Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по анализу расхода и небаланса электрической энергии натягу поездов 9
1.2 Обзор методов расчета расхода m небаланса -электрической энергии на тягу поездов в условиях взаимозаездов, локомотивных бригад 9
1.2 Обзор методов-расчетатехнических, потерь: электрическошэнергии в тяговой сети 16
1.3 Применение методов: имитационного моделирования для расчета потерь электрической энергии втяговойісети 21
2. Разработка метода расчета расхода небаланса, электрической- энергии в границах участков работы локомотивных;бригад железныхдорог 26
2.1 Основные положения методафаснета расхода и небалансаг электрической.энергии на тягу поездов 27
2.1.1 Расчет расходами:небаланса электрической энергии натягу поездов в границах железноидороги 27
2.1.2 Расчет расхода ишебаланса электрической энергии на тягупоездов в границах участков работы локомотивных бригад железной дороги 33
2.2 Результаты апробации метода на сети -железных дорог 36
2.3 Выводы 50
3. Разработка метода, распределения потребляемой:на! железных дорогах электроэнергии натягу поездов по контролируемым-участкам. 52
3.1 Методология разделения железной дороги на контролируемые участки 52
3.2 Расчетная модель и алгоритм расчета- для- контролируемого участка. 54
3.2.1. Расчетная модель контролируемого участка 54
3.2.2. Алгоритмі расчета расхода и небаланса в границах участков работышокомотивных бригад контролируемого участка 59
3.3 Апробация метода распределения электрической энергии на тягу поездов по контролируемым участкам на обследуемой железной дороге 69
3.4 Разработка метода определения расхода электроэнергии в пригородном пассажирском движении с учетом обращения электропоездов в различных тарифных зонах энергосистем 72
3.4.1 Способы разделения электропотребления на плечах обращения МВПС между соседними железными дорогами и различными тариф-ными.зонами энергосистем 74
3.4.2 Способ приведениярасходов электроэнергии на плечах обращения от счетчиков МВПС к счетчикамтяговых подстанций 75
3.4.3 Составляющие небаланса и способы его расчета-применительно к пригородному пассажирскому движению 75
3.4.4 Порядок расчета,расхода электроэнергии в пригородном пасса-жирском движении с учетом; обращения электропоездов» в, различных тарифных зонах энергосистем 78
3.5 Выводы 79
4. Методика экспериментальной оценки достоверности расчетных методов определения технических потерь электрической'энергии в тяговой сети 80
4.1 Экспериментальная оценка величины технических потерь электрической энергии в тяговой сети 80
4.1.1 Измерение технических потерь электрической'энергии в .тяговой сети 80
4.1.2 Определение погрешностей измерения потерь электроэнергии 91
4.1.3 Оценка потерь1 электрической энергии в тяговой сети от уравнительных токов 95
4.2 Расчет потерь электрической энергии в тяговой; сети межподстанцион ной с применением методов имитационного моделирования на примере программного комплекса КОРТЭС 97
4.3 Оценка достоверности определения величины технических потерь в тяговой сети с применением методов имитационного моделирования 103
4.4 Выводы 108
5. Оценка точности определения расхода и небаланса электрической энергии на тягу поездов 109
5.1 Оценка точности определения расхода и небаланса электроэнергии в границах участка работы локомотивных бригад 109
5.1.1 Оценка точности учета расхода электроэнергии на тяговых подстанциях и электроподвижном составе переменного тока 109
5.1.2 Оценка точности учета электроэнергии на тягу в границах участка работы локомотивных бригад на переменном токе 113
5.1.3 Оценка точности определения небаланса электроэнергии на тягу поездов в границах участка работы локомотивных бригад на переменном токе 115
5.1.4 Оценка точности учета электроэнергии на тягу поездов на постоянном токе 116
5.2 Оценка точности автоматизированной системы комплексного учета расхода и небаланса электрической энергии на тягу поездов 117
5.3 Выводы 122
6. Расчет экономической эффективности внедрения методики расчета расхода и небаланса электрической энергии на тягу поездов в границах участков работы локомотивных бригад железных дорог 122
6.1 Расчет основного и дополнительного экономического эффекта 123
6.2 Выводы 127
Заключение 128
- Обзор методов-расчетатехнических, потерь: электрическошэнергии в тяговой сети
- Результаты апробации метода на сети -железных дорог
- Апробация метода распределения электрической энергии на тягу поездов по контролируемым участкам на обследуемой железной дороге
- Расчет потерь электрической энергии в тяговой; сети межподстанцион ной с применением методов имитационного моделирования на примере программного комплекса КОРТЭС
Введение к работе
Актуальность исследования. Одной из главных задач, поставленных перед железными дорогами в «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 г. и на перспективу до 2030 г.», является снижение энергоемкости перевозочного процесса и удельных энергозатрат на тягу поездов. Так, по сети дорог планируется снижение удельного расхода электроэнергии (ЭЭ) на тягу поездов с 116,4 в 2007 г. до 110,3 кВгч/10 ткм брутто в 2020 г. и до 108,1 - к 2030 г. Важным направлением в осуществлении этой задачи является совершенствование организации учета энергоресурсов. Повышение достоверности определения расхода и потерь ЭЭ на тягу поездов позволит повысить эффективность поиска путей их снижения. В настоящее время на сети дорог наблюдается повышенное значение небаланса ЭЭ на тягу поездов (т. е. разницы между количеством ЭЭ, отпущенной от границы балансовой принадлежности тяговых подстанций (ТП) и принятой электроподвижным составом (ЭПС)), которое составляет около 19 % на полигоне постоянного тока и около 8 % на полигоне переменного. Небаланс включает в себя технологические потери ЭЭ, которые определяются технологией ее транспортировки от границы балансовой принадлежности ТП к ЭПС, а также работой различных систем и устройств, связанной с организацией перевозочного процесса, и коммерческие потери, которые обусловлены прежде всего недостатками системы учета ЭЭ на тягу поездов. При этом по экспертной оценке допустимые границы технологических потерь ЭЭ на тягу поездов на полигоне постоянного тока составляют 5,4 - 10,4 %, а на полигоне переменного тока — 3,4 - 6,7 %. Эти значения показывают, что существуют резервы для снижения небаланса путем применения различного рода мероприятий.
Цель диссертационной работы - повышение достоверности определения расхода и потерь электрической энергии на тягу поездов путем совершенствования методов их расчета в границах участков работы локомотивных бригад железных дорог с учетом взаимозаездов.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
разработать новый метод приведения расхода электрической энергии от счетчиков электроподвижного состава к счетчикам тяговых подстанций на участках взаимозаездов локомотивных бригад соседних железных дорог, провести его апробацию на сети железных дорог;
оценить целесообразность раздельного расчета расхода и небаланса электрической энергии на тягу поездов для полигонов постоянного и переменного тока с учетом взаимозаездов локомотивных бригад;
устранить расхождение значений основных форм статистической отчетности ОАО «РЖД» ЭО-18 и 1X0-9, отражающих электропотребление на тягу поездов и определить взаимное электропотребление на тягу поездов при взаимозаездах локомотивных бригад железных дорог России и стран ближнего зарубежья;
предложить метод распределения потребляемой на железных дорогах ЭЭ на тягу поездов по контролируемым участкам;
получить с помощью современных высокоточных измерительных средств экспериментальные значения технических потерь ЭЭ в тяговой сети реальной меж-подстанционной зоны при различных схемах питания контактной сети и использовать их для оценки достоверности расчетных методов определения технических потерь ЭЭ в тяговой сети;
оценить погрешности учета расхода и потерь ЭЭ на тягу поездов в границах плеч обслуживания локомотивных бригад по счетчикам ТП и ЭПС;
определить экономический эффект от внедрения на сети железных дорог предлагаемых методов.
Методы исследования. В работе использованы основные положения и методы теоретической электротехники, электроснабжения железнодорожного транспорта, математической статистики и теории вероятностей, а также имитационное моделирование системы тягового электроснабжения на ЭВМ. Экспериментальные исследования проведены с применением комплексов учета расхода ЭЭ на фидерах контактной сети (ФКС) ТП, бортовых комплексов локомотивов и многоканальных измерительно-вычислительных комплексов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: комплексно решен ряд задач, позволяющих повысить достоверность расчета расхода и потерь электрической энергии на тягу поездов по счетчикам ТП и ЭПС на железных дорогах ОАО «РЖД» за счет совершенствования учета взаимозаездов локомотивных бригад соседних железных дорог.
К наиболее значимым необходимо отнести следующие теоретические результаты:
разработан новый метод приведения расхода электрической энергии от счетчиков электроподвижного состава к счетчикам тяговых подстанций на участках взаимозаездов локомотивных бригад соседних железных дорог, обеспечивающий достоверное распределение расхода ЭЭ между железными дорогами;
предложен метод распределения потребляемой на железных дорогах ЭЭ на тягу поездов по контролируемым участкам, позволяющий выявлять наиболее проблемные из них по уровню удельного расхода и потерь электрической энергии;
полученные с помощью современных высокоточных измерительных средств экспериментальные значения технических потерь ЭЭ в тяговой сети реальной меж-подстанционной зоны при различных схемах питания контактной сети использованы для оценки достоверности расчетных методов определения технических потерь ЭЭ в тяговой сети.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена практической реализацией результатов на сети железных дорог. Соответствие экспериментальных и. теоретических результатов исследования величины потерь ЭЭ в тяговой сети на реальном участке одной из железных дорог подтверждено с помощью F-критерия Фишера, значение которого составило 1,08 при критическом значении 2,82 для соответствующего числа степеней свободы и уровня значимости 0,05.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
разработанный метод приведения расхода ЭЭ от счетчиков ЭПС к счетчикам ТП на участках взаимозаездов локомотивных бригад апробирован на сети железных дорог и применен в «Методике расчета расхода электрической энергии на тягу поездов в границах железных дорог и участков работы локомотивных бригад»;
предложенный метод распределения потребляемой на железных дорогах ЭЭ на тягу поездов по контролируемым участкам, позволяющий выявлять наиболее проблемные из них в плане уровня удельного расхода и потерь электрической энергии, апробирован на одной из железных дорог;
полученные на современном этапе развития измерительной техники экспериментальные значения технических потерь ЭЭ в тяговой сети реальной межпод-станционной зоны при различных схемах питания контактной сети могут быть использованы для вьшолнения оценки достоверности как существующих расчетных методов определения технических потерь ЭЭ в тяговой сети, так и вновь создаваемых; с помощью полученных данных выполнена оценка адекватности программного комплекса КОРТЭС.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, 2006); на пятой международной конференции европейских студентов транспортных наук «Transportation as a Mean of Globalization» (Прага, Пардуби-це, 2007); на международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию Сибирского государственного университета путей сообщения, ((Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обес-
печение процессов интеграции в мировую транспортную систему» (Новосибирск, 2007); на научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение на Западно-Сибирской железной дороге 2008» (Омск, 2008), на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе девять статей (из них две - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ) и тезисы двух докладов на международных научно-технической и научно-практической конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, списка литературных источников и пяти приложений. Работа изложена на 143 страницах основного текста, содержит 45 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 129 наименований.
Обзор методов-расчетатехнических, потерь: электрическошэнергии в тяговой сети
Как уже было, отмечено ранее, существующие уровни небаланса электрической энергии, как на: полигоне постоянного, так и на полигоне переменного тока железных дорог существенно превышают границы допустимых технологических потерь электрической энергии на тягу поездов. Поэтому важным, направлением деятельности железных дорог является снижение небаланса до уровня технологических потерь, что требует наличия достоверных методов их определения. Технологические потери электроэнергии определяются технологией ее: транспортировки от границы балансовой принадлежности системы тягового электроснабжения к электроподвижному составу, а также работой различных систем и устройств, связанной с организацией перевозочного процесса, и включают в себя і расход электроэнергии на собственные нужды тяговых подстанций, погрешности приборов учета и технические потери электроэнергии, которые в свою очередь обусловлены потерями в понизительных трансформаторах, потерями в тяговых трансформаторах и выпрямителях (на полигонах постоянного тока), потерями от компенсирующих устройств (на полигоне переменного тока), потерями в тяговой сети и др. Определение величины технических потерь электроэнергии в тяговой сети является весьма сложной задачей, что обусловлено функционированием системы электрической тяги в условиях действия большого количества случайных факторов, затрудняющих выполнение расчета ее режимов. В отличие от стационарных потребителей электрической энергии на режим тяговой нагрузки оказывают влияние: перемещение ЭПС, схема питания тяговой сети, профиль участка, взаимное расположение поездов на зоне питания, масса и вид поездов, тип ЭПС, метеорологические условия, организация движения поездов и ряд других факторов, связанных с конкретными условиями эксплуатации железных дорог.
Таким-образом, расчет технических потерь электрической энергии в тяговой сети железной дороги должен производиться особыми методами, учитывающими специфику тяговой нагрузки. Эти методы расчета получили развитие в работах К. Г. Марквардта, М. П. Бадера, Р. Р. Мамошина, A. Б. Косарева, А. В. Котельникова, А. Т. Буркова, Л. А. Германа, А. С. Боче- ва, Ю. И. Жаркова, А.Л. Быкадорова, В.Т. Доманского, Б. А. Аржанникова, Ю. П. Неугодникова, Б. Е. Дынькина, Н. И. Молина, В. Д. Бардушко, B. Т. Черемисина, В. Л. Григорьева и других авторов [19 — 57]. Основная на правленность процесса развития методов расчета заключается в стремлении более глубокого отображения реального расположения поездов на фидерной зоне и значений, потребляемых ими токов. Классификация методов расчета систем тягового электроснабжения (СТЭ) представлена на рис. 1.5. До появления первых ЭВМ для решения задач функционирования СТЭ, методы сечения графика движения поездов не находили широкого применения, по причине существенной трудоемкости. В этих случаях, для расчета системы электроснабжения, применяли методы расчета по средним размерам движения (метод равномерно распределенной нагрузки и метод подвижных нагрузок). Метод подвижных нагрузок наиболее наглядно показывает зависи мость основных величин, определяемых при расчете системы электроснаб жения, от схемы питания тяговой сети. В данном методе действительные по ездные токи заменяются постоянными нагрузками, движущимися с неизмен ной скоростью на равных и постоянных расстояниях друг от друга, а величи на самой нагрузки принимается равной среднему току поезда за рассматри ваемый период (причем считается, что все поезда каждого направления яв ляются однотипными). В методе равномерно распределенной нагрузки, изменяющиеся во вре-мени и по расположению нагрузки фидерной зоны, заменяются равномерно распределенной [20 — 22]. Значение равномерно распределенной нагрузки, приходящееся на единицу длины, выбирают таким образом, чтобы общий расход энергии на линии оставался равным действительному значению. В этом методе не учитываются вариации числа поездов на фидерных зонах, а сосредоточенные нагрузки заменяются распределенными. Поэтому он не дает возможности определять кратковременные максимальные и минимальные значения расчетных величин. Расчеты по формулам метода равномерно распределенной нагрузки всегда приводят к заниженным результатам, поэтому их для расчета системы электроснабжения электрифицированных железных дорог не применяют, а сам метод используют лишь при решении отдельных задач, не требующих большой точности. Если заданы график движения поездов и кривые тяговых расчетов, то для любого момента времени по графику движения могут быть установлены места расположения поездов, и для этих мест расположения по кривым тяговых расчетов могут быть также определены токи, потребляемые поездами. Следовательно, графики движения и кривые тяговых расчётов полностью определяют изменения любого показателя работы системы электроснабжения электрифицированных железных дорог [20 - 22]. Выполнив расчеты для ряда моментов времени, легко построить зависимости необходимых величин от времени, располагая которыми можно приступить к определению необходимых показателей, в том числе и уровня технологических потерь в тяговой сети. При этом наиболее точным будет метод, позволяющий получить зависимости изменения расчетных величин во времени, достаточно близкие к тем, которые были бы получены при рассмотрении бесконечно большого количества отдельных мгновенных схем. Задача методов расчета по заданному графику движения поэтому в основном и сводится к выбору отдельных мгновенных схем, на основе которых будут получены данные для построения графиков зависимостей от времени всех интересующих величин. По методу равномерного сечения графика движения мгновенные схемы расположения поездов берутся из графика движения через равные интервалы времени.
При выполнении таких расчетов для выбранного расчетного периода наносят на график движения ряд вертикальных прямых, равноотстоящих друг от друга. Пересечение каждой такой прямой с нитками графика позволяет определить положение поездов в данный момент времени, и, следовательно, каждое сечение графика движения соответствует определенному моменту времени. По графику движения определяют положение поездов для рассматриваемого момента времени, а по кривым потребляемого тока - нагрузки, соответствующие этому моменту. Рассчитав все мгновенные схемы, получают значения нагрузок фидеров тяговых подстанций, потерь напряже ния в сети для различных поездов и потерь мощности: в тяговой сети фидер ной зоны. Таким образом, при использовании метода равномерного сечения графика движения поездов, для каждой из мгновенных схем определяются местонахождение поездов и потребляемые ими токи, рассчитываются: мгновенные токи фидеров, плеч питания и тяговых подстанций; мгновенные потери напряжениядо поездов и мгновенные потери мощности, а после расчета мгновенных схем определяются.искомые электрические величины. В: данном методе расчета точность результатов находится в зависимо сти от интервала At,.то есть от количества взятых сечений на отрезке времени Т. Так как невозможно взять бесконечно малый; интервал и, следовательно, бесконечно большое число сечений, то ряд моментов времени, характеризує-. мых резкими .изменениями нагрузок, может выпасть из расчета или получить преувеличенную длительность , что приводит к значительным ошибкам. Кро ме того, неучет таких характерных моментов может исказить получаемые ре зультаты, особенно при больших интервалах между смежными сечениями графика даже, при определении некоторых средних по времени показателей работы системы электроснабжения; Недостатки метода равномерного сечения в некоторой мере устраняются при применении метода характерных сечений графика движения, предложенного в 1939 г. К.Г.Марквардтом [20]. По этому методу расчетные моменты времени на графике движения выбираются: не произвольно, а так, чтобы в рассмотрение попали все значительные измененияшоездных токов; Для этого на графике тока поездов намечают так называемые «характерные точки», отмечающие основные места изменения тока, и действительная кривая тока как бы заменяется спрямлённой.
Результаты апробации метода на сети -железных дорог
Главной целью разрабатываемого - метода являлось достижение возможности его практического применения В условиях любых форм взаимозаездов локомотивных бригад на всей сети железных дорог в качестве едино-го метода. Таким образом, была поставлена задача проведения его апробации на всей сети железных дорог, которая заключалась в сборе данных и произведении расчета расхода и небаланса в границах участков работы каждой электрифицированной железной дороги за шесть месяцев. В ходе выполнения работ были составлены расчетные модели и разработаны алгоритмы расчета для каждой из железных дорог, учитывающие их индивидуальные особенности. Расчетная модель для железной дороги представляет собой схематичное изображение всех граничных межподстан-ционных зон с указанием расстояний от границы между дорогами до граничных тяговых подстанций, а также изображение всех участков взаимозаездов локомотивных бригад с указанием вида движения (грузовое пассажирское, пригородное) и принадлежности бригады к локомотивному депо. Алгоритм расчета содержит подробное описание порядка расчета расхода и небаланса электрической энергии как в границах каждой конкретной железной дороги, так и в границах участков работы ее локомотивных бригад. В соответствии с разработанными моделями и алгоритмами был выполнен расчет расхода и небаланса в границах участков работы локомотивных бригад каждой из железных дорог. Расчет был впервые произведен отдельно для полигонов постоянного и переменного тока, что позволило получить более объективную оценку состояния небаланса электрической энергии на тягу поездов на каждой из железных дорог и по сети дорог в целом. Проведенные исследования показали, что электропотребление при взаимозаездах локомотивных бригад составляет весомые доли от общего потребления электроэнергии на тягу по железным дорогам, что Указывает существенное влияние на значения небаланса на железных дорогах [79].
На рис. 2.3 приведена диаграмма соотношения общего потребления электроэнергии на тягу на полигонах постоянного и переменного тока железных дорог и потребления при взаимозаездах локомотивных бригад. Так потребление электрической энергии по счетчикам ЭПС локомо тивными бригадами соседних железных дорог на полигоне переменного тока железной дороги №9 составило 7,1 % от общего потребления на тягу, на по лигоне переменного тока железной дороги №8 — 6,3 %, на полигоне перемен ного тока железной дороги №7 — 4,8 %, на полигоне постоянного тока желез ной дороги №6 — 6,9 %, на полигоне постоянного тока железной дороги №2 — В то же время объемы потребления электрической энергии самих железных дорог на территориях соседних также составляют весомые значения: железная дорога №5 потребляет на соседних железных дорогах около 12 % от общего расхода на тягу, железная дорога №8 - 7,3 %, железная дорога №6 -7,1%. Стоит также заметить, что- на некоторых полигонах железных дорог, характеризующихся относительно небольшим потреблением электрической энергии на тягу поездов, влияние взаимозаездов локомотивных бригад на общее потребление является еще более значительным. Потребление электрической энергии локомотивными бригадами полигона переменного тока железной дороги №2 на соседних составляет 12,5 %, локомотивными бригадами полигона постоянного тока железной дороги №5 — 15 %,. локомотивными бригадами полигона постоянного тока железной дороги №3 — 15,4 %. В свою очередь потребление электроэнергии- локомотивными бригадами соседних железных дорог на полигоне переменного тока железной дороги №3 составило 8,6 %, на полигоне постоянного тока этой же дороги — 10 %, на полигоне постоянного тока железной дороги №5 - 26 %, а на полигоне переменного тока железной дороги №2 — 54,6 %. Кроме того, на сети- железных4-дорог имеются случаи, когда железная дорога, имея в своем составе тяговые подстанции переменного тока, не имеет собственного электроподвижного состава соответствующего рода тока и локомотивных бригад, обращающихся на данном участке. Следовательно, работу на данном участке полностью выполняют локомотивы и локомотивные бригады соседних железных дорог, и такие случаи соответствующим образом были учтены при разработке алгоритмов и при выполнении расчета. В первую очередь для каждой из железных дорог отдельно для полигонов постоянного и переменного тока были определены расходы и небалансы электрической энергии на тягу поездов в границах железных дорог (полигонов) помесячно и за полугодие в целом. Результаты расчета за полугодие приведены в табл. 2.1. Далее с учетом полученных: небалансов в границах железных дорог согласно выражениям п.,2.1.2" выполняется корректировка расчетных значений расхода электроэнергии на тягу поездов в границах железных дорог WTna с целью получения расчетных значения расхода электроэнергии на тягу поездов в! границах участков работы локомотивных бригад железных дорог по счетчикам тяговых подстанций. Затем по выражениям 2. Г8 и 2.19 определя-. ются искомые значения; небалансов-расхода электрической энергии на тягу поездов в границах участков работы локомотивных бригад.;Результаты расчета за полугодие приведены, в.табл. 2.2. Втабл. 2.2 расчетное значение.расхода электроэнергии на тягу поездов по счетчикам ТП в границах железной,дороги (WJnVp) соответствует форме СП «Трансэнерго» ЭО118, расчетное же: значение; расхода электроэнергии на тягу поездов; по счетчикам ТИ в границах участков; работы локомотивных бригад ( w[пл,с.р) соответствует, форме-Дорожного топливно-энергетического центра.ТХОт9. Нарис 2.4 и,2.5 приведены сравнительные диаграммы расходов электрической энергии в границах железных дорог и в границах участков работьъ локомотивных бригад железных дорог согласно существующему порядку и:определенных согласно предложенному.методу.
На.первый взгляд небольшие отличия результатов расчета, согласно предложенному методу и существующему порядку в, условиях больших объемов потребления электроэнергии на тягу поездов по сети железных дорог составляет существенные значения Так если по сети железных дорог разница расходов в; границах железных дорог согласно существующему порядку и согласно предлагаемому методу за полгода составила лишь 4,4 млн кВт-ч, то разница расчетов; в границах участков работы локомотивных бригад составила уже 223 млн кВт-ч. При этом разница между, итоговыми отчетными формами железных дорог ЭО-18 и.ТХО-9, отражающими по- сути одно и то же электропотребление, определенное различными способами, составила за полугодие 247 млн кВт-ч, т.е. около 1 % всего электропотребления наг тягу поездов просто не контролируется. В то же время разница между теми же значениями, но определенными по новому методу, составила лишь 24,2 млнкВт-ч. Данная разница объясняется влиянием на электропотребление по сети железных дорог взаимозаездов локомотивных бригад железных дорог России и стран ближнего зарубежья. Российские железные дороги-, граничат с железными дорогами Казах- , стана, Азербайджана, Украины, Белоруссии и Финляндии.. Со всеми сопре дельными государствами имеется электрическое; разделение по- контактной сети, таким образом,, корректировка расхода электроэнергии в; граничных межподстанционных зонах не требуется. Что касается взаимозаездов локомо тивных бригад, то таковые;имеютвместо с железными;дорогами1 Азербайджа на, Украины, и Белоруссии. Віходе: апробации; метода влияние данных взаи мозаездов также; было учтено. В итоге выявлено; что;локомотивные бригады железных дорог стран ближнего зарубежьяіза-,полугодие потребили на терри- ториях Российских железных дорог на 24;2млн«кВт-ч больше; электрической энергии, чем локомотивные1 бригады .железньгх дорог России при; заездах на территории железных: дорог сопредельных государств [80]Ї Є учетом данного значения; баланс между; расчетнымтзначениямтрасхода электрическойгэнергии на;тягу поездов в; границах железных; дороги в границажучастковфаботы. локомотивных бригад железньїх;дорог,;определенных-согласно новому мето- : ду, полностьюгсошелся.Пршэтбм выявлено что реальнытуровень; небаланса, электрической энергии; по-сети железных, дорог,определенный-на основании данного метода,„ оказался на;. 1:%; выше; чем .определенный1существующим; порядком,, и составил. 15;7- %.
Апробация метода распределения электрической энергии на тягу поездов по контролируемым участкам на обследуемой железной дороге
По разработанным моделям и алгоритмам был произведен расчет расхода и небаланса электрической энергии на тягу поездов в границах участков работы локомотивных бригад контролируемых участков исследуемой железной дороги за 12 месяцев. Результаты расчета небаланса электрической энергии на тягу поездов приведены на рис. 3.9 - 3.11. Анализ рис. 3.9 — 3.11 показывает существенную неравномерность рас-пределения уровней небаланса в границах участков работы локомотивных бригад контролируемых участков как на полигоне постоянного тока, так и на полигоне переменного тока. Так средние за год значения небаланса на 01 и 02 участках полигона постоянного тока составляют соответственно 34,3 и 33,1 %, в то время как небаланс на двух других участках этого же полигона составил лишь 17,4 и 18,2 % соответственно для 03 и 04. На полигоне переменного тока среднее значение небаланса на участке 06 составило, 20,8 %, тогда как на участке 05 — лишь 15,2 % (рис. 3.12). Результаты расчета позволили выявить наиболее проблемные участки железной дороги в плане эффективности расходования электроэнергии на тягу поездов [91]. В границах этих участков был выполнен комплекс мероприятий по исследованию причин роста коммерческой и технологической составляющих небаланса [4, 83 -90]. В частности для оценки состояния учета электроэнергии на тяговых подстанциях постоянного тока проведен анализ уровня небаланса приема и распределения электроэнергии по шинам, от которых получают питание кремниевые выпрямители. По результатам анализа составлен перечень тяго вых подстанций, на которых необходимо провести ревизию систем учета электроэнергии (всего 17 тяговых подстанций). Ревизия состояния учета электроэнергии на ряде ТГТ постоянного тока привела к снижению небаланса приема и распределения электрической энергии и к снижению потерь на 3320 тыс. кВт-ч в год. На полигоне переменного тока для выявления причин повышенного уровня небаланса проведен анализ возврата электроэнергии из тяговой сети [89]. В ходе анализа выявлено, что ввиду существенного отличия уровней напряжения на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций одной из межподстанци-онных зон возврат электрической энергии на одной из тяговых подстанций участка 06 составил за полгода 2614 тыс. кВт-ч. После изменения уровней напряжения на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций неучитываемый возврат электроэнергии прекращен. В результате небаланс в границах участков работы контролируемого участка 06 снижен на 5,1 %.
Проведенный анализ норм расхода электрической энергии на тягуі по ездов в соседних локомотивных депо ТЧ-2" и ТЧ-3, принадлежащих к разным контролируемым участкам (02 и 03 соответственно), на общем участке рабо ты локомотивных бригад показал, что нормы для двух депо значительно от личаются (на 40 - 70 %), однако в обоих локомотивных депо нормы выпол няются. При этом небалансы на контролируемых участках, к которым при надлежат данные локомотивные депо также существенно отличаются. Так на участке 02 с более низкими нормами расхода на тягу поездов значение неба ланса значительно выше (33,1 %), чем на участке 03 с более высокими нор мами (17,4 %). После коррекции удельных норм.расхода электрической энер гии на тягу поездов по ТЧ-2 снижение небаланса в границах участков работы локомотивных бригад участка в, следующем месяце составило 3,3 % (153 тыс. кВт-ч) по сравнению с тем же месяцем прошлого года. 3.4. Разработка метода определения расхода электроэнергии в пригородном пассажирском движении с учетом обращения электропоездов, в различных тарифных зонах энергосистем В условиях реформирования системы управления железнодорожным транспортом в сфере пригородных пассажирских перевозок — создания соответствующих дирекций с последующим их выделением из ОАО «РЖД» — для решения вопросов, расчета платы за использование инфраструктуры в части электропотребления, а также с учетом особенностей использования контактной сети и технических средств электроснабжения электровозами и мотор-вагонным подвижным составом (МВПС) на путях общего пользования появилась необходимость в разработке легитимного механизма отнесения расхода электроэнергии на пригородное движение с учетом технологических и коммерческих потерь электроэнергии на тягу поездов, -в том числе по тарифным зонам. При определении расхода электроэнергии в пригородном пассажирском движении с учетом обращения электропоездов в различных тарифных зонах энергосистем необходимо решение двух задач: -разделение электропотребления между, соседними; железными доро гами на плечах обращения; моторгвагонного- подвижного? состава, пересе кающих границы дорог, с целью :приведения/ расхода электрической энергии; от счетчиков. МВИЄ к счетчикам тяговых подстанций с; учетом;- небаланса электррэнергиищатягу.. -, . . " - разделение; злектропотребленияї на; плече,;обращения МВПС между различными тарифными-зонами энергосистем при пересечении граница тако вых с целью.: определения размерауплатьк за; потребленную МВИС электро Существует четыре варианта расположения? плеч обращения мотор- вагонного подвижного состава:(МВИС) по отношению, к границам; железных. дорогитариф.ньгхізон рисЗ ЛЗ): ........ . . ; - - плечо обращения;находится в пределах одной железной! дороги?и одной тарифной:зоны?(нарис: ЗЛЗ — плечо: 1). - плечо обращенияшаходитсяів пределах одной тарифнойзоны ноше-ресекает границу соседних железных дорог (на.рис. 3:13 — плечо,2). - плечо І обращения находится, в пределах- одной?-железной дороге, но пересекает границу1 тарифных зон (нарис. Зі 13 — плечо 3):: . - плечо обслуживания пересекает границу соседних железных дорог и границу тарифных 30Н:(на,рис:ЗП-3;-плечо:4).. v На различных стадиях оснащения мотор-вагонного подвижного состава современными автоматизированными комплексами учета,- позволяющими осуществлять привязку расхода электрической энергии к координатам пути, существуют различные способы распределения: электроэнергии между граничными железными дорогами и тарифными зонами энергосистем: При полном отсутствии на плече.МВПС, оснащённого современны ми автоматизированными комплексами, учета. Очевидно, в- этом случае рас пределение электроэнергии между граничными, железными дорогами и та рифными зонами энергосистем должно определяться с помощью неких ус редненных коэффициентов.
Известны четыре варианта определения данных коэффициентов: -пропорционально выполняемой; тонно-километровой работе, (пропорционально расстоянию);, - пропорционально нормам расхода электрической энергии по «нормо-участкам» для данного плеча обращения; , - на основании статистической обработки ряда контрольных поездок по данному плечу обращениях фиксацией показаний счетчиков на границах железных дорог или тарифных зон энергосистем; - с помощью имитационного моделирования элёктропотребления на данном плече обращения. При частичном оснащении МВПС на. исследуемом; плече; современ ными автоматизированными комплексами учета. На данном этапе распреде- ление:электроэнергии между граничными: железными дорогами и тарифны ми зонами энергосистем для МВПС, не оснащенного современными автома-, газированными комплексами учета, будет определяться аналогично первому случаю, а для МВПС, оборудованного комплексами учета, позволяющими осуществлять привязку расхода к координатам пути, распределение электро энергии : будет определяться в соответствии с фактическими показаниями счетчиков электрической, энергии. Объемы: электропотребления на соответ ствующих дорогах и в соответствующих тарифных зонах для обоих методов будут суммироваться. При полном оснащении МВПС на исследуемом плече современными автоматизированными комплексами учета распределение электроэнергии будет определяться1 в соответствии с фактическими показаниями счетчиков электрической энергии. Рассмотрим плечо 2 на рис. 3.13. Данное плечоf пересекает границу между соседними железными дорогами, значения небалансов-электроэнергии на тягу на которых отличаются.
Расчет потерь электрической энергии в тяговой; сети межподстанцион ной с применением методов имитационного моделирования на примере программного комплекса КОРТЭС
Термин «имитационное моделирование» предполагает исследование процесса функционирования системы во времени, причем имитируются-элементарные события с сохранением логики их взаимодействия и взаимовлияния [71, 73]. Процесс имитационного моделирования СТЭ включает следующие этапы: обработка графика движения поездов; формирование мгновенных схем- и определение- потокораспределе-ния для.каждой схемы; формирование интегральных показателей электропотребления. Для примера, в качестве метода имитационного моделирования, достоверность которого необходимо оценить, выбран метод, реализованный в широко применяемом на железных дорогах для: расчета потерь электрической энергии в тяговой сети программном комплексе КОРТЭС, разработки ВНИИЖТ[112]. Данный программный комплекс содержит отдельные программные модули, позволяющие: - задавать параметры исследуемого участка; На следующем этапе формируется график тяговой нагрузки [113]. КОРТЭС предполагает получение графика нагрузки либо путем выполнения тягового расчета, либо с заданием нагрузки на основании экспериментально полученных данных. В данной работе преследуется цель получения наиболее точной модели экспериментов, поэтому был использован второй способ задания графика тяговой нагрузки. Задание графика нагрузки осуществлялось в системе координат V,I(S), т.е. мгновенными значениями полного тока и Скорости электровоза в соответствии с координатами его местоположения. Мгновенные значения полного тока электровоза в одноминутные интервалы были получены с помощью измерительного комплекса ИВК «Омск-М», установленного на электровозе. Мгновенные значения скорости получены по скоростемерным лентам локомотива (использовался механический скоростемер ЗСЛ-2М). Исходные данные для моделирования нагрузки также приведены в прил. 6. Пример редактирования тяговой нагрузки с помощью программного модуля EdTrel приведен нарис. 4.10. Следующим этапом является моделирование схемы электроснабжения тяговой сети.
Для этого используется программный модуль KAUbas. Исходными данными являются: схема расположения объектов электроснабжения на участке (тяговые подстанции, посты секционирования (ПС), пункты параллельного соединения (1111С)), точки присоединения к контактной сети фидерных линий, параметры контактной сети и рельсовой цепи (типы и марки проводов и рельсов), параметры тяговых подстанций (мощность короткого замыкания, фазы плеч питания контактной сети, типы трансформаторов и их количество, наличие устройств продольной и поперечной компенсации). Исходные данные для моделирования приведены в прил. 6. Схема тяговой сети участка, смоделированная в КОРТЭС приведена на рис. 4.13. Как видно из рис. 4.15 расчетные значения потерь электрической энергии в тяговой сети для узловой схемы питания довольно значительно отличаются от экспериментальных, что является следствием неучета программным комплексом КОРТЭС составляющей технических потерь, вызываемой протеканием уравнительного тока, наличие которого было зафиксировано в исследуемой межподстанционной зоне с помощью измерительно-вычислительного комплекса ИВК «Омск» [109]. Это указывает на то, что при моделировании участков с потенциально возможным протеканием в меж-подстанционных зонах уравнительных токов с помощью программного комплекса КОРТЭС требуется проведение дополнительных экспериментальных или теоретических исследований, позволяющих определить потери электроэнергии, вызываемые данной составляющей. Дляівсех остальных случаев отличие расчетных значений от экспериментальных не превышает 7 %. Оценка адекватности расчетной модели; реализованной в программном комплексе КОРТЭС, была выполнена с использованием F-критерия Фиіпера [114,115]. где сть (J2 - дисперсии двух независимых выборок. Критерий Фишера показывает, значимо ли отличаются друг от друга эти дисперсии. При расчете F-критерия в числитель ставят большую из двух эмпирических дисперсий, поэтому F 1. Для проверки адекватности моделей F-критерий формируют следующим образом: Для получения достаточной выборки экспериментальных и расчетных значений каждый из шести экспериментов был разбит на более короткие отрезки, но не менее 20 минут. При этом соблюдалось условие, что на выбранном отрезке экспериментальный электровоз должен двигаться в режиме тяги более половины времени. На рис. 4.16 приведен пример разделения эксперимента для встречно-консольной схемы питания контактной сети при движении поезда в четном направлении на расчетные участки. Как уже было сказано ранее, небаланс электрической энергии на тягу поездов включает в себя технологическую и коммерческую составляющие, при этом значения небаланса по сети железных дорог существенно превосходят допустимые технологические потери.
Соответственно большая доля потерь приходится на коммерческую составляющую, обусловленную, прежде всего, недостатками системы учета электрической энергии на тягу поездов [116-118]. Таким образом, актуальной является задача оценки погрешностей определения расхода и небаланса электрической энергии на тягу поездов при реализации автоматизированной системы комплексного учета электрической энергии на тягу поездов на фидерах контактной сети и электроподвижном составе на базе современных высокоточных измерительных средств [120,121]. 5.1. Оценка точности определения расхода и небаланса электроэнергии в границах участка работы локомотивных бригад 5.1.1. Оценка точности учета расхода электроэнергии на тяговых подстанциях и электроподвижном составе переменного тока Участок работы локомотивных бригад, как правило, ограничивается двумя локомотивными депо (основными или оборотными) и двумя тяговыми подстанциями, совпадающими с граничными депо (на рис. 5.1 участок работы L1 ограничен локомотивными депо ТЧ-1 и ТЧ-2, и тяговыми подстанциями ТП-1 иТП-т). При существующей системе учета электрической энергии на тягу; поездов натяговых подстанциях переменного тока; когда учет на фидерах контактной сети практически; отсутствует,.расход электроэнергии на тягу определяется косвенным способом, то есть по разнице: показаний счетчиков на вводах 27,5 кВ и счетчиков на ДПР и трансформаторах собственных нужд (ТЄН) :тяговых подстанций: Тогда расход электрической-энергиинатягу, для" v-й тяговой подстанции-безїучета погрешностей определитсяшо формуле: где Wg W np.jWjcjj . .— расходы, электроэнергии-.учтенной измерительными комплексами соответственно на і-м вводе 27,5icBvjrM вводе ДПР, к-м вводе трансформатора собственных нужд (ТЄН) у-тойтяговойподстанции; пі,, п2,.пЗг — соответственно количество вводов 27,5; кВ ДПР т ТСН v-тоштяговойшодстанции. Погрешность каждогокомплексаучета наданных;присоединениях;будет включать в: себя погрешности,средств -измерения (трансформатора тока» (5 ); трансформаторанапряжения (8ТН); счетчика электроэнергии ,,,,)); Результирующая погрешность неисключенных остатков і-го: измерительного комплекса.(на вводе 27,5екВ; ДПР или ТЄН) при доверительной вероятности, 0,95 определится выражением Таким. образом; абсолютная=погрешность и результат измерения расхода-электроэнергии і-м- измерительным комплексом при доверительной вероятности 0;95.определятся по выражениям: Учитывая погрешности измерительных комплексов, расход электроэнергии на тягу Hav-й тяговой подстанции; для. косвенного, метода учета на где WgBOfl ,W np.,WTCH — расходы электроэнергии, учтенной измерительными комплексами соответственно на і-м вводе 27,5 кВ, j-м вводе ДПР, к-м вводе трансформатора собственных нужд (ТСН)у-той тяговой подстанции; ввод 5 дПР.,5тсн - относительные погрешности учета электрической энергии соответственно на і-м вводе 27,5 кВ, j-м вводе ДПР, k-м вводе трансформатора собственных нужд (ТСН) v-й тяговой подстанции, определяемые выражением (5.2).
