автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемая по изменению параметров нагрузок в реальном времени

На правах рукописи

ТАБАНАКОВ ПАВЕЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ

СИСТЕМА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ, УПРАВЛЯЕМАЯ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗОК В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации» (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1« ОКТ 2015

Иркутск 2015

005563290

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бардушко Валерий Данилович

Официальные оппоненты:

Ковалев Геннадий Федорович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева» Сибирского отделения Российской академии наук, г. Иркутск, отдел живучести и безопасности систем энергетики, ведущий научный сотрудник

Шакиров Владислав Альбертович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», г. Братск, факультет энергетики и автоматики, декан

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения», г. Самара

Защита диссертации состоится 12 ноября 2015 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 на базе ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803. Тел. 8-(3952)-63-83-11, факс 8-(3952)-38-76-72; е-таП:такп v@iniups.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», http://www.irgups.ru

Автореферат разослан 1 октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Данеев Алексей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. Ежегодно в среднем на 3% по сети возрастает объем железнодорожных грузоперевозок, что оказывает повышенную нагрузку на оборудование системы тягового электроснабжения, в ряде случаев имеющего срок службы более 30 лет. Уже сегодня при пропуске поездов массой более 6 тыс. тонн при возрастании токовой нагрузки возникает ряд «узких мест» по системе тягового электроснабжения, обусловленных нагревом оборудования, снижением уровня напряжения в контактной сети и соответствующим увеличением потерь электроэнергии.

Двигатель электровоза в совокупности с выпрямителем и его трансформатором является активно-индуктивной нагрузкой с высоким реактивным электропотреблением. Увеличение нагрузок как следствие увеличения масс поездов и их числа приводит к возрастанию реактивного электропотребления, увеличению потерь и соответствующему ограничению пропускной способности железной дороги. В отличие от промышленных и городских систем электроснабжения система тягового электроснабжения имеет резко переменный характер изменения нагрузки, что является основной особенностью исследований в данной области.

Одним из наиболее эффективных направлений по снижению реактивного электропотребления в тяговой сети является применение устройств параллельной компенсации реактивной мощности. Вопросам использования компенсирующих устройств, а также оптимизации их работы посвящены труды ряда отечественных ученых, таких как Герман JI.A., Бородулин Б.М., Мамошин P.P., Чернов Ю.А., Серебряков A.C., Николаев Г.А. Однако, существующие подходы к их управлению, основанные на критериях стабилизации уровня напряжения, предельно допустимом уровне потребления реактивной мощности (заданном энергосбытовыми компаниями) не учитывают изменения параметров системы тягового электроснабжения в реальном времени.

Решение задачи использования резерва энергетической эффективности устройств параллельной компенсации реактивной мощности возможно только при исследовании технических средств электроснабжения железной дороги как целостной сложной системы. С точки зрения применения методов системного анализа ранее не исследовалась зависимость мощности компенсирующих устройств от ряда непрерывно изменяющихся параметров подсистемы электроподвижных нагрузок: токов поездов и их координаты в межподстанционной зоне, что позволяет раскрыть неиспользуемый резерв энергетической эффективности системы тягового электроснабжения с управляемым компенсирующим устройством.

Цель диссертационного исследования заключается в повышении эффективности работы системы тягового электроснабжения на основе разработки закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по изменению параметров нагрузок в реальном времени.

Достижение указанной цели требует решения следующих задач:

— анализ существующих методов повышения эффективности функционирования системы электроснабжения железной дороги и обоснования их дальнейшего совершенствования;

— структурный и параметрический синтез системы параллельной компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемой по сформированному закону;

- разработка имитационной динамической модели и оценки на ее основе эффективности системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по параметрам нагрузок;

- формирование методики управления системой параллельной компенсации реактивной мощности с учетом принципа коммутации ее мощности.

Объект исследования. Устройство параллельной компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения.

Предмет исследования. Методы управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности.

Методы исследования базировались на математическом моделировании системы тягового электроснабжения с использованием методов системного анализа, линейной алгебры, теории функций многих переменных. Для выполнения экспериментальных исследований и практических расчётов были использованы программные комплексы МаЛаЬ, КОРТЭС, МаЛСаё.

Научную новизну составляют следующие положения, выносимые на защиту:

1. Закон управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь в тяговой сети с учетом величин токов и координат размещения поездов в реальном времени.

2. Имитационная динамическая модель системы тягового электроснабжения с движущимися нагрузками и подсистемой параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по параметрам нагрузок.

3. Методика управления процессом компенсации реактивной мощности по изменению нагрузок в реальном времени с учетом способа регулирования мощности компенсирующего устройства.

Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в диссертации, обеспечивается путем корректного использования математических методов с широким применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Эффективность предложенного закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности проверена с привлечением имитационной динамической модели системы тягового электроснабжения, сформированной в программной среде МаЛаЬ.

Практическая значимость. На основе полученных в диссертационной работе результатов возможно решение следующих практических задач:

1. Повышение пропускной способности электрифицированной железной дороги вследствие нормализации уровня напряжения в тяговой сети путем использования системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по сформированному закону.

2. Повышение экономической эффективности использования устройств параллельной компенсации реактивной мощности.

3. Обеспечение надежности и увеличение срока службы элементов устройства параллельной компенсации реактивной мощности за счет оптимальной его загрузки, соответствующей уровню поездной работы.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в практическое использование электротехнической лаборатории и службы электрификации и электроснабжения Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры ВСЖД в виде сформированной, на основе исследований автора, компьютерной модели участка железной дороги с устройством параллельной компенсации реактивной мощности, управляемым по сформированному закону.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских, региональных конференциях: межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012, 2013, 2014 г.); XI межвузовской научно-технической конференции «Молодая мысль-развитию энергетики» (Братск, 2013 г.), 3-й Всероссийской Интернет-конференции «Грани науки 2014» (Казань, 2014 г.), Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика. Новые технологии - 2014», X молодежной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов молодых ученых «Наука XXI века: новый подход» (Санкт-Петербург, 2014 г.), на научно-техническом совете в службе электрификации и электроснабжения Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры ВСЖД в 2014 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе три статьи в журналах, включенных в список ВАК. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 92 наименований. Общий объем диссертации 117 страниц, в тексте содержится 51 рисунок и 3 таблицы. В приложении приведены материалы о внедрении результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, выделены основные положения и результаты работы, выносимые на защиту, их теоретическая и практическая значимость, отражены сведения о реализации и апробации результатов работы.

В первой главе диссертации сформулирована задача системного анализа процесса компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения железной дороги. Выполнен анализ существующих методов повышения эффективности функционирования системы электроснабжения железной дороги и приведено обоснование их дальнейшего совершенствования. Рассмотрены критерии эффективности систем электроснабжения. Выполнен обзор и анализ

методов управления потреблением реактивной мощности в системе тягового электроснабжения как одного из направлений повышения эффективности систем электроснабжения. Произведена оценка критериев управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности и доказана необходимость ее управления с учетом полного спектра ограничений процесса компенсации.

Исходя из классической теории состояния системы, определяемой по набору параметров, характеризующих ее эффективность, модель состояния сложной системы электроснабжения железнодорожного транспорта можно представить в общем виде - рис. 1.

Рис. 1 Упрощенная модель состояния системы

В данном случае для системы электроснабжения железной дороги вектор значений входных параметров X определяется поездной обстановкой (уровнем поездопотока), которая в свою очередь влияет на уровень токовой нагрузки. Вектор значений воздействия внешней среды в определяется климатическими условиями и воздействием человеческого фактора. К параметрам, характеризующим внутреннее состояние системы, определяемое вектором Ъ, следует отнести температурный режим оборудования, состояние сопротивления токопроводящих частей и изоляции. Таким образом, вектор выходных параметров можно представить как У=Г(Х;0;7). Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение требуемого качества электрической энергии на ее выходе. Таким образом, к основным критериям эффективности электроэнергетических систем, и тягового электроснабжения в том числе, определяемых вектором выходных параметров У, обычно относят следующие:

- расход электрической энергии;

- потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения;

- уровень напряжения;

- несимметрию напряжения;

- уровень высших гармоник.

Учитывая слабую возможность влияния на вектор внешних воздействий в, а также вектор Ъ, зависящий напрямую от старения оборудования, для решения задачи повышения эффективности следует снижать влияние на систему нагрузочного воздействия, в частности для железной дороги - влияние реактивных составляющих токовых нагрузок.

Для этой цели существуют три основных направления повышения энергетической эффективности системы электроснабжения железной дороги:

1) увеличение мощности сети;

2) включение в состав потребителей (электровозов) корректирующих устройств;

3) установка устройств коррекции качества электроэнергии в сети (регуляторов одного или нескольких показателей качества электроэнергии в тяговой сети).

Ограничивающим условием применения первых двух вариантов является дефицит капитальных вложений. Наряду с этим при рассмотрении третьего варианта одним из эффективных мероприятий повышения энергетических характеристик в системе тягового электроснабжения являются управляемые устройства параллельной компенсации реактивной мощности. Они позволяют снижать потери электроэнергии в тяговой сети и повышать уровень напряжения на токоприемниках электроподвижного состава. Однако, необходимо учитывать тот факт, что обеспечение эффективности системы тягового электроснабжения по данному критерию возможно только при нормализации режима работы всех технических средств, входящих в систему.

Применение системного анализа в решении задач исследования режимов работы системы тягового электроснабжения, повышения ее эффективности, а также формирования эквивалентных моделей отражено в трудах Германа Л.А., Доманского И.В., Фомина A.B., Бардушко В.Д., Закарюкина В.П., Крюкова A.B.

На основе исследований вышеуказанных авторов сложная система электроснабжения электрической железной дороги может быть представлена тремя уровнями взаимоувязанных подсистем рис.2.

Рис. 2 Укрупненное представление сложной системы электроснабжения железной дороги

Так как система электроснабжения железной дороги является сложной технической системой, существуют методы повышения качества электрической энергии на ее отдельных элементах (подсистемах):

- в тяговой сети;

- подсистеме внешнего электроснабжения (первичной сети);

- подсистеме электроподвижных нагрузок.

Так как 80-90% потерь энергии в системе электроснабжения электрических железных дорог относится к тяговой сети, то целесообразно решать задачу повышения эффективности в первую очередь в подсистеме тяговой нагрузки.

Одним из эффективных методов повышения энергетической эффективности системы электроснабжения железных дорог является применение устройств параллельной компенсации в тяговой сети.

Ранее задача повышения эффективности процесса компенсации реактивной мощности и, как следствие, улучшения качества электрической энергии, не рассматривалась с точки зрения системного подхода, где устройство параллельной компенсации выделяется как объект, взаимодействующий с каждым элементом сложной системы электроснабжения, являющийся ее составной частью. Вопросы изучения сложных систем и их декомпозиции отражены в трудах Месаровича М., Оптнера С.Л., Тарасенко Ф.П.

С точки зрения иерархической структуры сложной системы электроснабжения железной дороги целесообразно представить следующую схему - рис. 3.

Система внешнего

электроснабжения

--

_52_

Система тягового электроснабжения

Рис. 3. Укрупненная иерархическая структура сложной системы электроснабжения железной дороги с устройством компенсации реактивной мощности

На основе вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости системного подхода к решению задач эффективности процесса компенсации реактивной мощности, с учетом полного перечня ограничений (в данном случае параметров системы электроподвижных нагрузок). В качестве таких параметров необходимо рассмотреть токи поездов, а главное их координату в межподстанционной зоне.

В настоящее время отечественными и зарубежными учеными предложен ряд вариантов компенсирующих устройств, управляемых по критериям:

- заданному соз(ср) (где ср - угол между векторами тока и напряжения);

- уровню напряжения в соответствии с ГОСТ.

Решение задачи повышения эффективности управления реактивным электропотреблением в тяговой сети с привлечением первого критерия обусловлено в первую очередь требованиями энергоснабжающих организаций, однако, такой подход ограничен использованием устаревших локомотивов, имеющих низкий коэффициент мощности, в лучшем случае достигающий 0,84. Необходимо отметить, что использование данного критерия может быть эффективным с применением компенсирующих устройств на каждом локомотиве. Учитывая, что в среднем простой локомотива вне работы

составляет не менее 30% времени его эксплуатации такой подход нецелесообразен из экономических соображений.

Применение второго критерия обусловлено техническими требованиями оборудования локомотивов. Однако, в условиях ограниченной нагрузочной способности системы тягового и внешнего электроснабжения его применение ограничено невозможностью достижения нормативного уровня напряжения (25 кВ) в связи с прогнозируемым ростом объема перевозочного процесса.

Таким образом, для достижения максимального эффекта использования компенсирующих устройств, исходя из технико-экономических соображений, необходимо опираться на критерий потерь электрической энергии в тяговой сети, что являлось до настоящего времени не изученным - рис.4.

Хку,и КС, С05(ф) эпс

Хэпс, 1з

Цс

Устройство компенсации реактивной мощности

Рис. 4. Упрощенное представление процесса компенсации реактивной мощности с учетом полного спектра ограничений

ХЭпс, 1Эпс - координата и ток поезда (входные параметры); ()с - сгенерированная реактивная (емкостная) мощность; Хку - координата компенсирующего устройства, икс - напряжение в контактной (тяговой сети), С05(ф)эпс - уровень потребления реактивной мощности электровозом в номинальном режиме (ограничения).

Такой подход требует нахождения новых, более эффективных законов управления, учитывающих требуемый набор параметров нагрузки электроподвижного состава и реального состояния системы электроснабжения. Адаптивность такой системы должна основываться на ряде средств, позволяющих осуществлять мониторинг внешних параметров и прогнозирование дальнейших временных изменений нагрузки.

Применение современных средств вычислительной техники и систем передачи данных позволяет решать эти вопросы и ведет к повышению и стабилизации напряжения в тяговой сети, повышает коэффициент мощности, особенно в период максимальных нагрузок.

Во второй главе доказана необходимость управления мощностью устройства параллельной компенсации в соответствии с основными параметрами режима системы электроподвижных нагрузок, которыми, как показано в диссертационной работе, являются реактивные токи поездов и места их размещения (координаты) для текущего времени.

Анализ устройства компенсации реактивной мощности без функции управления, показал его эффективность для средних (симметричных) условий. Это послужило основанием для разработки закона управления компенсирующим устройством с учетом современных возможностей, устраняя периодическую недокомпенсацию или перекомпенсацию реактивной мощности в контактной

Рис. 5 Эпюры тока контактной сети от неуправляемого компенсирующего устройства при наличии поездов в межподстанционной зоне

1ЭПс - токи поездов; - ток устройства параллельной компенсации реактивной мощности; ТПА, ТПВ - тяговые подстанции.

По расчетной схеме, представленной на рис. 6, на основе метода равномерных нагрузок был получен закон изменения тока вдоль контактной сети (1), который использован для дальнейшего анализа.

Ь

1\ - 1 5- 1 * 1 ч / = / ^Т 1 41 ->

¡сЬс , X , сЬс ЧГА = л-) г/2 N

^мпзт.

Рис. 6 Графическое представление закона изменения тока в контактной сети при равномерных нагрузках

^мпзтяга = ./X"*')' результирующий ток в контактной сети; Ь - длина межподстанционной зоны; I,, Ь- токи фидеров тяговых подстанций.

/ = -—* + -, Ь 2

где 1Х- ток в контактной сети в точке X, I - суммарный ток в межподстанционной зоне (в дальнейшем анализе ток принят в относительных единицах, где I = 1).

Выполнены расчеты тока компенсирующего устройства для схем с различным количеством поездов и произвольным их расположением в межподстанционной зоне. В качестве примера на рис. 7 приведена схема для двух поездов.

Рис. 7 Эпюры тока в контактной сети с двумя тяговыми нагрузками при двухстороннем питании

Тогда для любого соотношения токов поездов с координатами

1 31-т 1- т 1 -г г г х, = —=-,1 = 1; /, = —; 7, = У — У,.

1 4' 2 4 ' 7 2

Выражение для тока компенсирующего устройства

2 [/2-(1-*2) + /,-*,]

I

где I], Ь - токи поездов; X], Х2 — координаты поездов, Ь - длина межподстанционной зоны (в относительных единицах).

Ток компенсирующего устройства

1-Ь

756.

Аналогичный принцип расчета принят для 10 мгновенных схем с различным положением нагрузок - рис. 8.

Рис. 8 График изменения тока компенсирующего устройства при изменении координат и токов нагрузок (поездов)

Анализ полученных результатов показывает, что устройство параллельной компенсации реактивной мощности с фиксированной мощностью не обладает достаточной эффективностью при несимметричном расположении нагрузок и неравных их реактивных мощностях, что доказывает необходимость учета параметров электроподвижных единиц при управлении его мощностью.

В конечном счете, основной задачей устройства компенсации реактивной мощности является минимизация потерь электроэнергии в тяговой сети, поэтому для дальнейшего исследования использован именно этот критерий. С учетом вышеизложенных положений, выполнен синтез закона управления устройством параллельной компенсации по критерию потерь в контактной сети, позволяющий повысить ее эффективность за счет постоянного учета изменений нагрузок и положения электроподвижного состава. При формировании закона принята схема двухстороннего питания контактной сети с параллельным соединением подвесок путей и расположением пяти поездов, как наиболее вероятного их числа в межподстанционной зоне с системой тяги переменного тока (рис. 9).

Рис. 9 Эпюры тока в контактной с параллельным соединением подвесок путей и расположением пяти поездов

Условно принято, что погонное сопротивление г0 = 1 Ом/км . Тогда потери мощности на каждом участке

АЛ = (// - Л)2 ■ ;

АЛ,

и г - Л - Л)2 -О

А Ли = (// - А - Л - Л)2 - *2);

АЛу = (/г - Л - Л - Л - Л) • —- *

дру = (/, _/,-/,-/, + у

ДЛ,, = (/,-/,- /2 - /, - /4 + )2 • (*5 - );

АП„ = (// - Л - Л - Л - Л - Л + /,)2 ■(! -*,).

Необходимое условие минимизации суммарных потерь запишется в виде:

_

дк

(2)

- = 0.

Решая (2) относительно искомого тока компенсирующего устройства, получен закон его изменения для схемы на рис. 4

5

\

Х/.-^-Х//^,/,!/,

у=4 >=4 у

(3)

I

Распространяя полученный результат на произвольное число поездов в межподстанционной зоне, для каждого момента времени I получен закон управления в общем виде:

У=/и+1

у=/и+1 у

(4)

где л? - число поездов до компенсирующей устройства; п- общее число поездов в межподстанционной зоне; j- текущее значение номера узла (только для поездов, исключая узел, образованный устройством параллельной компенсации реактивной мощности).

На рис. 10 представлена функциональная модель тяговой сети, отражающая основной поток информации, необходимой для формирования управляющего воздействия на устройство параллельной компенсации реактивной мощности при реализации полученного закона управления.

Рис. 10 Функциональная модель тяговой сети с устройством параллельной компенсации реактивной мощности, управляемым по заданному закону

КС - контактная сеть; Р - рельс; ТП - тяговая подстанция; ЭПС - электроподвижной состав; КУ - регулируемое устройство параллельной компенсации реактивной мощности; ЗУ - блок закона управления; х(1), Щ) - координата и реактивный ток поезда; 1ку - ток, вычисленный по закону управления, основанному на критерии минимальных потерь в тяговой сети.

В третьей главе с целью оценки эффективности решения задачи управления устройством параллельной компенсации по критерию потерь в тяговой сети выполнен структурный и параметрический синтез имитационной динамической модели системы электроснабжения железной дороги, сформированной в программном комплексе МаЛаЬ. Решение поставленных в диссертационной работе задач потребовало анализа взаимодействия системы тягового электроснабжения как с электроподвижным составом, так и с системой внешнего электроснабжения.

Сложность изучаемой системы ставит вопрос о возможности упрощения представляющей ее компьютерной модели. С этой целью исследовано влияние внешней системы тягового электроснабжения на искомые параметры режима работы системы тягового электроснабжения. Такое исследование необходимо, поскольку в ряде исследований указывается, что отсутствие учета или упрощенный учет системы внешнего электроснабжения может приводить к недостоверным результатам и, следовательно, к последующим неверным решениям задач повышения эффективности работы системы тягового электроснабжения. Так в трудах Германа Л.А. отмечается, что ошибки в определении уравнительных токов в тяговой сети без учета системы внешнего электроснабжения могут достигать от 17 до 300%.

Декомпозиция позволила сформировать отдельные элементы системы электроснабжения участка железной дороги (одной межподстанционной зоны) с подсистемой компенсации реактивной мощности, управляемой по сформированному закону в реальном времени рис. 11.

Рис. II Укрупненная структурная схема модели системы электроснабжения железной дороги с подсистемой компенсации реактивной мощности, управляемой по заданному

закону в реальном времени

ЭПС - электроподвижной состав; КУ - управляемое устройство параллельной компенсации реактивной мощности; ВУ - вычислительное устройство, реализующее закон управления и управляющее воздействие; ПУ - преобразовательное устройство, реализующее переход от тока синтезированного законом управления ВУ к управляющему воздействию на УУ в виде угла регулирования генератора прямоугольных импульсов; ИУ - исполнительное устройство, подающее сигнал на открытие (закрытие) теристоров, регулирующих мощность КУ; СКРМ -подсистема компенсации реактивной мощности; х(1:), 1р(1) - координата и реактивный ток поезда; <р(1ку) - угол регулирования генератора прямоугольных импульсов (в данном случае угол открытия тиристоров при плавном регулировании), 1ку(х,1р) - ток, вычисляемый ВУ по критерию потерь в тяговой сети.

Для обеспечения требуемой точности рассмотрены варианты минимизации погрешности моделирования, определены коэффициенты масштабирования модели. Анализ аналогов таких моделей с замещением системы внешнего электроснабжения ее реактансами показал, что погрешность при моделировании мгновенных схем не превышает 5% от реальных тяговых расчетов.

На основе укрупненной схемы рис. 11 в программном комплексе МаЙаЬ сформирована модель, используемая для дальнейшего анализа (рис. 12). Доказано повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения при управлении компенсирующим устройством по сформированному закону в реальном времени.

Рис. 12 Структурная модель системы тягового электроснабжения с устройством подсистемой компенсации реактивной мощности, управляемым по сформированному закону

В работе выполнено моделирование работы системы тягового электроснабжения для двух схем с тремя режимами в каждой:

- без компенсирующего устройства;

- с включением = компенсирующего устройства без функции управления с мощностью равной 50% от среднего суммарного реактивного тока в межподстанционной зоне за расчетный период;

- с включением компенсирующего устройства, управляемого по сформированному закону.

Первое моделирование выполнялось для мгновенной схемы с расположением в межподстанционной зоне трех поездов с несимметричными координатами относительно компенсирующего устройства, которое в свою очередь, находится в середине зоны. Для максимального приближения модели к реальным условиям установлена различная мощность электровозов, что соответствует неравномерному профилю пути и массам поездов. В ходе имитационного моделирования был снят ряд характеристик, показывающих необходимость и эффективность управления током устройства компенсации реактивной мощности по сформированному закону, исходя из минимизации потерь в тяговой сети. Результаты расчетов для варианта одной мгновенной схемы показали увеличение эффективности работы системы тягового электроснабжения до 7% (таблица 1)

Таблица 1. Выходные параметры расчетных схем обоснования эффективности закона управления компенсирующим устройством по критерию потерь в тяговой сети

Схема Напряжение в контактной сети (и, кВ) Расход реактивной мощности ((}, кВАр)

Без компенсирующего устройства 22,7 2,332

С компенсирующим устройством без функции управления 24,4 1,78

С компенсирующей устройством (закон управления) 24,8 1,671

Далее сформирована схема однопутного участка для варианта 3 движущихся тяжелых поездов (одинаковой массы) при равном межпоездном интервале. В качестве расчетного периода принято полное время хода поезда по межподстанционной зоне. В модели это время пересчитано в соответствии с временным масштабом. Выходные данные показали увеличение эффективности работы системы тягового электроснабжения до 15% (таблица 2).

Таблица 2. Выходные параметры расчетных схем обоснования эффективности закона управления компенсирующим устройством по критерию потерь в тяговой сети

Схема Напряжение в контактной сети (и, кВ) Расход реактивной мощности (<3, кВАр)

Без компенсирующего устройства 22 2,122

С компенсирующим устройством без функции управления 23 1,669

С компенсирующим устройством (закон управления) 23,6 1,432

Анализ результатов моделирования доказывает, что применение управляемого по сформированному закону устройства параллельной компенсации реактивной мощности повышает эффективность системы тягового электроснабжения от 7 до 15%.

С точки зрения наибольшей глубины компенсации целесообразно применение устройства с плавным управлением мощности, однако на сегодняшний день применение таких устройств ограничено в связи с отсутствием дешевых и долговечных коммутационных аппаратов, позволяющих осуществлять такие функции. Вместе с тем использование тиристоров в качестве коммутационных аппаратов совместно с индуктивными реакторами приводит к ухудшению качества электрической энергии в тяговой сети. В этой связи в диссертационной работе предлагается применение разработанного закона с управлением мощности компенсирующей устройства отдельными ступенями, однако, при подготовке технико-экономического обоснования и выборе количества ступеней компенсации, требуется определить точку равновесия между затратами на количество таких ступеней и затратами на потери от недостаточной глубины компенсации.

В четвертой главе рассмотрены варианты оценки остающегося резерва повышения эффективности компенсирующего устройства со ступенчатым управлением, оценки времени работы одной ступени компенсирующего устройства, основанной на применении автокорреляционного анализа.

Для оценки возможного снижения потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения в случае ступенчатого управления выполнен анализ выбросов исследуемой функции за заданный уровень, соответствующий мощности одной ступени компенсации. Исследование выбросов реактивной составляющей мощности тяговой нагрузки Q = /(/) за заданный уровень Q], может быть основано на детально разработанной методологии получения количественных оценок выбросов случайной величины, подчиняющейся нормальному закону.

Известно, что средняя площадь выбросов определяется выражением

<у*-(б - а)

1-Ф

^ —л 6.-6

(Я-ву)

(5)

где ад - среднеквадратическое значение изменения реактивнои мощности в расчетном элементе (например, фидере); <туд- среднеквадратическое значение скорости изменения реактивной мощности тяговых нагрузок, как случайной величины; д - среднее за расчетный период значение реактивной мощности тяговых нагрузок; 6, - заданное значение реактивной мощности, при превышении которого включается компенсирующее устройство (ступень 'в-в"

управления); Ф

интегральная функция распределения реактивной

мощности тяговых нагрузок.

Для решения вопроса о средних потерях электроэнергии за один выброс, следует оценить среднее время одного выброса за заданный уровень. Используя математический аппарат теории выбросов, можно записать выражение для оценки среднего значения одного выброса га за заданный уровень мощности одной ступени компенсации

(о-о)'

Гв

1-Ф

е,-е

(6)

Используя количественную оценку среднего выброса реактивной мощности и среднюю продолжительность одного выброса и число выбросов за расчетный период Т, можно найти значение общей энергии

(7)

1Гр=ЬРр-твГЫ.

Тогда следующим шагом решения задачи является определение числа выбросов снизу вверх N за расчетный период. Для процессов с нормальным распределением можно записать

(ё-е)

Ы = Т-

2-п-ап

(8)

Искомые недокомпенсированные потери энергии от выбросов «вверх» определятся на основании выражений приведенных выше и составят

К-гДи-Зг-

и.

т

1-Ф Г ~~ VI

1 °ь 1

у аУЯ

2-ж-ап

№

(9)

В самом общем случае нельзя полагать, что число и площадь выбросов, соответствующих перекомпенсированным потерям, то есть выбросы «вниз», даже при уровне ступени, равном среднему значению, будет равно числу и

площади выбросов, соответствующих недокомленсированным потерям, то есть выбросам «вверх», но алгоритм для их оценки аналогичен вышеизложенному.

Для получения эффективности, в равной степени учитывающей с одной стороны поддержание требуемого качества электрической энергии и с другой стороны реализацию наибольшей глубины компенсации, необходима оценка длительности включения ступеней компенсации.

Для анализа в этой области была произведена суточная регистрация токов и напряжений на одном из фидеров действующей тяговой подстанции. За период измерений было снято 469 значений тока фидера рис. 13, расчетным путем получены реактивные мощности для каждого момента времени.

Время, час.мин.сек.

Рис. 13 График изменения тока фидера тяговой подстанции

Значение тока в отдельные промежутки времени является случайной величиной, однако, учитывая вышеизложенные утверждения о подчинении значений напряжения и тока в контактной сети нормальному закону распределения, дальнейший анализ базируется на соответствующих статистических закономерностях.

В частности, такой подход позволяет для определения длительности действия одной ступени компенсирующей устройства использовать корреляционный анализ. Для этого на основании рис.13 был сформирован массив данных и построена автокорреляционная функция для реактивных мощностей фидера за суточный период времени рис. 14.

0,6

Рис. 14 График автокорреляционной функции реактивной мощности

Внешний вид коррелограммы показывает отсутствие четко выраженной периодической составляющей автокорреляционной функции, однако это, прежде всего, обусловлено неравномерностью графика движения поездов. При более равномерной загрузке межподстанционной зоны в период снятия токовой характеристики по графику рис.14 визуально можно утверждать, что момент переключения ступени компенсации совпадает с периодичностью в 27 лагов, что соответствует 1161 секунде снятия показаний согласно рис.15.

в« ¡а .ПА» №1 Л«2 .1*1 ГвА Лик П|К Д»7 ЛИ» Пи* дно Л»11 ЛагМ Я» И Ш< гшл А»11 Лги ГаПО /Ы21 1»и Ли2« Лшг» П*Г» М)

Э (| 0 э •1 а о[ о С с 0 0 С] О I с 0 » а] о > о: 0 «1 с 0

43 0 а о[ а о] о о 0 С| 0 } о Г о » и] о > 0 0 1 и

»МДОШ 1ом| г.?.» а «1 ^ 0| 0 с с е о > 0 о; о > 0] 0 с

щгпь :к 1(П< Ю*4 т? о й о! о с с о 0 С] 0 > 0 • о] О У 0 0, < 0

1» ЗДЩТШ шД о <1 с 6 0 ¿1 л > Й • п] «у' 5 & 6 <ь

)Н гат,1 1016 !С*Д 0 с! с о 0 С 0 ) 0 о 0 » о] о > а о а

г» 5К,1 КИ <1 с 9 9 с| 9 р • 01 9 > «

Ю! шюш. «4 4 Ш9 ЛЗ',] !01й_1>и С| С 0 1 С о : 0 0 « п| О > 0

и« /ЦООЫМ »,'/,! 4Л1, од* я*,. »» Л,,'] с о 0 о > с о Г с о > О 0 о

ш 1МУ4»«, »Л !ОМ| Н>.1 о а о О о • а] О о 0 < о

<зэ 1>ЦЗ«Й1 |«1 КМ <•«> МДЛ иы 'ОТ,* км о С 0 р С о о\ О ) о: о { 0

4» 1 гэ» М<1 чп V"' |>«| -V » С 9 > 0 о • о] О № о < о

нь ЙЙ1 14« тГ555 Шг9 «и ПК 1ст 0 3 0 » С! О О1 0 « 0

иилммг* 1ЧА Ж: «и« м.,11 и*.г «МТТЙЭ Ш.4 <ои \МЛ га л ) 0 » С: О > & в? а

»ида»! КО 1ХВ к»,« 'Г»,} ■ М« «¿1 га.1 С о 01 О V 0

цъчьхн 1«! 1»3 л* пк :ли[ 1М] зом! 4566 557,9 Ю16 104» • 0

ит IV* »!> 11« М »*•> >*1 мот! го*- О

'М 13ЬУЖГ, 1«: 11« т; .1« 1ЫЗ 1«] ;«! Ш,9 Я-,« !СЫ< » 0

г»; ГУЧ 14» и»; 1Жи| 1И» ш 1гх М-1 /11 ¡СЯЛ Ы] 9 о

11) 1ЧЛ1ХКМ 1«ЯС 1701 ПК л»« 1М 1Ш ■'>1 о.,« из,* •41.. 1)К 10« о

до (Мб. 1«: гио гнь 19*1 лш и« .'1И »41 Ж» '.1Ц. ом] /» 3 > С

Ю1 ми :94* 1М( Г И 1»3 ЛМ1 ни 17« 1411 КЭ,> 511,1» •IV. 1 1044 '«¡гГГ о о

1*1 "¡53 — * —~ --о

10» т/ и» шл 1М 1»! »л НИ 151 1» гыз го» 413 ,_\и.9 2 ГОТ.! 0

_ ¿"У*4"»! -22*1 -¡¿Н л* о пи

Пя 1«! ИИ 1'« пи 1ПГ 417 ИМ 1411 »» «о 1»! 1Н Ш2 и» 1П «4» ш м» им ИМ П7Л ИН 1»

Рис. 15 Фрагмент таблицы построения автокорреляционной функции

Таким образом, шаг дискретизации процесса по времени Д1 составляет примерно 19 минут. Параметры автокорреляционной функции, определяющие длительность работы одной ступени компенсации стабильны для статистически устойчивых данных о режиме работы системы тягового электроснабжения. В свою очередь, при существенном изменении организации движения поездов (увеличение их веса, числа, порядка пропуска), а также радикальном изменении схемы работы тяговой сети (переход от узловой схемы питания контактной

сети к параллельной и др.), необходимо производить пересчет автокорреляционной функции и, следовательно, длительности работы ступеней компенсации под принципиально изменившиеся условия работы железной дороги.

Использование компьютерных технологий позволит корректировать автокорреляционную функцию в ходе реального времени и сделать корреляционный анализ адаптивным относительно характера изменения тяговой нагрузки в динамике процесса. Эффективность такого метода будет еще выше при переходе от ступенчатого к плавному регулированию.

На рис. 16 представлена методика управления процессом компенсации

реактивной мощности по заданному закону в режиме реального времени.

-----

Измерение значений реактивных составляющих тока поездов и их координат в межподстанционной зоне

//////////у///////////'///,

Оценка по заданному закону управления требуемой мощности компенсирующего устройства по критерию минимальных потерь в тяговой сети

Выполнение корреляционного анализа (построение автокорреляционной функции) на основе непрерывной дискретной регистрации величин реактивной мощности в межподстанционной

зоне

Оценка эффективного времени включения ступени компенсации реактивной мощности, выбранной в соответствии с током, заданным законом управления

Формирование управляющего воздействия на компенсирующее устройство

Рис. 16 Методика управления процессом компенсации реактивной мощности по изменению нагрузок в реальном времени с учетом способа регулирования мощности компенсирующего устройства

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационных исследований решена актуальная задача повышения эффективности перевозочного процесса на основе разработки закона управления системой компенсации реактивной мощности по изменению параметров нагрузок и получены следующие результаты:

1. Доказана зависимость потерь реактивной мощности в тяговой сети от токов и координат электроподвижных нагрузок в межподстанционной зоне.

2. Сформирован закон управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по критерию потерь в тяговой сети с учетом изменения параметров нагрузок в реальном времени.

3. Произведен структурный и параметрический синтез имитационной динамической модели системы электроснабжения железной дороги с подсистемой параллельной компенсацией реактивной мощности, управляемой с учетом величин токов и координат поездов в режиме реального времени.

4. Предложена методика формирования масштабных коэффициентов при представлении тяговых расчетов в имитационном моделировании, реализуемом в среде МаЛаЬ.

5. Проанализировано сокращение потребления реактивной мощности от эффекта управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по сформированному закону, показано, что в сравнении с неуправляемой компенсацией эффективность возрастает от 7 до 15%.

6. Предложена методика оценки остающегося резерва повышения эффективности компенсирующей устройства со ступенчатым управлением. Разработана методика управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по сформированному закону, основанному на учете параметров нагрузок в реальном времени

Список работ, опубликованных по теме диссертации

в гаданиях, рекомендованных ВАК

1. Табанаков, П.В. Повышение энергетической эффективности устройства параллельной компенсации / П.В. Табанаков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - №1(37). - С. 186-191.

2. Табанаков, П.В. Формирование масштабных коэффициентов и представление тяговых расчетов в имитационном моделировании, реализуемом в среде МаЛаЬ / П.В. Табанаков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2014. - №2(42). - С. 107-110.

3. Табанаков, П.В. Вопросы обеспечения требуемой точности моделирования тяговой сети / П.В. Табанаков, В.Д. Бардушко, А.Г. Туйгунова // Вестник транспорта Поволжья. - 2014 г. - №2 (44). - С. 60-68.

в других изданиях

1. Табанаков, П.В. Повышение надежности устройств электроснабжения железнодорожного транспорта / П.В. Табанаков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. - 2011. - №2. - С. 45-46.

2. Табанаков, П.В. Пространственная и параметрическая оптимизация системы параллельной компенсации реактивной мощности / П.В. Табанаков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. - 2013. - №2. - С. 122-128.

3. Табанаков, П.В. Определение расстояний между подстанциями переменного тока по требуемой мощности на тягу поездов / П.В. Табанаков // Молодая мысль - развитию энергетики. - 2013. - №6. - С. 189-193.

4. Табанаков, П.В. Метод имитации движения электроподвижного состава по заданному графику при решении вопросов моделирования систем тягового электроснабжения в среде МаЛаЬ / П.В. Табанаков, В.Д. Бардушко, В.А. Ушаков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. - 2014. -№2.-С. 10-17.

5. Табанаков, П.В. Повышение энергетической эффективности регулируемой компенсирующей устройства / П.В. Табанаков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. - 2014. - С. 47-52.

6. Табанаков, П.В. Оптимизация управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности / П.В. Табанаков // Грани науки. - 2014. -№3. - С. 494-495.

7. Табанаков, П.В. Моделирование устройства параллельной компенсации реактивной мощности, управляемого законом управления по критерию минимальных потерь в тяговой сети в среде МаЛаЬ / П.В. Табанаков // Наука XXI века: новый подход. - 2014. - №10. - С. 36-42.

Подписано в печать: 10.09.2015 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага снегурочка. Печать трафаретная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Зак. 798 н

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка» БФ Сосновгеология. Юридический адрес: г. Иркутск, ул. Трактовая, дом 9. ИНН 7706042118 Справки и информация: тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498