Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Системный анализ и моделирование тягового электроснабжения
1.1 Структура систем электрической тяги 20
1.2. Эквивалентирование систем электроснабжения 32
1.3. Учет влияния внешней сети при моделировании динамических процессов в системах тягового электроснабжения 48
1.4. Базовая эквивалентная модель системы внешнего электроснабжения 49
1.5. Перспективная эквивалентная модель внешней сети 57
1.6. Уточненная эквивалентная модель системы внешнего электроснабжения 75
Выводы 77
Глава II. Имитационное моделирование систем тягового электроснабжения
2.1. Особенности представления схем замещения тяговых сетей при имитационном моделировании 78
2.1.1.Модель тяговой сети 78
2.1.2. Моделирование тяговой сети автотрансформаторной системы электроснабжения 89
2.2. Моделирование СТЭ в реальном и стохастическом масштабе времени 101
2.3. Модель системы тягового электроснабжения для анализа качества электроэнергии 104
2.4. Порядок формирования расчетных периодов для имитационного моделирования работы системы тягового электроснабжения 115
2.5. Учет случайных факторов при решении задач взаимодействия тягового и внешнего электроснабжения 126
Выводы 131
Глава III. Параметрический синтез систем управления тяговым электроснабжением 133
3.1. Особенности контроля параметров системы тягового электроснабжения 133
3.1.1. Алгоритм контроля потерь электроэнергии в трансформаторах тяговых подстанций и тяговой сети 134
3.2. Области использования детерминированных и вероятностных графиков движения поездов при расчетах систем тягового электроснабжения 154
Выводы 159
Глава IV. Методы контроля параметров и режимов работы систем тягового электроснабжения 161
4.1. Алгоритм оптимизации размещения пунктов параллельного соединения контактной сети 161
4.2. Алгоритм анализа работы междупутного компенсирующего устройства 179
4.3. Контроль старения трансформаторов тяговых подстанций 192
4.4. Алгоритмический контроль состояния проводов контактной сети 204
4.5. Алгоритм расчета косвенными методами потерь в системе тягового электроснабжения для реализации их контроля аппаратными средствами 211
4.6. Оптимизация периода квантования тяговой нагрузки при аппаратном контроле параметров систем тягового электроснабжения 223
Выводы 233
Заключение 234
Библиографический список 236
Приложения 259
- Структура систем электрической тяги
- Особенности представления схем замещения тяговых сетей при имитационном моделировании
- Особенности контроля параметров системы тягового электроснабжения
- Алгоритм оптимизации размещения пунктов параллельного соединения контактной сети
Введение к работе
В диссертационной работе отражены результаты исследований, проводимых автором в течение более 20 лет на объектах системы тягового электроснабжения Восточно-Сибирской и Красноярской железных дорогах. Эти исследования направлены на совершенствование моделирования систем тягового электроснабжения (СТЭ), получение алгоритмов рационализации режимов их работы. Исследованы и разработаны методы анализа и параметрического синтеза систем электроснабжения железных дорог (СЭЖД), мониторинга важнейших элементов системы тягового электроснабжения. В совокупности все перечисленные мероприятия позволяют рационально управлять сложной системой электроснабжения электрифицированных железных дорог, снижая издержки на ее эксплуатацию.
Актуальность проблемы. В последние годы проблема энергосбережения и эффективного использования электроэнергии на электрифицированном железнодорожном транспорте приобретает особую актуальность. Это объясняется заметной долей электропотребления на электрическую тягу поездов, составляющую порядка 4% от производимой в России электроэнергии. Успешное решение проблемы энергосбережения может быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с анализом режимов работы систем тягового электроснабжения (СТЭ) и синтезом параметров их элементов.
Большой вклад в разработку основополагающих направлений в этой области внесли: К.Г. Марквардт, Г.Г. Марквардт, P.P. Мамошин, Е.П. Фигурнов, А.С. Бочев, А.Т. Бурков, Б.А. Ковбаса, Э.В. Тер-Оганов, В.Т. Черемисин, М.Г. Шалимов, Б.М. Бородулин, Л.А. Герман, В.Н. Пупынин, А.Л. Быкодаров, В.В. Андреев, В.В. Белов, Б.Е. Дынькин и др.
В области взаимодействия электроэнергетических и тяговых сетей известны научные работы: Г.Г Марквардта, Д.В. Тимофеева, А.З. Гамма, О.Н. Войтова, Л.А. Германа и др.
Широкое внедрение в эксплуатацию современных средств вычислительной техники существенно расширило возможности по контролю и управлению объектами СТЭ на базе методов и средств имитационного моделирования. Для построения имитационных моделей анализа работы СТЭ требуются создание единой методологии исследований, интегрирования моделей отдельных элементов в единую систему, включающую в себя все подсистемы, определяющие характер изучаемых процессов.
Решение перечисленных задач требует анализа и предварительного прогнозирования режимов работ СТЭ для выработки решений по их синтезу.
В работе рассматриваются вопросы анализа и параметрического синтеза СТЭ на базе имитационных моделей как инструмента, позволяющего находить пути снижения энергетических затрат на тягу поездов. Это соответствует программе "Основные направления энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 г.", принятой указом Президента № 472 от 7 мая 1995 г., и указанию МПС № Б-1251У "О совершенствовании управления ресурсосбережением" от 30 октября 1998 г.
Цель диссертационной работы состоит в решении актуальной научно -технической проблемы повышения энергетической эффективности систем электроснабжения железных дорог (СЭЖД) на основе разработки и совершенствования методов моделирования режимов их работы.
Достижение поставленной цели связано с решением комплекса следующих задач:
построение эквивалентных моделей систем внешнего электроснабжения (СВЭ) для анализа режимов работы СТЭ;
создание динамических моделей СЭЖД на базе методологии имитаци
онного моделирования;
разработка методов и средств параметрического синтеза СТЭ, обеспечивающих повышение энергетической эффективности процессов преобразования и использования электрической энергии на железнодорожном транспорте;
создание и реализация эффективных технологий мониторинга технического состояния СТЭ.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи были решены с привлечением методов системного анализа и математического моделирования, теории вероятностей, математической статистики и теории линейных и нелинейных электрических цепей.
Научная новизна:
на основе разработанных автором оригинальных технологий моделирования реализован комплекс методов и средств повышения энергетической эффективности систем тягового электроснабжения;
впервые построена нелинейная динамическая модель СЭЖД как многомерного, многосвязанного и многорежимного объекта управления. В модели реализован комплексный учет таких сложных факторов, как несимметричность и несинусоидальность токов и напряжений;
предложены и апробированы алгоритмы контроля потерь электроэнергии, учитывающие вероятностный характер графика движения поездов;
разработаны новые методы мониторинга технического состояния, обеспечивающие повышение надежности важнейших элементов тягового электроснабжения.
В первой главе сформулирован системный подход к решению задач тягового электроснабжения. Этому вопросу уделяется большое внимание при решении различного класса задач в области систем тягового электроснабжения магистральных железных дорог. Стремление найти более адекватное отражение
режимов работы СТЭ приводит к необходимости совместного рассмотрения взаимосвязанных систем тягового и внешнего электроснабжения, каждая из которых, в свою очередь, также обладает свойствами сложной системы.
Электрические магистрали являются сложными системами, моделирование процессов в которых все шире осуществляется с помощью имитационных моделей. Процессы в объектах тягового электроснабжения также изучаются на основе имитационного моделирования. Имитационные модели систем тягового электроснабжения, в свою очередь, должны интегрироваться в некоторую среду, имитирующую внешние системы, с которыми взаимодействует СТЭ. Имитационные модели непрерывно совершенствуются, однако в настоящее время степень их развития такова, что связи имитационных моделей с внешними объектами не всегда адекватно воспроизводят процессы их взаимодействия. Имитационные модели систем тягового электроснабжения в настоящее время вычленяются из общей сложной системы, а связи заменяются некоторыми эквивалентами с принятием ряда допущений (например, допущение о неизменности напряжений в узлах подключения тяговых подстанций и на шинах третьих обмоток в течение всего периода моделирования; допущение о неизменности уровня напряжения на токоприемниках электроподвижного состава при выполнении тяговых расчетов, вид графика движения поездов и длительность имитационного моделирования принимаются субъективно по усмотрению исследователя и др.).
Процессы, протекающие в системах тягового электроснабжения, весьма многосторонние. Имитационная же модель воспроизводит основные из них -потокораспределение, расчет напряжений в контрольных точках и расчет потерь мощности по важнейшим элементам. Задачи оптимизации требуют дополнительного анализа ряда разносторонних задач, во многих случаях связан-
ных между собой лишь опосредованно. Некоторые из перечисленных задач успешно решены, часть из них является предметом настоящей диссертации.
В диссертационной работе рассмотрены вопросы, связанные с созданием технологий имитационного моделирования и методов контроля их параметров. Решение поставленной задачи осуществлено по двум основным, определяющим и перспективным направлениям:
1. Создание имитационных моделей СТЭ, отражающих работу системы
тягового электроснабжения с учетом ее взаимодействия с другими системами.
2. Создание ряда методов мониторинга технического состояния важней
ших элементов системы тягового электроснабжения.
Решение поставленных задач позволяет интегрировать имитационное моделирование систем тягового электроснабжения в общую систему, с исключением ряда не всегда обоснованных допущений.
Во второй главе рассматриваются вопросы методологии имитационного моделирования, создания и совершенствования моделей важнейших элементов СТЭ. Исследуются вопросы моделирования тяговых сетей переменного тока 25 и 2x25 кВ. От того насколько точно реализованы эти модели в обобщенной модели СТЭ, зависит точность решения важных практических задач эксплуатации и, самое важное, правильность формируемых по их результатам рекомендаций по совершенствованию режимов работы.
Одним из вопросов, рассмотренных в диссертационной работе, является вопрос совершенствования имитационного моделирования тяговых сетей дорог переменного тока. Что касается моделей тяговых сетей 25 кВ, то следует отметить, что в настоящее время достаточно полно разработаны методы определения сопротивлений тяговой сети переменного тока для однопутных и двухпутных участков. В последнее время на магистральных электрических дорогах стали появляться
многопутные участки. Методика определения параметров тяговой сети многопутных участков может быть такой же, как и для двухпутных, в случае, если и на многопутные участки может быть распространено допущение о равномерном распределении тока по рельсам, принимаемое для моделей двухпутного участка. В связи с этим в диссертационной работе выполнен анализ степени неравномерности распределения токов в рельсах многопутных участков. При этом использовалось то обстоятельство, что рельсы примерно через 2-3 км соединены между собой междурельсовыми и междупутными соединениями, а неэлек-трифицированные пути (на станциях) изолированы от электрифицированных.
Наибольшее влияние токи в контактной сети оказывают на токи в рельсах крайних путей. На рельсы, отдаленные от краев, влияние токов в контактных сетях, расположенных справа и слева от них, будут противоположны. Для оценки электромагнитного влияния следует рассмотреть ток в первом рельсе, входящем в контур, образуемый рельсами первого пути. Влияние токов контактной сети можно оценить, заменяя ее на каждом пути одним эквивалентным проводом, расположенном примерно в середине между контактным проводом и несущим тросом. Чем меньше расстояние между осями путей, тем больше будет индуктивное влияние как контактных сетей, так и рельсов друг на друга. Поэтому, для оценки индуктивного влияния сверху, принято что все междупутья минимальны и равный 4,1 м. В действительности, при числе путей больше двух часть междупутий должна быть больше минимального. Рассматривая в плане участок рельсовых путей между соседними междупутными и междурельсовыми соединениями, можно наметить п контурных токов, возникающих в результате индуктивного влияния контактной сети. На основании этого, с привлечением принципа суперпозиции, получено выражение для тока в крайнем рельсе, подверженном наибольшему влиянию. Расчеты, выполненные по полученной зависимости, показывают, что индуктивное влияние токов подвесок путей невелико и доля такого воздействия
уменьшается с ростом числа путей. В действительности индуктивное влияние токов контактной сети на токи в рельсах будет еще меньше, так как в расчетах принимались наибольшие токи в подвесках, равные между собой. Вероятность же одинаковой загрузки контактной сети всех путей ничтожна.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что, не допуская большой погрешности, можно сильно упростить задачу, положив распределение токов по путям равномерным.
Появление в восьмидесятых годах новой для России системы тягового электроснабжения 2x25 кВ делает актуальным решение проблем моделирования тяговой сети 2x25 кВ.
В системе электроснабжения 2x25 кВ имеются сложные гальванические и индуктивные связи между отдельными проводами, затрудняющие как ее расчеты, так и моделирование. Поэтому разработка схем замещения, позволяющих создать простую модель тяговой сети, является актуальной задачей.
На основании схемы замещения, предложенной во второй главе, сделано заключение о том, что модель тяговой сети 2x25 кВ может быть реализована в виде модели тяговой сети обычной системы 25 кВ с дополнением ее шунтирующими сопротивлениями в местах подключения автотрансформаторов. В работе приводятся предложенные автором формулы для расчета параметров дополнительных сопротивлений как для однопутных, так и двухпутных участков.
Процессы, протекающие в системе тягового электроснабжения, являются случайными. Это определяется множеством факторов, основные из которых - профиль пути, режимы ведения поездов и колебание их числа в межподстанционной зоне, колебание уровня напряжения в системе внешнего электроснабжения и др. В этой связи расчеты энергетических характеристик, определяющих оптимальные параметры режима, должны выполняться на основе вероятностных методов.
Известно, что неравномерность электропотребления нагрузок во времени приводит к дополнительным потерям электроэнергии тем большим, чем больше эта неравномерность. В диссертационной работе рассмотрены два важнейших фактора, определяющих дополнительные потери электрической энергии в системе тягового электроснабжения: изменения напряжений в узлах подключения тяговых подстанций; колебания самой тяговой нагрузки.
Для исследования влияния неравномерности движения поездов на потери электроэнергии в СТЭ в работе проанализированы результаты имитационного моделирования для пакетного и случайного графика. Первый характеризуется равномерным движением, второй, при том же числе поездов, пропускаемых по участку за расчетный период, значительной неравномерностью межпоездного интервала. Результаты расчета, приведенные во второй главе, показывают, что при прочих равных условиях наблюдается стабильная и существенная разница в искомых потерях. Причем наибольшие потери соответствуют случайному графику движения поездов. Это обстоятельство является очень важным при оценке экономической эффективности различного рода технических мероприятий - замены оборудования, изменения схем питания, усиления СТЭ и других. Ввиду недоучета потерь от неравномерности движения при исследовании детерминированными графиками движения поездов может быть принято ошибочное решение о целесообразности тех или иных технических мероприятий (например, усиления), поскольку экономические оценки могут оказаться ниже заданного критерия экономичности. Случайный график движения значительно более чувствителен при сравнительной оценке потерь для различных схем. Это подтверждается результатами расчетов оценки эффективности пунктов параллельного соединения контактной сети для участков электрической железной дороги ВСЖД. Следует отметить, что аналогичные
выводы можно сделать, привлекая в качестве критерия уровни напряжения на токоприемнике поезда. Использование вероятностных графиков движения поездов требует решение вопроса о длительности имитационного моделирования. В связи с этим в второй главе также решен вопрос о целесообразной длительности моделирования для различных графиков движения поездов.
Все задачи, решаемые в рамках имитационного моделирования СТЭ, могут быть разбиты на два больших класса по типу используемых в расчетах графиков движения поездов. Один из них использует детерминированные графики движения поездов, второй - вероятностные. Детерминированный график движения характеризуется заранее известным межпоездным интервалом и в наибольшей степени соответствует так называемому параллельному графику, имеющему место в период восстановления нормального функционирования после "окна". Такой график является расчетным при оценке предельных режимов работы СТЭ. Статистические исследования, выполненные автором применительно к ВСЖД, показали, что более 90% времени устройства тягового электроснабжения работают в нормальных условиях, характеризующихся штатной схемой и графиком движения поездов. Такой график, называемый вероятностным, характеризуется случайно меняющимися межпоездными интервалами, колеблющимися относительно среднего. Закон изменения межпоездного интервала носит экспоненциальный характер. В диссертационной работе решен вопрос об областях использования каждого из упомянутых графиков движения.
При решении технических задач, связанных с оценкой предельных режимов, длительность расчетного периода определяется нормативными документами. В зависимости от решаемой задачи этот период может составлять от 20 минут (например, при оценке установившегося значения температуры проводов контактной сети) до 5... 10 минут, что определяется временем хода по лимитирующему перегону при анализе уровня напряжения на токоприемнике.
Показано, что при решении экономических задач, требующих вычислений интегральных (чаще всего средних) значений за длительный период, необходимо использовать вероятностные графики движения поездов. Для оценки экономической эффективности различных мероприятий, например, усиления системы тягового электроснабжения, рационализации режимов ее работы, необходимо вычислять потери электрической энергии в устройствах тягового электроснабжения за длительный период. В частности, средние значения уравнительных токов дают возможность определить стоимость потерь электрической энергии от них. Стоимость потерь электроэнергии, входящих в функцию приведенных затрат определяются за расчетный год. Моделирование с таким расчетным периодом невозможно, тем более, что задачи оптимизации являются многовариантными. Таким образом, для поиска оптимального варианта очевидна целесообразность адекватной замены длительного расчетного периода более коротким. При оценке потерь мощности под адекватным периодом следует, очевидно, понимать такой наименьший расчетный период, который в заданных границах доверительной вероятности дает те же потери, что и действительный период. Разработан критерий остановки имитационного моделирования при использовании средств, реализованных как на физических моделях (например, специализированный аналого-цифровой комплекс ВЗИИ-Та), так и на универсальных вычислительных машинах (например, комплексы программ NORD и СИБИРЬ). Исследованиями, выполненными в третьей главе, установлено, что оценка величины потерь стабилизируется с увеличением длительности моделирования. Показано, что чем меньше степень заполнения поездами нитей графика движения, тем больше требуется время для стабилизации потерь в границах заданной доверительной вероятности. И наоборот, чем полнее используются все возможные нити графика (чем меньше резервное время вероятностного графика), тем меньше случайных отклонений от среднего текущих зна-
чений межпоездного интервала и тем раньше процесс становится статистически устойчивым при прочих равных условиях. Однако условия, включаемые в вероятностную модель графика движения поездов, могут существенно повлиять на период стабилизации. Действительно, можно предположить, что чем больше включается в вероятностную модель типов поездов, тем больше проходит времени при имитационном моделировании до момента стабилизации, поскольку каждый из типов поездов, выпускаемых на участок, "разыгрывается" ЭВМ тоже случайным образом. Результаты расчета относительных потерь энергии в тяговой сети как функции времени, вычисленные по программе, показывают, что процесс ДР = /(/) (где АР- потери электрической энергии) стабилизируется после истечения определенного периода времени, различного для вероятностных графиков с различными параметрами распределения. Для количественной оценки времени моделирования были использованы три типа графиков движения с равными средними значениями межпоездного интервала, но различными значениями резервного времени и различным числом типов обращающихся на участке поездов. В настоящее время имеются широкие возможности использования программных комплексов для анализа режимов работы электрических сетей, как тяговых (например, программа NORD, разработанная во ВНИИЖТе), так и внешних (комплекс СДО, разработанный в ИСЭМ СОРАН). Учет случайных факторов осуществляется только комплексом NORD. В этом комплексе предусмотрен, например, учет колебаний напряжений на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций, обусловленных вероятностным характером тяговой нагрузки. Что же касается программного комплекса СДО, то он не ориентирован на вероятностный характер задачи. Поэтому в настоящее время решение задач совместного моделиро-
вания тяговой и внешней сети сопровождается допущением о неизменности напряжения на шинах внешнего электроснабжения.
В связи с этим в диссертационной работе рассмотрены вопросы определения дополнительных потерь электроэнергии от уравнительных токов, связанных с неравномерностью их протекания, вызванной колебаниями первичного напряжения на шинах смежных тягрвых подстанций.
В третьей главе предложен и апробирован алгоритм мониторинга технического состояния СЭЖД.
При расчетах с электроэнергетической системой оплачивается вся отпущенная потребителю электроэнергия, включая и потери в устройствах потребителя. В энергосистемах оценка отчетных потерь осуществляется как разность показаний счетчиков на шинах подстанций или электрических станций энергосистемы и потребителей. На тяговых подстанциях учет электроэнергии осуществляется с низкой стороны трансформаторов, и потери в них не отражаются показаниями этих счетчиков, поэтому оценка потерь производится аналитически. В настоящее время, в связи с ростом цен на электроэнергию, встает вопрос об учете не только активных, но также и реактивных потерь в трансформаторах, обостряется проблема более точной их оценки. В странах СНГ потери электроэнергии составляют 9.26% и наблюдается тенденция их роста. В то же время в Канаде доля потерь составляет - 8.47, Англии - 8.02, Франции - 7.17 %. Потери в трансформаторах составляют до 1/3 потерь в ЛЭП соответствующего напряжения. Более объективный учет потерь электроэнергии позволит разработать научно-обоснованные мероприятия по их снижению и получить существенную экономию электроэнергии.
Потери энергии в трансформаторах в соответствии с нормативными документами определяются в зависимости от числа его обмоток, класса
напряжения, коэффициента мощности и сменности работы потребителя,
питаемого данным трансформатором. Особенностью тяговой нагрузки является значительные неравномерность в течение суток, не позволяющая использовать средние значения для оценки потерь энергии. В то же время, в соответствии с директивными документами, необходима суточная отчетность о расходах электроэнергии.
В диссертации приведен порядок алгоритмического контроля потерь электроэнергии в трансформаторах тяговых подстанций с учетом вероятностного характера их изменения. Показано, что такой учет изменения нагрузки удобно реализовать коэффициентом эффективности, являющийся функцией величины тяговой нагрузки. Такая зависимость приведена в диссертационной работе. Она была получена в результате аппроксимации большого статистического материала, собранного на тяговых подстанциях Восточно-Сибирской железной дороги.
Устройства тягового электроснабжения образуют сложную систему, контроль работы которой позволяет поддерживать рациональные режимы, характеризующиеся наименьшими затратами на ее эксплуатацию. В такой сложной системе контроль осуществляется как аппаратными средствами, так и программными методами. К аппаратным средствам контроля относятся многочисленные приборные средства - счетчики электроэнергии, вольтметры, амперметры, приборы положения позиций анцапф трансформаторов и другие. Программные же средства контроля основываются на различных алгоритмах по оценке параметров режима системы тягового электроснабжения. Примером такого контроля служит контроль потерь электроэнергии, как в трансформаторах, так и в тяговой сети, статистические оценки целого ряда показателей качества электроэнергии, как на шинах тяговых подстанций, так и на токоприемниках электроподвижного состава. Однако далеко не все проблемы в этой области решены до
конца. Примером могут служить проблемы контроля потерь электроэнергии в трансформаторах и тяговых сетях, контроль уравнительных токов, протекающих по тяговым сетям. Необходимость сочетания аппаратных и алгоритмических методов контроля параметров режима работы систем тягового электроснабжения объясняется тем, что часть параметров режима может быть проконтролирована непосредственно приборами, а для ряда других параметров аппаратный контроль в чистом виде либо затруднителен, либо вовсе недоступен. В связи с этим применяются методы, сочетающие алгоритмический и аппаратный контроль. К таковым следует отнести косвенные методы контроля уравнительных токов, потерь энергии в тяговой сети, контроль отработанного ресурса трансформаторов и другие.
Потери энергии в трансформаторах, в соответствии с нормативными документами, определяются в зависимости от числа его обмоток, класса напряжения, коэффициента мощности и сменности работы предприятия, питаемого данным трансформатором. Активные потери принимаются определенным процентом от переработанной электроэнергии в зависимости от упомянутых факторов по таблицам. Особенностью тяговой нагрузки является значительный размах ее колебания в течение суток, не позволяющий использовать средние значения нагрузки для оценки потерь энергии. В то же время, в соответствии с директивными документами, имеет место суточная отчетность о расходах электроэнергии. Для оценки реальных суточных потерь активной и реактивной мощности, в диссертационной работе изложены принципы их расчета.
В четвертой главе излагаются вопросы мониторинга работы важнейших элементов СТЭ с целью нахождения и поддержания рационального режима.
Использование пунктов параллельного соединения (ППС) в тяговых сетях постоянного и переменного тока приводит к сокращению потерь электрической энергии, которые зависят как от особенностей рельефа, по которому проходит железнодорожная магистраль, так и от размеров движения и ритмичности графика движения поездов по путям различного направления. Для оценки эффективности применения ППС требуется методика, позволяющая более точно определять сокращение потерь в тяговых сетях при их включении. В настоящее время расчеты потерь в тяговой сети могут быть выполнены для любой ее схемы методами имитационного моделирования. Для определения же оптимальных координат ППС требуется выполнить расчет потерь для большого числа вариантов возможного размещения ППС и найти среди них вариант с наименьшими потерями. В главе рассмотрены вопросы решения поставленной задачи наиболее рациональным методом.
Большое значение на дорогах переменного тока имеют установки компенсации реактивной мощности. В связи с этим в диссертационной работе решены вопросы оценки эффективности междупутного компенсирующего устройства (МПДКУ). Показано, что его включение оправдано в случае необходимости увеличения напряжения на токоприемнике электроподвижного состава. При этом неизбежны дополнительные потери в контактной сети. В связи с этим в диссертационной работе предлагается метод расчета рациональных параметров МПДКУ.
Структура систем электрической тяги
Исключительная сложность системы тягового электроснабжения и взаимодействующей с ней не менее сложной системы внешнего электроснабжения не позволяют создать модели, которые бы отражали все явления, оказывающие влияние на искомые параметры. Поэтому в настоящее время приходится использовать ряд допущений, приводящих к необходимости корректировки полученных результатов.
При анализе работы систем электрической тяги используются различные модели - аналоговые, физические, математические, имитационные. Недостаточно высокий уровень развития универсальных цифровых вычислительных машин в прошлом не позволял выполнить имитационные модели на ЭВМ, поэтому реализовывались идеи их создания на принципах физического моделирования. Существенным преимуществом физических моделей по сравнению с моделями, реализованными на ЭВМ, является достаточно быстрое решение задач токораспределения, какой бы сложной не была схема системы тягового электроснабжения. Однако это преимущество по мере роста быстродействия ЭВМ и объема оперативной памяти утрачивается. Так известны физические модели, созданные в различное время для исследования режимов работы СТЭ во ВЗИИТе [125, 126], МИИТе [51], ОмИИТе [56, 104] и др. Однако большинство этих моделей, в силу ограниченности их возможностей, преследовали цель исследования узких задач, то есть не обладали достаточной универсальностью. Только модель ВЗИИТа [132, 133, 186] позволяла выполнять имитационное моделирование достаточно широкого круга задач СТЭ. Использование вышеупомянутых моделей ограничивалось еще и тем, что каждая из них была уникальной. Так специализированных аналого-цифровых комплексов ВЗИИТа эксплуатировалось всего три, один из которых использовался непосредственно во ВЗИИТе, второй - на Донецкой железной дороге и третий на Восточно-Сибирской железной дороге. Последний сыграл значительную роль в выборе рациональных режимов работы устройств тягового электроснабжении ВСЖД [5,7,8, 13, 14, 1861.
Важной задачей при имитационном моделировании является проблема длительности машинного эксперимента при решении задач вероятностного ха-рактера. Так известны имитационные модели NORD и СИБИРЬ, первая из которых разработана во ВНИИЖТе, а вторая в МИИТе. Эти модели предполагают остановку имитационного моделирования по усмотрению исследователя. При этом не исключается ошибка в выборе продолжительности эксперимента в силу субъективной ее оценки. Определение длительности моделирования при решении задач, использующих детерминированный график движения поездов (например, параллельный, который используется при проверке пропускной способности СТЭ), не вызывает особых затруднений. Это объясняется тем, что при таком графике поездные ситуации повторяются через промежутки времени, равные межпоездному интервалу. Что же касается задач вероятностного характера (например, задач, связанных с оценкой экономической эффективности и некоторых других), то в этом случае нельзя заранее указать точное значение межпоездного интервала. Поэтому он формируется вероятностными методами на основе известного закона его распределения. В этом случае встает проблема определения длительности имитационного моделирования, разрешенная в настоящей работе.
В связи с быстрым совершенствованием компьютеров (резкого увеличения скорости вычисления и объемов оперативной памяти) появляется возможность создать на них модели электрифицированных участков и нагрузок, приближающиеся к аналоговым, сохранив их преимущества в универсальности и отражении параметров конкретных участков. Компьютерные модели СТЭ могут использовать большой объем стандартных программ, а также иметь открытую архитектуру построения в силу использования агрегатирования моделируемых объектов.
Для создания общей компьютерной модели необходимо разработать аналитические модели ее элементов: устройств электроснабжения и нагрузок. Это две крупные задачи, которые требуют решения при совершенствовании имитационного моделирования. В диссертационной работе, с целью повышения эффективности имитационного моделирования решены вопросы совершенствования моделей тяговых сетей переменного тока 25 кВ и 2x25 кВ [6, 140].
Система тягового электроснабжения сложное сооружение, содержащее большое количество элементов, взаимодействующих друг с другом. Входы ее связаны с внешней частью электроснабжения - электрической системой, а выходы с нагрузками, перемещающимися единицами электроподвижного состава. По характеру и количеству взаимодействующих объектов система тягового электроснабжения относится к так называемым сложным системам.
Следует отметить, что сами процессы, протекающие в СТЭ, в общем случае являются случайными. В полной мере учесть все факторы невозможно и при решении практических задач, всегда приходится идти на те или иные допущения (упрощение модели).
В аналитических моделях процессы функционирования системы или ее элементов записываются в виде функций и логических условий. Если уравнения аналитической модели могут быть решены в явном виде относительно искомых величин, то такие модели исследуются аналитическими методами. Если же уравнения математической модели в общем виде не могут быть решены, то прибегают к численным методам получения результатов с применением ЭВМ. В некоторых случаях только использование компьютеров позволяет получить необходимые результаты. Это относится к тем случаям, когда система уравнений математической модели теоретически разрешима численными методами при конкретных начальных данных, но вычислительный процесс связан с очень большим числом операций. В области электрифицированных железных дорог имитационное моделирование стало применяться в проектных и эксплуатационных расчетах тягового электроснабжения.
Имитационное моделирование включает конструирование модели реальной системы, постановку модельного эксперимента для изучения системы и выбор стратегии решения задач. Поэтому сам процесс моделирования тесно связан с системным анализом (анализом динамики реального процесса, составлением и структуризацией модели) [72].
Основным преимуществом имитационных моделей по сравнению с аналитическими является возможность решения задач исключительной сложности, к которым относятся многие задачи проектирования и оптимального управления СТЭ. Система тягового электроснабжения взаимодействует с внешней сетью, нетяговыми потребителями, электроподвижным составом, с системой организации движения поездов и др.
Особенности представления схем замещения тяговых сетей при имитационном моделировании
Наилучшие технико-экономические показатели при сооружении и эксплуатации любого объекта, в том числе и системы электроснабжения участка электрифицированной железной дороги, могут быть получены только при достаточно полном учете процессов его функционирования во время эксплуатации. Другими словами, эти показатели зависят от того, насколько адекватна реальность модели, используемой при проектировании и эксплуатационных расчетах.
Для анализа работы систем электрической тяги разработаны аналоговые и математические модели. Аналоговые модели имели преимущества перед компьютерными в части воспроизводства нагрузок, учета взаимодействия их друг с другом и с устройствами электроснабжения - тяговыми подстанциями, батареями статических конденсаторов и т.д. Недостатки этих моделей состоят в трудности изменения параметров отдельных элементов системы электроснабжения (например, тяговой сети, тяговых подстанций и некоторых других, поскольку их модели закладываются при проектировании и реализуются при изготовлении), необходимость ввода результатов тяговых расчетов и графика движения поездов. Предполагалось, что совместить достоинства аналоговых и математических моделей можно путем их сопряжения.
В настоящее время, в связи с быстрым совершенствованием компьютеров (резким увеличением быстродействия и объемов оперативной памяти), появляется возможность создать на их основе модели электрифицированных участков и нагрузок, приближающиеся к аналоговым, сохранив при этом преимущества в универсальности.
Для создания общей математической модели необходимо разработать аналитические модели ее элементов: устройств электроснабжения и нагрузок. Нагрузками системы тягового электроснабжения являются токи электроподвижного состава, определяемые по тяговым расчетам в соответствии с современными методиками [139] и на основании паспортных данных электровозов [106].
Актуальность моделирования тяговых сетей подтверждается значительным объемом публикаций по этому вопросу [3, 140, 195, 199].
Для моделирования тяговой сети, в первую очередь, необходимо разработать методику определения ее параметров
Оценка влияния токов в контактной сети и в рельсах на токораспределение в тяговой сети В настоящее время достаточно полно разработаны методы определения сопротивлений тяговой сети переменного тока для однопутных и двухпутных участков. Имеющиеся работы по методам расчета сопротивлений тяговой сети переменного тока при числе путей больше двух содержат допущения, правомерность принятия которых требует дополнительного обоснования.
Важной особенностью тяговой сети, отличающей ее от других однофазных линий, является различие в параметрах и схемах соединения "прямых" и "обратных" проводов: контактной сети и рельсов. Это существенно усложняет определение сопротивлений самоиндукции и взаимоиндукции тяговой сети отдельных путей на многопутных участках. Кроме того, на распределение токов в рельсах и в контактных сетях различных путей оказывает индуктивное влияние токов электроподвижных нагрузок. Ниже приводится анализ оценки этого влияния.
В [136] указано, что для двухпутных участков можно, без большой погрешности, принять токи в рельсах обоих путей равными. Это допущение позволило сильно упростить расчеты. Для многопутных участков, с числом путей больше двух, необходимо проверить правомерность подобною допущения.
В дальнейшем учитывается, что рельсы примерно через 2...3 км соеди нены между собой междурельсовыми и междупутными соединениями, а не-электрифицированные пути (на станциях) изолированы от электрифицированных.
Влияние токов в контактной сети можно оценить, заменяя ее на каждом пути одним эквивалентным проводом, расположенным, примерно, в середине между контактным проводом и несущим тросом. Для реальных средних условий примем высоту эквивалентного провода относительно уровня головки рельса пк=7м. Расстояние между осями рельсов одного пути можно принять сірі=1,6м.
Чем меньше расстояние между осями путей, тем больше будет индуктивное влияние, как контактных сетей, так и рельсов друг на друга. Поэтому, для оценки индуктивного влияния сверху, принимается, что все междупутья минимальны и равный dM=4,1 м. В действительности, при числе путей больше двух, часть междупутий должна быть больше минимального. Рассматривая в плане участок рельсовых путей между соседними междупутными и междурельсовыми соединениями (рис. 2.1), можно наметить п контурных токов , возникающих в результате индуктивного влияния контактной сети. Обозначим і ; - ток ву -ом рельсе; ді - изменение тока в рельсе за счет индуктивной связи с контактной сетью через ді - где q номер рельса. Тогда, очевидно, получим: РК1_ Wl РК2 РК1 РК2 РКЗ РК2 РКЗ Наибольшее влияние токи в контактной сети окажут на токи в рельсах крайних путей. На рельсы, отдаленные от краев, влияние токов в контактных сетях, расположенных справа и слева от них, будут противоположны. Для оценки наибольшего влияния поэтому следует рассмотреть ток в первом рельсе, входящем в контур, образуемый рельсами первого пути.
Особенности контроля параметров системы тягового электроснабжения
Устройства тягового электроснабжения образуют сложную систему, контроль работы которой позволяет поддерживать оптимальные режимы, характеризующиеся наименьшими затратами на ее эксплуатацию. В такой сложной системе контроль осуществляется как аппаратными средствами, так и алгоритмическими методами. К аппаратным средствам контроля относятся многочисленные приборы - счетчики электроэнергии, вольтметры, амперметры, указатели положения позиций анцапф трансформаторов и другие. Алгоритмические же средства контроля составляют различные алгоритмы по оценке параметров режима системы тягового электроснабжения. Примером такого контроля служит контроль потерь электроэнергии, как в трансформаторах, гак и в тяговой сети; статистические оценки целого ряда показателей качества электроэнергии, как на шинах тяговых подстанций, так и на токоприемниках электроподвижного состава. Однако далеко не все проблемы в этой области решены до конца. Примером могут служить проблемы контроля потерь электроэнергии в трансформаторах и тяговых сетях, контроль протекающих уравнительных токов, протекающих по ним. Необходимость сочетания аппаратных и алгоритмических методов контроля параметров режима работы систем тягового электроснабжения объясняется тем, что часть параметров режима может быть проконтролирована виде либо затруднителен, либо вовсе недоступен. !3 связи с этим применяются методы, сочетающие алгоритмический и аппаратный котроль. К таковым следует отнести косвенные методы контроля уравнительных токов, потери энергии в тяговой сети, контроль отработанного ресурса трансформаторов и другие.
При расчетах с электроэнергетической системой оплачивается вся отпущенная потребителю электроэнергия, включая и потери в устройствах потребителя. В энергосистемах оценка отчетных потерь осуществляется как разность показаний счетчиков на шинах подстанций или электрических станций энергосистемы и потребителей [159]. На тяговых подстанциях учет электроэнергии осуществляется с низкой стороны понизительных трансформаторов и потери в трансформаторах не отражаются в показаниях этих счетчиков, поэтому оценка потерь производится аналитически. В настоящее время, в связи с ростом цен на электроэнергию, встает вопрос об учете не только активных потерь, но также и потерь реактивной мощности в трансформаторах, обостряется проблема более точной их оценки. В странах СНГ потери электроэнергии составляют около 12% и наблюдается тенденция их роста. В то же время в Канаде доля потерь составляет - 8,47. Англии - 8,02. Франции -7,17 [97]. Потери в трансформаторах составляют до 1/3 потерь в ЛЭГ1 соответствующего напряжения. Таким образом, более объективный учет потерь электроэнергии позволит наметить мероприятия по их снижению.
Потери энергии в трансформаторах в соответствии с нормативными документами определяются в зависимое ги от числа его обмоток, класса напряжения, коэффициента мощности и сменности работы предприятия, питаемого данным трансформатором. Активные потери принимаются определенным процентом от переработанной электроэнергии в зависимости от упомянутых факторов по таблицам [102. Особенностью тяговой нагрузки является значительный размах ее колебания в течение с\ ток. не позволяющий использовать средине значення нагрчзки для оценки поіерь энергии. В то же время, в соотвеїсі-вип с директивными документами, имеет место суточная отчетность о расходах электроэнергии. Для оценки реальных суточных потерь активной и pern активной мощности ниже изложены принципы их расчета.
Проанализируем последнее выражение с точки зрения влияния коэффициента сменности С на потери энергии. На первую составляющую (3.3) С оказывает прямо пропорциональное влияние, то есть с уменьшением сменности (трансформаторы включены только в период времени, определяемый временем смены) эта составляющая снижается. Напротив, вторая составляющая зависит от С обратно пропорционально и с уменьшением сменности возрастает. Для выявления общей тенденции влияния С на AW следует рассмотреть конкретные трансформаторы, применяемые на электрифицированных железных дорогах. В соответствии с [96] такие трансформаторы имеют примерное соотношение АРМ/ДРСТ=5.
Алгоритм оптимизации размещения пунктов параллельного соединения контактной сети
Значительное влияние на экономичность систем тягового электроснабжения оказывают режимы работы тяговых сетей. В связи с этим, большое внимание уделяется вопросам их питания [64, 66, 178, 197], в том числе и в работах автора [16, 17, 46].
Использование пунктов параллельного соединения (ППС) в тяговых сетях постоянного и переменного тока приводит к сокращению потерь электрической энергии, которые зависят как от особенностей рельефа, по которому проходит электрическая магистраль, так и от размеров движения и ритмичности графика движения поездов по путям различного направления. Однако, для оценки эффективности требуется методика, позволяющая более точно определять сокращение потерь в тяговых сетях при включении ППС. В настоящее время расчеты потерь в тяговой сети могут быть выполнены для любой схемы тяговой сети методами имитационного моделирования на современных ЭВМ. Для определения же оптимальных координат ППС требуется выполнить расчет потерь для большого числа вариантов возможного размещения ППС и найти среди них вариант с наименьшими потерями [16]. Ниже рассмотрены вопросы решения поставленной задачи наиболее рациональным методом.
В этом случае, как будет показано ниже, достаточно выполнить расчет разности напряжения между подвесками путей вдоль контактной сети для заданного графика движения поездов на имитационной модели СТЭ. Подвергая полученный статистический материал элементарной обработке, можно получить координаты контактной сети, соответствующие местам оптимального размещения ППС.
Рассмотрим зону между пунктами А и В. Пункты А и В могут быть под 161 станциями или уже имеющимися параллельными соединениями, на дальнейшем это не отразится, так как уравнительный ток, вызванный неравенством напряжений, не зависит от того будут или не будут установлены между пунктами А и В дополнительные пункты параллельного соединения.
Это простое уравнение позволит определять оптимальную координату места включения ППС (по критерию минимума потерь в контактной сети) между подстанцией и постом секционирования, а уравнение (4.6) в любом другом случае по результатам вычислений разности напряжений между подвесками путей. Следует заметить, что рассмотренная задача является вероятностной. Это определяется случайным характером движения поездов, поэтому вычисления на модели должны выполняться для вероятностного графика движения поездов. Очевидно также, что (4.18) справедливо и для последнего случая, являющегося общим из всех рассмотренных. В дальнейшем методика поиска оптимальных мест включения ППС не отличается от методики, предложенной для участков постоянного тока.
Преимущество предложенной методики для определения рационального места включения ППС по критерию минимальных потерь в тяговой сети заключается в том, что вычисления разницы напряжений между подвесками путей выполняются лишь один раз для раздельной схемы питания. Далее, по предложенным формулам определяются координаты пунктов параллельного соединения, соответствующие минимуму потерь электроэнергии в тяговой сети. Иначе говоря, искомые координаты могут быть определены лишь серией экспериментов, для каждого из которых вычисляются потери в тяговой сети с заданным расположением ППС. Оптимальным считается тот вариант, для которого в соответствующей серии эксперимента потери были минимальными. Определение оптимальных мест включения ППС по предложенной методике предполагает поиск экстремума функции (4.6) или (4.9).
В некоторых случаях целесообразно в качестве критерия размещения ППС привлекать не только экономические, каковыми являются потери электрической энергии, но и технические, например, нагревание проводов головных участков контактной сети. В последнем случае достаточно из числа ППС, размещаемых на межподстанционной зоне с двусторонним питанием два, прилегающие к тяговым подстанциям, разместить из условия не превышения эффективного тока в контактной сети расчетного пути.
Решим поставленную задачу, приняв допущение о том, что ток фидера тяговой подстанции убывает, стремясь к нулю в точке токораздела, и принимает значение тока фидера смежной подстанции в конце фидера.
