автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Измерительно-аналитическая программно-аппаратная система защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока

На правах рукописи

Ж

ГРЕЧИШНИКОВ Виктор Александрович

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ И ДИАГНОСТИКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

г о ФЕВ 2014

Москва —2013

005545224

005545224

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог». Научный консультант доктор технических наук, профессор ПУПЫНИН Владимир Николаевич. Официальные оппоненты: ДЬЯКОВ Анатолий Фёдорович, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, корпорация «Единый электроэнергетический комплекс» (Корпорация «ЕЭЭК»), президент;

БУРКОВ Анатолий Трофимович, доктор технических наук, профессор, кафедра «Электроснабжение железных дорог» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС), профессор; МИТРОФАНОВ Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, кафедра «Математические методы и информационные технологии» автономного муниципального образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарская академия государственного и муниципального управления» (АМОУ ВПО "САГМУ"), профессор;

Ведущая организация: ОАО "Научно-исследовательский и проектно-конструк-торский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" (НИИАС). Защита диссертации состоится 12 марта 2014 г., в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д218.005.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 4210

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПС (МИИТ). Автореферат разослан « 7 » февраля 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета * Сидорова Наталья Николаевна.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Ежегодно объём разнообразной информации в мире удваивается. Для эффективной жизнедеятельности любого объекта или системы необходимо, обеспечивая сбор информации, обладающей, прежде всего, такими свойствами как полнота, достоверность и актуальность, ре-ализовывать полномасштабный высокоскоростной анализ информационных потоков, позволяющих обеспечивать поддержку принятия управленческих решений на различных иерархических уровнях объекта или системы.

Помимо качественного информационного обеспечения, эффективность жизнедеятельности любого объекта или системы зависит от обеспечения надёжности функционирования их элементов в нормальных условиях и минимизации повреждений основных элементов в аварийных и нештатных ситуациях.

Система энергоснабжения электрифицированных железных дорог имеет сложную иерархическую структуру со множеством неоднородных информационных потоков, а, следовательно, эффективность её работы будет зависеть от чёткой реализации сбора, обработки, анализа, хранения, распространения и архивирования информации, а также надёжной работы устройств диагностики и защитных систем основного оборудования.

Работа системы энергоснабжения электрифицированных железных дорог в настоящее время происходит на фоне множества параллельных процессов: увеличения электрических нагрузок, ввода в эксплуатацию высокоскоростного и тяжеловесного транспорта и увеличения скоростей движения поездов, включения транспортной системы ОАО «РЖД» в единую европейско-азиатскую транспортную систему, старения оборудования и снижения численности обслуживающего персонала при большой текучести кадров, выхода на рынок частных операторов пассажирских и грузовых перевозок, применения различных технических средств со сложными алгоритмами работы (цифровые многопараметрические защиты элементов силовой цепи, накопители энергии, управляемые устройства компенсации реактивной мощности, устройства регулирования напряжения под нагрузкой и т.д.), развития железнодорожных путей и, как следствие, увеличения числа параллельных ниток движения, повышающее вероятность возникновения нештатных или аварийных ситуаций и т.д. Все это обуславливает высокую динамичность протекающих «медленных» и «быстрых» процессов, необходимость их регистрации, требование к большому объёму информации для обеспечения

мгновенного, кратко-, средне- и долгосрочного анализа в условиях неполноты априорной информации. Изложенное говорит о сложности и уникальности задач, требующих решения специалистами разных уровней в области электроснабжения электрических железных дорог. Отсутствие априорной информации, перекрытия в определённой области множеством токов нагрузки множества токов коротких замыканий является проблемой при создании надёжных устройств защиты и выборе параметров их работы.

В этих условиях интеллектуальные возможности человека входят в противоречие со сложностью переработки значительных объёмов информации, стремлением избежать ошибок при принятии ответственных управленческих решений, временем принятия решения. К основным средствам преодоления этого противоречия следует отнести расширение коллектива лиц, участвующих в процессе выработки решений, и использование современных аналитических программно-аппаратных систем поддержки их деятельности.

Поэтому наряду с обновлением технических средств необходимо непрерывно совершенствовать системы управления хозяйством электрификации и электроснабжения. Концентрацией всех современных технических средств, информационных технологий, организационных методов управления и принятия решений в области электрифицированных железных дорог является развитие автоматизированной системы управления АСУЭ, что обосновывает актуальность создания её компонента - Измерительно-Аналитической Программно-Аппаратной Системы Защиты и Диагностики основного оборудования Тяговых Подстанций (ИАПАСЗД ТП) постоянного тока.

Степень разработанности темы исследования. Исследования проблем создания математических моделей системы тягового электроснабжения (СТЭ), численного решения систем дифференциальных уравнений, описывающих СТЭ, построения цифровых защит фидеров тяговой сети, расчёта погрешностей и помехоустойчивости тракта аналого-цифрового преобразования, выбора уставок защит фидеров тяговой сети, создания систем мониторинга и диагностики силового и коммутационного оборудования тяговых подстанций проводили многие отраслевые научные школы и организации страны: СамГУПС, ПГУПС, ВНИИЖТ, ИрГУПС, МИИТ, ОмГУПС, РГОТУПС, РГУПС, ДВГУПС, ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», ОАО «НИИАС» и др. Большой вклад в исследование данных проблем внесли учёные: Андреев В.В., Бадёр М.П., Баранов JI.A., Бардушко В.Д., Бочев A.C., Бурков А.Т., Бурьяноватый А.И., Быкадоров А.Л., Герман Л.А.,

Григорьев В.Л., Добровольские Т.П., Доманский В.Т., Дынькин Б.Е., Жарков Ю.И., Жиц М.З., Иньков Ю.М., Кисляков В.А., Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Косарев Б.И., Котельников A.B., Ли В.Н., Литовченко В.В., Мамошин P.P., Мари-кин А.Н., Марквардг Г.Г., Марквардт К.Г., Митрофанов А.Н., Неугодников Ю.П., Привезенцев H.H., Пупынин В.Н., Розенберг E.H., Рябцев Г.Г., Савоськин А.Н., Серебряков A.C., Сергеев Н.Г., Сидоров O.A., Скворцов Л.М., Сухопруд-ский Н.Д., Тер-Оганов Э.В., Феоктистов В.П., Фигурнов Е.П., Черемисин В.Т. и другие.

Пели и задачи работы. Целью работы является разработка теоретических и технических аспектов построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока, методов анализа и прогнозирования состояния системы тягового электроснабжения постоянного тока и выбора параметров защит тяговой сети постоянного тока от перегрузок и коротких замыканий на основе непрерывного измерения показателей работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) и моделирования режимов её работы.

Основными задачами исследования являются: разработка концепции построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка интеллектуального терминала защиты и автоматики и универсального измерителя; разработка методики расчёта электромагнитной обстановки в РУ, КРУ, КСО; разработка модели тракта аналого-цифрового преобразования токов и напряжений фидеров контактной сети тяговых подстанций постоянного тока и методики анализа и синтеза трактов аналого-цифрового преобразования; разработка методики обработки и структуры распределения и представления информации на различных уровнях иерархии ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка средств и алгоритмов диагностирования и оценки состояния основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка программного комплекса для экспресс расчётов квазиустановившихся режимов работы СТЭ и расчётов режимов работы СТЭ с учётом переходных процессов.

Научная новизна;

- Предложена математическая модель, описывающая работу СТЭ, как единую электро-магнито-механическую систему, позволяющая моделировать работу основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока, тяговой сети и тягового электрооборудования подвижного состава с учётом переходных процессов.

— Показано, что использование параллельных вычислений при выбранной автором совокупности методов численного решения системы дифференциальных уравнений позволяет повысить скорость моделирования СТЭ в 5-6 раз и обеспечить возможность использования результатов в системах подготовки принятия решений.

— Предложены методы сжатия информации в системах измерения параметров СТЭ, обеспечивающие возможность передачи дискретной информации по заданным каналам связи и уменьшающих объем памяти во встраиваемых системах диагностики и мониторинга.

— Предложена методика построения цифровой защиты фидеров тяговой сети постоянного тока на базе статистического подхода к анализу тока и напряжения фидеров тяговой сети постоянного тока.

— Показана эффективность разработанных автором моделей для расчёта погрешностей и помехоустойчивости тракта аналого-цифрового преобразования, учитывающих в отличии от известных цифровое интегрирование преобразуемых сигналов и запаздывание информации при первичной обработке сигналов.

— Предложена методика расчёта уставок цифровых многопараметрических защит фидеров тяговой сети постоянного тока.

Теоретическая и практическая значимость работы:

— Разработано алгоритмическое и программное обеспечение с применением теории параллельных вычислений и реализацией на базе графических процессоров, позволяющее проводить имитационные эксперименты в СТЭ для выбора параметров силовой и защитной аппаратуры и для систем подготовки принятия решений.

— Разработаны методы, позволяющие в условиях эксплуатации рассчитывать и корректировать уставки электромагнитных и цифровых защит фидеров тяговой сети постоянного тока.

— Разработаны аппаратная реализация, алгоритмическое и программное обеспечение цифровой защиты фидеров тяговой сети постоянного тока реализующей функцию защиты фидера на основе трёхмерной рабочей области фидера.

— Разработана инженерная методика расчёта погрешностей и помехоустойчивости трактов аналого-цифрового преобразования устройств защиты и диагностики учитывающая в отличии от известных цифровое интегрирование преобразуемых сигналов и запаздывание информации при первичной обработке сигналов.

б

Методология и методы исследований. Методы матричного исчисления, динамическое программирование, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных, теория графов, методы высокопроизводительных вычислений, теория вероятностей, методы минимизации на графах, метод конечных разностей во временной области для расчёта электромагнитных полей.

Положения, выносимые на защиту.

- концепция построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока;

- методика расчёта электромагнитной обстановки в РУ, КРУ, КСО;

- метод сжатия информации о токе и напряжении фидеров тяговой сети и тяговых подстанций без потери информации, реализуемый на базе 8-ми разрядных микроконтроллеров в реальном масштабе времени;

- модель и методика анализа и синтеза тракта аналого-цифрового преобразования токов и напряжений фидеров контактной сети тяговых подстанций постоянного тока;

- методика обработки и структура распределения и представления информации на различных уровнях иерархии ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока;

- алгоритмы диагностирования и оценки состояния оборудования тяговых подстанций постоянного тока;

- методика выбора уставок защитных устройств быстродействующих выключателей фидеров тяговой сети постоянного тока, основанных на работе индуктивного шунта и РДШ;

- методика расчёта относительной реализуемой мощности тяговых подстанций по условию старения изоляции трансформаторов;

- алгоритмы расчёта СТЭ с учётом переходных процессов для персональных суперкомпьютеров;

- программный комплекс для расчётов квазиустановившихся режимов работы СТЭ с учётом режимов рекуперативного торможения;

- принцип построения защит фидеров тяговой сети на основе построения поверхности, аппроксимирующей «рабочую область» фидера в 3-х мерном пространстве.

Внедрение результатов работы. Новые алгоритмы защит и защитные устройства реализованы НИИЭФА-ЭНЕРГО (г. Санкт-Петербург) и внедрены на

сети дорог ОАО «РЖД». Элементы ИАПАСЗД ТП внедрены в ситуационном центре Российской академии государственной службы при президенте РФ. Программный комплекс по расчёту СТЭ с учётом переходных процессов внедрён в эксплуатацию следующими организациями: МосГипроТранс, МосЖелДорПро-ект, Московский метрополитен.

Достоверность научных результатов. Достоверность результатов обеспечивается сходимостью процессов в СТЭ, полученных на базе имитационного моделирования и экспериментов в эксплуатационных условиях. Экспериментальные исследования, подтвердившие достоверность результатов имитационного моделирования проведены на тяговых подстанциях постоянного тока Московской, Октябрьской, Куйбышевской железных дорог и Московского метрополитена. Длительный опыт эксплуатации цифровых защит тяговой сети постоянного тока подтвердил эффективность заложенных принципов построения и методов выбора уставок.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные её разделы были представлены и получили одобрение на 9 научных конференциях и симпозиумах, в том числе на 3-х международных научно-технических конференциях, а именно:

-на Всероссийской научной конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта», г. Москва, 1-4.10.2002; -на Втором международном симпозиуме "Электрификация и ускорение научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте", г. Санкт-Петербург, 21-24.10.2003;

—на Научно-практической конференции «Информационно-аналитические средства поддержки принятия решений и ситуационные центры», г.. Москва, 29-31.03.2005;

-на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на ж.д. транспорте», г. Москва, 1922.05.2005;

—на Научно-практической конференции «Ситуационные центры: модели, технологии, опыт практической реализации», г. Москва, 18-19.04.2006; -на «Supercaps europe 2006», II European meeting on supercapacitors: Development and implementation in energy and transportation techniques, Москва, Сентябрь, 2006 г.;

-на Третьем международном симпозиуме Екгапз'2007 "Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте", г. Санкт-Петербург, 2007 г.; —на Международной научно-практической конференции учёных транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки — «Инновационные технологии в автоматике, информатике и телекоммуникациях», г. Хабаровск, 9-10.10.2008.

Основные положения диссертации были представлены и получили одобрение на межкафедральном научно-техническом семинаре кафедр "Управление и информатика в технических системах", "Электрическая тяга", "Электротехника, метрология и электроэнергетика" и "Энергоснабжение электрических железных дорог" Института транспортной техники и систем управления МГУПС (МИИТ) 19 сентября 2011 года.

Публикации. По материалам диссертации имеется 59 научных работ, из них: 17 публикаций в изданиях, рекомендуемых ВАК; 2 патента на изобретение; 1 патент на полезную модель; 4 свидетельства на программы для электронных вычислительных машин.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 442 страницах, из них 332 страницы машинописного текста, 84 рисунка, 14 таблиц, 202 ссылки на литературу, 81 страница приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны актуальность темы исследования, степень её разработанности, научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методологии и методы исследования и степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе приводится краткий анализ современного состояния исследуемых вопросов, формируется цель и задачи исследования, обосновывается необходимость создания измерительно-аналитической программно-аппаратной системы защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока.

Во второй главе описываются принципы построения ИАПАСЗД ТП.

Общие принципы построения ИАПАСЗД ТП:

Управление электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры -филиал ОАО "РЖД"

Дирекция инфраструктуры -структурное подразделение железной дороги - филиал ОАО _«РЖД» _

- система строится как многоуровневая иерархическая система, соответствующая структуре управления хозяйством электроснабжения ОАО «РЖД»;

- система интегрирует различные подсистемы с целью обеспечения эффективного и надёжного функционирования тягового электроснабжения;

- идеология организации и обработки информации строится в соответствии с клиент-серверными принципами;

- система должна иметь «открытую архитектуру», обеспечивающую функциональную преемственность, эволюционное развитие и модернизацию в целом и поэлементно;

- политика информационной безопасности строится на основе обрабатываемой информации и получаемых результатов, объёма информации и методов её обработки, технологии обработки информации, средств авторизации и контроля доступа.

Приведём организационную структуру управления хозяйством электроснабжения ОАО «РЖД», представленную на рисунке 1. Нижнем уровнем организационной структуры и ИАПАСЗД ТП основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока определим тяговую подстанцию (пост секционирования). Структурная схема ИАПАСЗД ТП уровня тяговой подстанции представлена на рисунке 2.

В работе обоснован принцип создания аппаратуры на базе так называемых интеллектуальных терминалов, на вход которых поступает вся необходимая информация от контролируемого объекта, на базе которой терминал реализует функции анализа, управления, мониторинга, защиты. Построение терминала позволяет дополнительно реализовывать функции телеизмерения, телесигнализации, телеуправления, автоматики, диагностики и самодиагностики, сервисные

Дирекция инфраструктуры структурно!: подразделение железной дороги — филиал ОАО _«РЖД»_

Дистанция энергоснабжения дирекции инфраструктуры -структурное подразделение железной дороги - филиал _ОАО «РЖД>>

Дистанция энергоснабжения дирекции инфраструктуры -структурное подразделение железной дороги - филиал

_ОАО «РЖД»_

Энергоучасток дистанции энергоснабжения дирекции инфраструктуры - структурное

подразделение железной дороги - филиал ОАО «РЖД»

Энергоучастох дистанции энергоснабжения дирекции инфраструктуры - структурное

подразделение железной дороги - филиал ОАО «РЖД»

Рисунок 1 - Иерархическая структура управления хозяйством электроснабжения ОАО «РЖД»

На уровень дирекции инфраструктуры дороги (дистанция электроснабжения,

Объекты мониторинга, контроля и управления

Рисунок 2 -Уровень тяговой подстанции ИАПАСЗД ТП

функции (осциллографирование процессов отключения БВ, индикация часов реального времени, различные счётчики событий и т.д.). Данный подход апробирован автором при создании и внедрении интеллектуального терминала ЦЭАФ-3,3, который производится НИИЭФА-ЭНЕРГО г. Санкт-Петербург. К интеллектуальным терминалам предъявляются высокие требования по защите от попадания под высокое напряжение, обеспечению работы в условиях электромагнитных возмущений, резервированию, точности измерений. Для тяговых подстанций постоянного тока перечень основных силовых объектов выделен в руководящих документах ОАО «РЖД»: - вводная ячейка тяговой подстанции, понизительный трансформатор, преобразовательный трансформатор, выпрямительный агрегат, ячейка фидера тяговой сети;

Существуют другие элементы силовой цепи тяговой подстанции постоянного тока, которые представляют интерес для мониторинга, но разработка специальных терминалов для них нецелесообразна по экономическим соображениям. Для всех точек силовой цепи, которые представляют дополнительный интерес для мониторинга, разработан специальный универсальный измеритель (рисунок 3).

Особое внимание уделяется как при построении интеллектуальных терминалов, так и универсального измерителя к обеспечению точности и помехоустойчивости измерений аналоговых величин, так как на основе измеренных данных происходит работа

Рисунок 3 - Универсальный измеритель (УИ)

цифровых защит, производится их обработка и анализ непрерывно поступающих данных, принимаются управленческие решения и планирование. В работе предложена модель тракта аналого-цифрового преобразования, отличающаяся от известных способом получения цифрового эквивалента с одновременным цифровым интегрированием одиночных результатов преобразований. Модель аналого-цифрового преобразования в виде разомкнутой импульсной системы представлена на рисунке 4.

К3(р)=е-™т

Рисунок 4 - Модель аналого-цифрового преобразования

Линейное звено с передаточной функцией Кг{р) определяется способом получения цифрового эквивалента и моделирует усреднение за время £у1 в устройстве выборки-хранения (УВХ) аналого-цифрового преобразователя

(АЦП). Звенья запаздывания е , где £ = ОД, ...,1 — 1, вместе с безынерци-

онным звеном у описывают реализацию метода цифрового интегрирования для фильтрации аддитивной помехи Я. Идеальный импульсный элемент (ИЭт) преобразовывает сигнал с выхода безынерционного звена - в решётчатую функцию — последовательность 6-функций с весами, равными значению сигнала на выходе безынерционного звена у в моменты времени Ь — п-Т, где п Е N. Линейное звено йТ2(р) реализует операцию восстановления. Линейное звено с передаточной функцией Кп(р) реализует запаздывание на время передачи преобразованного сигнала по каналу связи.

Погрешность преобразования 0[п, е] (п £ М, 0 < е < 1) получаем на выходе сумматора. При исключении погрешности от запаздывания величина <рТ в

звене К3 (р) = е ~г"рТ равна запаздыванию в тракте преобразования. В том случае, когда преобразование используется в системе управления или защиты и погрешность от запаздывания нельзя исключить, <р принимают равным 0.

Для борьбы с аддитивной помехой предусматривается усреднение результата преобразования входного сигнала и помехи. Пусть на шаге от 0 до Г (см.

рисунок 5), I раз осуществляется аналого-цифровое преобразование входного

т

сигнала, где интервал между преобразованиями т равен г = Результирующее значение цифрового эквивалента определяется как среднее значение / результатов преобразования.

а) 1-ое 2-ое 3-е 4-ое (/-3)-ое (/-2)-ое (/-1)-ое /-ое

преобраз. преобраз. преобраз. преобраз. преобраз. преобраз. преобраз. преобраз.

А % *уи

¡у IV

А'«

,пТ

б)

Измерение //, II 1

Измерение ¡¡. и г

Измерение 1з, С/з

/ц/ц ЛгЛу

*и,г ЬзЩз Р«/* ич"> /

Ыоц

!ггОг, /гЛя ЬзУзз и'«г> ЬМе

пТ

Ь(/-2) Ыо

/и«и /згОзг 'ззОзз %/.« 1зА1з*

Передача /?, и г

пТ

ЪТЫЙЧЯЬ.Ц]

Рисунок 5 - Временные диаграммы, поясняющие процесс усреднения результата преобразования входного сигнала и помехи, а) Аналого-цифровые преобразования I значений тока и напряжения в течение одного шага временной дискретизации; б) Аналого-цифровые преобразования и передача усреднённых значений в течение одного шага временной дискретизации

На рисунке 5 также обозначены: Дг0 - время, необходимое для обработки прерывания таймера микропроцессорного устройства, отсчитывающего временные интервалы между преобразованиями, и подготовки устройства АЦП; Д£о; и АЬои - времена, необходимые для обработки прерывания таймера микропроцессорного устройства, отсчитывающего временные интервалы между преобразованиями, и подготовки устройства АЦП для каналов измерений тока и напряже-

ния, соответственно; £:нп - время начала передачи, т.е. время, прошедшее с момента измерения значений тока и напряжения, их цифрового усреднения и начала передачи до конца текущего шага временной дискретизации при измерении; Сп - время окончания передачи, т.е. время, прошедшее с момента окончания текущего шага временной дискретизации при измерении, до окончания передачи усреднённых значений. Очевидно, что шаг временной дискретизации сохраняется как при измерении I замеров, так и между моментами приёма переданных усреднённых значений.

Для созданной модели тракта преобразования выведены формулы для вычисления погрешности преобразования при детерминированном входном сигнале: 0[п, е] = х[пТ + £Т - <рТ] - Ъ[п, е], где

1[п, г] = ~ ■ ^ J х(пТ - [сп + Т - гт - М0 - Су1] - т*) йт"

1=0 О

и для вычисления приведённой дисперсии погрешности сигнала и помехи:

62[0,£]1+л

¡-1 (-1 Су'

3 ¿= о О ' 1=Ог=Оо О

1—1 1-Х ^У*

1 Ддд(О) у у Г [ 5|'п(?па)0(—Т; + Т4 + (| - г)т)) - 51п(пси0(-т| + т1 + (I - г)т)) .

^У!2'2 ! (т-п)о,0(-т;+т; + а-г)т)

Последняя формула выведена с учётом автокорреляционной функции тока

_2|Т|

фидера Яхх(т) = Яхх(0) • е ь , полученной в исследованиях ВНИИЖТа, где £т - время хода поезда под током по фидерной зоне. Автокорреляционная функция сигнала помехи принята как случайного сигнала, спектральная плотность мощности которого равномерна в заданной полосе частот: от пш0 до тш0:

«да« - ЙАя(0)^П(тй,"Т)~"П(П"°Т).

По выведенным формулам произведён анализ работы тракта. В качестве одного из детерминированных входных сигналов принят нарастающий сигнал, описываемый функцией в виде алгебраической суммы экспонент (см. рисунок 6). Максимальное значение погрешности преобразования составляет не более 300А. Так как такая погрешность возникает в области малых значений тока, то существенного влияния на работу алгоритмов защит она не оказывает.

Произведена оценка количества усредняемых одиночных измерений на одном шаге временной дискретизации, необходимого для повышения помехоустойчивости. Видно, что при 8-ми и более усредняемых одиночных измерений среднеквадратическое отклонение (СКО) погрешности сигнала не меняется. При этом оценивается дополнительная погрешность преобразования сигнала, вызванная его интегрированием на шаге временной дискретизации. Проведены исследования зависимости СКО погрешности преобразования сигнала от параметров автокорреляционной функции тока фидера и величины шага временной дискретизации (см. рисунок 7).

Рисунок 6 - Погрешность преобразования при детерминированном входном сигнале

При модели сигнала в виде стационарной случайной функции, заданной своей автокорреляционной функцией, и аддитивной стационарной помехе, некоррелированной с сигналом, оценивались среднеквадратическая погрешность преобразования и коэффициент фильтрации помех. Коэффициент фильтрации определялся как отношение мощности помех на выходе к мощности помех на входе. В том случае, когда помеха задана как стационарная случайная функция с постоянной спектральной плотностью мощности в полосе частот от пш0 до тш0, зависимость коэффициента фильтрации от ширины полосы приведена на рисунке 8. В частности, в полосе частот от 300 Гц до 1200 Гц, которые характерны для шестипульсовой схемы выпрямления, помеха фильтруется на 80% (синий график рисунка 8).

7. пТ

а)

Рисунок 7 - График изменения СКО погрешности преобразования сигнала в зависимости: а) от I (числа измерения за период) при исключении погрешности от запаздывания (синий цвет) и без исключения погрешности от запаздывания (красный цвет), б) от аТ при е = 1 и исключении погрешности от запаздывания и без исключения погрешности от запаздывания при различных I в логарифмическом масштабе. (/ = 1 - красный; 1 = 2- синий; 1 = 5- черный;

1 = 8 - зеленый; I = 10 - желтый; 1 = 20- коричневый; I = 100 - циановый)

/.Гц

Рисунок 8 - Графики изменения коэффициента фильтрации помехи при различных тип для АЦП с аналоговым интегрированием сигнала. (т=4; п=0,1т - красный; т=4; п=0,25т - синий; т=4; п=0,5т - чёрный; т=8; п=0Лт - зелёный; т=8; п=0,25т - жёлтый; т=8; п=0,5т -коричневый; т=15; п=1 - циановый)

Поскольку основным элементом системы на аппаратном уровне принят многофункциональный терминал, а его современная реализация базируется на микропроцессорной технике, и, в свою очередь, микропроцессорная техника подвержена электромагнитному влиянию, то было произведено исследование по оценке влияния электромагнитной обстановки, созданной тяговыми токами и токами коротких замыканий внутри РУ, КРУ, КСО на микропроцессорные терминалы. Для этого предложена методика расчёта электромагнитного поля на основе метода конечных разностей во временной области, разработанного Кейном Ии. Для расчётов объем ячейки фидера тяговой сети разделён на кубические ячейки со стороной 10 см.

Произведено исследование по организации граничных условий счётного объёма. Выявлено, что необходимо реализовывать метод PML (Perfectly Matched Layers - идеально сочетающиеся слои) с не менее чем 7-ю слоями, выполняющими ослабление электромагнитных волн (рисунок 9). Самым крайним ячейкам задано значение вектора Е равным 0. Результаты расчётов, приведённые в таблице 1 показывают, что при разработке аппаратных частей микропроцессорных защит необходимо реализовывать 5-ый уровень степени жёсткости испытаний на устойчивость к воздействию импульсных магнитных полей, определённый МЭК.

Счсшш объем

Рисунок 9 - Схема разбиения ячейки фидера 3,3 кВ на кубические ячейки со стороной 10 см по методу РМЬ

Таблица 1 - Результаты расчётов напряжённостей электрического и магнитного полей при протекании номинальных токов и токов короткого замыкания

Исследуемый объект Режим номинальной нагрузки Режим короткого замыкания (пиковые значения)

Напряжённость Н, А/м Напряжённость Е, В/м Напряжённость Н, А/м Напряжённость Е, В/м

Блок управления 104,21 907,63 431,34 940,36

Блок защит и автоматики 117,18 720,03 914,33 1441,09

Блок развязки 181,47 1907,133 951,14 12124,65

На основании разработанной концепции, когда основным элементом системы на аппаратном уровне выбран многофункциональный терминал, с учётом анализа тракта аналого-цифрового преобразования и методики оценки электромагнитной обстановки, был составлен модельный ряд многофункциональных микропроцессорных терминалов для основных устройств тяговой подстанции. Это терминалы для фидеров тяговой сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3; для преобразовательного агрегата ЦЗА-ПА; для трёхфазного трёхобмоточного трансформатора ЦЗА-ТЗ; специальный терминал для фидеров тяговой сети метрополитенов ЦЗАФ-825-М2.

Разработанная линейка интеллектуальных терминалов была модифицирована для интегрирования в РС. Например, модифицированная модель ЦЗАФ-3,3-М2 включает следующие функции:

■ максимальной двунаправленной токовой защиты;

■ защиты по приращению тока;

■ защиты по минимальному сопротивлению (дистанционная защита);

■ защиты по интегралу тока за время его нарастания;

■ защиты по скорости нарастания тока;

■ защиты по минимальному напряжению;

■ защиты проводов контактной сети от отжига (квазитепловая защита);

■ посредствующего звена земляной и дуговой защит ячеек РУ;

■ автоматики повторного включения выключателей фидеров контактной сети;

■ устройства резервирования отключения выключателя (УРОВ) - УРОВ-дат-чик и УРОВ-приёмник;

■ узла блокировок, предотвращающего ложные срабатывания выключателей смежных, фидеров и связанные с ними пережоги проводов изолирующих сопряжений при проходе по ним ЭПС;

■ управления местного и телемеханического выключателями обслуживаемого фидера;

■ автоматического определения вероятной причины отключения выключателей обслуживаемого фидера в результате срабатывания защит терминала:

• от перегрузки;

• от короткого замыкания в контактной сети;

с функцией прогнозирования остаточного ресурса выключателей обслуживаемого фидера;

II посредствующего узла испытателя на наличие короткого замыкания перед АПВ;

И измерения абсолютных значений энергии (кВт • час) и ампер-часов (А • час); Н регистрации электрических процессов на обслуживаемом участке контактной сети, приводящих к срабатыванию защит терминала; Н диагностики оборудования обслуживаемого фидера контактной сети; Н самодиагностики;

Функции ЦЗА-ПА включают в себя: И Функции защиты:

— продольной защиты преобразовательного агрегата;

— трёхступенчатой максимальной токовой защиты от междуфазных повреждений с контролем двух или трёх фазных токов;

— защиты от несимметричных режимов по току обратной последовательности;

— выдачи сигнала пуска максимальной токовой защиты для организации логической защиты шин.

■ Функции автоматики:

— отключение и включение быстродействующего автомата обратного действия (БАОД) по внешним командам, защита "от прыгания" выключателя;

— возможность подключения внешних защит: дуговой, газовой, от замыкания на землю, от пробоя вентилей;

— отключение БАОДа при открытии дверцы ячейки БАОДа;

— формирование сигнала УРОВ при отказах своего выключателя;

— управление вентилятором трансформатора;

— управление вентилятором выпрямителя с контролем срабатывания от ветрового реле;

— автоматическое включение резервного агрегата при аварийном отключении основного;

— автоматическое включение резервного агрегата при перегрузке основного и отключение резервного агрегата при снижении нагрузки.

Подключение ЦЗА-ПА для обеспечения функции продольной защиты изображено на рисунке 16.

Функции ЦЗА-ТЗ включают в себя: И Быстродействующую дифференциальную токовую отсечку по действующему

и мгновенному значениям тока; ■ Дифференциальную токовую защиту с уставкой (0,3—1,0) 1„ом с блокировкой

по второй гармонике, направленным торможением от токов сторон и с отстройкой от бросков тока намагничивания. Запрет блокировки по второй гармонике при насыщении ТТ током КЗ;

■ Резервные максимальные токовые защиты высшей, средней и низшей сторон трансформатора, с комбинированным пуском по напряжению. Отдельные реле действия на стороны НН и СН;

■ Входы газовой защиты трансформатора и РПН;

■ Автоматическую компенсацию погрешности тока небаланса от работы регулятора напряжения;

■ Одинаковая схема подключения обмоток (звезда) с программируемой группой соединения обмоток трансформатора, цифровое подключение на треугольник;

■ Сигнализацию появления тока небаланса;

■ Защиту от перегрузки с действием на сигнал;

■ Управление вентилятором по дискретным входам и/или по току.

Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока, оборудованной многофункциональными микропроцессорными интеллектуальными терми-

Состоятельность предложенных принципов построения тракта аналого-цифрового преобразования и требований по электромагнитной совместимости была доказана с помощью многократных многодневных замеров на действующих подстанциях Московской, Октябрьской, Куйбышевской железных дорогах, подвижном составе метрополитена типа 81 -814, 81-817, а также при оценке эффективности применения рекуперативного торможения на Московском метрополитене. На рисунке 11 представлен пример записанной осциллограммы в течении 11 суток (рисунок 11,а), её детализация в минутном масштабе (рисунок 11,6) и максимальная детализация в миллисекунд-ном масштабе времени (рисунок 11,в). Фрагмент, изображённый на рисунке 11в представляет, очевидно, отключение короткого замыкания.

налами, представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Построение тяговой подстанции постоянного тока на интеллектуальных терминалах

Рисунок 11 - Пример записанной осциллограммы в течении 11 суток (а), её детализации в минутном масштабе (б) и максимальная детализация в миллисекундном масштабе (в) Интеллектуальные терминалы осуществляют измерение и оцифровку первичных параметров (как правило, ток и напряжение), а также их предобработку, реализовывая, тем самым, нулевой и первый уровни стандартной схемы построения АСУ ТП - сбор и предобработку первичной информации, телесигнализацию, реализацию взаимодействия с коммутационными и иными элементами управления, исполнение команд телеуправления.

Второй уровень АСУ ТП строится на сервере тяговой подстанции, осуществляющим консолидацию измеренных данных, её хранение и подготовку к распространению на уровень энергоучастка. Для разделения информационных потоков PC и существующей системы АСТМУ на данном уровне предполагается использование разных серверов, что позволит исключить взаимные влияния, повысит надёжность, а в случае выхода одного из серверов из строя, осуществить перевод жизненно важных функций на оставшийся в работе сервер.

Третий уровень АСУ ТП строится на базе существующих каналов передачи информации: проводных или оптических (основной канал), при этом радио канала стандарта GSM 3G(4G,5G) является резервным с ограничением запросов данных. Для эффективной передачи данных были исследованы методы сжатия информации о токе и напряжении фидера тяговой сети и тяговой подстанции для ускорения передачи рабочих и аварийных осциллограмм и уменьшения трафика. Анализ существующих методов сжатия по критериям скорости сжатия, адаптируемости, требовательности к памяти, простоте реализации, однопроходности и возможности работы в реальном формате времени (с шагом дискретизации порядка 1 мс) позволил остановиться на модифицированном алгоритме расширяющихся деревьев или расширяющегося префикса. Вблизи корня двоичного дерева на расстоянии 1-3 битов располагаются листья для приращений «О», «+1» и «-1». Устанавливается запрет на их перемещение, что позволяет повысить скорость

сжатия и исключить борьбу за ближайшее к корню место между этими приращениями. При этом было замечено (см. рисунок 12), что выгодней сжимать не сами значения, а их приращения, причём листья со значениями 3-х разрядов АЦП зафиксированы около корня дерева. Таким образом, удалось достичь устойчивой степени сжатия в 11-15 раз.

р а) м £_ б) В)

ОА----------------------- ...............—....... ад

0.3 ад о,- 0.2

сд ................... >.1 -----------

(-10М.-1 ИЛ) (0.1) (1А [2.10251 г~ (-1024.-1) (1Л) (0.1) (V) (2.1023) И024.-1) (-1.0) (0.1) С«-" "»«-ХЧ [1Л [г,1021)

Рисунок 12 — Плотность вероятности приращения тока при осциллографировании на: а) ТП «Голицьшо»; б) ТП «Мытищи»; в) ПСК «Москва»

Измеряемая информация поступает на сервер уровня тяговой подстанции, на котором в реальном времени происходит её агрегирование, обработка и определяются основные показатели работы силового оборудования. Методы обработки информации были отлажены на реальных замерах, произведённых на действующих подстанциях железных дорог и Московского метрополитена. На рисунке 13 показаны максимальные, минимальные, средние, среднеквадратичные значения тока и напряжения за сутки. Выведены графики средних и среднеэф-фективных значений токов и напряжений, показаны максимальные уровни этих графиков. Усреднение может проводиться за любой нормативный период усреднения, по которому проводиться проверка пригодности оборудования для данных условий работы.

Производится определение температуры наиболее нагретой точки трансформаторов (понизительных и тяговых). Для ускорения расчётов используется упрощённая модель расчёта температуры наиболее нагретой точки трансформатора1:

Итп 1 + 'тП ¡-г-'-'тП Г'тп ¡-1

К1 = -5-. д$м . = 39,7 . к? + 15,3; Д£об . = 19,4 • К? + 3,6

'н

Пштот = Тою- + Рм о + ОЮм I - Рм о) • (1 - +Т0б о + (Д^об ■ - Г0Б о) ' (1 -

где /тп;, /ТГ1 £_х - текущее и предыдущее значение тока подстанции, А; /н -

1 Формулы для приращения перегрева масла над температурой обмотки и обмотки над температурой воздуха Д19м , Дй0Е предложены К.Г.Марквардгом

номинальный ток трансформатора, А; Д#м (, Дт90б I ~ текущие приращения перегрева масла над температурой обмотки и обмотки над температурой воздуха, °С; Т0КР, Рмо, Г0Б 0 - текущие температуры окружающей среды, перегрева масла над температурой обмотки и перегрева обмотки над температурой воздуха, °С; Дt - шаг по времени, сек; тм ,т0Б - постоянные времени масла и обмотки, сек.

Минимальное/Максимальное значения тока: -937.496А / 2270.498А Минимальное/Максимальное значения напряжения: 2112.340В / 4514.222В Среднее значение/ с.к.о. тока: 83.681 А / 302.580А Среднее значение/ с.к.о. напряжения: 3399.698В / 101.121В

3 600

3 400

3 200

3 000

2 800

Ш 2 600

0 2 400

1 2 200

— Эф. ток

— Эф. напр. -Ток

— Напряжение

Макс.эф.(6сек)тс

20 000 000

40 000 000 Время, мсек

60 000 000

80 000 000

Рисунок 13 - Представление информации по результатам статистической обработки замеров

токов и напряжений фидера

Историю изменения температуры наиболее нагретой точки обмотки выбранного трансформатора и подстанции можно отображать в виде графика, пример которого представлен на рисунке 14.

Рисунок 14 - График изменения температуры наиболее нагретой точки обмотки

понижающего трансформатора тяговой подстанции «Петухово» Важным элементом анализа является построение столбчатых диаграмм для значений токов и напряжений фидеров и тяговых подстанции. Изменение вида столбчатых диаграмм говорит о изменении режимов работы оборудования, что может быть связано с изменением условий работы энергоучастка или изменением физических характеристик силового оборудования. В любом случае, появляется необходимость анализа этих изменений, выявление их причин и принятия управленческих решений. Изменение вида столбчатых диаграмм крайне важно заметить, поскольку это может потребовать корректировки уставок защит. Как компактная и наглядная форма представления статистического материала данные столбчатые диаграммы представляют большую ценность в понимании состояния участка СТЭ. На рисунке 15 представлены примеры построения столбчатых диаграмм для суточных наблюдений тока (а) и напряжения (б) тяговой подстанции «Дмитров».

» .■■fllliilll... •-■■11-»

I в В 1111111 i g I g | ^ Z4 ^ Z4 Z1 ^

II lili i Ш lilis /'

Ток, A - 5 £ ü & н Напряжение, В

Рисунок 15 - Столбчатая диаграмма тока тяговой подстанции «Дмитров» а). Столбчатая диаграмма напряжения тяговой подстанции «Дмитров» б) Важным интегральным параметром работы тяговой подстанции является

её внутреннее сопротивление и напряжение холостого хода. Аналитические расчёты этих величин носят весьма условный характер, так как базируются, в том числе, на параметрах внешнего энергоснабжения, в то время как точность определения данной величины важна в таких расчётах как расчёт токов коротких замыканий и выбор уставок защит, моделирование СТЭ с целью модернизации участка или прогноза. В реальном времени по результатам замеров строится внешняя характеристика тяговой подстанции методом наименьших квадратов для линейной функции

N

Е(А,В) = £(1к-А + В-ик)2; к=1

\к=1 / \к=1 / К=1

/» \ -(¿'к )'А + м-в = 2_,ик

' К=1

N

Ртп = -ж--— У (Ок -Г) • сик - О)) ; ихх = и-рт

к=1

■I.

1 ЮС 1 00( 90«!

Внешняя характеристика ТП

IШЙ*

'0 500 1 ООО 1 500 2 000 2 500 3 ООО 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000 5 500 7 ООО 7 500

I. А

Рисунок 16 - Внешняя характеристика ТП-26 Московского метрополитена, построенная на

основе замеров

е

Рассчитывается температура проводов контактной сети вблизи тяговой подстанции по следующим выражениям

.2 \ 21

ас = [(~)2 - (—) 1 + 4,42 • Кх • К т-тОКР[\юоУ 4100/ \ ' 1

у 0.6

2 ро.4 '

N11 = + Е ■ АР-о ■ р'с-1* р + Е ■ АР-0 ■ Р'с-рс-ьш-1* -к0- р ■ N12 = I2 ■ Я0 + Е • АР ■ Э + I2 ■ Н0 ■ Рс ■ Скп + Е ■ АР ■ £> • /?с • Скп;

N12

N11

-N11-1

1 _ еС0 т-(1+^с-Гкп)

-М1-С

+ <?0 • еС0-т-(1+/?с-гКп) (

Вт

где ас - результирующий коэффициент теплоотдачи, - коэффициент

поглощения солнечного излучения и степень черноты провода; V - скорость ветра, -; £> - диаметр провода, м; т - масса единицы длины провода, —; Р -

площадь поверхности единицы длины провода, —; /?,/?с. Р'с - температурные

коэффициенты, —; С0 - удельная теплоёмкость материала провода при 0°С,

В модели учитывается состояние проводов, их изношенность, направление и сила ветра, температура окружающей среды. Расчёт ведётся с целью оценки возможности отжига провода, а также для оценки возможности увеличения пропускной способности.

Сравнение расчетной температуры контактного провода и реально измеренной тепловизором приведено на рисунке 17,а. Как видно из рисунка, характер зависимостей одинаковый, смещение графиков объячняется учетом в расчетах средней температуры по г.Москва, сообщенной ГУ "Гидрометцентр России", которая отличалась от реальной локальной температуры перегона «Фили» — «Одинцово». Пример вывода графика изменения температуры контактного провода реального участка приведен на рисунке 17,6

£Г % Температур» лкр.гредм: -I гр.Ц; < корысть «к-тра: 2 м/с;

Вил в<>1Д>ш»<хг> ногася: Тимвиирнмй; Пиш«скн: \Ш(Н2МФ100 Тара! У|«1 между «амрявддеаеи ютри м иромааяп КП: 9<> |р.

> к- О \ч к4 ч4' к4 к4

_Время_'

I Тепловизор^--Расчет |

а мм> кит

Рисунок 17 - Сравнение температуры КП на перегоне «Фили» - «Одинцово», полученной в

ходе измерения тепловизором, установленном на вагоне-лаборатории и в результате косвенного расчёта по данным тока фидера ТП «Фили» (а). История изменения температуры контактного провода реального участка (б)

По осциллограммам процессов отключения быстродействующих выключателей фидеров тяговой сети постоянного тока, сформированных терминалами,

рассчитывается коммутационный ресурс БВ. Сначала определяется возможная причина отключения: перегрузка или КЗ. Определение ведётся по соотношениям времени и величины отключаемого тока и напряжения на контактах выключателя (см. рисунок 18).

Рисунок 18 - Определение вероятной причины отключения по соотношениям времени и величины отключаемого тока и напряжения на контактах выключателя

Затем, после определения возможной причины отключения, рассчитывается энергия, выделенная в дугогасительной камере. В соответствии с возможной причиной отключения накапливается суммарная энергия отключения, которая сравнивается с ресурсом камеры (отдельно для верхней и нижней частей) и глав-

ных контактов:

1верх

^Г J ¿к-ив-с1С; Анижн = I ¿н ■ ив ■ М + I ¿к ■ и

и

(И

по отключ. ¡2 п0 отключ.

Для первоначального автоматического определения уставки РДШ или выработки рекомендаций по его корректировке (для участков, оборудованных интеллектуальными терминалами фидеров тяговой сети, РДШ остаётся в работе как резервный элемент), а также для участков силовой цепи тяговой подстанции, не оборудованных интеллектуальными терминалами, т.е. тех участков, на которых функции защиты выполняет РДШ, с помощью универсального измерителя можно определить, на основе большой выборки измеренных токов, уставку РДШ, которая будет обеспечивать необходимое число срабатываний БВ и обеспечивать нормативный временной ресурс его работы. На основе аналитических выражений с учётом разностной аппроксимации дифференциальных уравнений рассчитываются токи приводящие к отключению. Для выключателей постоянного тока с индуктивным шунтом (АБ-2/4, ВАБ-43):

¿р + ¿ш , т = -——г—

Яр + Яц

" а}+1> с —

$ ) + \ — ¿РУ " е

д с

Ьр + ¿ш

г2л

Для выключателей постоянного тока с защитным реле РДШ: 7+1

т =

¿1 + ^г

Й! + Я2

; =

_ (Яд ~ ^2)^+1 _ (^1 ~ +

— Д2

Дс / Дс\ К., — Ку

О'з; - + * ■ Ь ■ + (С ■ Т - Ь ■ т2) (1 - е-т) > (12 - ¿Оу = /у^г^

Массив оцифрованного тока фидера обрабатывается в соответствии с приведёнными уравнениями, после чего строится график обработанного тока (см. рисунок 19, в данном случае график разности токов в ветвях РДШ), на который накладывается уровень статической уставки БВ. Превышение уровня статической уставки БВ графиком обработанного тока означает срабатывание БВ. Уровень статической уставки можно подбирать на основе количества отключений. При невозможности подбора уровня статической уставки, изменяют параметры РДШ (меняют величину пакета железа) и повторяют расчёты.

Ток фидера

а) 5000 -----------

4 500

б)

5 000 4 500 4 000 3 501) 3 000

:

I 2 500

! 2 000 1 500 1 000 500 0

О 100 000 200000 300 000 400000 500000

Время, сек 12-11

100 ООО 200 000 300 000 400 000 500 000

Время, сек

Рисунок 19 - График реально измеренного тока фидера а). График разности токов в ветвях РДШ, чёрная прямая - уровень существующей статической уставки БВ, красная прямая -выбранная по результатам обработки замеров уставка БВ

Во всех исследованных случаях (более 20 тяговых подстанций Московской, Куйбышевской, Октябрьской, Горьковской ж.д. и Московского метрополитена) уставка может быть понижена, что не приведёт ни к увеличению ложных срабатываний, ни к сокращению коммутационного ресурса, а защищённость фидерной зоны повысится. Безусловно, при смене режимов работы фидера уставка должна быть скорректирована.

Также, в режиме on-line ведётся расчёт температуры р-n перехода2:

Ii + Ч1 + h ■ h-1

ср 2 • N ' эф N

АП Ка-и0-а + М) 1К1-Яа-(1 + Ар2 2 АР~ Ь^а /ср+ 12^ 7зФ

т г т

vЛ,¡ = • + АР ■ Я'к • (1 - ; Тр_п = ^ у,у + Т0Кр ,

к=1

где /ср- средний ток одного агрегата. А; /¡, - текущий и предыдущий токи ТП, А; /Уагр - число работающих агрегатов; Ка — коэффициент схемы выпрямления; и0 ~ пороговое значение напряжения включения диода, В; — среднее динамическое сопротивление диода в проводящем состоянии, Ом; а — число параллельных ветвей; Тр-п - температура р-п перехода, °С; тп — число тепловых переходов; тн - время импульса тока, сек; тк - постоянная времени к-ого теплового перехода, сек; Н'к - установившееся тепловое сопротивление к-ого теплового перехода, —; Токр - температура окружающей среды, °С; (1 + ДО - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока между параллельно работающими вентилями; ук1, ук - текущий и предыдущий перегревы А:-ой структуры тепловой модели р-п перехода.

Для повышения надёжности работы преобразовательных агрегатов подстанций на основе совместной работы ЦЗА-ПА и универсального измерителя предложена продольная защита преобразовательного агрегата, схема которой представлена на рисунке 20. Условия срабатывания такой защиты определяются

/2 и2

следующими выражениями: ДР = ■ Ркз + • Р^ + АРт; Рзф - АР > Руст.

^ном ^ном

■ Формула для потери мощности ДЯ предложена С. Д. Соколов, Ю. М. Бей, Я. Д. Гуральник, О. Г. Чаусов в книге «Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций»

тни

Существенной значимостью обладают решения вопросов выбора уставок цифровых защит фидеров тяговой сети и разработки новых, более совершенных алгоритмов защит. Эффективность существующей защиты фидеров тяговой сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3 (ИнТер-3,3) определяется реализацией на микропроцессорной основе шести видов одно - и многопараметрических защит, которые работают одновременно, дополняя и резервируя друг друга. Однако множественность особенностей функционирования фидеров затрудняет определение уставок всех защит ЦЗАФ-3,3. Это заставляет непрерывно совершенствовать принципы построения и алгоритмы за-

=330

Оптический канал

ЦЗА-ЛА

Рисунок 20 — Схема реализации продольной защиты ЦЗА-ПА

щиты ЦЗАФ-3,3. Возможности современной микропроцессорной техники позволяют существенно повысить эффективность защит микропроцессорных терминалов и автоматизировать выбор их уставок.

Предлагаемый алгоритм микропроцессорной защиты фидеров тяговой сети постоянного тока (ЗФТСПТ) основывается на использовании непрерывной системной длительной записи измеренных показателей работы фидера тяговой сети, осуществляемой самой микропроцессорной защитой. Результатом таких замеров является трёхмерная область работы фидера - так называемая рабочая зона фидера (РЗФ), построенная в осях: «ток фидера - 1ф, А», «приращение тока фидера за заданное время его измерения - Д1ф, А» и «напряжение на шинах тяговой подстанции - иш, В». Две первые оси являются традиционными, а третья введена для оценки влияния напряжения на шинах подстанции на величину 1ф, и приращение Д1ф тока. Запись параметров производится дискретно через 1 мс. Пример такой РЗФ тяговой сети Московского метрополитена представлен на рисунке 21.

Естественно, что в РЗФ также попадут результаты замеров при аварийных режимах и перегрузках, завершившихся отключением фидера по команде обслуживающей их микропроцессорной ЗФТСП. Однако эти аварийные параметры могут быть автоматически легко изъяты при использовании параллельно проводимых записей (осциллограмм) процессов отключения.

€00 400 200 Д1 0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200

920

840 и,В

/820

-ЮОО

1000 2000 1,А

3000

800

Рисунок 21 - РЗФ тяговой сети Московского метрополитена Поскольку срабатывание микропроцессорной защиты по параметру Д1ф зависит от времени его измерения, то для конкретного фидера необходимо получить несколько вариантов РЗФ. Это даст возможность выбрать наиболее приемлемое значение времени измерения.

Срабатывание защиты и отключение защищаемого фидера происходит при попадании замеренного значения точки с некоторым запасом выше РЗФ, Уставками такой защиты, в зависимости от мощности применяемого микроконтроллера, могут быть

• поверхность, построенная методом триангуляции Делоне (рисунок 22,а) с учётом коэффициента запаса, охватывающая РЗФ;

• зонная аппроксимация РЗФ на основе метода наименьших квадратов для полинома 4-ой степени — полосы поверхностей, огибающие РЗФ в пределах областей изменения напряжения на величину диш, построенные с некоторым запасом по отношению к РЗФ (рисунок 22,6).

Проекции РЗФ на плоскости 1ф-Д1ф, 1ф-11ш, Д1ф-иш могут быть использованы для выбора уставок существующих многофункциональных микропроцессорных терминалов.

В третьей главе описывается система сбора и обработки информации на четвёртом уровне, который строится на базе существующих дорожных электротехнических лабораторий, энергодиспетчерских пунктов и стационарных или

мобильных ситуационных центров уровня дирекций инфраструктуры дорог, дорог и Управления электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО "РЖД".

а) б)

Рисунок 22 - Аппроксимация РЗФ методом триангуляции Делоне (а) и зонная аппроксимация РЗФ методом наименьших квадратов для полинома 4-ой степени (б)

Рисунок 23 - Уровень дистанции энергоснабжения дирекции инфраструктуры - структурное подразделение железной дороги -филиал ОАО «РЖД»

Измеренные значения поступают от тяговых подстанции по оптическим каналам в сервер сбора и обработки информации, расположенного на уровне дистанции энергоснабжения дирекции инфраструктуры -структурное подразделение железной дороги - филиал ОАО

«РЖД» (рисунок 23). В ходе обработки непрерывно отображаются уровни напряжений и расход электроэнергии по всем тяговым подстанциям энергоучастка, что даёт возможность отслеживать совместную работу тяговых подстанций (рисунок 24).

МдооЯр-мц

10 12 14 16 78 20 22 Время, ч

Уровень напряжения на шинах ТП, В

Малоярославец Обнинское

Пара Апрвлввка Внуково

Рисунок 24 - Уровни напряжения и расход электроэнергии по всем ТП энергоучастка

Наглядное представление о загруженности тяговых подстанций даёт расчёт относительной реализуемой мощности трансформатора тяговой подстанции по старению изоляции:

к - I - ^ + + '

_Д£_ м

~ ^ннт.и -(1-е г°«) - 15,3 • е - 3,6 • е т°б

м ""дг ;

39,7 ■ е т« + 19,4 • е Т»6

к 1V-'

£=1

где /с,- - коэффициент нагрузки на трансформатор на ¡-ом шаге временной дискретизации; 1Ь - эффективный ток нагрузки силового трансформатора на ¡-ом шаге временной дискретизации, А; Дt - шаг временной дискретизации, с; Г -расчётный период, с; п - количество шагов временной дискретизации At за расчетный период; Р[ - относительная реализуемая мощность трансформатора тяговой подстанции по старению изоляции для ¡-ого шага временной дискретизации; Р" - относительная реализуемая мощность трансформатора тяговой подстанции за расчётный период;

■ К.ь -[1-е 'Л

Отюотг.пт рм/пнуемая

Пример отображения относительной реализуемой мощности трансформатора тяговой подстанции в виде столбчатой диаграммы представлен на рисунке 25.

Также рассчитывается качество питающего напряжения, подаваемого от внешней энергосистемы согласно ГОСТ 13109-97;

Уровень дирекции инфраструктуры — структурное подразделение железной дороги - филиал ОАО «РЖД» (рисунок 26) консолидирует информацию по всем дистанциям

Рисунок 25 - Столбчатая диаграмма относительных реализуемых мощностей ТП энергоучастка

электроснабжения. На этом уровне принимаются стратегические решения, основанные на информации о состоянии силового оборудования целых направлений, что позволяет координировать модернизацию участков с их текущем состоянием и потребностями экономики регионов.

Состояние оборудования оценивается по остаточному ресурсу трансформаторов и выпрямительных агрегатов, определяемых по следующим формулам3:

I

¿тр = 2 ■ ; ¿па

О ]=1

где Т - расчётный период, с; 0ннт (1 - Температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора; ¿ТР — относительное сокращение срока службы трансформатора; УУ0 - предельное число термоциклов. Для современных полупроводниковых приборов = 47 • 109; А,у, с - параметры, зависящие от типа силового полупроводника. Для диодов типа Д163-1600-50 А = 6400,у = —2.1,с = 1.034. Для ЮВТ транзисторов, производства Бегшсгоп А = 640, у = — 5, с = 1.029. Д7} - градиент температуры р-п перехода при обработке /-ого замера или на/-ом шаге имитационного процесса моделирования системы тягового электроснабжения, К; Еа - энергия активации р-п перехода, Дж. Для диодов типа Д163-1600-50 Еа = 0.81 эВ. Для ЮВТ транзисторов, производства Бепнсгоп Еа = 0.78

2 6

ДГ-Г . е КБ-Тт<:

3 Формула для оценки остаточного ресурса трансформатора описана в ГОСТ 14209-85

ГВЦ, Управление электрификации и элскгроснавжсння Центральной днрма*« инфраструктуры - филиал» ОАО "РЖД" Корпоратаижл

Дж

эВ. КБ - постоянная Больцмана, —; Тти — температура р-п перехода при обра-

К

ботке /-ого замера или на /-ом шаге имитационного процесса моделирования системы тягового электроснабжения, К.

Состояние силового оборудования участков отображается на сводной кру-говои диаграмме, пример которой пред-ы"<""г ставлен на рисунке 27.

В четвертой главе описывается построение программного комплекса по расчёту СТЭ в квазиустановившемся ре-

дистанция I

аицааавите! жиме и с учётом переходных процессов.

Сервер приложений

обр. миф в БД

ялектросяабхеиия !

дистанция пектроснабжения | | электроснабжения |

Рисунок 26 - Уровень дирекции инфраструктуры - структурное подразделение железной дороги - филиал ОАО «РЖД».

Г|тпсф<>|>ми'11>]>ы

.""•НЫС ИГ]'«-)

|«н»ш« ю% нее;

Рисунок 27 - Пример отображения сводной информации по состоянию оборудования

Круг оперативных задач моделирования включает в себя:

• анализ нештатных ситуаций на линии при: выпадении ТГ1; выходе из строя одного или нескольких питающих фидеров тяговой сети; сбоях в графике движения поездов; и т. п., с целью выработки рекомендаций по временному изменению конфигурации СТЭ для обеспечения перевозочного процесса и правильной работы защитных устройств;

• прогнозирование расходов и потерь электрической энергии в системе тягового электроснабжения;

• прогнозирование электрической нагрузки элементов системы тягового электроснабжения на ближайшее время (0,5-1 ч).

Круг эксплуатационных и проектировочных задач включает в себя:

• определение мощности и оптимального количества ТП на проектируемых участках в зависимости от организации и скоростей движения и заданной величины грузо- и пассажиро- потоков;

• оценку необходимых пределов увеличения мощности и регулирования напряжения ТП действующих участков при увеличении грузо- и пассажиро- потоков, скоростей движения поездов и при вводе в эксплуатацию нового ЭПС;

• определение сечений кабельных линий питающих ТП и ТС;

• определение расхода и потерь электрической энергии в различных элементах СТЭ;

• оценку влияния режима рекуперативного торможения ЭПС на расход и потери электроэнергии как при наличии, так и при отсутствии приёмников избыточной энергии рекуперации различных типов;

• оценку влияния организации движения (различных графиков движения поездов, случайных отклонений от графика) на расход и потери электрической энергии в различных элементах СТЭ;

• расчёт уставок защитных устройств фидеров ТС на базе расчётов токов КЗ с учётом переходных процессов в СТЭ и ЭПС при различных вариациях графика движения и режима ведения локомотивов;

• исследование режима напряжения на токоприёмнике каждого ЭПС при различных условиях функционирования СТЭ (сбой графика движения, увеличение грузооборота, аварийные режимы и т.д.);

• исследование потенциального состояния рельсовой сети;

• проектирование усиления электрифицированных участков;

• определение или корректировка уставок защитных устройств силового оборудования ТП.

Главный элемент процесса моделирования - вычислительное ядро (рисунок 28), которое воспринимает весь спектр исходной информации и рассчитывает результаты. Для эффективного расчёта больших полигонов электрифицированных железных дорог необходимо для вычислительного ядра выбрать методы построения уравнений и их решения. На основе проведённого исследования различных методов: метода контурных токов в дифференциальной форме; метода

6Д о «рофт» пути

БД ов устройства» эгс»*троовб*ения

(ТП. ПС, ППС)

ВД о параметрах Событийная БД

полонов гоеэдов (КЗ. сбой графика и

-Л-

синтетических схем; метода описания электрических схем системой дифференциально-алгебраические уравнений в матричной форме — по критериям простоты построения системы уравнений, »р.««»™«. наличию численных методов

эпс

г Работа ..

»щктных расчета, корректному описанию

устройств ТП

>■ Мгновенные значения токов и напряжений •о все*

ментах схемы, у Про+аяодпые гоков во всех элементах с*«мъ

> Напряженна токоприемниках ЭПС в любой точки пути,

> Сгоростные.

ВД о конфигурации

ад о эащитных Справочная БД устройствах ТП

Рисунок 28 — Вычислительное ядро системы модели рования

и решению емкостных контуров и индуктивных сечений, скорости вычислений, размерности матриц для инвертирования был выбран метод контурных токов в дифференциальной форме.

Система уравнений по методу контурных токов составляется на основе графа схемы замещения, который, в свою очередь формируется на основе моделей элементов СТЭ.

Модель диода представляется нелинейным сопротивлением с двухзонной линейной аппроксимацией ВАХ реального диода, а также источником ЭДС для учёта напряжения открытия диода.

Модель элемента тяговой сети представляет следующую схему замещения:

7777777Г777У77777

"Ч

Кр^актна:

г®

«Ть (КС)

Рельс 1 (Р1)

I_ Зет

7Г?Г/ТГ/Г1>»/7Г1ГГ.1?/>ГГ/т

Элементы тяговой сети находятся между соседними ЭПС и между ЭПС и ТП, но количе-р«льс2<р2) ство элементов тяговой сети всегда не менее 10-20 на фидерную зону. Перемещение ЭПС меняет длину прилежащих элементов.

Модель ЭПС постоянного тока представлена на рисунке 29,а.

Для моделирования процессов не только в тяговой сети, но и на высших ступенях напряжений тяговой подстанции для выбора числа и сечения кабелей, учёта районных нагрузок и т.д. была разработана модифицированная модель трансформатора. Схема замещения трёхобмоточного трансформатора представлена на рисунке 29,6. Для расчёта магнитной системы, представленной на рисунке 29,в, была разработана методика аппроксимации магнитной характеристики на основе гиперболических функций, которая имеет преимущество перед

аппроксимацией полиномами высоких порядков в неограниченной области аргумента при отсутствии искажений функции:

ц = ^ = (АЯ4 + с2Я2 + с3) • $есКс4Н) - (с5Я5 + с6Я3 + с7Я) • 5ес/г(с4Н) ■

ип

еапЛ(с4Я) + (с8 ■ £апЛ(с9Я + с10) + с1гЯ) • 5есЬ(с12Я) ■ 1апЬ(с12Я) + (1 -5есЬ(с12Я)) ■ (с13 — с14 ■ [апк(с9Н + с10)2). Пример построения магнитной характеристики представлен на рисунке 29,г.

а) [V + кпуа( 6)

Рисунок 29 - Схема замещения ЭПС постоянного тока (а). Схема замещения трёхобмо-точного трансформатора (б). Схема магнитной системы трёхобмоточного трансформатора (в). Аппроксимация магнитной характеристики (г) Алгоритм расчёта магнитной системы трансформатора выглядит следующим образом: из расчёта электрической схемы находятся токи обмоток ¿А, ¿в, ¿с; на основании токов находятся начальные значения НА,НВ,НС по выражению Я = —; находятся (или С^) для рассчитанных Я; находятся ФА, Фв, Фс по

(Ъппк^пям- <Ь — СРА(~Рвѻ + 2Ц)хВС)1В-2и)1АСцВ+ГАС11В-'2ирАС11С+2и11сСцС-1:СС'цС+1:АС11с)

формулам. - а^+с^+с^

В Срд+С^в+СцС

ф, =

находятся уточнен-

ные НА,НВ,НС по выражению Я — ^,где 1/и = Ф • Ии = —;

I * * вр

Д= Я,

уточн.

' Янач, если Д< ||, то принимаются значения уточнённых данных, если Д> |г|, то повторяется расчёт с новыми данными Янач = Яуточн .

На основании составленного графа по представленным схемам замещения элементов СТЭ автоматически формируются матрицы инциденций А и В на основе подматриц первой матрицы инциденций Аа и Ар , относящихся к дереву и

хордам полного связанного ориентированного графа схемы замещения СТЭ. Формирование остовного дерева полного связанного ориентированного графа производится на основе модифицированного метода Чена-Ли с использованием метода выявления циклов Томпсона-Гловера. Матрицы инциденций Л и б, а также матрицы, содержащие параметры общей схемы замещения, подставляются в обобщённую систему дифференциальных уравнений, описывающую работу системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава как единую:

- (в X (t<S) + X (5)"г) * fiTf * (В * (*" - Я(В) * вТ * ,<Ю ~ ис(В) - СС™< * -х- •£-))

(af-er+l«

/«»МОЮ (лок) (лок) слою . р2М0К) ф1 слою _ р,(Л0Ю фСЛОЮ _ р4(Л0К) . / слою ('фСЛОЮу'"™.. \

■ ^'столб с™6 ,Встолб """"столб + Г'столб * ф1столб "столб х фстолб "столб х acann t Сстюлб х I ;

/¿Ф1ЧСЛ0К) _ слою,„слою .^.тй)Слок) _ р,слок) ф1СЛОК) _ р?Слою t . / Слою .„. (фСлоюу'"^\

столб Х '8столб • ""»столб столб Х ФХсталб ^'столб Х atanh I сгголб х \фстолб^ I

= ^"олб "Х' ЗИО

,п - (А' Г1*! »<■> х/«" 4-|<и *filVW -Kir"" +rrm x-Vis> -х-ф"4 xf—V" x№<M -£-'B) 1

ЧРУЗЛ — ИдерсюЛ x ^Лдервю * 'дер«о + ^л«ре«о * иСД«Г»»° ^ L ^дереве 'дерево дер"°ди1г \£»7дере>0дн1г 4dt/nepeio *

Для решения данной системы дифференциальных уравнений, проведённые исследования которой показывают, что она относится к так называемой «жёсткой», необходимо выбрать метод численного интегрирования, который за приемлемое время с приемлемой погрешностью производил решение. Для выбора подходящего метода решения данной системы применялись методы Эйлера, Рунге-Кутты классический, Рунге-Кутты в модификации Дорманда-Принца, Рунге-Кутты в модификации Фельберга, Мерсона классический, Мер-сона модифицированный, адаптивные явные и неявные методы, Адамса-Бешфорса-Маултона, диагонально неявные комбинированные методы, метод Гира, неявный Эйлера, диагонально неявные методы Рунге-Кутты. По критериям быстрого затухания «жёстких» составляющих, возможности решения осциллирующих и локально-неустойчивых систем, обеспечения правильного характера огибающей колебательного решения, адаптации времени шага, точности решения, затрачиваемым машинным ресурсам была выбрана комбинация метода трапеций и неявного метода Эйлера 2-ого порядка. Так как на втором этапе выбранной схемы решения применяется неявный метод то в процессе расчётов наиболее целесообразно применить метод Ньютона-Рафсона. Метод Ньютона-Рафсона использует Якобиан СДУ, а полученное аналитическое выражение для СДУ позволяет сразу найти его выражение:

1(1.1) -(¿J"' x В J(1,3) -(У1 X в X

Г"" И»».,. Holl.« 1М„Л

l'JL X п, X ST |10||„„ ЮЗ) р(Д> 2 дни"

№.. 1(4.3) р(Л1 Г6дн.г

"й-*•£»)* П.* В- 110)1 ля. diag (р,с2,„ X П, X В' X /<«>) Holl.™

^Z*. "И*)"' «»« ccji>„ x Пг x 4Ü «0«„л

1= fi«»!*«' I1°IW. ЮЗ) rjZ, Цо|]ЛхЛ

ЙОНлхл ЮИлхл

где J(l,l) = -(¿„г1 х В х (Я(в) х Вт + <гс$г хП,х />™аг х П3 х Вт);

1(1.3) = -У..)-' х В X ^ х П, х diag (-р/^ + P.'l., -х- (dgL« -х- (ф^)'4'1'") - ((¿¡'1J *2 -х- (ф™ .)'"""" - l) ) + CC«, х Лг X ift j 1(3,3) = diag + '.'iL, - х- (Ф™ J"4™''') ((«^f - MLT^" - l))i

1(4,3) = diag [p^ х- (dg^ -х- - («gj**®- - l))-

Решение такой С ДУ за приемлемое время с учётом выбранного численного метода решения возможно за счёт применения высокопроизводительных вычислений NVidia Tesla на базе графических процессоров Fermi и Kepler. Примеры расчётов для тестового участка приведены на рисунке 30.

М-

ш

iiil

щшШш i

_p..-»

ВДШШИШ id

Рисунок 30 - Примеры расчётов тестового участка, а) Токи и напряжения фидера тяговой подстанции, б) Возникновение «короткого замыкания» вблизи электроподвижного состава при его пуске, в) Увеличенный фрагмент процессов отключения короткого замыкания и работы АПВ

Данный подход приемлем для расчётов СТЭ переменного тока.

Для ускоренного расчёта СТЭ постоянного тока для квазиустановившихся режимов с учётом рекуперативного торможения предложен более простой метод на основе следующих соотношений:

УР\К = Атрек ■ ((Су)-1 • (Уту + Лрек -Урек) - (СТ1 ■ А ■ С ■ Ев)

/рек = Кек • (Су)" 1 • Лрек)_1 • ({/рвек ' (СУ)_1 ■ (А ■ С» ■ Е° -/ТУ))

Алгоритм расчёта выглядит следующим образом. После первоначального решения мгновенной схемы на основе уравнения:

где А и В - первая и вторая матрицы инциденций; 1В - матрица-столбец токов ветвей; /у - матрица-столбец задающих токов узлов; Ек — матрица-столбец кон-

турных ЭДС; Я® - матрица сопротивлений ветвей, производится анализ результатов по следующему алгоритму:

1 Если напряжения на токоприёмниках рекуперирующих поездов не превышают допустимых значений и все тяговые подстанции находятся в тяговом режиме — первоначальное решение мгновенной схемы принимается окончательным. При этом напряжения ветвей можно вычислить по рассчитанным токам ветвей по формуле 1/в = Ат ■ <р¥, где <ру = • (Я® • (/» + - £®). Индекс а обозначает принадлежность ветви к дереву схемы.

2 При невыполнении предыдущего условия на одном или нескольких поездах, находящихся в режиме рекуперации электроэнергии, а также при переходе одной или нескольких тяговых подстанций в инверторный режим, осуществляются следующие алгоритмические действия:

a) на ТП, перешедших в режим инвертирования, внутренние сопротивления принимаются равными 1 ГОм. Таким образом, ТП превращается, по сути, в пост секционирования. На последующих итерациях определяются "открывшиеся" ТП, внутренние сопротивления которых принимаются номинальными. Таким образом, наиболее просто, в виде двухзонной кусочно-линейной аппроксимации моделируется ВАХ преобразовательного агрегата;

b) производится определение рекуперирующих электровозов, напряжения на токоприёмниках которых превышают заданную величину, и для них составляются матрицы /рек и Лрск. Производится расчёт частичных токов рекуперации по выражению Урек = (л£ек • (бУ)"1 • Лрек)-1 • (г/рвек + Атрек • (СТ1 • (Л • Св • Ев-7ТУ)).

c) выполняется повторное решение мгновенной схемы, в которое уже подставляются задающие токи узлов, скорректированные по пункту Ь. За счёт уменьшения токов рекуперации электроподвижных составов, определённых в пункте а, происходит перераспределение энергий в схеме, что приводит к изменению всей потенциальной диаграммы схемы и распределению токов в её ветвях;

с1) при необходимости выполняется несколько итераций по пунктам а-с (практически их число не превышает числа тяговых подстанций), в результате которых все поставленные условия выполняются. Напряжения на рекупериру-

ющих поездах не превышают максимально допустимых, а тяговые подстанции находятся в режиме питания нагрузки или по потенциальным условиям в «запертом» состоянии. Окончательным критерием выхода из итерационного процесса является уменьшение евклидовой нормы матрицы, полученной как разница матриц токов ветвей на данном и предыдущем шаге итерации, до требуемого значения (единицы ампер). В качестве примечания следует заметить, что даже при нормативных значениях напряжений в тяговой сети в ряде мгновенных схем возможно увеличение этих напряжений при переходе одной или нескольких тяговых подстанций в «запертое» состояние.

3 Определение энергии рекуперации, отданной поездам, находящимся в данный момент в режиме тяги.

4 Определение энергии рекуперации, потреблённой поездами, находящимися в данный момент в режиме тяги.

5 Запись результатов решения мгновенной схемы в информационную базу.

В пятой главе описываются теоретические подходы к построению и организации работы ситуационного центра по управлению работой хозяйства энергоснабжения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработана концепция построения измерительно-аналитической программно-аппаратной системы защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока, позволяющей повысить эффективность работы хозяйства электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока. Сформулированы основные её задачи и требования к ней.

2 Разработан интеллектуальный терминал защиты и автоматики отличающийся от существующих наличием помехоустойчивого тракта аналого-цифрового преобразования, алгоритмами обработки и сжатия информации, наличием прогноза срока службы оборудования.

3 Разработан универсальный измеритель тока и напряжения, подключаемый в любые точки силовой схемы тяговых подстанций, применение которого на действующих тяговых подстанциях Московской, Октябрьской, Куйбышевской железных дорогах позволило на основе полученной информации выбирать уставки для быстродействующих выключателей, оборудованных индук-

тивным шунтом или РДШ, определять эффективность рекуперативного торможения ЭПС на линиях Московского метрополитена.

4 Разработана методика расчёта электромагнитной обстановки в РУ, КРУ, КСО силового оборудования тяговых подстанций для оценки влияния электромагнитных возмущений на работу микропроцессорных многофункциональных терминалов.

5 Разработан метод сжатия информации о токе и напряжении фидеров тяговой сети и тяговых подстанций без потери информации, реализуемый на базе 8-ми разрядных микроконтроллеров в реальном масштабе времени и обеспечивающий устойчивый коэффициент сжатия 11-15 раз, что позволяет в интеллектуальных терминалах хранить большее число осциллограмм процессов отключений быстродействующего выключателя и использовать универсальный измеритель в РУ в течении длительного времени для сбора статистической информации.

6 Разработана модель тракта аналого-цифрового преобразования токов и напряжений фидеров контактной сети тяговых подстанций постоянного тока, отличающийся от известных учётом способа получения цифрового эквивалента и промежуточной цифровой фильтрацией для повышения помехоустойчивости преобразования.

7 Для детерминированных стохастических моделей входных сигналов и аддитивных помех некоррелированных с сигналом разработана методика анализа и синтеза трактов аналого-цифрового преобразования, позволяющая обеспечить допустимую величину погрешности преобразования и подавления помех при получении измерительной информации.

8 Разработана методика обработки и структура распределения и представления информации на различных уровнях иерархии измерительно-аналитической программно-аппаратной системы защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока.

9 Разработаны приборные средства и алгоритмы диагностирования и оценки состояния оборудования тяговых подстанций постоянного тока, позволяющие на основе анализа результатов цифровых измерений и процессов отключений:

а) оценить коммутационный ресурс быстродействующих выключателей фидеров тяговой сети;

б) оценить остаточный ресурс трансформаторов;

в) оценить остаточный ресурс выпрямительных агрегатов,

что уменьшает трудовые затраты на обслуживание данного вида оборудования. Имеющиеся системы диагностики тяговых подстанций интегрируются в общую систему.

10 На основе анализа суточных результатов измерений токов и напряжений фидеров тяговой сети с шагом временной дискретизации 1 мс разработана методика выбора уставок защитных устройств быстродействующих выключателей фидеров тяговой сети постоянного тока, основанных на работе индуктивного шунта и РДШ.

11 Разработана методика расчёта относительной реализуемой мощности тяговых подстанций по условию старения изоляции трансформаторов для определения степени использования установленной мощности трансформаторов тяговых подстанций. Данная методика может быть использована для обработки результатов системных измерений, производимых системой АСКУЭ ОАО «РЖД». Использование данной методики предоставляет удобный инструмент аналитического онлайн мониторинга работы тяговых подстанций постоянного тока и позволяет определять «узкие места» в СТЭ при разработке планов модернизации участков.

12 Предложены и реализованы эффективные алгоритмы расчёта СТЭ с учётом переходных процессов для персональных суперкомпьютеров, построенных на базе ускорителей вычислений NVIDIA Tesla, использующих графические процессоры Fermi и Kepler, что позволяет повысить скорость вычислений в 5-8 раз и использовать программный комплекс в подразделениях железных дорог, проектных и научно-исследовательских организациях.

13 Разработан программный комплекс, позволяющий проводить экспресс расчёты квазиустановившихся режимов работы СТЭ и обеспечивающий приемлемые времена решения задач на персональных компьютерах для режимов тяги и рекуперативного торможения. Программный комплекс внедрён на Московском метрополитене.

14 Разработан новый принцип построения защит фидеров тяговой сети на основе построения поверхности, аппроксимирующей «рабочую область» фидера в 3-х мерном пространстве, который позволяет с более высокой точностью выявлять характер процессов, протекающих в тяговой сети и повышает способность различать аварийные режимы от рабочих.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Гречишников, В. А. Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 3,3 кВ [Текст] / В. А. Гречишников, В. Н. Пупынин // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. -2004. - № 1. - С. 29-35.

2. Гречишников, В. А. Сравнительный анализ существующих максимально-импульсных защит, реализуемых в блоках микропроцессорных защит БЗ-М1 или ЦЭАФ-3,3 [Текст] / В. А. Гречишников, В. Н. Пупынин // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2004 - №3 -С. 11-14.

3. Гречишников, В. А. Универсальный измеритель [Текст] / В. А. Гречишников // Мир транспорта. - 2005. -№3(11). - С. 44-51.

4. Гречишников, В. А. Энергетическая политика и проблемы энерготранспортной инфраструктуры [Текст] / В. А. Гречишников, Е. В. Федотов // Мир транспорта. - 2005. - №4 (12). - С. 100-105.

5. Гречишников, В. А. Информационно-аналитическая система мониторинга силового оборудования тяговой подстанции электрифицированных железных дорог, метрополитенов и электрического наземного транспорта [Текст] / В. А. Гречишников // Известия самарского научного центра российской академии наук, специальный выпуск «Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития». - 2007. - С. 86-91.

6. Гречишников, В. А. АСУЭ, как развивающийся инструмент информационно-аналитической системы управления энергетическим хозяйством железных дорог России [Текст] / В. А. Гречишников, А. А. Бурмистров // НТТ: Наука и техника транспорта. -2008. - № 2. - С. 47-50.

7. Баранов, Л. А. Оценка эффективности использования стационарных ёмкостных накопителей энергии в метрополитене на основе экспериментальных замеров показателей работы системы тягового электроснабжения [Текст] / Л. А. Баранов, Ю. А. Бродский, В. А. Гречишников [и др.] И ЭлЬктротехника. - 2010. -№1,-С. 62-65.

8. Гречишников, В. А. Расчёт системы тягового электроснабжения метрополитена с учётом частичных токов рекуперации, отдаваемых вагонами типа «Русич» [Текст] / В. А. Гречишников // Электротехника. - 2010. - № 5. - С. 29-33.

9. Гаев, Д. В. Внедрение энергосберегающих технологий на метрополитене ; [Текст] / Д. В. Гаев, А. В. Ершов, Л. А. Баранов, В. А. Гречишников, М. В. Шев-

люгин//Миртранспорта. -2010.-№ 3 (31).-С. 3-7.

10. Бадёр, М. П. Возможность использования накопителей энергии BPS на базе аккумуляторных батарей GIGACELL в СТЭ Московского метрополитена [Текст] / М. П. Бадёр, М. П. Бычкова, В. А. Гречишников, М. В. Шевлюгин // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2010. - Т.1. - №5-6. - С. 23-26.

11. Гречишников, В. А. Преобразовательный агрегат ёмкостного накопителя энергии для системы тягового электроснабжения метрополитена [Текст] / В. А. Гречишников, А. И. Подаруев, М. В. Шевлгогин // Электротехника. - 2011. - № 5.-С. 17-33.

12. Андреев, В. В. Расчёт относительной реализуемой мощности трансформатора тяговой подстанции по старению изоляции [Текст] / В. В. Андреев, В. А. Гречишников, Н. Н. Привезенцев, М. В. Шевлюгин // Электротехника. -2011. -№ 8. - С. 46-49.

13. Бадёр, М. П. Анализ показателей работы силового оборудования системы тягового электроснабжения ОАО «РЖД» на основе мониторинга показателей АС-КУЭ тяговых подстанций в режиме реального времени [Текст] / М. П. Бадёр, В.

A. Гречишников, Ю. Н. Король, М. В. Шевлюгин // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2011. — №5-6. — С. 5-8.

14. Баранов, Л. А. Синтез тракта аналого-цифрового преобразования в системах автоматического контроля и управления железнодорожного транспорта [Текст] / Л. А. Баранов, В. А. Гречишников // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. —2012. -№ 1. — С. 78-86.

15. Баранов, Л. А. Инженерная методика синтеза тракта аналого-цифрового преобразования в автоматических системах железнодорожного транспорта [Текст] / Л. А. Баранов, В. А. Гречишников // Электротехника. - 2012. -№ 12. - С. 19-25.

16. Андреев, В. В. Расчёт интегральных показателей работы разветвлённых систем тягового электроснабжения [Текст] / В. В. Андреев, В. А. Гречишников, М.

B. Шевлюгин // Электротехника. - 2012. — № 12. - С. 32-36.

17. Гречишников, В. А. Теоретическое обоснование эффективности использования накопителей энергии неуправляемого типа в системе тягового электроснабжения метрополитенов [Текст] / В. А. Гречишников, М. В. Шевлюгин // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2013. — №5. — С. 17-19.

Патенты на изобретения, патенты (свидетельства) на полезную модель, патенты на промышленный образец, патенты на селекционные достижения, свидетельства на программу для электронных вычислительных машин, базу данных, топологию интегральных микросхем

18. Способ защиты тяговой сети постоянного тока по приращению тока. Патент на изобретение № 1Ш 2161355 С1, приоритет 15.04.99, по заявке № 99108114/09 (008381) [Текст] / В. Н. Пупынин, В. А. Гречишников; заявитель и патентообладатель МГУПС (МИИТ). - опубл. 27.12.00, Бюл. №36;

19. Программный комплекс «Электроснабжение метрополитена». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610082 [Текст] / В. В. Андреев, В. А. Гречишников, В.Н. Пупынин [и др.]; заявитель и патентообладатель ОАО «Метрогипротранс». - опубл. 11.01.05;

20. Универсальный измеритель для тяговых подстанций и электроподвижного состава метрополитенов. Патент на полезную модель №43977 [Текст] / В. В. Андреев, В. А. Гречишников, В.Н. Пупынин [и др.]; заявитель и патентообладатель ОАО «Метрогипротранс». - опубл. 10.02.05;

21. Программный комплекс «Электроснабжение электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ№2005610812 [Текст] / В. В. Андреев, В. А. Гречишников, В.Н. Пупынин, М. В. Шевлюгин; заявитель и патентообладатель ОАО «Метрогипротранс». - опубл. 02.06.05;

22. Способ прямого определения энергии, потреблённой электроподвижным составом из тяговой сети постоянного тока. Патент на изобретение №2281518, приоритет 22.09.04 [Текст] / А. А. Федотов, В. Н. Пупынин, В. А. Гречишников; заявитель и патентообладатель МГУПС (МИИТ). - опубл. 10.08.06;

23. Комплекс программ для расчёта системы электроснабжения при работе подвижного состава с рекуперацией. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610650 [Текст] / Л. А. Баранов, А. В. Ершов, В.

A. Гречишников [и др.]; заявитель и патентообладатель МГУПС (МИИТ). -опубл. 11.01.11;

24. Модель линии метрополитена для определения эффективности включения режима рекуперации. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610651 [Текст] / JI. А. Баранов, А. В. Ершов, В. А. Гречишников [и др.]; заявитель и патентообладатель МГУПС (МИИТ). - опубл. 11.01.11;

Прочие публикации

25.Гречишников, В. А. Сжатие информации о токе и напряжении фидера контактной сети постоянного тока в реальном формате времени без потерь [Текст] /

B. А. Гречишников // Вестник МИИТа. - 2003. - №8;

26. Гречишников, В. А. Принципиально новая микропроцессорная защита фидеров тяговой сети постоянного тока [Текст] / В. А. Гречишников // Материалы второго международного симпозиума "Электрификация и ускорение научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте". - Санкт-Петербург. — 2003.-С. IV-17-IV-25;

27.Андреев, В. В. Разработка обобщённой имитационной модели электрической тяги 3,3 КВ. Разработка алгоритмов защитных устройств в обобщённой имитационной модели процесса работы системы электроснабжения [Текст] / В. В. Андреев, В. А. Гречишников // Фундаментальные исследования. Отраслевой центр фундаментальных исследований. - 2004;

28. Гречишников, В. А. Информационно-аналитическая система мониторинга оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог России [Текст] / В. А. Гречишников // Труды научно-практической конференции «Информационно-аналитические средства поддержки принятия решений и ситуационные центры». — РАГС. —2005;

29.Гречишников, В. А. Информационно-аналитическая система поддержки принятия решений в области энергоснабжения электрифицированных железных дорог России [Текст] / В. А. Гречишников // Труды VI Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - МГУПС (МИИТ). - 2005. - том 2, C.VI-56;

30. Гречишников, В. А. Анализ и прогнозирование состояния устройств и параметров систем электрической тяги и тяговых подстанций в информационно-ана-

литической системе мониторинга оборудования электрифицированных железных дорог России [Текст] / В. А. Гречишников // Материалы научно-практической конференции «Ситуационные центры: модели, технологии, опыт практической реализации». - РАГС. - 2006. - С.167-175;

31.Гречишников, В. А. Необходимость создания ситуационных центров поддержки принятия решений в области электрификации электрических железных дорог [Текст] / В. А. Гречишников // Труды VIII Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - МГУПС (МИИТ) 2007. - том 1, стр.У-38-V39;

32. Гречишников, В. А. Применение многопоточных вычислений в программах имитационного моделирования систем тягового электроснабжения [Текст] / В. А. Гречишников // Материалы третьего международного симпозиума Eltrans'2005 "Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте". - ПГУПС. -2007.-С. 150-159;

33. Гречишников, В. А. Информационные потоки в информационно-аналитической системе поддержки принятия решений в области энергоснабжения электрифицированных железных дорог России. «Инновационные технологии в автоматике, информатике и телекоммуникациях» [Текст] / В. А. Гречишников // Труды международной научно-практической конференции учёных транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. -ДВГУПС. -2008: - С. 165-170;

34.Андреев, В. В. Расчёт системы тягового электроснабжения метрополитена с учетом частичной рекуперации вагонов типа 81-740.1/741.1 [Текст] / В. В. Андреев, Л. А. Баранов, В. А. Гречишников [и др.] // Труды X Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - МГУПС (МИИТ). -2009. - С. VI-15;

ГРЕЧИШНИКОВ Виктор Александрович

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ И ДИАГНОСТИКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Подписано к печати л Г) ,1( ФоРмат бумага 60x90 Ш6

Заказ № с Объем 3- Тираж 100 экз.

УПЦ ГИ МИИТ, 127994, г. Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ)

0 52014 5Г0 4 На правах рукописи

ГРЕЧИШНИКОВ Виктор Александрович

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ И ДИАГНОСТИКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Пупынин Владимир Николаевич

Москва-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАБОТЫ 12

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА ИЗМЕРИТЕЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ И ДИАГНОСТИКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ 28

2.1 Задачи проектирования и эксплуатации системы тягового

электроснабжения...................................................................................................28

2.2 Круг задач измерительно-аналитической программно-аппаратной

системы защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций...............................................................................................................40

2.3 Общие положения программно-технической реализации......................40

2.4 Иерархическая структура измерительно-аналитической программно-

аппаратной системы защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций...............................................................................................41

2.5 Модель тракта аналого-цифрового преобразования.................................56

2.5.1 Определение погрешности преобразования при детерминированном входном сигнале.....................................................................................................65

2.5.2 Определение дисперсии погрешности преобразования...........................68

2.5.3 Анализ погрешностей и помехоустойчивости тракта квантования и временной дискретизации на базе модели АЦП с АИМ....................................81

2.5.4 Анализ погрешностей и помехоустойчивости в тракте квантования и временной дискретизации при аналоговом интегрировании сигнала и помехи

.................................................................................................................................85

2.5.6 Инженерная методика синтеза тракта аналого-цифрового преобразования в автоматических системах железнодорожного транспорта...........................................................................................................94

2.6 Расчёт электромагнитной совместимости интеллектуальных терминалов.............................................................................................................107

2.7 Технические требования к интеллектуальным терминалам..................128

2.7.1 Технические требования к модифицированной модели терминала ЦЗАФ-3,3-М2.......................................................................................................128

2.7.2 Функции ЦЗА-ПА........................................................................................155

2.7.3 Функции ЦЗА-ТЗ.........................................................................................156

2.8 Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока, оборудованной многофункциональными микропроцессорными

интеллектуальными терминалами.................................................................... 157

2.8.1 Разработка метода сжатия информации.............................................159

2.9 Обработка информации на уровне тяговой подстанции.........................162

2.9.1 Статистическая обработка....................................................................162

2.9.2 Расчёт температуры наиболее нагретой точки трансформаторов 162

2.9.3 Построение столбчатых диаграмм токов и напряжений...................164

2.9.4 Расчёт внутреннего сопротивления тяговой подстанции...................166

2.9.5 Рассчитывается температура проводов контактной........................167

2.9.6 Определение остаточного ресурса быстродействующего выключателя ...............................................................................................................................169

2.9.7 Определение уставок электромагнитных реле для выключателей типа ВАБ-43 и ВАБ-49..................................................................................................169

2.9.8 Расчёт температуры полупроводников в выпрямительном агрегате 177

2.10 Реализация продольной защиты преобразовательного агрегата........178

2.11 Разработка цифровой защиты фидеров тяговой сети постоянного тока

реализующей функцию защиты фидера на основе трёхмерной рабочей

области фидера....................................................................................................... 179

ГЛАВА 3. СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ВЫСШИХ УРОВНЕЙ 192 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ПО РАСЧЁТУ СТЭ В КВАЗИУСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ И С УЧЁТОМ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ 208 4.1 Круг оперативных задач программно-аппаратного комплекса по моделированию СТЭ.............................................................................................208

4.2 Выбор метода решения схемы замещения СТЭ.........................................213

4.2.1 Общие теоретические положения..........................................................213

4.2.2 Метод контурных токов в дифференциальной форме.........................217

4.2.3 Метод синтетических схем для расчёта переходных процессов в электрических цепях...........................................................................................218

4.2.4 Метод исследования переходных процессов, построенный на основе решения Дифференциально-Алгебраического Уравнения...............................223

4.3 Модели элементов СТЭ..................................................................................230

4.4 Составление системы дифференциальных уравнений для моделирования СТЭ с учётом переходных процессов..................................239

4.5 Выбор метода численного интегрирования СДУ, описывающей схему замещения СТЭ......................................................................................................251

4.5.1 Общие положения......................................................................................252

4.5.2 Явные методы............................................................................................258

4.5.3 Адаптивные методы.................................................................................268

4.5.4 Методы прогноза-коррекции....................................................................272

4.5.5 Неявные методы........................................................................................276

4.5.6 Примеры решения тестовых задач.........................................................280

4.5.7 Локально-неустойчивые задачи...............................................................283

4.5.8 Решение дифференциально-алгебраических уравнений (ДАУ)..............284

4.5.9 Выводы по выбору метода численного интегрирования.......................287

4.6 Реализация метода Ньютона-Рафсона.......................................................288

4.7 Разработка программного комплекса для проведения экспресс расчётов квазиустановившихся режимов работы СТЭ с учётом рекуперативных режимов работы ЭПС............................................................................................302

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ И ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ СИТУАЦИОННОГО ЦЕНТРА ПО УПРАВЛЕНИЮ РАБОТЫ ХОЗЯЙСТВА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ 312

5.1 Основные понятия...........................................................................................312

5.2 Характеристика процессов в программно-аппаратной среде СЦ.........318

5.3 Схема размещения пользователей и технических средств в СЦ...........319

5.3.1 СЦ содержит автоматизированные рабочие места (АРМ) для

поддержки работы различных групп пользователей.....................................319

5.3.2 Дополнительные технические средства.................................................319

5.4. Состав и структура ПТК СЦ.........................................................................320

5.5 Состав технического комплекса.................................................................321

5.5.1 Видеостена.................................................................................................321

5.5.2 Видеопроцессор..........................................................................................323

5.5.3. Коммутатор..............................................................................................324

5.5.4 Сервер..........................................................................................................324

5.5.5 Интерактивная доска...............................................................................325

5.5.6 Мультимедиа-проектор............................................................................326

5.5.7 Видеоплеер..................................................................................................328

5.5.8. Аудиосистема............................................................................................331

5.5.9. Автоматизированные рабочие места (АРМ)........................................332

5.6 Состав и структура программного комплекса..........................................335

5.6.1 Системное программное обеспечение сервера.......................................335

5.6.2 Программное обеспечение видеопроцессора...........................................335

5.6.3 Системное программное обеспечение АРМ............................................336

5.6.4 Общее программное обеспечение.............................................................336

5.6.5 Прикладное программное обеспечение АРМ...........................................337

ВЫВОДЫ 339

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 342

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 364

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛОВ ДЛЯ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО СЛАГАЕМЫХ ПРИВЕДЁННОЙ ДИСПЕРСИИ ПОГРЕШНОСТИ ТРАКТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 368

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ОТЧЁТ ОБ ИСПЫТАНИЯХ УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ (УИ) И О ПРОВЕДЁННЫХ ПРИ ЭТОМ ИЗМЕРЕНИЯХ НА РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТАХ МОСКОВСКОЙ Ж.Д. 371

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ФРАГМЕНТЫ ОСЦИЛЛОГРАММ С ОТКЛЮЧЕНИЯМИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Введение

Актуальность темы исследования. Ежегодно объём разнообразной информации в мире удваивается. Для эффективной жизнедеятельности любого объект или системы необходимо, обеспечивая сбор информации, обладающей, прежде всего, такими свойствами как полнота, достоверность и актуальность, реализовывать полномасштабный высокоскоростной анализ информационных потоков, позволяющих обеспечивать поддержку принятия управленческих решений на различных иерархических уровнях объекта или системы.

Помимо качественного информационного обеспечения, эффективность жизнедеятельности любого объекта или системы зависит от обеспечения надёжности функционирования их элементов в нормальных условиях и минимизации повреждений основных элементов в аварийных и нештатных ситуациях.

Система энергоснабжения электрифицированных железных дорог имеет сложную иерархическую структуру со множеством неоднородных информационных потоков, а, следовательно, эффективность её работы будет зависеть от чёткой реализации сбора, обработки, анализа, хранения, распространения и архивирования информации, а также надёжной работы устройств диагностики и защитных систем основного оборудования.

Работа системы энергоснабжения электрифицированных железных дорог в настоящее время происходит на фоне множества параллельных процессов: увеличения электрических нагрузок, ввода в эксплуатацию высокоскоростного и тяжеловесного транспорта и увеличения скоростей движения поездов, включения транспортной системы ОАО «РЖД» в единую европейско-азиатскую транспортную систему, старения оборудования и снижения численности обслуживающего персонала при большой текучести кадров, выхода на рынок частных операторов пассажирских и грузовых перевозок, применения различных технических средств со сложными алгоритмами работы (цифровые многопараметрические защиты элементов силовой цепи, накопители энергии, управляемые устройства компенсации реактивной мощности, устройства регулирования напряжения под нагрузкой и т.д.), развития железнодорожных путей и, как следствие, увеличения числа параллельных ниток движения, повышающее вероятность возникновения нештатных или аварийных ситуаций и т.д. Все это обуславливает высокую динамичность протекающих «медленных» и «быстрых» процессов, необходимость их регистрации, требование к большому объёму информации для обеспечения мгновенного, кратко-, средне- и долгосрочного анализа в условиях неполноты априорной информации. Итоженное говорит о сложности и уникальности задач, требующих решения специалистами разных уровней в области электроснабжения электрических железных дорог. Отсутствие априорной информации, перекрытия в определённой области множеством токов нагрузки множества токов коротких замыканий является проблемой при создании надёжных устройств защиты и выборе параметров их работы.

В этих условиях интеллектуальные возможности человека вход ят в противоречие со сложностью переработки значительных объёмов информации, стремлением избежать ошибок при при-

нятии ответственных управленческих решений, временем принятия решения. К основным средствам преодоления этого противоречия следует отнести расширение коллектива лиц, участвующих в процессе выработки решений, и использование современных аналитических программно-аппаратных систем поддержки их деятельности.

Поэтому наряду с обновлением технических средств необходимо непрерывно совершенствовать системы управления хозяйством электрификации и электроснабжения. Концентрацией всех современных технических средств, информационных технологий, организационных методов управления и принятия решений в области электрифицированных железных дорог является развитие автоматизированной системы управления АСУЭ, что обосновывает актуальность создания её компонента-Измерительно-Аналитической Программно-Аппаратной Системы Защиты и Диагностики основного оборудования Тяговых Подстанций (ИАПАСЗД ТП) постоянного тока.

Степень разработанности темы исследования. Исследования проблем созд ания математических моделей системы тягового электроснабжения (СТЭ), численного решения систем дифференциальных уравнений, описывающих СТЭ, построения цифровых защит фидеров тяговой сети, расчёта погрешностей и помехоустойчивости тракта аналого-цифрового преобразования, выбора уставок защит фидеров тяговой сети, создания систем мониторинга и диагностики силового и коммутационного оборудования тяговых подстанций проводили многие отраслевые научные школы и организации страны: СамГУПС, ПГУПС, ВНИИЖГ, ИрГУПС, МИИГ, ОмГУПС, РГОТУПС, РГУПС, ДВГУПС, ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», ОАО «НИИАС» и др. Большой вклад в исследование данных проблем внесли учёные: Андреев ВВ., Бадёр МП, Баранов ДА, Бардушко В. Д, Бочев АС., Бурков АТ., Бурьяноватый АЛ, Быкадоров АЛ, Герман ЛА, Григорьев В Л, Добровольские ТП, Доманский В.Т., Дынькин БЕ., Жарков ЮН, Жиц М.З., Иньков ЮМ, Кисляков В А, Козлов О.С., Кондаков ДЕ., Косарев Б.И., Котельников А.В., Ли ВН., Ли-товченко ВВ., Мамошин РР., Марикин АН, Марквардг ГГ., Марквардт ЮГ., Митрофанов АН, Неушдников ЮН, Привезенцев НН, Пупынин ВН, Розенберг ЕН, Рябцев ГГ., Савоськин АН, Серебряков АС., Сергеев НГ., Сидоров О А, Скворцов ЛМ., Сухопрудский НД, Тер-Ога-нов ЭВ., Феоктистов ВН, Фигурнов ЕН, Черемисин В.Т. и другие.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка теоретических и технических аспектов построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока, методов анализа и прогнозирования состояния системы тягового электроснабжения постоянного тока и выбора параметров защит тяговой сети постоянного тока от перегрузок и коротких замыканий на основе непрерывного измерения показателей работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) и моделирования режимов её работы.

Основными задачами исследования являются: разработка концепции построения ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка интеллектуального терминала защиты и автоматики и универсального измерителя; разработка методики расчёта электромагнитной обстановки в РУ, КРУ, КСО; разработка модели тракта аналого-цифрового преобразования токов и напряжений фидеров контактной сети тяговых подстанций постоянного тока и методики анализа и синтеза трактов аналого-цифрового преобразования; разработка

методики обработки и структуры распределения и представления информации на различных уровнях иерархии ИАПАСЗД основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка средств и алгоритмов диагностирования и оценки состояния основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока; разработка программного комплекса для экспресс расчётов квазиустановившихся режимов работы СТЭ и расчётов режимов работы СТЭ с учётом переходных процессов.

Научная новизна:

- Предложена математическая модель, описывающая работу СТЭ, как единую элекгро-магнито-механическую систему, позволяющая моделировать работу основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока, тяговой сети и тягового электрооборудования подвижного состава с учётом переходных процессов.

- Показано, что использование параллельных вычислений при выбранной автором совокупности методов численного решения системы дифференциальных уравнений позволяет повысить скорость моделирования СТЭ в 5-6 раз и обеспечить возможность использования результатов в системах подготовки принятия решений.

- Предложены методы сжатия информации в системах измерения параметров СТЭ, обеспечивающие возможность передачи дискретной информации по заданным каналам связи и уменьшающих объем памяти во встраиваемых системах диашостики и мониторинга.

- Предложена методика построения цифровой защиты фидеров тяговой сети постоянного тока на базе статистического подхода к анализу тока и напряжения фидеров тяговой сети постоянного тока.

- Показана эффективность разработанных автором моделей для расчёта погрешностей и помехоустойчивости тракта аналого-цифрового преобразования, учитывающих в отличии от известных цифровое интегрирование преобразуемых сигналов и запаздывание информации при первичной обработке сигналов.

- Предложена методика расчёта уставок цифровьгх многопарамегрических защит фидеров т�