автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Применение технологий интеллектуальных сетей (smart grid) для управления технологическими процессами в системах электроснабжения железных дорог

На правах рукописи

Алексеенко Владимир Александрович

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ

СЕТЕЙ (SMART GRID) ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 MAP 2013 005050750

Иркутск 2013

005050750

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 28 марта 2013 года в 13-00 часов на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (664074, Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15, ауд. А-803).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ИрГУПС, диссертационный совет по защите докторских и кандидатских диссертаций Д218.004.01, ученому секретарю.

Автореферат разослан 27 февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Крюков Андрей Васильевич доктор технических наук, профессор Гоппе Гарри Генрихович, Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск;

кандидат технических наук, доцент Шакиров Владислав Альбертович, Братский государственный университет, г. Братск

Филиал ОАО «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы» - Сибирский научно-исследовательский институт электроэнергетики (СибНИИЭ), г. Новосибирск

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность темы. При высоких темпах развития экономики объемы электропотребления в России к 2030 г. могут возрасти по сравнению с 2000 г. в два раза. Обеспечение таких уровней производства электроэнергии (ЭЭ) невозможно без системного решения следующих задач:

• создание новой технологической основы энергетики, построенной с использованием принципов интеллектуальных электрических сетей (smart grid)',

• придание интегрирующей роли электрической сети;

• установка в сетях активных технических средств для регулирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС) и создание на их основе адаптивной системы управления;

• применение новых информационных технологий и быстродействующих вычислительных комплексов для оценки состояния и управления;

• повышение эффективности использования энергоресурсов и энергосбережение.

В итоге должен произойти переход электроэнергетики к новому качеству управления технологическими процессами производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии на основе интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивной сетью (ИЭЭСААС). ЭЭС, построенные на основе технологий smart grid, включает в свой состав следующие сегменты:

• все виды источников электроэнергии, включая установки распределенной генерации;

• различные типы потребителей, принимающих непосредственное участие в регулировании качества электроэнергии и надежности ЭЭС;

• электрические сети разного напряжения и функционального назначения, имеющие развитые возможности адаптации следующих типов:

- изменение параметров и топологии по текущим режимным условиям;

- регулирование напряжения в узловых точках, обеспечивающее минимизацию потерь при соблюдении нормативных значений показателей качества электроэнергии;

- комплексный учет ЭЭ на границах раздела сети и на подстанциях;

• всережимную систему управления с полномасштабным информационным обеспечением.

В электрических сетях, питающих тяговые подстанции магистральных железных дорог, а также в системах тягового электроснабжения (СТЭ) в полном объеме применимы технологии smart grid. Особую актуальность вопрос использования этих технологий приобретает в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, где основная системообразующая электрическая сеть непосредственно связана с тяговыми подстанциями железнодорожных магистралей. Ввиду значительного объема резкопере-

з

менной нелинейной однофазной тяговой нагрузки показатели качества электроэнергии (ПКЭ) в этих сетях далеко выходят за допустимые пределы. Указанные проблемы в полной мере относятся и к системам электроснабжения промышленного железнодорожного транспорта.

Существенный вклад в решение проблемы создания технологий smart grid внесли Вариводов В.Н., Воропай Н.И., Дорофеев В.В., Иванов Т.В., Иванов С.Н., Кобец Б.Б., Логинов Е.И., Макаров A.A., Наумов Э.Б., Шакарян Ю.Г., C.W. Gelling, J.M. Guerrero Zapata, Z. Styczynski, J. Schmid и др. Вопросам, связанным с моделированием и управлением сложных ЭЭС и СТЭ, посвящены работы Бадера М.П., Баринова В.А., Бермана А.П., Бочева A.C., Быкадорова A.JI., Веникова В.А., Висящева А.Н., Гамма А.З., Германа JI.A., Дынькина Б.Е., Идельчика В.И., Котельникова A.B., Косарева А.Б., Лосева С.Б., Мамошина P.P., Марквардта Г.Г., Марквардта К.Г., Мельникова H.A., Мирошниченко Р.И., Мисриханова М.Ш., Попова Н.М., Пупынина В.Н., Строева В.А., Тарасова В.И., Тер-Оганова Э.В., Фигурнова Е.П., Черемисина В.Т. и их коллег.

Работы перечисленных авторов создали методологическую основу для разработки интеллектуальных систем электроснабжения железных дорог (СЭЖД), построенных с использованием технологий smart grid. Для эффективного использования этих технологий необходима разработка методов моделирования СЭЖД, позволяющих адекватно учитывать активные элементы smart grid, такие как устройства FACTS (flexible alternative current transmission systems), активные кондиционеры гармоник (АКТ), вставки постоянного тока (ВПТ), установки распределенной генерации (РГ) и т.д.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов моделирования СЭЖД, использующих технологии smart grid, в задачах управления технологическими процессами выработки1, передачи, преобразования, распределения и потребления ЭЭ в СЭЖД переменного тока.

Для реализации сформулированной цели потребовалось решение следующих

задач:

• разработать статические и динамические модели активных элементов smart

grid;

• разработать метод комплексного моделирования режимов ИЭЭСААС, питающих электротяговые нагрузки;

• выполнить математическое моделирование режимов СЭЖД, оснащенных установками регулируемой компенсации реактивной мощности и вольтодобавочными трансформаторами, подтверждающее эффективность применения этих устройств в тяговых сетях;

! Выработка ЭЭ в СЭЖД может осуществляться на основе установок собственной (распределенной) генерации.

4

• предложить методику и алгоритмы анализа повреждаемости электрооборудования СЭЖД;

• разработать методику моделирования рельсовых цепей многопутных участков железных дорог с учетом влияния активных элементов smart grid.

Объект исследований. Система электроснабжения железной дороги переменного тока, построенная с использованием технологий smart grid для управления процессами производства, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии.

Предмет исследований. Методы управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии на основе технологий интеллектуальных сетей (smart grid).

Методы исследования рассмотренных в диссертации задач базируются на математическом моделировании режимов сложных электроэнергетических систем и систем тягового электроснабжения с использованием аппарата теории автоматического управления, многомерных статистических методов, линейной алгебры, теории функций многих переменных.

Для проведения вычислительных экспериментов использовались комплекс программ «FAZONORD-Качество», разработанный в ИрГУПСе и модернизированный в части реализации моделирования режимов СЭЖД, построенных с использованием технологий smart grid, а также пакет SimPowerSystem системы Matlab.

Научную новизну составляют следующие результаты, выносимые на защиту:

• алгоритм комплексного моделирования режимов интеллектуальных ЭЭС, питающих электротяговые нагрузки, отличающийся тем, что в его основу положено совместное использование имитационных и динамических моделей активных элементов smart grid, применяемых для управления режимами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии

• статические и динамические модели активных элементов smart grid, отличающиеся применимостью в задачах управления режимами СЭЖД с активно-адаптивными сетями; оригинальная методика моделирования режимов СЭЖД, оснащенных различными типами активных устройств, используемых в технологиях smart grid для управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления ЭЭ.

• методика и компьютерные технологии анализа повреждаемости электрооборудования СЭЖД, отличающиеся от известных применением многомерных статистических методов и учетом размытости факторного пространства на основе алгоритмов нечеткой кластеризации;

• методика моделирования рельсовых цепей, отличающая корректным учетом электромагнитного влияния контактной сети (КС) и путевых дроссель-

трансформаторов, обеспечивающая получение реального токораспределения в рельсовых нитях многопутных участков и применимая для расчета режимов интеллектуальных систем электропитания устройств сигнализации; централизации и автоблокировки (СЦБ) железных дорог.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов подтверждена их сравнением в сопоставимых случаях с результатами расчетов, выполненных с помощью промышленных программ, прошедших полномасштабную практическую апробацию, а также с данными замеров в реальных системах электроснабжения железных дорог Восточной Сибири.

Практическая значимость полученных результатов исследований состоит в решении актуальных научно-технических задач, связанных с управлением технологическими процессами в системах электроснабжения железных дорог, а также с повышением энергоэффективности и качества электроэнергии в СЭЖД переменного тока. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, позволяют решать следующие задачи, актуальные при проектировании и эксплуатации СЭЖД:

• моделирование режимов СЭЖД с учетом активных устройств smart grid-,

• рациональный выбор комплекса интеллектуальных средств автоматического управления режимами на тяговых подстанциях и постах секционирования контактной сети СЭЖД переменного тока;

• стабилизация уровней напряжения на токоприемниках ЭПС, снижение потерь электроэнергии и уравнительных токов, а также уменьшение несимметрии и гармонических искажений в электрических сетях высокого напряжения, питающих тяговые подстанции.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационных исследований в виде практических рекомендаций по внедрению интеллектуальных технологий электроснабжения использованы в структурном подразделении «Трансэнер-го» - Восточно-Сибирской дирекции по энергообеспечению ОАО «РЖД» при разработке перспективных схем построения автоматизированных систем контроля и учета электропотребления и в Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» при разработке программы повышения энергоэффективности ВосточноСибирской железной дороги на 2012 - 2016 гг., а также при разработке мероприятий по повышению качества электрической энергии в электрических сетях, осуществляющих электроснабжение тяговых подстанций Байкало - Амурской магистрали.

Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.

Апробация работы. Результаты, полученные на основе проведенных в диссертации исследований, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», г. Иркутск, 2009,

б

2011, 2012 гг.; международной научно-практической конференции «Транспорт-2010», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.; всероссийских научно-практических конференциях международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 2010, 2012 гг.; XVII Байкальской всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2012 г.; совместных научных семинарах НИ ИрГТУ (г. Иркутск) и университета Отто фон Герике (г. Магдебург) по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего» в мае и октябре 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе пять статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 25 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 131 наименования и приложения. Общий объем диссертации 170 страниц, в тексте содержится 152 рисунка и 18 таблиц. В приложении приведены акты о внедрении.

Диссертационная работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего», проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г. Договор 11.G34.31.0044 от 27.10.2011.

При работе над диссертацией автор пользовался научными консультациями доктора технических наук, профессора Закарюкина В.П.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность научных исследований по созданию математических моделей систем электроснабжения железных дорог в задачах управления технологическими процессами на основе применения технологий smart grid с целью повышения энергоэффекгивности и качества электроэнергии. Сформулированы цели и основные задачи диссертационной работы, определена научная и практическая ценность результатов, дана краткая характеристика основных разделов диссертации.

В первой главе выполнен анализ структуры и особенностей функционирования системы электроснабжения магистральной железной дороги переменного тока, рис. 1. СЭЖД представляет собой объединение трех подсистем, каждая из которых также может рассматриваться как сложная техническая система:

п

Sserr = ^ЕИ USjj.£ U^]SRES ■ t-i

где SEES - электроэнергетическая система или ее часть, примыкающая к тяговым подстанциям'рассматриваемой СЭЖД; SSIE USi^f' - система тягового электроснабжения (СТЭ с тяговой сетью 25 кВ или автотрансформаторная СТЭ 2x25 кВ); SjJjj - к -й район электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей.

Рис. 1. Структурная схема СЭЖД переменного тока:

СТЭ - система тягового электроснабжения; РЭС - район электроснабжения нетяговых потребителей; МПЗ - межподстанционная зона; ТП - тяговая подстанция; ЭПС - электроподвижной состав

В диссертационной работе предложено описание каждой подсистемы на основе кортежного представления:

S : {{el}, {Lin}, F}.

где {е1}={е1£}и{е17} - совокупность элементов, которая может быть разделена на две группы: силовые {el£} и информационные {el,} элементы (или элементы управления); {Lin} - совокупность связей между элементами, определяющая структуру системы; F - функция системы, определяемая ее основным эмерджентным свойством, не присущим отдельным элементам.

Функция F для СЭЖД определяется как централизованное электроснабжение тяги поездов и нетяговых потребителей. При этом для F можно записать

F=UF{kK к' 1

где под F ^ понимается обеспечение потребителей электроэнергией с минимальными

с (2)

затратами на ее передачу и распределение; к FK ' можно отнести оптимальную надежность электроснабжения, a F® может рассматриваться как лингвистическая переменная, определяемая функцией от вектора показателей G, характеризующих качество ЭЭ в соответствии с ГОСТ Р 54149-2010, т.е.

F® = ç(G).

Рассмотрен ряд характерных особенностей СЭЖД, которые могут создавать трудности при решении задач управления технологическими процессами распределения и потребления электроэнергия, что доказывают инструментальные замеры и результаты имитационного моделирования для расчетного полигона одной из магистральных железных дорог Восточной Сибири. Эти особенности можно разделить на две группы: структурные и режимные. К структурным особенностям относятся следующие факторы:

• значительная пространственная распределенность; СЭЖД магистральной железной дороги охватывает, как правило, территорию нескольких субъектов федерации, а протяженность тяговой сети может превышать несколько тысяч километров;

• разнородность структуры подсистем, заключающаяся в том, что ЭЭС и РЭС образуют трехфазные электрические сети различного напряжения, а СТЭ представляет собой однофазную сеть;

• перемещение потребителей ЭЭ в пространстве.

К режимным можно отнести следующие особенности СЭЖД:

•пульсирующий характер активной мощности в СТЭ и на вводах высокого напряжения тяговых подстанций;

• резкопеременную динамику изменения тяговых нагрузок;

• значительные несимметрия и несинусоидальность потребляемых тяговыми подстанциями токов;

• электромалштное влияние тяговой сети на смежные линии электропередачи и связи, а также на протяженные металлические конструкции, смонтированные вдоль трассы железной дороги;

• существенный уровень электромагнитных полей, создаваемых неуравновешенными тяговыми сетями.

Перечисленные выше особенности СЭЖД необходимо учитывать при разработке систем управления (СУ) режимами с использованием технологий интеллектуальных сетей. В противном случае возможно резкое снижение эффективности технологий smart grid, а в некоторых случаях и преждевременный выход из строя дорогостоящих устройств.

Концепция smart grid и ее практическое воплощение в виде ИЭЭСААС могут быть интерпретированы как создание систем электроснабжения с повышенным качеством функционирования. Для планирования работ по его достижению необходимо выполнить анализ существующего уровня повреждаемости электрооборудования. Такой анализ необходим из-за наличия значительной доли аппаратов и устройств, отработавших нормативный ресурс. Анализ повреждаемости позволит осуществить планирование очередности модернизации объектов, рациональной организации технического обслуживания и ремонта устройств электроснабжения, обоснования потребности в структурных резервах.

Для принятия обоснованных управленческих решений и формирования рациональной стратегии перехода к управлению на основе технологий smart grid предложено использовать современные математические методы и средства анализа повреждаемости устройств СЭЖД.

В частности, в диссертации предложена методика проведения анализа повреждаемости устройств электроснабжения СЭЖД с использованием современного математического аппарата:

• кластерного анализа на основе метода ¿-средних и с помощью нечеткой кластеризации;

• корреляционных и регрессионных методов, а также на основе диаграмм Паре-

то.

В диссертационной работе сформулирована цель управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии в СЭЖД, которая состоит в обеспечении нормативных уровней надежности и качества ЭЭ и повышении энергоэффективности. Реализация этой цели требует решения следующих задач:

• обеспечение требуемых нормативными документами уровней напряжения на токоприемниках ЭПС;

• минимизация уравнительных токов и потерь электроэнергии в тяговой сети;

• соответствие требованиям ГОСТ Р 54149-2010 показателей качества электроэнергии в точках общего присоединения СЭЖД и питающей ЭЭС.

V Г [v, V;

Система электроснабжения магистральной железной дороги представляет собой сложный многомерный динамический объект (рис. 2), описываемый системой нелинейных уравнений вида Г,(Х,У,иРд) = 0,

где нелинейный оператор ^ в общем случае зависит от времени, что связано с перемещением электротяговых нагрузок в пространстве.

На практике наиболее приоритетной задачей управления режимами СЭЖД является стабилизация уровней напряжений в тяговой сети, на токоприемниках ЭПС и на входных зажимах блоков электропитания устройств СЦБ. Для формального описания задачи управления удобно использовать следующий подход:

найти ттАМУ-ге^) при ог-

it *Пр Г)И

Х«;х, ... х,)Т

Г.")ЖД

Y-k Л ... 7,]Г

UP = [«4Pl Цй ... upj

(*С1*мя>11|ЫЛас!!я*

Рис. 2. Структурная схема СЭЖД:

Х- вектор состояния; У- вектор выходных переменных; ЦР - вектор управляющих воздействий (управлений); V - вектор возмущающих воздействий (возмущений)

раничениях

V(t)eVD; (1)

PK(f)e РКД; (2)

I(i)el0, (3)

где U(f) = [«J(t) u2{t) up(t)]T - вектор модулей напряжения на токоприемниках ЭПС и в контрольных точках тяговой сети (на шинах 27.5 кВ ТП, постах секционирования (ПС), пунктах параллельного соединения контактных подвесок (ППС) и т.д.; PK(f) - вектор ПКЭ в точках общего присоединения СЭЖД и ЭЭС; l(f) - вектор токов в проводах контактных подвесок и обмотках тяговых трансформаторов; UD, PKD, lD - допустимые области вариации величин U(f), PK(f), I(t), определяемые нормативными документами.

В работе выполнена классификация технических средств управления режимами СЭЖД, проиллюстрированная схемой, представленной на рис. 3. На этой схеме исполь-

2 Для ряда практических задач количество ограничений может быть расширено. Например, при анализе электромагнитной обстановки в СЭЖД необходимо учитывать экологические ограничения по уровню напряженностей электромагнитных полей, создаваемых тяговыми сетями.

зованы следующие сокращенные обозначения: ВДТА - вольтодобавочный трансформаторный агрегат, разработанный в УрГУПСе; СТ - симметрирующий трансформатор; ВГ - высшие гармоники; НЭ - накопитель ЭЭ; ТОУ - токоограничивающее устройство.

Уграыеяве лропмсэмш выработки, передаче н распределения электроэнергии * СЭЖД

>»™ >

И

Н !

Улучши» ПКЭ

Упри

НЭ, ГАСТЯ

ВДТА

АКТ ■ фимры ВГ

«щтсква

--ii" ф.рава: РГ.ЫГГ.НЭ

Рис. 3. Классификация средств управления процессами выработки, передачи и распределения ЭЭ в СЭЖД

Следует отметить многофункциональность значительной части из представленных на рис. 3 устройств. Так, например, установки FACTS, имеющие пофазное (векторное) управление, могут эффективно применяться не только для стабилизации уровней напряжения, но и для снижения несимметрии в питающих сетях, а также в сетях районов электроснабжения нетяговых потребителей. Накопители электроэнергии будут способствовать снижению потерь в тяговой сети (ТС), а также уменьшать отклонения и колебания напряжений.

Возможные места размещения исполнительных устройств в СЭЖД иллюстрируется схемой, представленной на рис. 4. Следует отметить, что размещение полного комплекса средств smart grid на каждой тяговой подстанции по экономическим и технологическим соображениям неприемлемо, так как функции многих устройств могут дублировать друг друга.

Во второй главе предложен метод комплексного моделирования СЭЖД, построенной с использованием технологий smart grid. При этом моделирование разбивается на два этапа, в каждом из которых используются разные модели ЭЭС и СЭЖД (рис. 5). На первом этапе применяется технология имитационного моделирования, разработанная в ИрГУПСе. В результате моделирования определяются экстремальные значения тяговых нагрузок, а также потоков мощности на вводах 110-220 кВ ТП, которые затем используются при построении динамических моделей активно-адаптивных сетей на основе средств программной системы МайаЪ.

Алгоритм имеет две параллельных ветви, включающих следующие блоки: - имитационное моделирование исходного базового режима в комплексе «Fazonord-Качество» и определение на этой основе электротяговых нагрузок в виде

зависимостей Рк = Pk(t), Qk = Qt (f); вычисление характеристик полученных зависимостей min, mid, max;

- формирование имитационных и динамических моделей ЭЭС и СЭЖД с учетом элементов ААС и проведение моделирования с получением результатов в виде зависимостей k2U(t), ких(г), где Х=А,В,С, а также статистических характеристик min, mid, max;

- анализ и обобщение полученных результатов.

Рис. 4. Возможные места установки интеллектуальных устройств управления режимами СЭЖД: АРВ - автоматический регулятор возбуждения; АРЧВ - автоматический регулятор частоты вращения; СУ - система управления; ДТ - датчик тока; ДС - датчик

скорости

Рис. 5. Алгоритм комплексного моделирования.

Индексом Г обозначена модель, реализуемая на основе комплекса «Рагопогс!-Качество», а индексом М - модель, реализуемая в системе МайаЬ

Каждый из описанных выше подходов к моделированию ЭЭС и СЭЖД с активными элементами smart grid обладает определенными преимуществами и ограничениями (рис. 6) , и только на основе их комплексного использования можно получить адекватный результат.

1. Моделирование

ДИНаАШК» И [МСНЛ'НИ!!

1ЯПШ1.1Х waipyroK. вызванной ЛНИЖСНЙСМ иоеззой.

2. Коррсстные модели ЛЭН, трансформатор«» и т.1.

!. Kt>£"i;C'l!!l.if. ТОЛЬКО функционально доцншгшые Miiicut >.Ю1СНТ0В ЛАС, посхрисниых на основе сплопоп элмгтронтси

2. Неуч«' nepcsoiBux процессов

Ь Учет liCptXO.iKWS HfiOfleCCfiK. 2. Сфуктурно 1г фуИКИИШЯ-И.НО

адеквзтные мо.}с/а5 ЧЛСНС'НТОВ ЛАС »iwij>oe«w.i\ и» сснокй

i"if.Tii!iOil i/i^J-.-tpOilKhMi

м

ИМ ЩЩ

1. Приближении« модели JIJH, травсфарчяторов в зпто^кшефорч.пером.

2. Возможность расчет только олпою

MI miRtiittofo режима.

Рис. 6. Преимущества и ограничения динамического и имитационного моделирования:

ИМ - имитационная модель; ДМ - динамическая модель

Проанализированные ограничения, а также различия в технологиях моделирования элементов smart grid с помощью имитационных и динамических моделей, могут приводить к некоторым различиям в результатах определения параметров режима, в частности, показателей качества электроэнергии по несинусоидальности. Поэтому о совпадении результатов можно говорить в рамках теоретико-множественного подхода как о принадлежности некоторой ограниченной области пространства параметров, рис. 7.

В общем случае условие совпадения может быть записано как G, П GM ~ 0, где GI,GM - множества режимных параметров, полученных соответственно в результате имитационного и динамического моделирования.

В рамках сформулированного выше теоретико-множественного подхода к анализу адекватности результаты моделирования достаточно полно соответствуют друг другу. Этот тезис подтверждается результатами моделирования несинусоидальных режимов сети 220 кВ, питающей тяговые подстанции одной из железных дорог Восточной Сибири с использованием имитационной и динамической моделей, рис. 8. На диаграмме приведены значения коэффициентов несинусоидальности ки на шинах 220 кВ тяговых подстанций (ТП).

Рис. 7. Взаимодействие моделей

7 6 5 4 3 2 1 О

ТП1 im ТГО ТП4 ТП5 ins ТП7 ТТШ ТП9 тлю 1П1] Г1112 ТП13 ТП14 ТП15 ТШ6 Рис. 8. Сопоставление результатов имитационного и динамического моделирования несинусоидального режима: кц — коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения

В ходе диссертационного исследования разработаны математические и компьютерные модели элементов активно-адаптивных сетей, реализуемых в рамках пред-

ложенного подхода. Перечень разработанных моделей представлен табл. 1.

Таблица 1

Разработанные модели элементов активно-адаптивных сетей

№ Элемент ААС F М

1 ЛЭП повышенной пропускной способности + -

2 Управляемые ЛЭП + -

3 Симметрирующие трансформаторы + -

4 Установки распределенной генерации + +

5 Вставки постоянного тока + +

6 Пофазно управляемые СКРМ + +

7 Активпые кондиционеры гармоник + +

Одним из наиболее ответственных сегментов СЭЖД являются системы электроснабжения устройств сигнализации, централизации и автоблокировки. Для анали-

15

за режимов работы систем электроснабжения устройств СЦБ разработана методика моделирования рельсовых цепей, содержащих дроссель-трансформаторы (ДТ). Создана модель ДТ в виде автотрансформатора. Проверка этой модели в режимах холостого хода и короткого замыкания показала, что ее параметры отличаются от паспортных не более чем на 2 %.

В третьей главе рассмотрены вопросы снижения реактивного электропотребления и отклонений напряжения на токоприемниках электровозов за счет применения установок регулируемой компенсации реактивной мощности, выполненных по технологиям FACTS.

По результатам имитационного моделирования сделаны следующие выводы:

• размещение FACTS на постах секционирования (ПС) повышает напряжение в ТС по сравнению с размещением этих устройств на ТП; потери электрической энергии в трансформаторах при размещении FACTS на тяговых подстанциях почти не отличаются от потерь в случае их размещения на постах секционирования, но потери в ТС расчетного полигона заметно выше за счет протекания в КС нескомпенсированно-го реактивного тока;

• размещение FACTS на шинах 27.5 кВ тяговых подстанций (ТП) предпочтительнее с точки зрения компенсации реактивной мощности в соответствии с требованиями нормативных документов;

• размещение FACTS на ТП усложняет работу регулируемых установок ввиду подключения к узлам с большими токами короткого замыкания и возникающими из-за этого сложностями пофазного регулирования.

Как видно из рис. 9, наиболее заметные различия в потерях наблюдаются при пределе регулирования FACTS 6...8 Мвар. Ввиду большой несинусоидальности напряжения устройства FACTS должны совмещаться с фильтрами высших гармоник или с АКТ. При наличии больших уравнительных токов возникает необходимость использования фазорегулирующих вольтодобавочных устройств.

1 j

AlVfi Оч FA CTS i наП I !

i I

FACTS на ПС i 1 —J

! 1 1

2max> - Vfeap -1

0 1 2 3 4 S S 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 9. Зависимость доли потерь электроэнергии в тяговой сети от предела регулирования реактивной мощности Ql!AX при разном расположении FACTS

Во втором разделе третьей главы проведен анализ вариантов вольтодобавочных устройств, разработанных в УрГУПСе, в локальной и системной постановках: для отдельного трансформатора и в составе системы электроснабжения электрифицированного участка дороги переменного тока. Показано, что вольтодобавочный тяговый трансформатор (ВДТ) характеризуется примерно в полтора раза пониженной несимметрией токов первичной обмотки при номинальных нагрузках плеч по сравнению со стандартным. При одинаковых параметрах вольтодобавочный трансформатор с разомкнутым треугольником имеет на 12 % пониженную мощность.

Вольтодобавочный агрегат (ВДА), разработанный в УрГУПСе и включающий однофазный вольтодобавочный трансформатор и регулируемые реакторы, обеспечивает снижение несимметрии по сравнению со стандартной схемой примерно на 30%.

Рис. 10 иллюстрирует сопоставление режима напряжения на токоприемнике поезда четного направления (5200 т) для вариантов с исходной схемой питания, а также со схемами, содержащими ВДТ и ВДА. ВДА обеспечивает почти такое же повышение напряжения, как и ВДТ. 32

30 28 26 24 22 20 18 16

80 90 100 110 120 130 1 40 150 160

Рис. 10. Напряжение на токоприемнике четного поезда 5200 т

Вместо однофазных вольтодобавочных агрегатов в совокупности со стандартным тяговым трансформатором можно применить фазосдвигающее вольтодобавочное устройство, что позволяет подобрать оптимальную фазу добавочного напряжения и использовать это устройство для снижения уравнительных токов.

В заключительной части главы выполнен анализ влияния устройств FACTS и вставок постоянного тока (вставок несинхронной связи) на снижение несимметрии и отклонений напряжения на основе результатов имитационного и динамического моделирования режимов перспективной схемы электроснабжения одной из магистральных железных дорог Восточной Сибири (рис. 11).

При отсутствии в исходной схеме устройств FACTS и ВПТ несимметрия на большей части расчетного участка превышает предельно допустимые значения, размах отклонений напряжений достигает на ряде подстанций 10 %. Проведенный

U,Kb —«-С ............. тандартнаа с ...... хема О/ IT-ВДА

у/ % \г

/ 1 # ~

Время, мин -

анализ показал, что при условии пофазного регулирования FACTS, установленных на ТП, несимметрия на большей части участка не превышает нормально допустимых значений, что проиллюстрировано на рис. 12. Размах отклонений напряжений при

Рис. 12. Коэффициенты несимметрии по обратной последовательности

Таким образом, на основе использования пофазно регулируемых устройств FACTS и вставок постоянного тока можно эффективно решать проблемы снижения несимметрии и гармонических искажений в системах внешнего электроснабжении железных дорог переменного тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных диссертационных исследований решена актуальная научно-практическая задача создания методов и алгоритмов моделирования режимов систем электроснабжения железных дорог переменного тока, построенных с использованием технологий smart grid для решения задач управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии в СЭЖД. При этом получены следующие научные результаты:

• на основе системного анализа особенностей режимов СЭЖД переменного тока показана необходимость их учета при разработке методов и средств управления режимами на основе технологий smart grid;

• система тягового электроснабжения железной дороги переменного тока представляет собой сложную нелинейную динамическую многоуровневую структуру, что создает трудности, связанные с непрерывным изменением не только численных значений коэффициентов, но и структуры реализуемой модели, вызванном тяговыми нагрузками, перемещающимися в пространстве; наличие активных элементов, использующихся в технологиях smart grid, еще более усложняет формирование адекватных моделей активно-адаптивных сетей, питающих электротяговые нагрузки; для преодоления указанных затруднений предложено использовать методы декомпозиции; при этом моделирование разбивается на два этапа, в каждом из которых используются разные модели; на первом этапе применяется технология имитационного моделирования, результаты которого затем используются при построении динамических моделей;

• концепция smart grid может бьпъ интерпретирована как создание систем электроснабжения с повышенным качеством функционирования; для планирования работ по его достижению необходимо выполнить анализ существующего уровня повреждаемости электрооборудования; такой анализ необходим из-за наличия значительной доли аппаратов и устройств, отработавших нормативный ресурс; анализ повреждаемости позволит осуществить планирование очередности модернизации объектов, рациональной организации технического обслуживания и ремонта устройств электроснабжения, обоснования потребности в структурных резервах;

• на основе кластерного анализа повреждаемости электрооборудования СЭЖД возможна реализация рациональной стратегии технического обслуживания и модернизации; выполнение однозначной кластеризации является достаточно жестким требованием, особенно для слабо структурируемой задачи классификации данных о повреждаемости оборудования тяговых подстанций; методы нечеткой кластеризации позволяют ослабить это требование за счет введения нечетких кластеров и соответствующих им функций принадлежности;

• предложенные статические и динамические модели активных устройств smart grid применимы для решения практических задач, возникающих при формировании активно-адаптивных электрических сетей, питающих тяговые подстанции железных дорог переменного тока;

• разработанный в ходе диссертационных исследований алгоритм комплексного моделирования интеллектуальных СЭЖД может эффективно использоваться при решении задач проектирования и эксплуатации СЭЖД, построенных с использованием технологий smart grid,

• предложенная методика моделирования путевых дроссель-трансформаторов применима для расчета режимов интеллектуальных систем электропитания устройств СЦБ железных дорог переменного тока;

• на основе использования пофазно регулируемых устройств FACTS и вставок постоянного тока возможно решение проблемы снижения несимметрии и гармонических искажений в системах внешнего электроснабжении железных дорог переменного тока;

• применение установок регулируемой компенсации, выполненных по технологиям FACTS, приводит к уменьшению реактивного электропотребления и снижает отклонения напряжений на токоприемниках электровозов;

• вольтодобавочный тяговый трансформатор (ВДТ), разработанный в УрГУП-Се, характеризуется примерно в полтора раза пониженной несимметрией токов первичной обмотки по сравнению со стандартным трансформатором; при одинаковых параметрах вольтодобавочный трансформатор с разомкнутым треугольником имеет на 12 % пониженную мощность;

• вольтодобавочный агрегат (ВДА), разработанный в УрГУПСе и включающий однофазный вольтодобавочный трансформатор, а также регулируемые реакторы, позволяет обеспечить снижение несимметрии по сравнению со стандартной схемой примерно на 30%.

• применение фазосдвигающего вольтодобавочного устройства позволяет подобрать оптимальную фазу добавочного напряжения и использовать это устройство для снижения уравнительных токов; такое устройство может оказаться эффективнее вольтодобавочного агрегата.

Основные результаты диссертационных исследований в виде практических рекомендаций по внедрению интеллектуальных технологий электроснабжения переданы в структурное подразделение «Трансэнерго» - Восточно-Сибирскую дирекцию по энергообеспечению ОАО «РЖД» и в Восточно-Сибирскую дирекцию инфраструктуры ОАО «РЖД».

Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Алексеенко В.А., Крюков А.В. Применение статистических методов для анализа повреждаемости устройств электроснабжения железных дорог // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. К» 1 (29). 2011. С. 101-105.

2. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Ушаков В.А., Алексеенко В.А. Использование устройств FACTS в системах внешнего электроснабжения железных дорог // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. № 1(33). 2012. С. 267-274.

3. Крюков А.В., Алексеенко В.А. Повышение эффективности оперативного управления в системах тягового электроснабжения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. № 4(32). С. 158-164.

4. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Алексеенко В.А. Анализ повреждаемости электрооборудования тяговых подстанций на основе многомерных статистических методов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Л'з 1 (21). 2009. С. 99-102.

5. Крюков АВ., Закарюкин В.П., Алексеенко В.А. Моделирование активных элементов интеллектуальных сетей в фазных координатах // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. № 2 (34). 2012. С. 99-105.

- монография:

6. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Ушаков В.А., Алексеенко В.А. Оперативное управление в системах электроснабжения железных дорог: монография / под редакцией А.В. Крюкова. Иркутск: ИрГУПС, 2012. 129 с.

- в других изданиях:

7. Kryukov А.V., Zakaryukin V.P., Alekseenko V.A. Modeling of smart grid active elements based on phase coordinates // Smart grid for efficient energy power system for the future. Proceeding. Vol.1. Otto-von-Guericke University Magdeburg. Magdeburg. 2012. pp. 12-17.

8. Alekseenko V.A. The use of segregated-phase controlled facts devices in external power-supply systems of railways // Smart grid for efficient energy power system for the future. Proceeding. Vol.1. Otto-von-Guericke University Magdeburg. Magdeburg. 2012. pp. 100-105.

9. Алексеенко B.A., Пузина Е.Ю. Анализ повреждений измерительных трансформаторов на тяговых подстанциях ВСЖД // В трудах первой межвузовской научно-пракгич. конф. «Транспортная инфраструктура Сибирского региона». - Иркутск: ИрГУПС. Т. 2. 2009. С. 4-9.

10. Алексеенко В.А. Использование технологий smart grid в электротяговых сетях II В трудах Всероссийской научно-практич. конф. с межд. участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона». - Иркутск: ИрГУПС. Т. 2. 2012. С. 4-9.

11. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко В.А. Моделирование активных элементов SMART GRID II В трудах XVII Байкальской всероссийской конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2012.194-202.

12. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко В.А. Моделирование путевых дроссель-трансформаторов при расчете режимов рельсовых цепей // В трудах второй межвузовской научно-пракгич. конф. «Транспортная инфраструктура Сибирского региона». - Иркутск: ИрГУПС. Т.1. 2011. С. 551-555.

13. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко В.А. Моделирование устройств FACTS в фазных координатах // В трудах Всероссийской паучпо-практич. конф. «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». - Иркутск: ИрГТУ. 2012. С. 358-364.

14. Пузина Е.Ю., Алексеенко В.А. Анализ времени наработки до отказа измерительных трансформаторов // В трудах Межвузовской научно-практической конференции «Танспорт-2010». 4.2. 2010. С. 307-309.

15. Пузина Е.Ю., Алексеенко В.А. Регрессионный анализ повреждаем оста измерительных трансформаторов // В трудах Всероссийской научно-пракгич. конф. «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». - Иркутск: ИрГТУ. 2010. С. 421-423.

Подписано в печать 25.02.2013 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетаая. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,22 Тираж 100 экз. Заказ № 198

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка». Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б. Ордынка, дом 49, стр.3. ИНН 7706042118 Справки и информация: БФ «Сосновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФГБОУ ВПО «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

Алексеенко Владимир Александрович

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ

СЕТЕЙ (SMART GRID) ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими ф процессами и производствами (промышленность)

СО

Диссертация на соискание учёной степени кандидата ■ л технических наук

со Ц

Q о Научный руководитель,

"sf д.т.н., профессор

Крюков A.B.

О

Иркутск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ..........................................................................16

1.1. Технологические процессы выработки, передачи,..................................................16

распределения, преобразования электроэнергии и управление ими............................16

1.2. Система электроснабжения магистральной железной дороги и особенности ее функционирования.........................................................................................................................25

1.3. Анализ надежности работы и повреждаемости оборудования СЭЖД..................39

1.3.1. ИЭСААС и проблема отработанного ресурса оборудования..............................39

1.2.2. Кластерный анализ повреждаемости оборудования СЭЖД................................40

1.3.3 Анализ повреждаемости электрооборудования СЭЖД на основе методов нечеткой кластеризации................................................................................................................44

1.3.4 Применение многомерных статистических методов для анализа повреждаемости устройств СЭЖД...............................................................................................47

1.3.5. Цели управления режимами систем тягового электроснабжения.......................54

1.4. Технические средства для управления режимами СЭЖД......................................56

Выводы................................................................................................................................60

2. ТЕХНОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ SMART GRID........................62

2.1. Общие замечания........................................................................................................62

2.2. Статические модели элементов СЭЖД в фазных координатах..............................62

2.3. Особенности моделирования рельсовых цепей.......................................................70

2.4. Динамические модели средств управления режимами СЭЖД...............................74

2.4.1. Модель вставки несинхронной связи.....................................................................74

2.4.2. Модель тиристорного статического компенсатора..............................................78

2.4.3. Модель активного кондиционера гармоник..........................................................80

2.5. Комплексный подход к моделированию интеллектуальных СЭЖД.....................87

Выводы................................................................................................................................93

3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ СЭЖД НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ SMART GRID.......................................................................................................95

3.1. Эффективность применения регулируемой компенсации реактивной мощности95

3.2. Эффективность применения вольтодобавочных агрегатов..................................116

3.3. Применение устройств FACTS и ВНС для снижения несимметрии и отклонений напряжения...................................................................................................................................138

3.3.1. Исходный режим расчетного полигона...............................................................138

3.3.2 Применение пофазно управляемых устройств FACTS для снижения

несимметрии и отклонений напряжения...................................................................................141

3.3.3. Применение вставок несинхронной связи для снижения несимметрии и отклонений напряжения..............................................................................................................144

3.4. Динамическое моделирование СЭЖД, оснащенных FACTS................................145

3.4.1. Динамическое моделирование СЭЖД, оснащенных устройствами FACTS..... 145

3.4.2. Моделирование работы вставок несинхронной связи........................................149

Выводы..............................................................................................................................155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................159

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................................................162

Приложение А..................................................................................................................169

Материалы о внедрении..................................................................................................169

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Smart grid - интеллектуальная сеть

FACTS- гибкие системы передачи энергии переменного тока

PPV- цифровая электростанция

ААС - активно-адаптивная сеть

АКГ - активный кондиционер гармоник

АКН - активный кондиционер напряжения

AM - активная мощность

АСМ - асинхронная машина

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ВГ - высшие гармоники

ВДА - вольтодобавочный агрегат

ВДТ - вольтодобавочный трансформатор

ВНС - вставка несинхронной связи

ВПТ - вставка постоянного тока

ГИЛ - газоизолированная линия

ДМ - динамическая модель

ДПР - линия электропередачи «два провода - рельс» ДТ - дроссель-трансформатор ИМ - имитационное моделирование

ИСЭЖД - интеллектуальная система электроснабжения железной дороги

ИЭСАСС - интеллектуальная электрическая система с активно-адаптивной сетью

КБ - конденсаторная батарея

КП - контактная подвеска

КПД - коэффициент полезного действия

ЛЭП - линия электропередачи

МЖД - магистральная железная дорога

МПЗ - межподстанционная зона

ПК - программный комплекс

ПКЭ - показатели качества электроэнергии

ПН - преобразователь напряжения

ПР - линия электропередачи «провод-рельс»

ПС - пост секционирования

Р - рельс

РГ - распределённая генерация

РМ - реактивная мощность

РПК - регулируемая поперечная компенсация

РПН - регулирование напряжения под нагрузкой

РУ - распределительное устройство

РЭС - район электроснабжения нетяговых потребителей

СКРМ — статический компенсатор реактивной мощности

СТ - симметрирующие трансформаторы

СТАТКОМ - статический компенсатор

СТК - статический тиристорный компенсатор

СТЭ - система тягового электроснабжения

СЦБ - устройства сигнализации, централизации, блокировки

СЭЖД - система электроснабжения железной дороги

ТП - тяговая подстанция

ТРГ - тиристорно-реакторная группа

УПК - установка продольной компенсации

УФК - установка фильтрокомпенсации

ФВУ - фазосдвигающее вольтодобавочное устройство

ФКЦ - фильтрокомпенсируюгцие цепи

ФНЧ - фильтр низкой частоты

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЭПС - электроподвижной состав

ЭЧ - дистанция электроснабжения железной дороги

ЭЭ - электрическая энергия

ЭЭС - электроэнергетическая система

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При высоких темпах развития экономики объемы электропотребления в России к 2030 г. могут возрасти по сравнению с 2000 г. в два раза. Обеспечение таких уровней производства электроэнергии (ЭЭ) невозможно без системного решения следующих задач [33, 34]:

• создание новой технологической основы энергетики, построенной с использованием принципов интеллектуальных электрических сетей {smart grid);

• придание интегрирующей роли электрической сети;

• установка в сетях активных технических средств для регулирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС) и создание на их основе адаптивной системы управления;

• применение новых информационных технологий и быстродействующих вычислительных комплексов для оценки состояния и управления;

• повышение эффективности использования энергоресурсов и энергосбережение.

В итоге должен произойти переход электроэнергетики к новому качеству управления технологическими процессами производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии на основе интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивной сетью (ИЭЭСААС). ЭЭС, построенные на основе технологий smart grid, включает в свой состав следующие сегменты [33, 34, 47, 48, 69, 87, 126]:

• все виды источников электроэнергии, включая установки распределенной генерации;

• различные типы потребителей, принимающих непосредственное участие в регулировании качества электроэнергии и надежности ЭЭС;

• электрические сети разного напряжения и функционального назначения, имеющие развитые возможности адаптации следующих типов:

- изменение параметров и топологии по текущим режимным условиям;

- регулирование напряжения в узловых точках, обеспечивающее минимизацию потерь при соблюдении нормативных значений показателей качества электроэнергии;

- комплексный учет ЭЭ на границах раздела сети и на подстанциях;

• всережимную систему управления с полномасштабным информационным обеспечением.

В электрических сетях, питающих тяговые подстанции магистральных железных дорог, а также в системах тягового электроснабжения в полном объеме проявляются перечисленные выше проблемы, решение которых возможно на основе технологий smart grid. Особую актуальность вопрос применения таких технологий приобретает в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, где основная системообразующая электрическая сеть непосредственно связана с тяговыми подстанциями железнодорожных магистралей [120, 127]. В виду значительного объема резкопеременной нелинейной однофазной тяговой нагрузки показатели качества электроэнергии (ПКЭ) в этих сетях далеко выходят за допустимые пределы.

Существенный вклад в решение проблемы создания технологий smart grid внесли Вариводов В.Н., Воропай Н.И., Дорофеев В.В., Иванов Т.В., Иванов С.Н., Кобец Б.Б., Логинов Е.И., Макаров A.A., Наумов Э.Б., Шакарян Ю.Г., C.W. Gelling, J.M. Guerrero Zapata, Z. Styczynski, J. Schmid и др. Вопросам, связанным с моделированием и управлением сложных ЭЭС и СТЭ, посвящены работы Бадера М.П., Баринова В.А., Бермана А.П., Бочева A.C., Быкадорова A.JL, Веникова В.А., Висящева А.Н., Гамма А.З., Германа Л.А., Дынькина Б.Е., Идельчика В.И., Котельникова A.B., Косарев А.Б., Лосева С.Б., Мамошина P.P., Марквардта Г.Г., Марквардта К.Г., Мельникова H.A., Мирошниченко Р.И., Мисриханова М.Ш., Попова Н.М., Пупынина В.Н., Строева В.А., Тарасова В.И., Тер-Оганова Э.В., Фигурнова Е.П., Черемисина В.Т. и их коллег.

Работы перечисленных авторов [7...10, 13...21, 23, 25, 26, 28, 29, 31...35, 47...51, 54...56, 58, 71, 74, 76, 80...84, 90, 92, 98, 101...103, 106, 109,

115, 117... 119, 121... 126] создали методологическую основу для проведения исследований по созданию интеллектуальных систем электроснабжения железных дорог (СЭЖД), построенных с использованием технологий smart grid. Для эффективного использования этих технологий необходима разработка методов моделирования СЭЖД, позволяющих адекватно учитывать активные элементы smart grid, такие как устройства FACTS (flexible alternative current transmission systems), активные кондиционеры гармоник (АКГ), вставки постоянного тока (ВПТ), установки распределенной генерации (РГ) и т.д.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методов моделирования СЭЖД, использующих технологии smart grid, в задачах управления технологическими процессами выработки1, передачи, преобразования, распределения и потребления ЭЭ в СЭЖД переменного тока.

Для реализации сформулированной цели в диссертационной работе потребовалось решение следующих задач:

• разработать статические и динамические модели активных элементов smart grid;

• разработать метод комплексного моделирования режимов ИЭЭСААС, питающих электротяговые нагрузки;

• выполнить математическое моделирование режимов СЭЖД, оснащенных установками регулируемой компенсации реактивной мощности и вольто-добавочными трансформаторами, подтверждающее эффективность применения этих устройств в тяговых сетях;

• предложить методику и алгоритмы анализа повреждаемости электрооборудования СЭЖД;

• разработать методику моделирования рельсовых цепей многопутных участков железных дорог с учетом влияния активных элементов smart grid.

Объект исследований. Система электроснабжения железной дороги переменного тока, построенная с использованием технологий smart grid для

1 Выработка ЭЭ в СЭЖД может осуществляться на основе установок собственной (распределенной) генерации.

управления процессами производства, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии.

Предмет исследований. Методы управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии на основе технологий интеллектуальных сетей {smart grid).

Методы исследования рассмотренных в диссертации задач базируются на математическом моделировании режимов сложных электроэнергетических систем и систем тягового электроснабжения с использованием аппарата теории автоматического управления, многомерных статистических методов, линейной алгебры, теории функций многих переменных.

Для проведения вычислительных экспериментов использовались комплекс программ «FAZONORD-Качество», разработанный в ИрГУПСе и модернизированный в части реализации моделирования режимов СЭЖД, построенных с использованием технологий smart grid, а также пакет SimPowerSystem системы Matlab.

Научную новизну составляют следующие результаты, выносимые на защиту:

• алгоритм комплексного моделирования режимов интеллектуальных ЭЭС, питающих электротяговые нагрузки, отличающийся тем, что в его основу положено совместное использование имитационных и динамических моделей активных элементов smart grid, применяемых для управления режимами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии

• статические и динамические модели активных элементов smart grid, отличающиеся применимостью в задачах управления режимами СЭЖД с активно-адаптивными сетями; оригинальная методика моделирования режимов СЭЖД, оснащенных различными типами активных устройств, используемых в технологиях smart grid для управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления ЭЭ.

• методика и компьютерные технологии анализа повреждаемости элек-

трооборудования СЭЖД, отличающиеся от известных применением многомерных статистических методов и учетом размытости факторного пространства на основе алгоритмов нечеткой кластеризации;

• методика моделирования рельсовых цепей, отличающая корректным учетом электромагнитного влияния контактной сети (КС) и путевых дроссель-трансформаторов, обеспечивающая получение реального токораспределения в рельсовых нитях многопутных участков и применимая для расчета режимов интеллектуальных систем электропитания устройств сигнализации, централизации и автоблокировки (СЦБ) железных дорог.

Достоверность н обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов подтверждена их сравнением в сопоставимых случаях с результатами расчетов, выполненных с помощью промышленных программ, прошедших полномасштабную практическую апробацию, а также с данными замеров в реальных системах электроснабжения железных дорог Восточной Сибири.

Практическая значимость полученных результатов исследований состоит в решении актуальных научно-технических задач, связанных с управлением технологическими процессами в системах электроснабжения железных дорог, а также с повышением энергоэффективности и качества электроэнергии в СЭЖД переменного тока. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, позволяют решать следующие задачи, актуальные при проектировании и эксплуатации СЭЖД:

• моделирование режимов СЭЖД с учетом активных устройств smart

grid\

• рациональный выбор комплекса интеллектуальных средств автоматического управления режимами на тяговых подстанциях и постах секционирования контактной сети СЭЖД переменного тока;

• стабилизация уровней напряжения на токоприемниках ЭПС, снижение потерь электроэнергии и уравнительных токов, а также уменьшение несимметрии и гармонических искажений в электрических сетях высокого напряже-

ния, питающих тяговые подстанции.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационных исследований в виде практических рекомендаций по внедрению интеллектуальных технологий электроснабжения использованы в структурном подразделении «Трансэнерго» - Восточно-Сибирской дирекции по энергообеспечению ОАО «РЖД» при разработке перспективных схем построения автоматизированных систем контроля и учета электропотребления и в ВосточноСибирской дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» при разработке программы повышения энергоэффективности Восточно-Сибирской железной дороги на 2012 - 2016 гг., а также при разработке мероприятий по повышению качества электрической энергии в электрических сетях, осуществляющих электроснабжение тяговых подстанций Байкало - Амурской железнодорожной магистрали.

Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.

Апробация работы. Результаты, полученные на основе проведенных в диссертации исследований, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», г. Иркутск, 2009, 2011, 2012 гг.; международной научно-практической конференции «Транспорт-2010», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.; всероссийских нау�