Введение к работе
Актуальность исследования. Одной из главных задач, поставленных перед железными дорогами в «Энергетической стратегией ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 г. и на перспективу до 2030 г.», является снижение энергоемкости перевозочного процесса, в том числе удельных затрат электроэнергии на тягу поездов. Так, по сети дорог планируется снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов с 113,7 кВт-ч/104 ткм брутто в 2010 г. до 112,3 в 2015 и до 108,1-к 2030г.
Решение этой задачи невозможно без эффективных методов и средств учета энергоресурсов. Повышение достоверности определения расхода и потерь электрической энергии на тягу поездов позволит увеличить эффективность поиска путей их снижения. В настоящее время на сети железных дорог наблюдается высокая степень точности определения расхода электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций (ТП). Однако не представляется возможным определение расхода электроэнергии в границах межподстанционных зон (МПЗ), имеет место лишь ее технический учет на электроподвижном составе (ЭПС), что приводит к повышенному значению небаланса электрической энергии по счетчикам ТП и ЭПС, который составляет около 19 % на сети железных дорог постоянного тока.
Отсутствие автоматизированной системы учета электрической энергии на фидерах контактной сети (ФКС) ТП и на ЭПС не позволяет контролировать распределение нагрузки в МПЗ смежными ТП, определять небаланс в границах тарифных зон и участков работы локомотивных бригад и составляющую небаланса для приватного ЭПС.
В системах тягового электроснабжения переменного тока задача учета электрической энергии решается с использованием промышленных счетчиков электрической энергии переменного тока. Однако в области учета постоянного тока сложилась неудовлетворительная ситуация, вызванная отсутствием на рынке средств учета с характеристиками, удовлетворяющими современным потребностям, к которым относятся высокая точность (не ниже 1,0), возможность интеграции в системы автоматизированного учета, высокие безопасность и надежность при эксплуатации и приемлемая стоимость.
Реформирование железнодорожного транспорта, наличие приватного подвижного состава требуют снижения небаланса электрической энергии на тягу поездов за счет создания новых средств учета электрической энергии посто-
янного тока, основанных на новых методах определения расхода электрической энергии в зонах учета с применением спутниковых навигационных систем.
Цель диссертационной работы - разработка методов и технических средств определения расхода электрической энергии на тягу поездов в границах зон учета на основе новых алгоритмов обработки данных, учитывающих особенности работы электрифицированных железных дорог постоянного тока.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач.
1. Выполнить анализ существующих методов определения расхода
электрической энергии на тягу поездов в границах железных дорог с учетом
взаимозаездов локомотивных бригад, провести анализ состояния качества
электрической энергии в тяговых сетях постоянного тока, а также анализ
отечественных и зарубежных систем учета электрической энергии, с целью
обоснования целесообразности создания новых методов определения расхода
электрической энергии на тягу поездов в границах железных дорог и разра
ботки технических средств учета на электроподвижном составе и ФКС посто
янного тока.
-
Предложить метод расчета расхода электрической энергии ЭПС для зон учета, тарифных, межподстанционных зон и участков работы локомотивных бригад с использованием технических средств учета, оснащенных спутниковой навигационной системой.
-
Разработать математическую модель аппаратно-программных технических средств для расчета расхода электрической энергии на полигонах постоянного тока, учитывающую комплекс мер по выбору полосы пропускания измерительного тракта для обеспечения заданной точности, компенсации смещения нуля аналого-цифрового тракта и повышения точности определения границ зон учета.
-
Разработать структуру технических средств для определения расхода электрической энергии постоянного тока на ЭПС и ФКС ТП с использованием цифровой обработки сигналов (ЦОС) первичных преобразователей тока и напряжения.
-
Предложить алгоритм и структуру автоматизированной системы расчета расхода и определения небаланса электрической энергии на тягу поездов в границах тарифных зон и участков работы локомотивных бригад с использованием разработанных технических средств учета.
Методы исследования. В работе использованы основные положения и методы цифровой обработки сигналов, гармонического анализа, теоретической электротехники, моделирования систем ЦОС и анализа экспериментальных данных на ЭВМ.
Научная новизна работы. В диссертационной работе решен комплекс задач по определению расхода электрической энергии по счетчикам ФКС ТП и ЭПС на полигонах постоянного тока сети железных дорог за счет разработки метода расчета расхода электрической энергии в границах зон учета и повышения достоверности учета электрической энергии на тягу поездов путем внедрения новых технических средств, позволяющих применять предлагаемый метод расчета расхода электрической энергии и автоматизировать процесс ее измерения.
К наиболее значимым можно отнести следующие теоретические и практические результаты диссертационной работы:
предложен метод расчета расхода электрической энергии ЭПС в границах зон учета, тарифных зон и участков работы локомотивных бригад при использовании технических средств учета, оснащенных спутниковой навигационной системой;
разработана структура и алгоритм работы технических средств определения расхода электрической энергии на ФКС ТП и ЭПС постоянного тока с использованием цифровой обработки сигналов и первичных преобразователей тока и напряжения.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретическими исследованиями, математическим моделированием и подтверждена результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний на ФКС ТП и на ЭПС постоянного тока. Погрешность измерения электрической энергии постоянного тока составляет 0,2 % в нормальных условиях эксплуатации и 1,5 % во всем рабочем диапазоне температур (от минус 40С до плюс (>О0С) с отключенной системой термокомпенсации.
Практическая ценность диссертации и реализация результатов работы заключается в следующем:
предложен метод расчета расхода электрической энергии в границах зон учета для ЭПС с использованием технических средств, оснащенных спутниковой навигационной системой;
разработаны технические требования, позволяющие создавать технические средства для определения расхода электрической энергии постоянного тока, соответствующие требованиям коммерческого учета;
предложена модель измерительной системы, позволяющая разрабатывать технические средства учета электрической энергии постоянного тока с заданной точностью измерений для применения на ЭПС и ФКС ТП;
создан новый метод компенсации смещения нуля аналого-цифрового измерительного тракта постоянного тока, повышающий точность измерений, и подтверждена эффективность предложенного метода;
на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны аппаратные средства и программное обеспечение технических средств определения расхода электрической энергии постоянного тока для использования на ФКС ТП и ЭПС, создан опытный образец устройства с высокой точностью и стабильностью измерений, в основу которого положены разработанные требования и предложенные методы обработки данных;
разработаны принципы построения автоматизированной системы сбора данных с ФКС ТП и ЭПС, позволяющей производить расчет потребленной энергии в границах зон учета, тарифных зон и плеч обслуживания локомотивных бригад.
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались на 62-й научно-технической конференции СибАДИ (Омск, 2008), на юбилейной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития специальных систем радиосвязи и радиоуправления» (ОНИИП. Омск, 2008), на IV международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (Томский политехнический университет. Томск, 2009), на семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2011), на научно-техническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2011).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 16 научных работ, в том числе три статьи из списка изданий, определенных
ВАК Минобороннауки России, четыре патента на полезную модель, один патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, семи приложений, библиографического списка из 126 наименований и содержит 160 страниц основного текста, 10 таблиц, 53 рисунка.
