно-технологического обеспечения идентификационной имитационной модели прогнозирования и управления процессами тягового электропотребления посредством формирования графика движения поездов с учетом ограничений по условиям нагрузочной способности СТЭ;
- разработка методики, программных средств оценки экономической эффективности планирования энергетических и финансовых затрат, учитывающих флуктуацию характеристик процессов электропотребления и вариабельность стоимости электроэнергии на свободном и региональных секторах ОРЭМ.
Методы исследования. Теоретические исследования процессов прогнозирования и управления электропотреблением тяги поездов, режимов функционирования систем электроснабжения базируются на применении: основных положений теории линейных электрических цепей; методов математической статистики и кластерного анализа; методов системного анализа и математического моделирования, разделов теории современного автоматического управления - теории идентификации моделей и систем.
Научная новизна работы заключается в развитии теоретических принципов и методов построения математических и имитационных моделей электропотребления тяги поездов, обеспечивающих повышение качества прогнозирования и управления расходом электроэнергии в условиях флуктуации характеристик перевозочного процесса, ограничений
электропотребления по нагрузочной способности системы тягового электроснабжения и вариабельности стоимости электроэнергии.
Основными научными результатами, полученными в работе, являются:
- структура системы и обобщенная математическая модель оптимального прогнозирования процессов электропотребления тяги поездов, построенная на базе аналитических рекуррентных алгоритмов и покомпонентных матриц переходов от текущего к прогнозным состояниям показателей электропотребления, перевозочного процесса, нагрузочной способности системы тягового электроснабжения;
- методика и модель многомерного статистического идентификационного прогнозирования электропотребления на долгосрочный и краткосрочный периоды, позволяющая оценить и повысить точность оценки предстоящих расходов электроэнергии на основании ранжированного учета показателей перевозочного процесса и использования подвижного состава;
- метод и математическая модель динамического, идентификационного прогнозирования электропотребления, позволяющие повысить точность прогнозирования за счет использования процедур регуляризации и алгоритмов робастного оценивания и управления;
принципы построения и методы функционирования идентификационной имитационной модели, обладающей повышенной точностью расчетов и осуществляющей прогнозирование и управление электропотреблением тяги поездов посредством формирования графика движения с учетом ограничений нагрузочной способности СТЭ;
- методика оценки экономической эффективности планирования энергетических и финансовых затрат в условиях вариабельности стоимости электроэнергии на свободном и региональном секторах ОРЭМ.
Основные положения, выдвигаемые на защиту:
- обобщенная математическая модель оптимального прогнозирования процессами электропотребления тяги поездов, описанная аналитическими
рекуррентными выражениями в форме фильтра Калмана - Бьюси и покомпонентно формирующая матрицы переходов системы от текущего к прогнозному состоянию; методика и модель многомерного статистического идентификационного прогнозирования электропотребления на долгосрочный и краткосрочный периоды, обеспечивающая сокращение погрешности прогнозирования оценки предстоящих расходов электроэнергии до уровня ±2,5% на основании ранжированного учета показателей перевозочного процесса и показателей использования подвижного состава;
- метод и математическая модель динамического, идентификационного прогнозирования электропотребления на базе решения интегрального корреляционного уравнения Винера - Хопфа, обеспечивающая посредством процедуры регуляризации и робастного оценивания сокращение отклонений электропотребления от статистически устойчивых уровней;
идентификационная имитационная модель системы тягового электроснабжения, позволяющая: адаптировать результаты расчетов параметров СТЭ в соответствии с измеряемыми показателями электропотребления и дислокации поездов; не менее чем на 25 % повысить точность прогнозирования по сравнению с известными аналогами; формировать график движения поездов по условиям прогнозного электропотребления с учетом ограничений по нагрузочной способности СТЭ;
- методика оценки экономической эффективности планирования энергетических и финансовых затрат, позволяющая в условиях флуктуации характеристик процессов электропотребления, стоимости электроэнергии на свободном и региональных секторах ОРЭМ, осуществлять выбор оптимального тарифа и сократить финансовые затраты на покупку электроэнергии.
Практическую ценность работы составляют:
- разработанные методика и программные средства прогнозирования электропотребления подразделениями железных дорог на регламентированные
периоды, пригодные для использования в технологиях центров планирования и контроля электроэнергии (ЦПК) филиала ОАО «РЖД» Энергосбыт дорожного уровня (свидетельство ВНТИЦ № 73200300080, свидетельство Роспатент № 2005610394);
- разработанные методика и программно-технологические средства имитационного моделирования по оценке и прогнозированию режимов работы тягового электроснабжения на базе комплекта из шести зарегистрированных программ и баз данных (свидетельство ВНТИЦ № 73200300222, свидетельство Роспатент № 2004620134, № 2004610526, № 2004612461, № 2005611049, № 2003611511, № 2003612372). Предназначены для использования в ДЭЛ служб электроснабжения, в подразделениях ЦПК филиала «Энергосбыт» дорожного уровня;
- разработанный программно - технологический комплекс адаптивного расчета наличной пропускной способности и межпоездных интервалов по условиям электроснабжения, предназначенный для использования в ДЭЛ и на линейных предприятиях службы электроснабжения для регулирования нагрузочной способности СТЭ. (свидетельство Роспатент № 2004610975, №2005611050.);
- разработанные программы для оценки и прогнозирования финансовых затрат на покупку электроэнергии в условиях вариабельности стоимости электроэнергии на свободном и региональных секторах ОРЭМ, предназначенных для эксплуатации в дорожных ЦПК (свидетельство Роспатент № 2004610433, № 2004610954).
Реализация результатов работы произведена путем внедрения: 1. Результатов расчетов по управлению электропотреблением, проведенных на базе разработанного программно-технологического комплекса РНПС и динамической модели системы тягового электроснабжения Куйбышевской железной дороги. Пакеты программ, базы данных и результаты анализа наличной пропускной способности при пропуске поездов повышенной массы и длины, рекомендации по усилению контактной сети, по установке дополнительных ПС и ППС и тяговых подстанций внедрены в дорожной электротехнической лаборатории и на 7-ми энергоучастках Куйбышевской железной дороги. В результате выявления предельных режимов электропотребления, по показателям нагрузочной способности СТЭ на участке главного хода Куйбышевской железной дороги, установлены минимальные межпоездные интервалы для пропуска поездов массой 6300 тонн (сокращение с 30 мин до 18 мин.). Экономический эффект от внедрения разработки достигнут за счет сокращения межпоездных интервалов и составляет 23,9 млн.руб./год при личном вкладе автора 11,9 млн. руб./год.
2. Технологии и программных средств «автоматизации расчета и выбора оптимальных тарифов на покупку электроэнергии для тяги поездов», предназначенной для использования в «информационно - управляющей системе оценки и прогнозирования потребления электроэнергии и мощности, расходуемой на тягу поездов и финансовых затрат на ее приобретение» на Куйбышевской железной дороге. Экономический эффект от обоснования по внедрению двухставочных тарифов составил 7,8 млн. руб./ год при личном вкладе автора 3,14 млн. руб./год.
Теоретические положения работы используются в учебном процессе СамГАПС по дисциплинам специальности 190401 - Электроснабжение железных дорог: «Электроснабжение железнодорожного транспорта», «Автоматизация систем электроснабжения», «Энергосберегающие технологии в электроснабжении» и «Управление процессами в электроснабжении».
Под руководством автора успешно защищены две кандидатские диссертации по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на первом и втором международном симпозиуме «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Санкт - Петербург, Eltrans 2001, 2003, 2005 гг.); на 2 -й и 3-й международной научно-технической конференции «Безопасность транспортных систем» (Самара, 2002, 2003 гг.); на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса» (Гомель, 2003г.); на всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, 2003г.); на расширенном заседании кафедры «Электроснабжения железнодорожного транспорта» СамГАПС (2004, 2005 гг.); на технических совещаниях службы электроснабжения Куйбышевской железной дороги (2002, 2003, 2004 гг.); на сетевом совещании главных инженеров служб электроснабжения ОАО "РЖД", (Москва, РГОТУПС, 2003 г.); на сетевом совещании начальников служб электроснабжения железных дорог ОАО "РЖД" (Самара, 2004 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 57 печатных работах, в том числе в монографии, в 36 статьях и материалах конференций, в описании 2 патентов на полезную модель, 15 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ и баз данных, в 3 описаниях свидетельства на РИП.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материалы диссертации изложены на 340 страницах основного текста, содержат 143 рисунка, 25 таблиц. Список использованных источников содержит 247 наименований.
Задачи и организационные структуры управления электропотреблением в ОАО «РЖД»
ОАО «РЖД» как один из значимых потребителей электроэнергии в России осуществляет свою деятельность при покупке электроэнергии в условиях преобразования электроэнергетики России и реформирования рынков электроэнергии (мощности). К настоящему времени с целью повышения эффективности электроэнергетики за счет внедрения конкуренции в сферах производства, сбыта и оказания услуг в РФ сформирован оптовый рынок электрической энергии (мощности) ОРЭМ.
Правила функционирования потребителей электроэнергии на ОРЭМ с момента его организации постоянно совершенствуются и к настоящему времени регламентируются рядом законодательных и нормативных актов. Перечень базовых правовых документов, определяющих порядок работы предприятий железнодорожного транспорта на федеральном оптовом рынке электрической энергии и мощности приведен в приложении 1.
Согласно определению ОРЭМ— сфера обращения электрической энергии (мощности) в рамках ЕЭС России в границах единого экономического пространства Российской Федерации с участием крупных производителей и крупных покупателей электрической энергии, получивших статус субъектов оптового рынка и действующих на основе правил оптового рынка. ОРЭМ представляет собой систему договорных отношений совокупности всех его участников (субъектов), связанных между собой единством технологического процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии в ЕЭС России.
В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 24.10.2003 №643 в РФ были утверждены «Правила оптового рынка электрической энергии (мощности) переходного периода» (см. приложение 1 п.4.14). Постановлением была определена ценовая зона оптового рынка электрической энергии (мощности) (ОРЭМ) в «Европейской ценовой зоне», в которой субъектам электроэнергетики предоставлено право покупки/продажи электроэнергии по свободным ценам при сохранении возможности покупки/продажи по регулируемым ценам. Субъекты регионов «Востока» и «Сибири», не входящие в эту ценовую зону, имеют право покупки и продажи электроэнергии только по регулируемым ценам.
Таким образом, к настоящему моменту структура ОРЭМ представлена: - сектором свободной торговли (ССТ); - сектором регулируемого рынка (PC); - сектором отклонений (СО).
Сектор свободной торговли — механизм ценообразования на определенную долю потребляемой (поставляемой) электроэнергии, основанный на конкуренции между участниками рынка и на установлении свободных цен, уравновешивающих спрос и предложение.
Для участников рынка определены основные принципы участия в оптовом рынке и секторе свободной торговли
В секторе свободной торговли оптового рынка ограничивается объем покупки электроэнергии (не более 30% от заявленного им планируемого потребления электроэнергии). Все, не купленное в секторе свободной торговли, планируемое потребление (не менее 70%) участник покупает на регулируемом секторе, а именно на:» оптовом рынке (если он является субъектом ФОРЭМ на момент запуска сектора свободной торговли); региональном регулируемом рынке, то есть у обслуживающего его АО-энерго по тарифу, установленному региональным регулирующим органом. Накладывается ограничение на суммарный объем закупок в секторе свободной торговли (покупатели суммарно могут купить не больше 15% заявленного всеми участниками планируемого объема потребления). Кроме того, каждый участник обязан участвовать в балансирующем секторе (секторе отклонений) оптового рынка.
В качестве основной технологической операции для покупателя выступает технология « Краткосрочного планирования на сутки «X», которая заключается в том, что каждый участник сектора свободной торговли в день «Х-1» принимает решение, в какие часы суток «X» он желает участвовать в секторе свободной торговли. На все выбранные часы заявляет свое полное планируемое потребление электроэнергии и подает ценовую заявку на покупку электроэнергии в объеме не более 30% этого потребления. Заявленный покупателем полный планируемый часовой объем потребления является его плановым обязательством и от него отсчитываются отклонения на балансирующем секторе.
Согласно принятой методике расчетов за электропотребление эффективность прогнозирования оценивается по уровню и количеству отклонений фактических часовых значений электропотребления от критериальных диапазонов: от 0% до +10%, от 0% до +5%, от -2% до + 2%, от -5% до 0% и от -10% до 0%, построенных относительно плановых обязательств потребителя на прогнозный период (см. приложение 1 п.5.11.).
Постановка задачи построения математической модели прогнозирования и управления электропотреблением тяги поездов в пространстве состояний
В соответствии с «Порядком нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов в ОАО "РЖД" абсолютный расход электроэнергии на тягу W (кВтч) представляет собой измеренное или рассчитанное и отнесенное на тягу количество электроэнергии, затраченной на выполнение перевозочной тонно - километровой работы А (т-км бр.) при определенных показателях использования подвижного состава К. Таким образом, в общем виде, электропотребление W, расходуемое на тягу поездов, косвенно охарактеризовано операторной формой связи F с показателями выполненной работы А и с показателями использования подвижного состава К вида: , где - стохастические факторы, влияющие на оценку W.
Таким образом, задача определения характеристик процесса электропотребления по характеристикам перевозочного процесса работы сводится к нахождению вида и параметров функционала F и тем самым сводится к задаче идентификации.
При решении задач параметрической идентификации и описании идентифицируемого объекта в пространстве состояний требуется описание эксплуатационной области объекта (процесса электропотребления) в виде функциональных пространств [194].
В соответствии с регламентом нормирования показателей расхода ЭЭ электропотребление W, удельные расходы ЭЭ - \уд, а значит и факторы их определяющие - поездная работа А, показатели использования подвижного состава - К представляет собой множество показателей, которые в понятийном аппарате теории множеств могут быть представлены посредством ряда подмножеств, формируемых условиями действующей процедуры нормирования. а є AN є AlN к є К N є К N I(i),J (j,s,l,m),T(t) - I{i),J (j,s,l,m),T (t) I(i),J (j,s,l,m ),T (O we W N G W j» v., a W с ri/I(i),J{j,s,I,m),T{t) J WydG WydN,V E WydHN,V (2.1.) где a- k,W,Wyd _ элементы множеств N, N 4v" "ydN,v - показателей соответственно поездной работы, показателей использования подвижного состава, абсолютного объема расходуемой электроэнергии, удельного электропотребления; д l(i),J (j,s,l,m),T(t) v l(i),J{j,s,l,m),T(t) w I (»), J ( j ,s ,l,m),T (t) - Л N , Л N , VV N ,V w I(i),J{j,s,l,m),T(t) yv ydnN ,V -подмножества множеств N, N v ydv,N, сформированных no признакам принадлежности. N, К, I(i), J(j,s,l,m), T(t) в соответствиии с действующем регламентом оценки показателей; N - признак принадлежности показателя к характеру по способу получения его оценки: 1. К=ф - фактические данные, 2. N=n - расчетные плановые данные,3. N=np - расчетные скорректированные плановые данные (право) 4. N=H - нормируемые данные; V - признак принадлежности показателя к виду объекта и характера измерений или расчетов расходов ЭЭ: V=l - на электроподвижном составе, V=2 - на тяговых подстанциях , V=3- оценка небаланса - разности измерений ЭЭ приУ=2(ТП)иУ=1(ЭПС); I(i), J(j,S,l,m)-), T(t), - признаки принадлежности показателя к определенному виду оценки и его градации в соответствии с действующим регламентом; I(i) - признак градации оценки по уровню нормирования: 1=1- для железных дорог - филиалов ОАО "РЖД", 1=2 -для отделений железных дорог; 1=3 - для локомотивных депо; 1=4 - для локомотивных бригад; і - порядковый номер оцениваемого объекта (дорога, отделение, депо, локомотивная бригада) на соответствующем уровне нормирования 1=1,2,3,4. При 1=1, i= 1,2,...г - номер оцениваемой дороги, при 1=2, i= 1,2,...,п -номер оцениваемого отделения на оцениваемой дороге, при 1=3, i= 1,2,...,m -номер оцениваемого депо на дороге, при 1=4, i= 1,2,...,к - номер оцениваемого удельного расхода для локомотивных бригад. J(j,s,l,m)- признак градации показателя по родам движения и характеру работы: J=l -для грузового; J=2 для пассажирского; J=3 -для моторовагонного; J=4 - для хозяйственного движения. j - индекс вида тяги: j=l,2.3 - соответственно одиночная тяга в голове состава, двойная тяга, подталкивание; s=l,2,3...- индекс серии электровоза, используемого в соответствующем виде движения ; 1 - индекс оцениваемого поездоучастка, при 1=0 - оценка характеризует в целом уровень нормирования (дорога, отделение, депо), при 1=1,2,3... оценка представляет собой техническую норму (например, \Уудн) и осуществляет градацию по индексу оцениваемого поездоучастка, m = 1,2,3,...- индекс градации оценки по массе поезда. T(t) - признак градации оценки по периодам нормирования =1, - на год - Т =2 - квартал -, Т =3 - месяц, Т=4- на одиночную поездку.
При T(t)=l, t= 0 - индекс годовой оценки показателя, при T(t)=2, t= 1,2,3,4 - порядковый номер поквартальной разбивки годовой оценки показателя, при T(t)=3, t= 1,2,...,12 - порядковый номер помесячной разбивки годовой оценки, при T(t)=4, t= 1, 2,..., р - порядковый номер оценки показателя при одиночной поездке.
Базовый метод построения расчетных аналитических моделей СТЭ
На основании вышеприведенного анализа система тягового электроснабжения электрифицированного участка железной дороги является сложной системой, в которой процесс энергоснабжения ЭТП протекает под воздействием большого числа факторов детерминированного и стохастического характера. Целостное представление характера протекания процессов электроснабжения в силу сложности связей между отдельными подсистемами СТЭ практически не поддается аналитическому описанию, в связи с чем, исследование функционирования системы тягового электроснабжения, как правило, осуществляется методами имитационного моделирования.
Первые модели, воспроизводящие нагрузки тяговых сетей появились в нашей стране тридцатых годах прошлого столетия [169]. Проблемы связанные с проектированием и развитием электрификации в шестидесятые и семидесятые годы определили необходимость проведения во ВНИИЖТе, ВЗИИТе, МИИТе, ЛИИЖТе, ОМИИТе, исследований по разработке специализированных расчетных устройств и программных средств для моделирования работы систем электроснабжения [9,19,78.92,93,94,148,219,220]. Значительный вклад в развитие методов расчетов в данный и предшествующий периоды был привнесен: Б.А. Бесковым, А.Т.Бурковым, К.Г. Марквардом, Г.Г. Марквардом, Д.А.Палей, Н.Я.Пузановым, В.Е.Розенфельдом, Е.П.Фигурновым и рядом других ученых.
Методология построения разрабатываемых имитационных моделей основана на общих концептуальных принципах имитационного моделирования [240]. Как известно, имитационное моделирование - метод исследования, заключающийся в имитации на средствах вычислительной техники процесса функционирования схем, алгоритмов или структуры проектируемой системы с целью определения качества ее построения. Сущность метода имитационного моделирования состоит в разработке программного алгоритма процесса функционирования исследуемой системы с учетом выбранного уровня детализации и его испытаний для получения нужных внутренних характеристик системы [246].
Моделирующий алгоритм позволяет по исходным данным, содержащим сведения о начальном состоянии процесса (входной информации) и его параметрах, получить информацию о состоянии процесса в произвольные моменты времени.
Таким образом, имитационное моделирование есть процесс конструирования модели реальной системы, постановки экспериментов на этой модели с целью оценки состояния системы по ее выходным параметрам и оценки различных стратегий, обеспечивающих функционирование данной системы.
Основные методологические принципы построения корректных имитационных моделей (принципы ИМ) заключаются в необходимости реализации процедур [246]: 1 .Использования стандартизированных приемов представления имитационных моделей; 2. Исследования степени подобия имитационных моделей реальным объектам; 3. Автоматизации процесса программирования и исследования объектов моделирования.
К первому направлению относят задачи разработки моделей потоков входной информации и типовых моделей подсистем исследуемой системы, задачи использования математических моделей в качестве элементов имитационных моделей с целью их упрощения.
Второе направление составляют задачи по использованию и обработке статистического материала, задачи по исследованию соответствия имитационной модели реальному объекту на основе накопленного статистического материала;
Третье направление составляют задачи по разработке процесса автоматизации и алгоритмизации процедуры исследования систем методами имитационного моделирования.
Однако, даже несмотря на отсутствие в моделях некоторых из перечисленных принципов, имитационное моделирование за счет высокого уровня детализации систем любого уровня сложности, и возможности исследования динамики развития процесса является перспективным направлением для исследования и анализа работы систем электроснабжения и оценки и прогнозирования процессов электропотребления на участках железных дорог.
Реализация первого принципа методологии построения имитационных моделей - использование типовых модулей, при разработке моделей СТЭ, как правило, достигается посредством использования математических методов и использования аналитических моделей функционирования их компонентов.
Для аналитических моделей характерно, что процессы функционирования элементов сложной системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений или логических условий. Аналитическая модель формируется в одном из вариантов: в аналитическом виде - при известном общем виде уравнений взаимосвязи входных и выходных параметрах блока; в численном виде - при получении количественной оценке взаимосвязи входа и выхода в уловиях отсутствия решения уравнения общего вида; в качественном виде -при оценке только тенденций в характеристиках модели в условиях отсутствия количественной оценки.
Таким образом, методология построения имитационных моделей позволяет осуществлять построение ее блоков на базе аналитических решений различных типов и использовать математический аппарат широкого спектра: алгебра, функциональный анализ, теория и методы решения дифференциальных и интегральных уравнений, теория вероятностей, статистика и ряд других.
Базовая методика оценки тягового электропотребления основана на определении нагрузок тяговых подстанций СТЭ расчетного участка с учетом их внешних характеристик [89]. При этом формируются схемы питания сети, определяется число, расположение и величины нагрузок. Нагрузки задаются мощностью или током. На рис.3.1 представлен характер токовой нагрузки при движения поезда по перегону в четном и нечетном направлениях.
При заданном графике движения поездов (рис.3.2) и известных реализациях нагрузок по расчетному участку определяются числовые значения нагрузок от ЭПС для любого момента времени. По характеру формирования нагрузок различают методы: равномерного сечения графика движения, метод характерных сечений графика движения, метод непрерывного исследования графика движения. После определения величины и дислокации нагрузки по участку составляется набор эквивалентных электрических схем участка (рис.2.3), для расчета которых применяются любые из известных методов из теоретических основ электротехники.
При задании нагрузки в виде токов, расчеты токораспределения нагрузки по N подстанциям участка 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. Расчет токораспределения тяговой нагрузки производится с учетом внешних характеристик тяговых подстанций. Принцип расчета токораспределения в общем виде выражается при помощи весовых коэффициентов /89/.
Исследование точности прогнозирования процессов электропотребления методами регрессионной идентификации
Повышение точности расчетов показателей нагрузочной способности СТЭ и представления процессов тягового электропотребления в ДИУМ [114, 118, 119, 125] основано на использовании в расчетах мощностных характеристик нагрузки ЭПС и алгоритмов приведения (адаптации) результатов расчетов в соответствие с наблюдаемыми данным автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и показателями исполненного графика движения поездов (ГИД). На рис.3.17. представлена схема основных блоков ДИУМ с детализацией их функций и связей.
По сравнению с известными моделями разработанная модель кроме центрального блока расчета режимов СТЭ (БР РСТЭ), блока расчета показателей нагрузочной способности СТЭ (БР НС СТЭ) отличается введением дополнительных блоков и функций: - блок конвертации и использования данных ГИД - (БК ГИД);
2 - блок конвертации и использования в привязке к ГИД данных об электропотреблении на участке - (БК АСКУЭ)
3 - база данных критериальных показателей НС СТЭ и данных «стратегического» идентификатора о допустимых межпоездных интервалов J, полученных на этапе предварительного расчета наличной пропускной способности (РНПС) участка по условиям СТЭ - (БД РНПС)
4 - блок формирования и корректировки мощностной характеристики ЭПС при движении по участку (БФМХ);
5 - блок формирование мгновенных схем с уточнением дислокации поездов (БУ ДП) и блок уточнения мгновенных параметров мощностных характеристик ЭПС (БУ MX);
6 - блоки реализации функций оценки адекватности результатов расчета режимов работы СТЭ по сопоставлению расчетного и реального электропотребления, включенные в контур адекватности мощностной характеристики ЭПС (БА MX) и в контур адекватности дислокации поездов (БА ДП).
Введение рассмотренных блоков и функций позволило реализовать дополнительные функции в модели расчета электропотребления и нагрузочной способности СТЭ: - реализация функций прогнозирования процессов электроснабжения тяговой нагрузки ЭПС; - формирование прогнозных графиков движения поездов на участке с учетом ограничений по показателям НС СТЭ (БП ГД); - прогнозирование энергооптимальных графиков движения (БОП РЭ). Выходом идентификационной модели являются:
1. Вектора и реализации процессов СТЭ в расчетном и прогнозном периодах: расход электроэнергии по ТП - W(t), технологические потери по межподстанционным зонам - AW(t); токи ТП и фидеров ТП - I(t); напряжения на шинах ТП - U(t); мощности по ТП - P(t).
2. Показатели нагрузочной способности СТЭ - мощность силового оборудования тяговых подстанций (Ртах,); нагрев проводов контактной подвески (Тнагр) и величина тока (Imax) функционально определяющая величину нагрева; напряжение на токоприемниках ЭПС (Umin). Выход реализуется на выходе блока (БР НС СТЭ);
3. Прогнозный скорректированный по нормативным условиям НС СТЭ график движения поездов и величины допустимых по условиям СТЭ межпоездных интервалов (N(x(t), JHC); энергоптимальный график движения поездов и величины энергоптимальных межпоездных интервалов (N(x(t), j0Im), позволяющий наиболее эффективно использовать энергию рекуперации ЭПС поездами попутного и встречного направления. Выход реализуется на выходе блока (БУ ДП).
Функционирование модели разбивается на два этапа: режим настройки и режим прогнозирования.
В режиме настройки модели предусмотрено выполнение процедур: загрузка баз данных по параметрам расчетного участка (в том числе места обгонов Хоб поездов, длины перегонов); характеристик движения поездов V(x), I(x), U(x) - соответственно скорость, ток, напряжение на ЭПС в функции дислокации ЭПС по участку; координаты и характеристики ТП, ПС, ППС (база Птп), характеристики и параметры контактной сети (база Пкс); - ввод данных ГИДа: масс поездов т(Пі), времен отправления t0Tnp(n,) и прибытия тпр(п,) поездов по граничным станциям расчетного участка. - формирование мгновенных схем n,(x(t)), прогноза и коррекции графика движения с учетом скоростных характеристик движения поездов V(x) и мест обгонов Х0б - формирование мощностных характеристик движения поездов Р(п,) и уточнение мощностных характеристик движения поездов P(n,(x(t))) по данным уточненного графика движения V(x(n,)); - электрический расчет режимов СТЭ при вычислении значений реализаций токов, напряжений и мощностей на ЭПС и в устройствах СТЭ -(I(t), U(t), P(t)), расхода энергии по подстанциям W(t), и потери ее в тяговой сети AW(t) на базе решения систем уравнений методами Гаусса или прогонки в комбинации с методом простых итераций; - организация двухконтурной процедуры адаптации по мощности и дислокации поездов. Оценка и повышение точности расчетов показателей НС СТЭ осуществляется на основании процедуры сопоставления расчетных значений электропотребления W(t) на участке и по ТП с реальными значениями WA(t, к), полученными с блока (БК АСКУЭ). В случае превышения невязки e(t) критериального значения emin (t) осуществляется двухэтапная процедура адаптации результатов расчетов.
При корректировке результатов по мощностной характеристики ЭПС данные по электропотреблению W(t) и WA(t,k) поступают в блок проверки адекватности - БАМХ, в котором на основания анализа степени несоответствия e(t) и emin (t) и ранее рассчитанного значения Р тах вырабатывается поправочные параметры а(Р), корректирующие в допустимых для расчетного участка пределах мощностные характеристики ЭПС в блоке БФМХ. Корректировка производится до тех пор, пока отклонение расчетных значений и реальных не будет меньше установленного или дальнейшая корректировка значимого результата не дает. Корректировка результатов расчетов по дислокации поездов организована в статистическом диапазоне вариации скоростной характеристики движения поездов по участку. В процедуру корректировки дислокации ЭПС и построения выходных форм графиков включена процедура аппроксимации скоростной характеристики проследования ЭПС по нитке графика сплайном второго порядка. [48,106,119,122, 123].
