CC BY
111
УДК 621.331 Ушаков Владислав Анатольевич,
к. т. н., доцент, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: vl-ushakov@mail.ru
Туйгунова Альбина Григорьевна, к. т. н., доцент кафедры «Системы обеспечения движения поездов», КрИЖТ Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: tuigunova@krsk.irgups.ru
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25 КВ С ПОДВИЖНЫМИ НАГРУЗКАМИ
V.A. Ushakov, A.G. Tuygunova
A SIMULATION MODEL OF THE AC 25 KV TRACTION ELECTRIC SUPPLY SYSTEM WITH MOVING LOADS
Аннотация. В статье излагаются вопросы имитационного моделирования тягового электроснабжения системы 25 кВ переменного тока в среде Matlab.
Предложена имитационная модель, позволяющая выполнять анализ режимов работы системы тягового электроснабжения с учетом движения поездов по расчетному графику.
Обоснована практическая реализация, заключающаяся в использовании модели для решения вопросов эксплуатации системы электроснабжения переменного тока и для использования в учебном процессе.
Ключевые слова: имитационное моделирование, система тягового электроснабжения, цепочечная схема замещения тяговой сети, структурная схема имитационного моделирования.
Abstract. The article deals with the problems of simulation of the traction power supply system of 25 kV AC in Matlab. The simulation model, which allows to perform analysis of the operation modes of the traction electric supply system on the account of trains movement on the current schedule is proposed.
Practical implementation, consisting in using the model for solving questions of operation of the power supply system of alternating current and using in the educational process is proved.
Keywords: simulation, the system of traction electric supply, padder equivalent circuit of traction network, structural diagram of the simulation.
Введение
Решение вопросов тягового электроснабжения может выполняться различными методами. В частности, наиболее распространенными из них являются аналитические и имитационные модели. Применение вычислительной техники, с одной стороны, позволило снять ряд допущений в аналитических моделях (АМ) и существенно повысить
их точность, а с другой - более эффективно в сравнении с физическим моделированием применять имитационное моделирование (ИМ), расширяющее область исследования и анализа систем электроснабжения.
Имитационное и аналитическое моделирование хорошо дополняют друг друга, охватывая в совокупности широкую сферу исследований, необходимых как при проектировании новых систем тягового электроснабжения (СТЭ), так и при анализе эксплуатируемых. В частности, имитационное моделирование эффективно для поиска оптимального режима их работы и отдельных ее элементов, например емкостных компенсирующих устройств с регулируемыми параметрами, актуальность которых доказывается, например, в [6, 7].
В 80-х годах прошлого столетия для исследования режимов работы СТЭ привлекались физические модели, информация о которых может быть почерпнута из источников, приведенных в библиографии. Однако современное состояние вычислительной техники позволяет построить такие модели на основе программной среды Ма1ЬаЬ.
Таким образом, прототипом компьютерной модели системы тягового электроснабжения с подвижными нагрузками является физическая модель, разработанная ВЗИИТ [2, 3, 4, 5]. Основным отличием прототипа и предлагаемой модели является реализация моделирования системы тягового электроснабжения посредством не физических элементов системы, а виртуального моделирования в среде Ма1;ЬаЬ. Описание прототипа изложено в [1] и кратко приведено ниже по материалам, изложенным в [1].
Вторым отличием предлагаемой виртуальной модели является возможность дальнейшего развитие концепции моделирования режимов работы системы тягового электроснабжения, которые в физической модели реализовать либо невоз-
можно, либо нецелесообразно ввиду сложности. В частности, в отличие от прототипа в уже разработанной модели реализованы функции контроля потерь мощности в тяговой сети, контроль ряда показателей качества электроэнергии. В отличие от прототипа предлагаемая модель имеет реально реализуемую перспективу совершенствования моделирования системы тягового электроснабжения с элементами ITPSSE - Iintelligent traction power supply system equipment», то есть с элементами, адаптирующими систему под оптимальные или другие заданные режимы работы.
Краткое описание прототипа
Модель имитирует характеристики реальных устройств, образующих систему тягового электроснабжения, в которую заложены функциональные связи отдельных элементов как системы тягового электроснабжения, так и электроподвижного состава, свойственные оригиналу.
Структурная схема физической модели с упомянутыми принципами работы приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема модели системы тягового электроснабжения: ИП - источник питания; БТП - блоки тяговых подстанций (физические модели); БТС - блоки тяговой сети (физическая модель с цепочной схемой);
БЭ - блоки электроподвижного состава
Блок тяговой подстанции включает три однофазных трансформатора, которые можно соединить в любую известную схему (звезда-треугольник, открытый треугольник, однофазные трансформаторы, схема Скотта) [1]. Предусмотрено изменение реактивного сопротивления трансформаторов, что позволяет моделировать трансформаторы различной мощности и с различными напряжениями короткого замыкания.
Контактная сеть и рельсы в модели собраны из отдельных ячеек, каждая из которых моделирует 4-5 км контактной сети натуры. В первых экземплярах таких устройств, кроме активных и индуктивных сопротивлений, в каждой ячейке моде-
лировались индуктивные связи между всеми проводами и рельсами [1]. В дальнейшем с использованием метод индуктивной развязки ячейки тяговой сети были существенно упрощены. Контактная сеть может быть разделена на секции в любом месте, так что места соединения фидеров подстанций, места секционирования и длины фидерных зон могут изменяться. Рельсовая цепь не секционируется, но присоединить к ней отсасывающие провода можно также в различных местах [1].
Каждый блок электровоза моделирует его силовую схему рис. 2.
В нем моделируется (по схеме замещения) активное и реактивное сопротивление трансформатора Тр, выпрямитель В, сглаживающий реактор Ср и тяговые двигатели в виде комбинированной нагрузки С, обеспечивающей стабилизацию заданного выпрямленного тока и сглаживание напряжения на ней. Ток в модели электровоза можно менять ступенями с точностью 1,2 % максимального [1].
Зштмп'
¡UN« mitt»
»(tlfoti UHtwtuiti
МЯп
Рис. 2. Развернутая схема аналого-цифрового устройства для моделирования систем тягового электроснабжения
При формировании тока модели используются аналого-цифровые преобразователи АЦП [1].
Формирование структурной схемы ИМ в среде МаЛаЬ
Модель сформирована для участка, отражающего две межподстанционные зоны системы тяги 25 кВ, и состоит из моделей тяговой сети, построенной по цепочечной схеме замещения и заключающей в себе погонные параметры как подвески контактной сети, так и рельсов. Фрагмент структурной схема описываемой модели приведен на рис. 3. Параметры тяговой сети заложены в со-
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
ш
ответствии со справочными данными, приведенными в специальной литературе [4]. Модель тяговой сети соответствует двухпутному участку. Подвески контактной сети каждого из путей могут соединяться друг с другом в любой координате с точностью до протяженности одной ячейки, имитирующей элементарный участок контактной сети. Это позволяет формировать любую схему соединения - раздельную, узловую параллельную, неполную параллельную и другие. Для имитации наведенных напряжений выполнено моделирование системы ПР - «провод - рельс», которая имеет продольные и поперечные электрические параметры, соответствующие реальному ПР, подвешенного с полевой стороны. Каждая ячейка тяговой сети (ТС) (позиция 19) имеет измерительные блоки, позволяющие оценивать активные потери, потери напряжения и протекающие в подвесках путей токи. Модель тяговой сети моделируемого участка подключена к моделям тяговых подстанций, основным элементом которых являются мо-
дели трансформаторов со схемой обмоток «звезда/треугольник» (позиция 15). Средства Ма1ЬаЬ позволяют моделировать тяговые трансформаторы с различными параметрами, которые определяют электромагнитные процессы в них: напряжение короткого замыкания, нагрузочные потери и потери холостого хода, а также ток намагничивания. В представленной модели сформированы модели трансформаторов тяговых подстанций мощностью по 40000 кВА. Первичное напряжение может быть любым, соответствующим реальному значению. Каждая из трех тяговых подстанций имеет измерительный блок, позволяющий выполнять оценку текущей мощности, напряжения на тяговых шинах, анализатор несимметрии токов и напряжений и анализатор формы кривых тока или напряжения (в зависимости от преследуемых целей анализа режимов работы СТЭ).
Нагрузки на ИМ СТЭ определяют электропоезда, которые, будучи сформированы на каждой ячейке и имея возможность переключаться от од-
19
Рис. 3. Фрагмент структурной схема имитационной модели системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ: 1, 18 - модели линий электропередачи, выполненные ячейками MatLab; 2 - индикаторы тока ЭПС нечетного направления; 3 - индикаторы напряжения ЭПС нечетного направления; 4 - индикаторы потерь мощности в ТС; 5 - сумматоры потерь электроэнергии по направлениям; 6 - выключатели для организации параллельных связей подвесок путей; 7 - индикаторы напряжения ЭПС четного направления; 8, 9 - индикаторы тока и модели ЭПС четного направления; 10 - модели ячеек ТС ( по 5 км); 13 - модель трансформатора тяговой подстанции; 11, 12, 14, 15, 16, 17 - измерительные системы на модели тяговой подстанции; 19 - модели источника
электроэнергетической системы
ной ячейки к другой по специальному алгоритму, отражающему график движения поездов, имитируют передвижение электропоездов вдоль анализируемого участка.
Электроподвижной состав (ЭПС) (позиция 8, 9), в свою очередь, имитируется трансформатором электровоза, реактивной и активной нагрузкой, соответствующей тяговому расчету или данным опытных поездок.
Для учета влияния на режим работы СТЭ системы внешнего электроснабжения (СВЭ) в ИМ сформирована модель системы внешнего электроснабжения, состоящая из источника (позиция 19) и линий электропередач (позиция 1).
Цепочечная схема замещения тяговой сети. Необходимость ее использования
Параметры тяговой сети являются распределенными по ее длине и меняются, таким образом, непрерывно. Однако имитация движения поездов осуществляется их дискретным перемещением на некое элементарное расстояние АС, которому соответствует время хода по нему электроподвижного состава А/. Поэтому параметры ТС при имитации также будут меняться движения скачкообразно, изменяясь каждый раз на величину приращения того или иного параметра. Параметрами тяговой сети являются продольные активное и индуктивное сопротивления, поперечные емкости и взаимные индуктивности. Таким образом, становится очевидной необходимость использования цепочечной схемы замещения тяговой сети. При этом встает вопрос о целесообразной элементарной длине отдельной ячейки (отдельного звена цепочки) тяговой сети. С одной стороны, точность тем выше, чем меньше АС, с другой, это ведет к увеличению затрат времени машинного эксперимента. Увеличение длины АС ведет к сокращению времени эксперимента, однако точность результатов при этом снижается. Следовательно, необходимо найти такую наибольшую элементарную длину ячейки ТС АС, при которой будет обеспечиваться требуемая точность расчета.
Виртуальные эксперименты, выполненные на описанной модели, показали целесообразность ее использования в тех областях исследования, для которых другие виды моделирования неэффективны. В частности, описанная модель позволяет выполнять динамическое моделирование процессов тягового электроснабжения с учетом реальных форм кривых тока и напряжения, наиболее точно учитывать сложное динамическое взаимодействие системы внешнего и тягового электроснабжения и электроподвижного состава.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Марквардт Г. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М. : Транспорт, 1982. 528 с.
2. Марквардт Г. Г. Применение теории вероятности и вычислительной техники в системе электроснабжения. М. : Транспорт, 1972. 224 с.
3. Марквардт Г. Г., Белов Е. Ф. Модель электрической железной дороги переменного тока // Тр. ВЗИИТ. 1969. Вып. 41. С. 18-39.
4. Марквардт Г. Г., Ильяшенко В. П. Применение гибридного устройства для расчета системы электроснабжения электрических железных дорог // Тр. ВЗИИТ. 1976. Вып. 86. С. 5-10.
5. Марквардт Г. Г., Ильяшенко В. П., Громов В. С. Цифровое устройство аналого-цифрового комплекса для расчета и исследования системы энергоснабжения электрических железных дорог // Тр. ВЗИИТ. 1978. Вып. 96. С. 4-12.
6. Бардушко В. Д. Новые подходы в формировании законов регулирования средств повышения энергетической эффективности систем электрической тяги // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 3(27)С. 134-138.
7. Бардушко В. Д. Аналитические методы анализа работы систем тягового электроснабжения // LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.KG Heinrich-Bocking-Str. 6-8, 66121 Saarbrucken Germany, 2012. 137 p.
