Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние научно-технической проблемы оценки энергообеспеченности тяги поездов и расчетных методов усиления системы тягового электроснабжения 11
1.1 Анализ взаимосвязи пропускной способности электрифицированных железных дорог с уровнем их технической оснащенности 11
1.2 Анализ существующих методов оценки пропускной способности железных дорог постоянного тока 15
1.3 Анализ качества моделей по оценке нагрузочной способности системы тягового электроснабжения и энергообеспеченности тяги поездов 17
1.3.1 Расчет системы тягового электроснабжения по мощностной характеристике электропотребления подвижного состава 17
1.3.2 Сопоставительный анализ тестового моделирования работы системы тягового электроснабжения 19
1.4 Обоснование использования для расчетов усиления системы тягового электроснабжения экстремальных режимов электропотребления 22
1.5 Выводы 26
2 Исследование факторов и разработка теоретических критериев по оценке энергообеспечнности тяги поездов 27
2.1 Методика оценки запаса пропускной способности электрифицированных железных дорог на базе факторного и кластерного анализа 27
2.2 Оценка точности расчета нагрузочной способности СТЭ по условиям электроснабжения при вариации условий моделирования 32
2.2.1 Оценка влияния токовой нагрузки ЭПС на точность моделирования режимов СТЭ 32
2.2.2 Оценка влияния на энергообеспеченность участка дислокации поездов смежных направлений 38
2.2.3 Влияние режимов «окон» на энергообеспеченность тяги поездов 44
2.3 Модель ресурсо-финансовой эффективности при модернизации системы тягового электроснабжения 46
2.4 Аналитические зависимости для определения необходимых при усилении параметров системы тягового электроснабжения 50
2.5 Выводы 53
3 Методика и графо-аналитический метод выбора оптимального способа усиления системы тягового электроснабжения 55
3.1 Разработка методики выбора оптимального способа
усиления системы тягового электроснабжения постоянного тока 55
3.2 Графо-аналитический метод выбора параметров оптимального способа усиления системы тягового электроснабжения 58
3.3 Выводы 64
4 Разработка модели и результаты исследований ресурсо - финансовой эффективности по усилению системы тягового электроснабжения 65
4.1 Назначение и структурная схема модели 65
4.2 Принципы функционирования МОУ-СТЭ 70
4.3 Результаты исследований ресурсо-финансовой эффективности мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения 74
4.3.1 Способы усиления системы тягового электроснабжения постоянного тока для пропуска поездов повышенной массы 74
4.3.2 Принцип работы преобразователей повышения напряжения типа ППН - 6 для усиления тяговой сети постоянного тока 75
4.3.3 Моделирование работы преобразователей повышения напряжения ППН-6 на участках железной дороги 79
4.3.4 Оценка максимальной мощности участка при применении преобразователей ППН-6 83
4.4 Расчет оптимального варианта по усилению системы тягового электроснабжения по критерию ресурсо-финансовой эффективности 85
4.5 Сравнение ресурсо-финансовой эффективности мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения по сроку окупаемости 100
4.5.1 Оценка ресурсо-финансовой эффективности вариантов усиления системы тягового электроснабжения 100
4.5.2 Оценка ресурсо-финансовой эффективности при вариации стоимости активного оборудования (передвижные ТП и ППН-6)... 101
4.6 Выводы ПО
5 Реализация результатов работы по совершенствованию методов по усилению системы тягового электроснабжения 112
5.1 Описание работы программного модуля модели
по оптимальному усилению системы тягового электроснабжения 112
5.2 Формирование и заполнение форм с развернутыми
результатами наличной пропускной способности 118
5.3 Расчет экономической эффективности от разработанных мероприятий 119
5.4 Выводы 129
Основные выводы и предложения 130
Список использованных источников 132
- Анализ существующих методов оценки пропускной способности железных дорог постоянного тока
- Оценка влияния токовой нагрузки ЭПС на точность моделирования режимов СТЭ
- Графо-аналитический метод выбора параметров оптимального способа усиления системы тягового электроснабжения
- Моделирование работы преобразователей повышения напряжения ППН-6 на участках железной дороги
Введение к работе
«Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» определяет основные направления развития энергетической инфраструктуры железных дорог /34, 77/. Одним из приоритетных направлений развития хозяйства электроснабжения железных дорог является гарантированное энергообеспечение перевозочного процесса при снижении рисков и недопущении развития кризисных ситуаций.
Правлением ОАО «РЖД» (протокол №6 заседания правления ОАО «РЖД» от 22.02.2006) были определены полигоны обращения тяжеловесных, соединенных поездов и поездов повышенного веса и длины (далее тяжеловесных поездов) и поставлена задача проведения работ по усилению железнодорожной инфраструктуры для обеспечения к концу 2008 года пропуска грузовых поездов весом 6000-6300 тонн с интервалами не более 10 минут на основных направлениях сети железных дорог /89/. При пропуске тяжеловесных поездов с данными межпоездными интервалами по участкам железных дорог электрифицированных по системе постоянного тока существенно возрастает нагрузка на систему тягового электроснабжения (СТЭ) /14, 16, 60/, что требует проведение мероприятий по модернизации устройств СТЭ. Модернизация устройств СТЭ, направленная на внедрение технологических решений, обеспечивающих улучшение показателей нагрузочной способности СТЭ и доведение их значений до нормативных, определяется как усиление СТЭ /2, 60/.
К настоящему времени в силу сложности адекватного описания режимов работы СТЭ аналитическими зависимостями целесообразность реализации тех или иных мероприятий по усилению СТЭ основывается на использовании имитационных методов моделирования режимов электроснабжения /9, 15, 25, 45,46,47,48,49,52/.
При этом технология выбора того или иного мероприятия, как правило, заключалась: в эмпирическом подборе определенного вида усиливающего
7 элемента (из перечня возможных элементов для усиления СТЭ); в обновлении схемы расчетного участка СТЭ; в расчете показателей нагрузочной способности и в сопоставлении их с нормативными; в расчете допустимых межпоездных интервалов по показателям нагрузочной способности при использовании конкретного варианта усиления СТЭ; в принятии решения о достаточности используемого мероприятия по усилению либо о необходимости повторения всей вышеописанной процедуры усиления с новым вариантом мероприятия. Таким образом, до настоящего времени методы и программно-технологические средства расчетов, предназначенные для внедрения мероприятий по усилению СТЭ с целью гарантированного энергообеспечения тяги тяжеловесных поездов, не предусматривали решение задач по автоматизированному поиску оптимальных мероприятий. Кроме того, в известных методах не предусматривалось использование оценки эффективности мероприятий по усилению СТЭ в условиях ограничений по финансовым затратам при их внедрение и эксплуатации.
В качестве полигона для расчетов и испытаний были выбраны участки главного хода Куйбышевской и Южно-Уральской магистралей, электрифицированных по системе постоянного тока. Проектирование данных участков велось из расчета весовых норм 3800 - 4500 тонн. При этом в настоящее время до 80 % грузовой работы осуществляется поездами массой 5500 - 7000 тонн. Эти участки были выбраны в качестве базовых для апробирования разработанной модели.
Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании методов расчета по усилению системы тягового электроснабжения постоянного тока в условиях обращения тяжеловесных поездов и в условиях финансовых ограничений при их внедрении и эксплуатации.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Проведен анализ современного состояния научно-технической проблемы
оценки степени энергообеспеченности тяги поездов и расчетных методов по
усилению системы тягового электроснабжения;
Проведен факторный анализ характеристик и элементов системы тягового электроснабжения, накладывающих ограничения на точность оценки энергообеспеченности тяги поездов.
Разработаны критерии и аналитические зависимости для расчета параметров по усилению системы тягового электроснабжения, обеспечивающей пропуск тяжеловесных поездов.
4. Разработана методика выбора оптимальных мероприятий по усилению
системы тягового электроснабжения, основанная на использовании оценки
ресурсо-финансовой эффективности при их внедрение и эксплуатации.
5. Разработаны: принципы построения, метод функционирования и
программное обеспечение имитационной модели оптимального усиления СТЭ
постоянного тока, основанное на расчете показателей нагрузочной способности
СТЭ по мощностным характеристикам.
Объект исследования: система тягового электроснабжения, элементы инфраструктуры и режимы функционирования системы тягового электроснабжения постоянного тока.
Предмет исследования: методика, критерии, модели энергообеспеченности тяги поездов и модели усиления системы тягового электроснабжения.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались: методы математического анализа, методы структурного синтеза моделей, теория вероятностей, математическая статистика и кластерный анализ, методы идентификации и имитационного моделирования.
Научная новизна заключается в разработке усовершенствованных методов расчета по усилению системы тягового электроснабжения постоянного тока, при обращении тяжеловесных поездов и методов выбора оптимальных мероприятий по усилению СТЭ в условиях финансовых ограничений при их внедрение и эксплуатации.
9 Основные положения и научные результаты, выдвигаемые на защиту:
методика анализа энергообеспеченности тяги поездов по условиям электроснабжения, позволяющая априорно классифицировать и выявлять участки, «лимитирующие» пропуск тяжеловесных поездов;
критерии и аналитические выражения для расчета усиления системы тягового электроснабжения, обеспечивающие выполнение допустимых показателей нагрузочной способности;
методика и имитационная модель выбора оптимальных мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения, позволяющая посредством оценки ресурсо-финансовой эффективности, сократить капитальные и эксплуатационные затраты.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждены результатами сопоставительных исследований реальных режимов СТЭ на экспериментальном участке до и после внедрения рекомендуемых в работе мероприятий по модернизации СТЭ.
Практическая ценность работы заключается в разработке программно-технологических средств расчета по усилению системы тягового электроснабжения постоянного тока для обеспечения пропуска тяжеловесных поездов, включающих функцию автоматизированного расчета и выбора наиболее эффективных мероприятий для усиления системы тягового электроснабжения. Практические результаты работы подтверждены четырьмя свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ и одним свидетельством о регистрации базы данных.
Новизна практических результатов подтверждена четырьмя свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ и одним свидетельством о регистрации базы данных.
Внедрение результатов работы. Разработанная методика выбора оптимального способа усиления системы тягового электроснабжения постоянного тока была использована на Южно-Уральской и Куйбышевской железных дорогах при реализации «Плана модернизации хозяйства
10 электроснабжения на 2005г.»: Результаты расчетов по оценке потребности в материальных ресурсах использовались при формировании департаментом ЦЭ - Плана Модернизации хозяйства электроснабжения ОАО «РЖД» на 2006 -2008 гг. Экономический эффект от внедренных разработок составил свыше 4,5 млн. рублей/год. Теоретические положения работы используются в учебном процессе кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Самарской государственной академии путей сообщения по дисциплинам специальности 190401 - «Электроснабжение железных дорог».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на втором и третьем международных симпозиумах «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Санкт - Петербург, Eltrans' 2003, 2005 г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса» (Гомель, 2003 г.); на всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, 2003 г.); на технических совещаниях службы электроснабжения Куйбышевской железной дороги (2002, 2003, 2004 г.г.); на научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта» (ВНИИЖТ, Щербинка, 2004г.); на сетевом совещании начальников служб электроснабжения железных дорог ОАО "РЖД" (Самара, 2004г.); на расширенном заседании кафедры «Электроснабжения железнодорожного транспорта» СамГАПС (2004, 2006гг).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 15 печатных работах, включающих: 8 статей, тезисы докладов 2, 4 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ и одно свидетельство о регистрации базы данных.
Анализ существующих методов оценки пропускной способности железных дорог постоянного тока
Как известно, пропускной способностью железнодорожного участка называется наибольшее число поездов или пар поездов установленной массы, которое может быть пропущено по данному участку в течение суток при определённой её технической оснащенности в принятой системе организации движения /27, 28/.
В последнее время решение проблемы оценки и увеличение уровня пропускной способности становится все более актуальной на различных участках железных дорог России /36, 92/ и всего Мира /24, 31, 35/. На степень обеспеченности требуемым уровнем пропускной способности влияют различные показатели технической оснащенности дорог, в том числе и степень технической оснащенности систем тягового электроснабжения.
Так на железных дорогах Великобритании ситуация нехватки пропускной способности вызвана недостаточным путевым развитием. На участках железных дорогах Франции, электрифицированных по системе постоянного тока, для удовлетворения потребностей в увеличении пропускной способности было построено около 30 новых усилительных тяговых подстанций. На сети Железных Дорог Германии, электрифицированных по системе однофазного переменного тока напряжением 15кВ и частотой 16 2/3 Гц, в настоящее время рассматривается целесообразность перехода на другую систему электроснабжения. На железных дорогах Китая увеличение пропускной способности решается посредством расширения полигона дорог на электрической тяге. В 2005 году возникла проблема нехватки пропускной способности при транспортировке сырой нефти из России в Китай. В результате переговоров обе стороны договорились об увеличении пропускной способности железных дорог. Решение задачи увеличения пропускной способности за счет использования тяжеловесных и длинносоставных поездов в настоящее время нашло распространение на железных дорогах России, Северной Америки, Бразилии, ЮАР, Австралии /35, 84, 119/.
Анализ эксплуатационной работы на сети железных дорог России показал, что наибольший рост объемов перевозок наблюдается в транспортном коридоре Кузбасс - Северо-Запад, на Западно-Сибирской, Свердловской, Горьковской, Северной, Октябрьской железных дорогах. Актуальным становится вопрос увеличения пропускной и провозной способности и на ряде других направлений, в том числе в транспортных коридорах Кузбасс - порты Приморья и Черного моря. При этом, стратегическая задача ОАО «РЖД» по повышению объемов перевозок и эффективности работы во многом решается увеличением средней массы и длины грузовых поездов на основных направлениях сети железных дорог. В настоящее время на сети федеральных железных дорог наблюдается увеличение весовых норм грузовых поездов /115/. На рисунке 1.1 показана тенденция увеличения среднего веса поезда по сети.
На электрифицированных участках России проблема нехватки пропускной способности, как правило, относится к участкам железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока и остро стоит на Куйбышевской, Московской, Красноярской, Южноуральской, Свердловской, Северной, Октябрьской, Северокавказской, Западно-Сибирской /39, 115/.
В 2005 году капитальные вложения по программе электрификации железнодорожных линий ОАО «РЖД» составили более 2,5 млрд. рублей. Переведен на переменный ток участок Минеральные Воды - Кисловодск Северо-Кавказской железной дороги электрифицирован участок Идель - Свирь Октябрьской железной дороги, что позволило повысить пропускную способность направления на Мурманск. В 2004 году были завершены работы на электрифицированных участках Сумский Посад - Маленга Октябрьской дороги, Старый Оскол - Валуйки Юго-Восточной дороги, Саратов -Тихорецкая Приволжской дороги. На участке электрификации Сызрань -Сенная Приволжской и Куйбышевской дорог в настоящее время ведутся работы по электрификации данного направления. По соглашению между ОАО «РЖД» и ООО «РПК Высоцк-Лукойл» электрифицирован участок длиной 23,95 км в районе станции Высоцк Октябрьской дороги. По этому участку будет вестись доставка грузов к строящемуся нефтеперегрузочному комплексу /39, 115/.
Исследованиям режимов пропуска поездов повышенной массы в последнее время уделяется много внимания /33, 59, 80, 91,118,120/.
Решение задачи обеспечения пропуска грузовых поездов весом 6000-6300 тонн с интервалами не более 10 минут на основных направлениях сети железных дорог подразумевает в первую очередь необходимость оценки наличной пропускной способности расчетных участков, определяемой при существующей технической оснащенности системы тягового электроснабжения /28/.
Критериальными показателями наличной пропускной способности по условиям электроснабжения выступают элементы нагрузочной способности СТЭ: мощность силового оборудования тяговых подстанций (ТП), нагрев проводов контактной сети, напряжение на токоприемнике электроподвижного состава (ЭПС), условия работы защиты от токов короткого замыкания, нагрузочная способность элементов обратной тяговой сети /28/.
Исследованием характера данных показателей в условиях вариации эксплуатационных параметров движения поездов занимались отраслевые научные школы страны: ВНИИЖТ, ИрГУПС, МИИТ, ОмГУПС, РГОТУПС, СамГАПС, УрГУПС и др /1, 3, 5, 6, 7, 10, 13, 14, 46, 53, 85, 109, 111, 118, 120, 121, 122, 123/. Большой вклад в исследования в данной области внесли ученые отраслевых институтов и вузов: В.В. Андреев, М.П. Бадер, А.С. Бочев, А.Т. Бурков, А.Л. Быкадоров, В.Л. Григорьев, А.Т. Демченко, В.Т.Доманский, Б.Е. Дынькин, А.В. Котельников, P.P. Мамошин, А.Н. Марикин, Г.Г. Марквардт, К.Г. Марквардт, В.Е. Марский, А.Н. Митрофанов, В.Н. Пупынин, Э.В. Тер-Оганов, Е.П. Фигурнов, В.Т.Черемисин, В.К.Чирков, М.Г.Шалимов и другие.
Существующая на сети железных дорог пропускная способность по условиям электроснабжения обусловлена проектами электрификации участков железных дорог в период 1950-80 гг. с заданным весом поездов до 4 тыс. т /115/.
Оценка влияния токовой нагрузки ЭПС на точность моделирования режимов СТЭ
Наличная пропускная способность участка электрифицированной железной дороги зависит от множества факторов: сопротивления контактной сети, мощности тяговых подстанции по краям участка, среднего веса проходящих поездов, их скорости, времени нахождения на перегоне и других /28/.
Как известно, наличная пропускная способность участка железной дороги по условиям электроснабжения будет определяться по наименьшей наличной пропускной способности межподстанционных зон, входящих в этот участок /28/. Таким образом, задачу определения пропускной способности целого участка можно свести к определению участка с наименьшей наличной пропускной способностью - критического участка.
Для его определения можно применить кластерный анализ /12/. Кластерный анализ позволяет упорядочивать (разбивать на кластеры) огромное количество данных. Методами кластерного анализа можно выделить из общего поля объектов отдельные группы объектов, обладающих максимальным сходством внутри своей группы и максимально различающихся с объектами другой группы. Факторный анализ уже использовался при анализе работы СТЭ /13,16,61,63/.
В работе был проведен анализ наиболее информативных факторов, по которым можно судить о наличной пропускной способности участка железной дороги. В таблице 2.1 приведены факторы и соответствующие им коэффициенты корреляции между значениями данных факторов и наличной пропускной способностью. При этом наличная пропускная способность представлена двумя параметрами: непосредственно количеством поездов и минимально допустимым межпоездным интервалом.
Коэффициент Кі равен отношению суммарной мощности выпрямительных агрегатов соседних тяговых подстанций к расходу электрической энергии на межподстанционной зоне при пропуске одиночного поезда.
Коэффициент К] равен отношению суммарной мощности выпрямительных агрегатов соседних тяговых подстанций к длине межподстанционной зоны.
Как видно из таблицы, наиболее информативным фактором является длина межподстанционной зоны и сопротивление межподстанционной зоны. На рисунке 2.1 представлена поверхность для определения минимально допустимого интервала движения поездов в зависимости от наиболее коррелированных показателей - длины и сопротивления межподстанционной зоны. Эмпирическое уравнение для определения минимально допустимого интервала движения поездов для исследуемого участка Куйбышевской железной дороги будет выглядеть следующим образом: j - -6,3773+1,32 L+2060,068 R, (2.1) где L - длина межподстанционной зоны, км R - сопротивление межподстанционной зоны, Ом. Для дальнейших расчетов возьмем участок главного хода Пенза - Евлашево Куйбышевской железной дороги. В таблице 2.2 приведены параметры, характеризующие пропускную способность данного участка. Как видно из таблицы, лимитирующей зоной для данного участка является зона Чаадаевка Сюзюм (№7). Проведем кластерный анализ факторов, определяющих наличную пропускную способность. На рисунке 2.2 приведена дендрограмма, построенная по результатам кластерного анализа показателей наличной пропускной способности: зо минимального межпоездного интервала и максимального количества поездов. Как видно кластерный анализ участков по данным параметрам выделил 3 класса (кластера): 1 класс (участки № 1, 2, 3,4, 5,10); 2 класс (участки № 6, 8, 9); 3 класс (участок № 7). Таким образом, участок 7, лимитирующий наличную пропускную способность целого участка был выделен в отдельный класс. На рисунке 2.3 приведена дендрограмма, построенная по результатам кластерного анализа наиболее информативных факторов, определяющих наличную пропускную способность: длины межподстанционной зоны и сопротивления межподстанционной зоны. Как видно кластерный анализ участков по данным параметрам выделил 2 класса (кластера), в один из которых входит лимитирующая зона № 7, в другой - все остальные участки. Рис.2.3 Дендрограмма, информативных факторов, определяющих наличную пропускную способность: длины межподстанционной зоны и сопротивления межподстанционной зоны На рисунке 2.4 приведена дендрограмма, построенная по результатам кластерного факторов, определяющих наличную пропускную способность: длины межподстанционной зоны, сопротивления межподстанционной зоны, расхода электрической энергии на межподстанционной зоне при проходе одиночного поезда и суммарной мощности преобразовательных агрегатов соседних тяговых подстанций. агрегатов соседних тяговых подстанций Как видно кластерный анализ участков по данным параметрам подтвердил деление участком на 2 класса (кластера), однако лимитирующая межподстанционная зона как класс выделена менее отчетливо. Таким образом, для дальнейших расчетов на базе кластерного анализа с целью выявления участков, лимитирующих наличную пропускную способность, достаточно использовать два наиболее информативных фактора: длину межподстанционной зоны и сопротивление межподстанционной зоны.
Графо-аналитический метод выбора параметров оптимального способа усиления системы тягового электроснабжения
Анализ существующих способов определения наличной пропускной способности железных дорог по условиям электроснабжения, проведенный в п. 1.2, показал, что во всех рассмотренных способах не предусмотрена прямая функциональная возможность расчета мероприятий по усилению СТЭ (ликвидации «узких» мест). При этом расчет мероприятий возможно осуществить способом априорного усиления СТЭ и последующим расчетом пропускной способности участка, этому способу присущи следующие существенные недостатки. 1) Большое количество расчетов с априорным усилением СТЭ и связанное с этим значительное увеличение времени расчета. Так существует несколько видов мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения: усиление сечения к.с, установка дополнительных поперечных соединений ПС и ППС, усиление оборудования т.п. (замена агрегата тяговой подстанции), установка дополнительной передвижной т.п., установка дополнительной стационарной т.п. И задача расчетчика в данном случае сводится к проверке эффекта от каждого усиления. 2) Сложность выбора оптимального варианта по усилению системы тягового электроснабжения (минимизация капитальных затрат при максимальной ликвидации «узких» мест) для каждого участка (межподстанционная зона, дистанция электроснабжения и т.д.). Таким образом, при расчете мероприятий расчетчику обязательно придется столкнуться с данными задачами и степень корректности расчета будет определяться «человеческим» фактором. В рамках диссертационной работы были разработаны структура и принцип функционирования модели оптимального усиления СТЭ (МОУ-СТЭ) /68, 101, 102,103,105/. С целью повышения адекватности расчета комплекса была использована адаптивная модель, разработанная в СамГАПС /16, 18, 55, 56, 61, 63, 64, 65, 82, 95, 96, 97, 98,99, 100/, схема которой приведена на рисунке 4.1. Вход модели X(t) = [xi(t), x2(t), ... xn(t)] представляет собой многопараметрический процесс, отражающий поездную работу на участке и содержащий информацию о характеристиках поездов: их весовой норме, скорости следования, длине состава и характере вагонного состава поезда. Выход Y(t) = [yi(t), угО), ... ym(t)] представляет собой многопараметрический информационный процесс, содержащий данные об уровне напряжения в контактной сети, токах в элементах системы, температуре нагрева проводов контактной сети и данные о наблюдаемом электропотреблении на участке в разрезе ТП. Выход Y (t) - многопараметрический информационный процесс модели СТЭ, содержащий данные расчетных режимов выхода Y(t); n, m - число параметров. Объект СТЭ в данном представлении является информационным преобразователем показателей поездной работы в показатели параметров электроснабжения. Модель СТЭ реализована на базе модели физических параметров СТЭ участка, включающей в себя характеристики токораспределения ТП. Стратегический идентификатор предназначен для предварительного расчета минимально-допустимых интервалов движения поездов. Оперативный идентификатор предназначен для вычисления уточненных межпоездных интервалов на базе коррекции токовой нагрузки ЭПС. Коррекция токовой нагрузки в виде параметра модели а вносится в модель СТЭ, в результате чего осуществляется уточнение режимов работы модели СТЭ - выхода модели Y (t). Критерием адекватности модели является параметр е рассогласование "невязка" расчетного W (t) и реального W(t) электропотребления на участке в разрезе ТП, определяемого по данным АСКУЭ. Выходом оперативного идентификатора является уточненная оценка межпоездного интервала j , предварительная оценка которого вычисляется в стратегическом идентификаторе jc . Процесс функционирования МОУ-СТЭ состоит из двух этапов: этапа идентификации и этапа расчета и оптимизации ресурса по усилению СТЭ. Этап идентификации МОУ-СТЭ основан на сопоставлении расчетных W (t) и фактических, наблюдаемых по данным АСКУЭ, значений электропотребления W(t), и включает в себя адаптивную настройку параметров модели по потребляемой мощности и параметрам СТЭ. Критерий качества функционирования МОУ-СТЭ на данном этапе сформулированы в описании второй главы. Структурная схема МОУ-СТЭ представлена на рис. 4.2. Процесс функционирования МОУ-СТЭ состоит из двух этапов: этапа идентификации и этапа расчета и оптимизации ресурса по усилению СТЭ. Этап идентификации МОУ-СТЭ основан на сопоставлении расчетных W (t) и фактических, наблюдаемых по данным АСКУЭ, значений электропотребления W(t), и включает в себя адаптивную настройку параметров модели по потребляемой мощности и параметрам СТЭ. Критерий качества функционирования МОУ-СТЭ на данном этапе сформулированы в описании второй главы и соответствуют выражениям (2.2 - 2.4). С учетом этого схема функционирования МОУ-СТЭ при расчете оптимального варианта усиления Ян.опт и минимизации затрат на модернизацию Сн.опт будет выглядеть следующим образом (рис. 4.2,4.3). Критерий качества достигается при выполнении ограничений, накладываемых на систему условием (2.3) - условие мажорируемости мощности СТЭ по отношению к мощности ЭПС и условием (2.4) - условием соответствия расчетных и допустимых показателей нагрузочной способности СТЭ. На данном этапе на входе МОУ-СТЭ формируется вектор заданного характера и размеров движения: X=F(A,V,J,To).
Моделирование работы преобразователей повышения напряжения ППН-6 на участках железной дороги
В качестве экспериментального полигона для оценки эффективности разработанной методики и модели МОУ-СТЭ были выбраны участки главного хода Куйбышевской железной дороги, на которых до 80 % грузовой работы осуществляется поездами массой 5000 - 7000 тонн. При этом сама система тягового электроснабжения спроектирована на вес поезда, не превышающий 4700 тонн. В подобной ситуации становится очевидным необходимость расчетов по усилению системы тягового электроснабжения и выбор наиболее оптимальных вариантов по усилению.
К мероприятиям по усилению системы тягового электроснабжения постоянного тока можно отнести следующие: Мероприятия по усилению технической оснащенности посредством «пассивных» элементов СТЭ. 1. Усиление сечения контактной сети посредством раскатки дополнительных усиливающих проводов. Данное мероприятие уменьшает удельное сопротивление тяговой сети и приводит к снижению потерь напряжения. Стоимость одного километра усиливающего провода марки А185 составляет 372,4 тыс. рублей. 2. Установка дополнительных поперечных соединений на контактной сети (посты секционирования и пункты параллельного соединения). Данное мероприятие приводит к распределению токов в контактных подвесках смежных путей. Стоимость одного поста секционирования составляет 10,62 млн. рублей, одного пункта параллельного соединения составляет 8,2 млн. рублей. 3. Повышение напряжения холостого хода тяговых подстанций. Данное мероприятие приводит к увеличению уровня напряжения в контактной сети. Мероприятия по усилению технической оснащенности посредством «активных» элементов СТЭ. 1. Усиление оборудования тяговых подстанций (установка более мощных трансформаторов и выпрямительных агрегатов). Данное мероприятие приводит к уменьшению внутреннего сопротивления тяговых подстанций, снижению потерь напряжения на внутреннем сопротивлении и увеличению эффективных токов тяговых подстанций. Стоимость замены тягового агрегата (преобразовательный трансформатор вместе с выпрямителем) на 12-ти пульсовый составляет 15,93 млн. рублей. 2. Установка дополнительных тяговых подстанций. Данное мероприятие приводит к уменьшению величины нагрузки, приходящейся на соседние тяговые подстанции, повышению уровня напряжения в контактной сети расчетной межподстанционной зоны и смежных к соседним тяговым подстанциям зон. Стоимость дополнительной тяговой подстанции составляет около 400 млн. рублей. 3. Установка дополнительных передвижных тяговых подстанций. Данное мероприятие приводит к повышению уровня напряжения в контактной сети в расчетной межподстанционной зоне. Стоимость дополнительной передвижной тяговой подстанции составляет около 30 млн. рублей. 4. Применение преобразователей повышения напряжения типа ППН -6 для усиления тяговой сети постоянного тока. Базовая стоимость ППН - 6 на момент исследований составляла 9,7 млн. рублей. Одним из новых активных элементов СТЭ, предназначенных для усиления тяговой сети постоянного тока является преобразователь повышения напряжения типа ППН - 6 /38/. Питание контактной сети постоянного тока на участках между существующими подстанциями реализовано посредством ППН-6 - преобразователь с повышенным входным напряжением, питаемым по изолированному от контактной сети усиливающему проводу. Для системы с продольной питающей линией применяются современные установки, выполненные на базе IGCT-тиристоров, что делает установку более компактной и надежной. В НИИЭФА-ЭНЕРГО разработаны преобразователи с входным напряжением 6,6 кВ и током нагрузки до 1,6 кА. Преобразователь постоянного тока повышенного входного напряжения представляет собой многофазный преобразователь, выполненный по схеме с широтно-импульсным регулированием напряжения на накопительных дросселях, что позволяет обеспечить более высокое качество электроснабжения. Преобразователь выполнен по бестрансформаторной схеме и включает в себя шесть IGCT-тиристорных ключей, три диодных ключа, три накопительных дросселя и фильтровое оборудование.
Тактовая частота преобразователя выбрана из условий обеспечения минимальных массогабаритных показателей дроссельного оборудования и теплового режима полупроводниковых приборов и составляет 1000 Гц. Регулятор, помимо стабилизации выходного напряжения, обеспечивает ограничение выходного тока при возможных перегрузках, а также обеспечивает функции защиты в различных нештатных ситуациях. Выполнение преобразователя по шестиканальной схеме обеспечивает сохранение его работоспособности при отказе одного или нескольких каналов с соответствующим снижением мощности.
Электронная защита преобразовательного оборудования по управлению IGCT-тиристоров построена с использованием широкополосных измерительных датчиков тока в каждом из шести каналов. Возможные короткие замыкания в высоковольтном оборудовании отключаются специальными быстродействующими предохранителями, включенными последовательно с каждым из силовых тиристорных ключей. Исчезновение входного напряжения может привести к появлению недопустимых напряжений обратного знака на IGCT-тиристорах. Для блокировки обратного напряжения используются шунтирующие диоды, соединяющие контактную сеть 3,3 кВ с входной сетью повышенного напряжения.
