автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета и оценка погрешностей электрических величин электротяговых сетей на основе случайных функций

На правах рукописи

ВАРЕНЦОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА

□03485870

Совершенствование методики расчета и оценка погрешностей электрических величин электротяговых сетей на основе случайных функций

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

- 3 ДЕК 2009

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

003485870

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

профессор

доктор технических наук, доцент Марикин Александр Николаевич

доктор технических наук,

Бадер Михаил Петрович

доцент

Ведущая организация:

кандидат технических наук, Якушев Алексей Яковлевич

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «17» декабря 2009 г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при ГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу:

190031, г.Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Петербургского государственного университета путей сообщения»

Автореферат разослан «16» ноября 2009

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.А.Кручек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Основным документом, определяющим тенденции дальнейшего развития энергетического комплекса на сети электрифицированных железных дорог, является «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской федерации до 2030 года», которая направлена на решение следующих основных проблем: гарантированного энергетического обеспечения текущих и перспективных объемов перевозочного процесса по сети дорог ОАО «РЖД»; снижения и поддержания удельного электропотребления в подразделениях компании на технически обоснованном уровне, а также сокращения финансовых затрат на приобретение электроэнергии за счет повышения эффективности работы компании на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ОРЭМ).

Особую актуальность в настоящее время приобретает прогнозирование нагрузочной способности и потребления электроэнергии, так как отклонение фактических расходов электроэнергии от запланированных приводит к финансовым потерям компании за счет выплаты штрафов энергоснабжающим организациям и требует более точного определения потерь электроэнергии в тяговой сети и элементах тяговых подстанций. Для этого необходимо:

повысить точность расчетов электротяговой сети. Такая необходимость возникает при увеличении масс поездов и их максимальных значений по условиям электроснабжения;

- знать погрешности прогнозируемых величин при учете расходов электроэнергии.

В настоящее время используются различные методики расчета потерь энергии в тяговой сети, являющихся составной частью общего расхода энергии на тягу поездов. Большие погрешности при вычислении параметров электроснабжения, а значит и расходов электроэнергии, обуславливают актуальность выполненных исследований.

Целью диссертационной работы является совершенствование методик расчета электротяговой сети с оценкой погрешностей электрических величин на основе случайных функций, обеспечивающее решение важной научно-технической задачи повышения точности расчетов.

Основные задачи исследования:

1. Анализ факторов, влияющих на точность расчетов усредненных электрических величин;

2. Использование случайных функций для построения математического ожидания и дисперсии скорости движения поездов;

3. Определение усредненного значения тока поезда по функциям математического ожидания и дисперсии скорости;

4. Разработка методики расчета погрешностей электрических величин, характеризующих режимы работы системы электроснабжения.

Методы исследования. В основу исследования положены: теория электрической тяги, теория вероятностей и математической статистики, аппарат случайных функций, методы прогнозирования движения на транспорте, программные средства, такие как КОРТЭС, МАТЬАВ, вшшНпк, Е\¥В, ЕХЕЬ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами обработки данных измерений опытных поездок на линии Санкт-Петербург - Москва. Погрешность результатов расчета токовых нагрузок по отношению к экспериментальным измерениям не превышает 3,6%.

На защиту выносятся:

1. Прогнозирование расхода энергии на тягу поездов с помощью перехода от реальных кривых скорости поезда к токовым кривым через баланс мощностей.

2. Способ оценки доли погрешности, вносимой различными электрическими величинами тяговых сетей.

Научная новизна

- использование случайных функций при расчете математического ожидания скорости поезда;

- переход от усредненной функции скорости к функции тока с помощью баланса мощностей;

- разработка методики расчета погрешностей электрических величин тяговой сети и определение случайных функций температуры контактных проводов и элементов тяговой сети.

Практическая ценность работы

1.Разработан алгоритм расчета погрешностей электрических величин тяговой сети, обеспечивший повышение точности оценки удельных расходов электроэнергии и допустимых токовых нагрузок на контактную сеть.

2.Предложено при анализе энергетической эффективности существующих участков в качестве исходных данных принимать токопотребление поездов, полученное в результате обработки скоростемерных лент подвижного состава.

Реализация работы.

Разработанная методика использована в практических расчетах Отраслевого центра внедрения ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на третьем, четвертом и пятом международных симпозиумах ЕИгапв 2005, 2007, 2009 гг., Санкт-Петербург; на неделе науки «Шаг в будущее» Петербургского государственного университета путей

сообщения (2005, 2006 гг.); на семинаре «Наука обществу» ПГУПС (2005); на заседаниях кафедры «Электроснабжение железных дорог», Санкт-Петербург, ПГУПС (2009 г).

Личный вклад.

Методика расчета погрешностей величин электротяговой сети и рекомендации по ее использованию принадлежат автору, а именно:

1. Разработана методика расчета погрешностей параметров тяговой сети и определены случайные функции температуры контактных проводов и элементов тяговой сети от времени.

2. Разработан алгоритм поиска факторов уменьшения условных потерь и удельных расходов на тягу поездов на основе предложенной методики.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах, в том числе в одном издании по перечню ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Материалы диссертации изложены на 134 страницах основного текста, содержат 20 рисунков и 12 таблиц. Библиографический список содержит 61 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и выбранного направления исследования. Дана краткая характеристика диссертационной работы, её цели, задачи, методы исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору методов расчетов основных электрических параметров системы электроснабжения тяги поездов.

Значительный вклад в решение этой проблемы внесли ученые и специалисты ВНИИЖТ, ВНИИАС, МГУПС, ОмГУПС, ОЦВ, ПГУПС, РГУПС, РГОТУПС, СамГАПС, УрГУПС, ИрГУПС и ряда других организаций. В области повышения эффективности электрической тяги поездов и электроснабжения известны такие ученые как: Б.А.Аржанников, М.П.Бадёр, В.Д.Бардушко, А.Т.Бурков, А.ЛБыкадоров, В.М. Варенцов, В.JI.Григорьев, Б.Е.Дынькин, Ю.ИЖарков, Р.Р.Мамошин, А.Б.Косарев, A.B.Котельников, К.Г.Марквардт, Г.Г.Марквардт, Р.И.Мирошниченко, А.Н.Митрофанов, В.Н.Пупынин, А.В.Плакс, Е.П.Фигурнов, М.Г.Шалимов, В.Т.Черемисин и другие.

Существующие методы (рис. 1) из-за ряда допущений дают большой разброс расчетных величин. Наиболее точно электрические величины рассчитываются при движении одного поезда. При движении нескольких поездов расчет усложняется и приходится делать допущения.

Рис.1. Методы расчета электрических величин систем тягового электроснабжения

Повышение точности расчетов электрических величин может быть достигнуто путем увеличения расчетов числа мгновенных схем. Для этого используются кривые токопотребления поезда. Зависимость тока поезда от пути может быть получена разными способами.

1. Путем записи тока двигателей, наблюдаемых на амперметрах в кабине машиниста;

2. Автоматизированными системами регистрации параметров движения поезда (далее РПДА);

3. Установкой самопишущих амперметров.

Удобным способом определения тока является расчет с использованием его зависимости от скорости и пути. Этот метод необходим еще и для того, чтобы оценивать работу РПДА.

Реальные токовые кривые не соответствуют кривым, полученным по результатам тяговых расчетов, так как машинист часто осуществляет разгон поезда с учетом местных условий и не реализует максимальное ускорение. У машиниста почти всегда имеется запас времени по графику

движения и он может по своему усмотрению увеличивать или уменьшать скорость поезда на участках пути. От этого зависит токопотребление.

Автоматизированная запись токов поездов регистраторами РПДА осуществляется с датчиков тока. Запись тока может быть использована для расчета параметров, однако, как показали опытные поездки, при таких записях наблюдаются ошибки из-за отказов измерительных цепей программирующих устройств. Значения токов, полученных с регистраторов параметров РПДА, требуют проверки. При отсутствии РПДА на электровозах значения тока поезда могут быть получены с использованием записей скорости на скоростемерных лентах, либо по записям экспериментаторов в кабине машиниста.

Если зависимости тока поезда от пути и времени получены по РПДА или с использованием скоростемерных лент, то они соответствуют реальному токопотреблению, которое может существенно отличаться от токопотребления, полученного по результатам тяговых расчетов. Поэтому для расчета электрических величин: потерь в тяговых сетях, нагревов элементов, максимальных масс поездов по условиям работы систем электроснабжения, максимальных межпоездных интервалов - следует использовать реальное токопотребление на межподстанционных зонах.

Во второй главе проанализированы допущения, используемые в различных методиках расчета электрических величин.

Рассмотрены допущения, используемые в методах расчета: по средним размерам движения (метод А.Б. Лебедева); по инженерным формулам для расчетов потерь энергии в контактной сети, используемым в практических расчетах (метод МПС); равномерно-распределенной нагрузки; по формулам для расчетов электрических величин, предложенным К.Г. Марквардтом и С.Е. Кузиным и другими.

В этих методиках приняты следующие основные допущения:

1. Ток поезда при движении по межподстанционной зоне принимается постоянным в методе А.Б. Лебедева и методе МПС;

2. Скорость поезда на межподстанционной зоне принимается постоянной в методе А.Б. Лебедева

3. Токи поездов постоянны на перегонах межподстанционной зоны в методике К.Г. Марквардта

4. В методиках К.Г. Марквардта и С.Е. Кузина при вычислении средних токов фидеров и подстанций принимается, что закон распределения числа поездов, одновременно находящихся на зоне питания, постоянен и близок к учетному нормальному распределению;

5. В методе равномерно распределенной нагрузки принимается, что нагрузка всех поездов равномерно распределена по всей

межподстанционной зоне. Методика используется для расчета токов фидеров городского электрического транспорта; 6. В методе сечения графика движения поездов точность расчетов электрических величин зависит от числа сечений. В диссертации показано, что эти допущения приводят к методическим ошибкам, достигающим 65%.

Сравнение результатов расчетов, например, потерь мощности по методу А.Б.Лебедева и МПС приведено в табл. 1.

Таблица 1

Сравнение результатов расчетов по методу Лебедева и методу МПС

Схема питания тяговой сети Метод расчета относительной потери мощности, у % Степень отличия, Д%

А.Б. Лебедева метод МПС

Односторонняя 19,4 33,3 41,7

Двухсторонняя 6,5 10,8 39,8

Узловая 5 14,5 65,5

Третья глава посвящена анализу токопотребления поездами по экспериментальным реализациям.

Для получения исходных данных по токопотреблению предложено использовать зависимость скорости от пути. С этой целью были проведены экспериментальные поездки с записью скоростей поездов (20 реализаций) и произведена обработка функций скорости на основе метода случайных функций. Построено математическое ожидание случайных функций скоростей. Такой подход был использован Г.Г.Марквардтом для расчета электрических величин тяговой сети, но применительно к токовым кривым фидеров подстанций.

Статистическая обработка скоростемерных лент электровозов ЧС6 и ЧС200 проводилась с целью построения усредненной характеристики движения поезда на зоне длиной 300 км и использования её для расчетов потерь энергии в тяговых сетях и температур контактных проводов. Выбраны ленты скоростных поездов массой 1000 тонн, оцифрованы и записаны в ПВЭМ в пакете программ EXCEL (рис. 2). По ним построены усредненные зависимости скоростей поездов от пути как функции математических ожиданий.

О 50 100 150 200 250 300

Цкм

Рис.2. Реализации скоростей поездов с электровозами ЧС6 и ЧС200

Определены случайные функции дисперсии и доверительного интервала (рис. 3).

Эти кривые были обработаны для вычисления электрических величин в тяговых сетях, таких как токи фидеров, подстанций, потери мощности в КС и др.

Рис.3. Случайные функции дисперсии и доверительного интервала для скоростей поездов с электровозами ЧСб и ЧС200

Получены расчетные значения силы тяги, мощности электровоза и тока электровоза. Для того, чтобы уменьшить разброс значений (дисперсии), выполнена квадратичная аппроксимация кривой скорости поезда.

Графики зависимости скорости поезда и тока поезда, рассчитанного по кривой скорости, приведены на рис. 4.

8 ю £

л ,

* ^поезда

1

У •"""Ч У? I 1лоезда

5 10 115М / 20 25 30 35 40 ^

Путь, пикеты

Рис.4. Зависимости скорости поезда и тока поезда, рассчитанного по кривой скорости

В четвертой главе разработана методика для расчета методических погрешностей (далее погрешностей) при вычислении электрических величин.

Для этого использованы методы теории вероятностей при расчетах среднеквадратических отклонений и методы определения погрешностей при косвенных измерениях.

При определении погрешностей тока поезда получены следующие аналитические зависимости для расчета:

- погрешность сопротивления движению скорого поезда равна

(1)

ОД + 2 ■ 0.0025К . Д.. = —--Д с,

ь

где V и ДВо - скорость и абсолютная погрешность скорости поезда, qo-удельная нагрузка на ось;

- погрешность силы тяги Б, равна

Д, = 9,80-^ + О-Д0, (2)

Д„ - погрешности ускорения при массе поезда й;

- погрешность механической мощности

(3)

Др = Б-Ду + У-АР;

■ погрешность тока поезда

д,=-

(4)

где Д^ - погрешность мощности электровоза = ——.

Для примера на рис.5 представлены графиками относительные значения методических погрешностей силы тяги, мощности локомотива и температуры контактных проводов, рассчитанных по формулам (5).

----1-1-1-1-1---1---I

О 20 40 60 80 100

V, км/ч

Рис.5. Относительные значения методических погрешностей силы тят, мощности локомотива и температуры контактных проводов

Расчёты погрешностей выполнены для грузового поезда массой 0=3000 т, абсолютной погрешности скорости поезда во всем диапазоне

2 км/ч, ускорении а = 0,0278 м/с2, нагрузки на ось qo = 10 кгс/т, напряжения в контактной сети икс= 3300В.

Погрешности токов фидеров и подстанций определены по среднеквадратическим отклонениям, которые определены с учетом корреляции токов фидеров и поездов

аг,одст = л/ДюкГ ! (6)

(=4

А—(?)

/-1 !<1

где и - дисперсия и среднеквадратическое отклонение тока подстанции;

Оф. - дисперсия тока фидера;

киф - корреляционные моменты токов фидеров.

При коэффициенте корреляции, равном 1,

где <тф1 и аф2 - среднеквадратические отклонения токов фидеров.

При коэффициенте корреляции, равном -1,

(ТгадСт=°ф1-СГфг- (9)

Токи фидеров могут иметь как положительную корреляцию, когда поезда одновременно приближаются к подстанции, так и отрицательную корреляцию, когда один поезд приближается к подстанции, а другой в это же время удаляется от подстанции.

Для расчета погрешностей использовано известное соотношение из теории погрешностей Д09 = 1,65а- .

Полученные формулы использованы для расчетов методических погрешностей температур контактных проводов

- 21 ф™ -

- т2 Г<

1нкп

А,, (10)

где 1фкп - ток в контактном проводе в месте подключения фидера; 1И1(П - номинальный ток контактного провода; I - время,

Т- постоянная времени контактного провода. Погрешность потерь мощности в контактной сети

Д„а=2-]Г/,-Л,-Д,,, (И)

где Я, и I, - сопротивление и ток ¡-го участка контактной сети; Д,( - погрешность тока фидера в ьм участке контактной сети. При определении средних значений рассматриваемых величин необходимо определить ошибку для «к» значений выборочных средних. Погрешность среднего значения тока фидера

Л (=1

где - погрешность тока фидера.

Дисперсия погрешностей тока фидера в выборке «Ь> случайных величин равна

Среднеквадратическое отклонение тока фидера

Погрешность при определении тока фидера Д[,Д 95 =1,6<х[Д;(( ]. Если выборка их «к» сечений графика производится несколько раз, то

Средняя погрешность при определении тока фидера

л-1

где м|д,ф| - математическое ожидание погрешности тока фидера;

Р„ - вероятность появления «п» поездов, одновременно находящихся на зоне питания.

Предлагаемая методика расчетов токов поездов может быть использована для определения токораспределения в контактной сети. Относительные погрешности вычисления токов в контактной сети, потерь напряжений и потерь мощности не превышают 17% в области рабочих скоростей. При движении грузовых поездов, при заданной абсолютной погрешности скорости 2 км/ч, относительная погрешность температуры не превышает 5%.

Учет реального токопотребления позволит с большей точностью рассчитать межпоездной интервал и температуру нагрева проводов контактной сети, тем самым увеличить пропускную и провозную способности электрифицированных участков.

Алгоритм расчета методических погрешностей электрических параметров тяговой сети для разработанной методики приведен на рис. 6.

В пятой главе определены рекомендации по снижению электропотребления в тяговом электроснабжении и необходимости учета методических погрешностей при вычислении условных потерь.

Факторы, влияющие на величину условных потерь, '\\'у.

Условные потери - это разность между расходами энергии, определёнными по счётчикам электрической энергии на вводах тяговых подстанций Пгм, и энергии, определённой на тягу поездов по счётчикам электровозов

(17)

Несовпадение показаний счетчиков получается из-за потерь в оборудовании систем электроснабжения и неучтённого потребления энергии от тяговой сети, которое учитывается счётчиками тяговых подстанций и не учитывается счётчиками электровозов. Составляющие активных потерь приведены в табл.2

Условные потери равны сумме энергий, составляющих этих потерь. Для тяговых сетей постоянного тока

ту = ДГП. + ШПТ + АФВ+ №н + А1ГКС + АПГК+А1ГФ0+А ЦГу„+ АШоа + №оа +

+ }¥об+№тпо+№ТрТ. (18)

От точности задания токов в тяговой сети зависят составляющие 1,2, 4,5, 6,7,12 (табл. 2). Обычно наибольшим слагаемым в условных потерях являются потери в элементах тяговой сети.

И

Таблица 2

Составляющие условных потерь_

№ Наименование составляющих условных потерь Способ определения Обозначение

1 Потери в тяговых и понизительных транс форматорах Расчетный

2 Потери в выпрямителях подстанций постоянного тока Расчетный Д\УВ

3 Неточности учёта «по разности показаний» при расчётах энергии тяги с учётом потребления электроэнергии нетяговыми потребителями, подключёнными к шинам тяговых подстанций Расчетный Д\УН

4 Потери в контактной сети Расчетный Д\УКС

5 Потери в рельсовой цепи Расчетный Д\Урц

6 Потери в фидерах и отсосах Расчетный Д\Уф0

7 Потери от уравнительных токов Расчетный

8 Энергия на отопление депо Измерение с погрешностью Д\У0Л ^од

9 Погрешности учёта на отопление вагонов Измерение с погрешностью ДWoв Woв

10 Неучтённые расходы энергии при обкатках электропоездов после ремонта Расчетный Д\Уов

11 Погрешности учёта энергии транзитных поездов Расчетный Д^по

12 Погрешности учёта транзитных токов Расчетный Д\УТрТ

В результате проведенного анализа разработан алгоритм поиска факторов уменьшения условных потерь и удельных расходов на тягу поездов (рис. 7).

С помощью данного алгоритма предлагается искать дополнительные составляющие условных потерь энергии и в дальнейшем принимать меры по их уменьшению.

Рис. б-Алгоритм расчета методических погрешностей электрических величин тяговой

сети

Рис. 7. Алгоритм поиска факторов уменьшения условных потерь и удельных расходов

на тягу поездов

Основные результаты работы

1. Выполнен анализ факторов, влияющих на погрешности параметров электрических величин электротяговых сетей. Показано, что для однотипных поездов скорость движения является главным фактором, определяющим значения токов электровозов.

2. Предложено для расчета усредненного тока поезда использовать функцию математического ожидания скорости. С

целью минимизации дисперсии расчетных значений токов и мощностей требуется производить квадратичную

аппроксимацию функции скорости движения. Сходимость расчетов токов электровоза с экспериментальными данными составила 3,6%.

3. Разработана методика расчета методических погрешностей тока электровоза и токов фидеров подстанций, потерь электрической энергии в контактной сети, температур контактных проводов с учетом корреляции токопотребления. Методическая погрешность температуры контактных проводов не превышает 5%.

4. На основе разработанной методики определена доля влияния потерь контактной сети в составе условных потерь и на удельное электропотребление на тягу поездов.

5. Разработан алгоритм поиска факторов снижения условных потерь и удельных расходов электроэнергии на тягу поездов.

6. Рекомендовано при анализе энергетической эффективности существующих участков в качестве исходных данных принимать токопотребление поездов, полученное в результате перехода от усредненной функции скорости к токам при обработке скоростемерных лент.

Публикации по теме диссертации

Статьи в периодических гаданиях, рекомендованных ВАК

1. Варенцова, Т.В. Формулы токораспределения [Текст]/ Т.В. Варенцова//Мир транспорта.-2007- №.4.- с.64-67.

Материалы международных конференций и статьи в российских

изданиях

2. Варенцова, Т.В. Использование экспериментальных скоростных характеристик поездов для расчетов параметров тяговой сети [Текст]/ Т.В. Варенцова// сб. докл. третьего международного симпозиума Элтранс-2005: Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на железнодорожном транспорте.-СПб.:11ГУПС, 2007 - с.155.

3. Варенцова, Т.В. Усреднение скоростных характеристик для расчета длительности потребления тока [Текст]/ Т.В. Варенцова//Известия Петербургского университета Путей сообщения.- СПб.: 111 УПС, 2005. - Вып.3(5).- с.5.

4. Варенцова, Т.В. Способы уменьшения погрешностей при расчетах силы тяги и мощности локомотива в методике с использованием скорости движения поезда [Текст]/ Т.В. Варенцова//Материалы

научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Шаг в будущее. Неделя науки 2006.-СП6.: ПГУПС, 2006.-с.5.

5. Варенцова, Т.В. Сравнение относительных значений потерь мощности в контактной сети при различных методах расчета [Текст]/ Т.В. Варенцова// Материалы всероссийской научной конференции с международным участием Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: в 2т. Т.1 , Красноярск: 2005. с.98.

6. Варенцова, Т.В. Оценки погрешностей при расчетах средних значений электрических параметров тяговых сетей[Текст]/ Т.В. Варенцова// Тез. докл. четвертого международного симпозиума Элтранс-2007: Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте,-СПб.ЛГУПС, 2007. - с.22.

7. Варенцова, Т.В. Совершенствование методов расчета параметров электротяговой сети и оценка их погрешностей на основе статистических функций [Текст]/ Т.В. Варенцова// Тез. докл. пятого международного симпозиума Элтранс-2009: Электрификация, инновационные технологии скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте.-СПб.:ПГУПС, 2009. -с.16.

Подписано в печать 12 ноября 2009г. Формат 60x84 1/16 Бумага офисная. Печать ризография. Усл.печ. листов 1. Тираж 100 экз. Заказ № ЭЦЧ.

Петербургский государственный университет путей сообщения. 190031, г.Санкт-Петербург, Московский пр.д.9

ВВЕДЕНИЕ.

1.СРАВНЕНИЕ МЕТОДИК РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

1.1 .Особенности тяговой нагрузки и классификация методов.

1.2. Методы с использованием графика движения поездов.И

1.2.1 .Метод сечения графика движения.

1.2.2. Метод сечения графика движения по характерным точкам кривых тока.

1.2.3. Метод непрерывного исследования графика движения.

1.3. Методы расчета по средним размерам движения.

1.3.1.Метод подвижных нагрузок.

1.3.2. Метод равномерно распределенной нагрузки.

1.4. Метод расчета с использованием теории вероятностей.

1.5. Метод МПС для расчета электрических величин тяговых сетей.

1.6. Электронные программы для расчета параметров системы электроснабжения ж.д.

Выводы по главе 1.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ДОПУЩЕНИЯ ПРИ РАСЧЁТАХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

2.1 .Методы расчета по средним размерам движения.

2.2. Метод МПС для расчетов электрических параметров тяговых сетей.

2.3 Метод равномерно распределённой нагрузки.

2.4. Метод сечения графика движения поездов.

2.5. Статистические методы расчёта токов фидеров и подстанций.

2.6. Расчёты средних значений электрических величин с использованием закона распределения числа поездов на межподстанционнои зоне.

Выводы по главе 2.

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

3.1. Построение случайной функции тока поезда для пассажирских поездов.

3.2. Построение случайной функции тока поезда для грузовых поездов.

3.3. Построение случайной функции тока поезда и мощности локомотива по функциям скорости движения поездов.

Выводы по главе 3.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПРИ РАСЧЕТАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

4.1. Вероятностные оценки ширины распределения погрешностей.

4.2. Расчетное суммирование составляющих результирующей погрешности.

4.3. Расчет погрешности результатов косвенных измерений.

4.4. Формулы для расчета погрешности с заданной доверительной вероятностью.

4.5. Расчеты электрических и тепловых величин.

4.6. Расчеты методических погрешностей.

4.7. Погрешности при определении средних значений.

Выводы по главе 4. Ю

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ.

5.1. Мероприятия по экономии электроэнергии. Ш

5.2. Понятие «условных потерь» и причины их появления.

5.3. Способы уменьшения потерь энергии в элементах тяговой сети.

Выводы по главе 5.

Основным документом, определяющим тенденции дальнейшего развития энергетического комплекса на сети электрифицированных железных дорог, является «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской федерации до 2030 года», которая направлена на решение следующих основных проблем: гарантированного энергетического обеспечения текущих и перспективных объемов перевозочного процесса по сети дорог ОАО «РЖД»; снижения и поддержания удельного электропотребления в подразделениях компании на технически обоснованном уровне, а также сокращения финансовых затрат на приобретение электроэнергии за счет повышения эффективности работы компании на оптовом рынке электроэнергии и мощности (ОРЭМ).

Особую актуальность в настоящее время приобретает прогнозирование нагрузочной способности и прогнозирование потребления электроэнергии, так как отклонение фактических расходов электроэнергии от запланированных приводит к финансовым потерям компании за счет выплаты штрафов энергоснабжающим организациям и требует более точно определять потери электроэнергии в контактной сети и элементах тяговых подстанций. Для этого необходимо:

- повысить точность расчетов электрических нагрузок электротяговой сети, такая необходимость возникает при увеличении массы поездов и их максимальных токов;

- знать погрешности рассчитанных прогнозируемых значений токов и потерь в контактной сети.

В настоящее время используются различные методики расчета электрических величин в тяговой сети [1, 11, 12, 16-23, 26, 27, 30, 31, 34 ,37, 38, 42, 49, 50, 53, 58- 61], являющихся составной частью общего расхода энергии на тягу поездов. Большие погрешности при вычислении параметров электроснабжения, а значит и расходов электроэнергии, обуславливают актуальность выполненных исследований. Для этого необходимо определить: средние токи фидеров 1ф>ср и тяговых подстанций 1тп,сР; эффективные или среднеквадратичные токи фидеров 1Эф и тяговых подстанций 1этп По этим токам, характеризующим тепловое действие электрического тока, подбираются основное оборудование тяговых подстанций и сечения питающих, отсасывающих проводов, определяется мощность подстанций; максимальные токи фидеров 1мф и тяговых подстанций 1мтп, по которым определяется необходимая максимальная мощность подстанций, оценивается степень перегрузки оборудования подстанций, выбираются уставки релейных защит; средние потери напряжения в тяговой сети до токоприемников поездов за время хода под током (AUT). Эта величина является одной из наиболее важных, так как от нее зависят скорость движения поезда, удельный расход энергии; средние потери напряжения до токоприемников поездов AUcp за полное время движения его по участку, включая промежуточные остановки; максимальные потери напряжения до токоприемника поезда - AUM; средние потери мощности в тяговой сети АРср, позволяющие оценить потери энергии в контактной сети, экономичность работы тяговой сети и среднее значение к.п.д.

Исследованием особенностей изменения перечисленных электрических параметров в условиях вариации режимов движения поездов занимались отраслевые научные школы страны: ВНИИЖТ, ИрГУПС, МИИТ, ОмГУПС, РГОТУПС, СамГАПС, УрГУПС и др. Большой вклад в этой области внесли такие известные ученые, как: В.В. Андреев, М.П. Бадер, А.С. Бочев, А.Т. Бурков, A.JL Быкадоров, B.JL Григорьев, А.Т. Демченко, В.Т. Доманский,

Б.Е. Дынькин, А.В. Котельников, P.P. Мамошин, А.Н. Марикин, Г.Г. Марквардт, К.Г. Марквардт, В.Е. Марский, А.Н. Митрофанов, В.Н. Пупынин, Е.П. Фигурнов, В.Т. Черемисин, В.К. Чирков, М.Г. Шалимов и другие.

В отличие от стационарных потребителей электрической энергии на режим тяговой нагрузки оказывают влияние многие факторы: число и весовой состав поездов, размещение их во времени и пространстве, пропускная способность дороги, метеорологические условия и ряд других, связанных с организацией эксплуатации железной дороги в конкретных условиях, которые носят случайный характер. Поэтому методики расчета с применением теории вероятностей оказывается наиболее точными.

Важным направлением дальнейшего повышения точности расчетов для прогнозирования расхода электроэнергии является повышение достоверности параметров при формировании исходных данных с последующей оценкой погрешностей получаемых результатов.

Целью работы является совершенствование методик расчета электротяговой сети с оценкой погрешностей электрических величин на основе случайных функций, обеспечивающее решение важной научно-технической задачи повышения точности расчетов. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на точность расчетов усредненных электрических величин;

2. Использование метода случайных функций для построения математического ожидания и дисперсии скорости поездов;

3. Определение усредненного значения тока поезда по построенной функции математического ожидания и дисперсии скорости;

4. Разработка методики расчета погрешностей электрических параметров электротяговых сетей.

В основу исследования положены: теория электрической тяги, теория вероятностей и математической статистики, аппарат статистических функций, методы прогнозирования движения на транспорте, применение современных вычислительных процедур, программно-аппаратных средств и компьютерных комплексов, таких как КОРТЭС, MATLAB, Simulink, EWB, EXEL.

Выводы по главе 5

Предложенная методика расчета погрешностей электрических параметров тяговой сети позволяет: рассчитывать погрешности токов фидеров и подстанций по известным зависимостям скорости поездов от пути, что позволяет более точно оценивать загрузку оборудования тяговых подстанций и контактной сети; рассчитывать погрешности потерь в оборудовании тяговых подятанций и контактной сети, которые входят в расчеты удельных расходов энергии, «условных потерь», и др; построить алгоритм оценки «условных потерь» и общих расходов электрической энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы повышения точности расчетов электрических величин электротяговых сетей, разработке методики оценки погрешностей электрических параметров. Получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ факторов, влияющих на погрешности параметров электрических величин электротяговых сетей. Показано, что для однотипных поездов скорость движения является главным фактором, определяющим значения токов электровозов.

2. Предложено для расчета усредненного тока поезда использовать функцию математического ожидания скорости. С целью минимизации дисперсии расчетных значений токов и мощностей требуется производить аппроксимацию функции скорости движения. Сходимость расчетов токов электровоза с экспериментальными данными составила 3,6%.

3. Разработана методика расчета методических погрешностей тока электровоза и токов фидеров подстанций, потерь электрической энергии в контактной сети, температур контактных проводов с учетом корреляции токопотребления. Методическая погрешность температуры контактных проводов не превышает 5%.

4. На основе разработанной методики определена доля влияния потерь контактной сети в составе условных потерь и на удельное электропотребление на тягу поездов.

5. Разработан алгоритм поиска факторов уменьшения условных потерь и удельных расходов на тягу поездов на основе предложенной методики.

6. Рекомендовано при анализе энергетической эффективности существующих участков в качестве исходных данных принимать токопотребление поездов, полученное в результате перехода от усредненной функции скорости к токам при обработке скоростемерных лент.

1. Бурков, А.Т., В.М. Варенцов С.Е. Кузин. Методы расчета систем тягового электроснабжения железных дорог. Учебное пособие. —Л.: ЛИИЖТ, 1985. 74 с.

2. Варенцова, Т.В. Усреднение скоростных характеристик для расчета длительности потребления тока Текст./ Т.В. Варенцова//Известия Петербургского университета Путей сообщения.- СПб.: ПГУПС, 2005. Вып.3(5).- с.5-7.

3. Варенцова, Т.В. Формулы токораспределения Текст./ Т.В. Варенцова//Мир транспорта.-2007.- №.4.- с.64-67.

4. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей: -М. Государственное издательство физико-математической литературы, 1962 504 с.

5. Ю.Высокоскоростное пассажирское движение (на железных дорогах)/Под ред. Н.В.Колодяжного. -М.: Транспорт, 1976.-360 с.

6. Галкин, А.Г. Результаты расчета тяговых нагрузок элементов контактной сети Урал. гос. ун-т путей сообщ. Екатеринбург. 2002, 12 е., ил. Библ. 14. Рус. Деп. в ВНИИАС МПС (ОИТЭИ ж.-д. трансп. (ЦНИИТЭИ) 30.04.2002, N 6377-жд2002

7. Герман, JI.A. Матричные методы расчета системы тягового электроснабжения : (расчет типовых задач) : учеб. пособие / JI. А. Герман, JI. А. Горшкова; Рос. гос. открытый техн. ун-т путей сообщ. -М. : РГОТУПС, 2004. 27 с. : ил.

8. Гребенюк, П.Т., Долганов А.Н, Скворцова А.И. Тяговые расчеты: Справочник./Под.ред. Гребенюка П.Т.-М. Транспорт, 1987-272с.

9. Григорьев, В.Л., Бажанов B.JI. Тепловой контроль контактной подвески. Учебное пособие. Самара: СамИИТ. - 80 с.

10. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.-22 с.

11. Добрынин, Е. В. Оперативный контроль и прогнозирование показателей нагрузочной способности системы тяговогоэлектроснабжения: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Самар. гос. акад. путей сообщ., Самара, 2005, 24 е., ил. Библ. 8. Рус.

12. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог. МПС СССР. М.: Транспорт 1991.

13. Караев, Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.Н. Электрические сети и энергосистемы / Учебник для вузов ж.д. транспорта. Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1988. 326 с.

14. Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог М.: МПС РФ Департамент электрификации и электроснабжения, 1999. - 152с.

15. Котельников А.В. Основные требования к системам и устройствам тягового электроснабжения скоростных и высокоскоростных магистралей // Вестник ВНИИЖТ. Новое в электроснабжении, с. 10-15.

16. Котельников А.В., Нестрахов А.С. Железнодорожный транспорт России в 2000 . 2030 гг. (научная концепция) // Вестник ВНИИЖТ. 2000. № 5, с. 3 15.

17. Кузин, С.Е. Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог. Методические указания для курсового дипломного проектирования. Л.: ЛИИЖТ, 1973. 48 с.

18. Линденбаум, Т. М. Модели редких выбросов нагрузки тяговых сетей в задачах электроснабжения магистральных железных дорог: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Рост. гос. ун-т путей сообщ., Ростов-на-Дону, 2001, 25 е., ил. Библ. 9. Рус.

19. Львовский, Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1982, — 224 с.

20. Марквардт, Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения. -М.:Транспорт, 1972, 224с.

21. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрических железных дорог. Учебник для вузов ж.д. трансп. М.: Трансжелдориздат, 1958. - 286 с

22. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.д. трансп. М.: Транспорт, 1982. — 528 с.

23. Машкин, А.Г. Повышение эффективности использования электрической энергии в системах тягового электроснабжения / А.Г. Машкин. Чита : Поиск, 2006. - 149 с. : ил.

24. Могила, В. С., Воронин А. В. Статистическое моделирование при исследовании системы тягового электроснабжения Изв. Гомел. гос. унта. 2006, N 4, с. 56-57, 1 ил. Библ. 3. Рус.; рез. англ.

25. Моделирование и расчет сетей тягового электроснабжения: 16.0.11.6 Железн. дороги, мира. 1998, N 1, с. 46-49. Рус.

26. Мунькин, В. В., Бочев А. С., Фигурнов Е. П. Электротяговая сеть повышенной эффективности: 16.0.11.6 Ж.-д. трансп. 1997, N 11, с. 1114. Рус.

27. Налимов, В.В., Чернова, Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965, 340 с.

28. Порцелан, А.А. Исследование нагрева и механических характеристик контактных проводов. Труды ВНИИЖТ, 1968, вып. 337, с. 44-63.

29. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации.ЦРБ-756.-М.:РОО Техинформ, 2000.-223 с.

30. Практикум по вероятностным методам в измерительной технике: Учеб. Пособие для вузов/В .В. Алексеев, Р.В. Долидзе, Д. Д. Недосекин, Е.А. Чернявский. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1993. — 264 е.: ил

31. Разработка и внедрение энергосберегающей технологии при пропуске тяжеловесных поездов на основе автоматизированных информационноизмерительных систем // Отчет о НИР, рук. В.М. Варенцов- СПб.: ЛИИЖТ, 1986. 123 с.

32. Саввов, В.М. Обоснование параметров тягового электроснабжения и электроподвижного состава высокоскоростных железнодорожных линий в России. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Специальность 05.22.07 СПб.: ПГУПС, 2002. - 136 с.

33. Сидорова, Н. Н. Анализ энергоемкости перевозочного процесса в электрической тяге на основе многофакторной модели Вестн. МИИТа. 2001, N 5, с. 23-27, 3. Библ. 3. Рус.; рез. англ.

34. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт России: Материалы международной конференции, Санкт-Петербург, 7-8 октября 1997 г.- Журнал «Инженер путей сообщения», №2/98 (7).

35. Тарута, П. В. Программа тяговых расчетов для моделирования работы системы тягового электроснабжения Вузы Сибири и Дальнего Востока

36. Транссибу: Материалы Региональной научно-практической конференции, Новосибирск, 27-29 нояб., 2002. Новосибирск: Изд-во СГУПС. 2002, с. 523-525. Рус.

37. Тяговое электроснабжение высокоскоростных линий // Железн. дороги мира.2001.№6 .

38. Управляемые системы тягового электроснабжения постоянного тока для скоростных участков. / Марикин А. Н., Волчанинов В. В. с. 434435 (Обозрение прикладной и промышленной математики., 2005, 12, № 2. Место хранения - ВИНИТИ. Отдел Научных Фондов)

39. Усиление системы тягового электроснабжения при проведении поездов повышенной массы и длины / А.Н. Митрофанов, М.А. Гаранин, Е.В. Добрынин, И.А. Крестовников.; Сам. гос. акад. путей сообщ. Самара : СамГАПС, 2006. - 156 с. :ил. - Библиогр.: 127 назв.

40. Федотов, А. А. Оптимизация системы тягового электроснабжения тяжеловесного движения на основных направлениях Ж.-д. трансп. 2005, N 11, с. 40-43, 8 ил. Рус.

41. Электротехнический справочник / Под ред. П.Г. Грудинского.-М.: Энергия, 1975.-366 с.

42. Черемисин, В. Т., Петров С. И., Зверев А. Г. Контроль удельного расхода и "условных" потерь электроэнергии Ж.-д. трансп. 2000, N 10, с. 47-50, 4, табл. 2. Рус.

43. Шиловская, Р. В. Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог : учебное пособие / Р.В. Шиловская; Рос. гос. открытый техн. ун-т путей сообщ. Москва : Изд. центр РГОТУПС, 2004. - Ч. 2. - 2004. - 39 с. : ил.

44. Biesenack Н. In: El.Bahnen, 1999,№7, s.221-227 (русс, пер.: Тяговое электроснабжение высокоскоростных линий // Железные дороги мира, 2001, № 6, с.26-30).

45. G. Hofmann et al. Elektrische Bahnen, 1995, № 3, S. 73 78 (русс, пер.: Моделирование и расчет сетей тягового электроснабжения // Железные дороги мира, 1998, № 8, с. 44-49).

46. Railway Gazette International, 1998,№10, р.685-710 (русс.пер.: Проблемы и перспективы высокоскоростных сообщений // Железные дороги мира, 1999, №2, с.18-30).