Имитационная модель совместной работы системы тягового электроснабжения и электрического подвижного состава Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.4.014.3 Могила Владимир Степанович,

к. т. н., доцент кафедры «Локомотивы», Белорусский государственный университет транспорта,

тел.: +375(232)952941 Ананьева Оксана Сергеевна, старший преподаватель кафедры «Локомотивы», Белорусский государственный университет транспорта, тел.: +375(232) 952941, e-mail: maroxis@mail.ru Загорцев Вадим Александрович, старший преподаватель кафедры «Локомотивы», Белорусский государственный университет транспорта, тел.: +375 44 726 10 36, e-mail: vatis@tut.by Подольская Валерия Николаевна, аспирант кафедры «Локомотивы», Белорусский государственный университет транспорта, тел.: +375(232) 952941, e-mail:podolskajavalera@yandex.by

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

V. S. Mogila, O. S. Ananyeva, V. A. Zagortsev, V. N. Podolskaya

SIMULATION MODEL OF JOINT OPERATION OF TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM

AND ELECTRIC ROLLING STOCK

Аннотация. Представлены результаты вычислительных экспериментов, проведенных сотрудниками кафедры «Локомотивы» Белорусского государственного университета транспорта, анализ которых показал, что влияние уровня напряжения в тяговой сети является существенным и, следовательно, должно учитываться при разработке методик расчета систем тягового электроснабжения. Разработана методика построения имитационной модели совместной работы тягового подвижного состава и системы тягового электроснабжения. Особое внимание при разработке модели уделено влиянию случайного характера числа поездов и времени появления их в зоне питания, а также уровню напряжения на токоприемниках электрического подвижного состава, что в дальнейшем позволило скорректировать тяговые и скоростные характеристики этого вида транспорта. Определено влияние подвижного состава на режимы работы тяговой сети и предложен алгоритм учета этого влияния, который реализован в виде имитационной модели. Верификация полученной модели показала, что полученная методика и модель могут быть использованы для определения токовых нагрузок, параметров защит, а также для подбора оборудования систем тягового электроснабжения при совместной работе с электрическим подвижным составом.

В статье приведены результаты расчетов влияния уровня напряжения в контактной сети на режимы работы электрического подвижного состава. Рассчитаны эффективные токи в системе тягового электроснабжения на примере Минского метрополитена, а также коэффициенты перегрузки отдельных преобразовательных агрегатов на расчетных тяговых подстанциях.

Ключевые слова: имитационная модель, электрический подвижной состав, система тягового электроснабжения, тяговая подстанция.

Abstract. The results of computational experiments conducted by the staff of the Lokomotive department of the Belarusian state university of transport are presented, the analysis of these experiments showed that the influence of the voltage level in the traction network is significant and, therefore, should be taken into account when developing methods for calculating the traction power supply systems. A technique for constructing an imitation model for the joint operation of a tractive rolling stock and traction power supply system was developed. Particular attention in the development of the model is given to the influence of the random character of the number of trains and the time of their appearance in the feeding zone, as well as the voltage level at the current collectors of electric rolling stock, which subsequently allowed to correct the traction and speed characteristics of this mode of transport. The influence of the rolling stock on the operation modes of the traction network is determined and an algorithm for accounting for this influence is proposed, which is implemented in the form of an imitation model. Verification of the obtained model showed that the obtained method and model can be used to determine current loads, protection parameters, and also to select equipment of traction power systems when working together with electric rolling stock.

The article presents the results of calculations of the influence of the voltage level in the contact network on the operating modes of electric rolling stock. The effective currents in the traction power supply system are calculated on the example of the Minsk metro, as well as the coefficients of overloading of individual converter units at the computed traction substations.

Keywords: Simulation model, electric rolling stock, traction power supply system, traction substation.

В настоящее время производится строительство новых и модернизация уже существующих участков Минского метрополитена, а также электрификация отдельных участков Белорусской железной дороги. При этом возникает ряд вопросов, решение которых позволит избежать необосно-

ванных затрат и добиться рациональных режимов эксплуатации электрического подвижного состава (ЭПС). При этом возникает необходимость в определении нагрузочной способности системы тягового электроснабжения (СТЭ). Решение таких задач, как правило, осуществляется на основе ме-

иркутским государственный университет путей сообщения

тодов имитационного моделирования. При этом возникает необходимость в расчете и корректировке потоков активной и реактивной мощностей, уровня напряжения и значения токов в элементах тяговой сети. Для определения мощности тяговой подстанции (ТП) необходимо иметь сведения о графиках её нагрузки, получить которые можно путем учета параметров СТЭ при совместной работе с ЭПС.

Многообразие типов ЭПС, к которому относятся электровозы, моторные вагоны железных дорог и метрополитенов, а также электрический подвижной состав городского транспорта, делает затруднительным создание универсальных аналитических методов решения этих задач. Не менее разнообразны схемы и конструкции СТЭ, обеспечивающие передачу электрической энергии от районных источников питания к ЭПС, что делает решение этих задач более сложным при анализе электромагнитных процессов в СТЭ. Серьезным препятствием к созданию аналитических методов расчета является случайный характер числа поездов и времени появления их в зоне питания, а также уровня потребления электроэнергии ими из контактной сети. Все это делает актуальной задачу разработки математических моделей совместной работы ЭПС и СТЭ железных дорог, метрополитенов и городского электрического транспорта.

Работы над созданием таких моделей проводились в различных научно-исследовательских и учебных заведениях железнодорожного транспорта России и других государств СНГ [1-3]. Особенностью этих расчетов является то, что они выполнялись при неизменном номинальном напряжении в контактной сети. В реальных условиях напряжение на токоприемниках ЭПС не остаётся постоянным. Оно изменяется в зависимости от числа поездов, которые располагаются одновременно в зоне питания, их режимов работы, уровня потребляемых ими токов, но оно должно находиться в пределах значений, установленных регламентирующими документами [4-6].

На кафедре «Локомотивы» Белорусского государственного университета транспорта (БелГУТ) был проведен вычислительный эксперимент по определению влияния уровня напряжения в тяговой сети на различные параметры режимов работы подвижного состава [7- 10].

На рис. 1 представлены зависимости времени хода и удельного расхода электрической энергии грузовым поездом массой 3890 т, ведомым электровозом ВЛ-80С, при различных уровнях напряжения в контактной сети [11, 12].

Анализ результатов, представленных на рис. 1, показал, что это влияние является су-

щественным и поэтому должно учитываться при разработке методик расчета систем тягового электроснабжения и создании имитационных моделей совместной работы ЭПС и СТЭ.

175

s s

Е «

1 я

и &

СО

150 125 100 75 50 25 О

14 12 10 8 6 4 2 0

17000

20000

23000

26000

29000

£

Напряжение в контактной сети, В

-Полное время хода

----Время хода под током

-Удельный расход

| I

Рис. 1. Зависимости времени хода и удельного расхода электрической энергии при различных уровнях напряжения в контактной сети

Опыт эксплуатации железных дорог, метрополитенов и городского электрического транспорта, показал что даже при строго детерминированном графике выпуска поездов на перегон в дальнейшем движение их представляет собой случайный процесс. Это объясняется тем, что процесс движения поезда, время стоянок на станциях и в тупиках являются случайными величинами, что особенно актуально для линий метрополитена, пригородного движения и городского электрического транспорта.

Исходя из этого работниками кафедры «Локомотивы» и «Научно-исследовательской лаборатории систем тягового электроснабжения» («НИЛ СТЭ») БелГУТа были проведены работы по разработке имитационной модели совместной работы электрического тягового подвижного состава и СТЭ. Блок-схема этой модели представлена на рис. 2.

В разработанной модели предусмотрено одновременное проведение тяговых и электрических расчетов. На каждом шаге производства тяговых расчетов определяются не только скорость и время хода, но и уровень напряжения на токоприемниках ЭПС, что позволяет скорректировать их тяговые и тормозные характеристики. Это позволяет произвести определение выходных параметров моделирования с более высокой точностью.

Имитационная модель представляет собой систему блоков, выполняющих определенные функции и задачи. Рассмотрим подробнее их работу.

Реализуемый график движения

я

¡5

7

я 0.

& со

ЕЗ

х в

3 Я я

я ■и

я Я

В

о £

О Я

Я ■и

о -

■и о

я -

а ■■

Я

X -

О

4 о

а

Т

Поездная ситуация

Токораспределение

Тяговые расчеты

Ж--Х-

Л

а

н

о

я

& я

я X

Я н и

я я

- г

■е

о

&

С

Выбор случайных значений величин из заданного закона распределения

я >3

=

и я а

о

£ и я Й ^ я

я ~

и о

в

о -

№ Н

в

о -

в

н

№ В

Я о

Я £

о $

и 5

5 я я а

в -

Определение токов и напряжений

Л-

3

Г

| Математическая Ц модель СТЭ | А--Ж--

о -

о в э

12 в

_ в

3 к

•I £

« я

н 2

и Я

Я и

Й о е

-

н

о

я а я

С

— н

я щ

Я §

и §

а о н ч 2 8

я &

я

С

в

я

я -

¡й я я

»о о

я я

я я

и -

©

о

£ и я

о с

- я

« о -

я о

я я а »о

" о

- X я

о X

я о ■-

& в

я

С

Определение параметров I, и, Р, W

Анализ результатов расчетов

Рис. 2. Блок-схема имитационной модели совместной работы ЭПС и СТЭ

Блок реализации графика движения подвижного состава. Представляется целесообразной реализация возможности использования как вероятностного (стохастического), так и детерминированного графика движения поездов. При выходе поездов на участок с конечной станции обычно строго соблюдается время их отправления (интервал попутного следования), особенно это характерно для метрополитенов и городского электрического транспорта. Однако, как показали опыт эксплуатации и эксперименты, проведенные в метрополитене г. Минска и на троллейбусных линиях г. Гомеля, уже на третьей-четвертой остановке от начальной графики движения поездов и время стоянки на остановочных пунктах, заданное графиком движения, не соблюдаются. Отличия реализованного графика движения от заданного носят случайных характер, поэтому при разработке модели, даже с использованием детерминированного графика движения, интервал попутного следования и время стоянок на перегоне рассматриваются как случайные величины, закон которых известен.

Блоки выбора случайных чисел и значений исходных величин. Датчик исходных чисел определяет значение случайного числа, равномерно распределенного на интервале от нуля до единицы, или иное значение исходной величины (масса и тип поезда, размер движения, время движения по

участку, интервал попутного следования, продолжительность остановок на станциях). По известному закону распределения этого параметра, в блоке «Выбор случайных значений величин» определяется его случайное значение заданным теоретическим законом распределения или опытным путем гистограммы, которое принимается в качестве входного параметра имитационной модели.

Блок определения поездной ситуации. Расположение поездов в зоне питания тяговой подстанции определяется исходя из результатов тяговых расчетов, времени выхода поезда на перегон и времени его движения по перегону, что позволяет составить мгновенную расчетную схему участка электропотребления для текущего момента времени.

Блок выполнения тяговых расчетов. В настоящей модели на каждом шаге проведения тяговых расчетов предусматривается определение уровня напряжения в контактной сети, которое находится решением мгновенной схемы участка тягового электроснабжения для данного момента времени, с последующей корректировкой тяговой характеристики ЭПС, для последующего определения реальной скорости движения и тока, потребляемого ЭПС, методом постепенных приближений.

Блок формирования математической модели системы тягового электроснабжения. Формирование мгновенной схемы производится

иркутским государственный университет путей сообщения

на основе математической модели системы тягового электроснабжения, построенной по агрегатному принципу и включающей в себя математические модели внешней системы электроснабжения, тяговой подстанции, контактной сети, а также электроподвижного состава.

При построении математической модели приняты следующие допущения:

- тяговые трансформаторы представлены системой магнитосвязанных катушек;

- источники питания системы внешнего электроснабжения изображены источниками ЭДС, внутреннее сопротивление которых определяется исходя из определения мощности короткого замыкания в точках общего присоединения;

- ЭПС как в режиме тяги, так и в режиме рекуперативного торможения приняты источниками тока.

Блок расчета токораспределения в системе тягового электроснабжения. Определение токов и напряжений в элементах схемы может производиться одним из методов анализа электрической цепи. В цепях переменного тока наиболее удобным является узловой метод формализации и расчета электрической цепи, в котором на основе матрицы потенциалов узлов рассчитываются токи и напряжения всех ветвей схемы замещения электрифицированного участка. В цепях постоянного тока (метрополитен, городской электрический транспорт) более эффективным является применение контурной интерпретации схемы.

Откликами модели являются: зависимость скорости движения, времени хода и потребляемого тока от пути; токи фидеров тяговых подстанций; эффективные токи СТЭ за весь период расчета или для заданной продолжительности; коэффициенты перегрузки оборудования и элементов СТЭ; токи междупутных перемычек

в рельсовых цепях; минимальные напряжения на токоприемниках ЭПС, определение несимметрии токов и напряжений в точках общего присоединения, электромагнитное влияние на воздушные линии нетяговых потребителей.

Алгоритм модели реализован в виде программных материалов. Для верификации модели были произведены эксперименты на Минском метрополитене и участке Белорусской железной дороги [13-16].

Для верификации модели были произведены расчеты СТЭ линии Минского метрополитена [17, 18].

Исходными данными для проведения расчетов являются:

- спрямленный и приведенный профиль участка (с учетом сопротивления движению в горизонтальных кривых) в прямом и обратном направлениях с учетом движения в тупиках;

- схема движения поездов по участку;

- типы подвижного состава, их структура, удельное сопротивление движению и тяговые характеристики;

- размеры движения и интервал попутного следования в часы пик;

- средняя масса пассажиров одного вагона;

- время стоянки на конечных и промежуточных станциях, а также в тупиках;

- предельные значения токов преобразовательных агрегатов тяговых подстанций.

Результаты расчетов эффективных токов за весь период моделирования и эффективные токи заданной продолжительности СТП линии метрополитена при средних интервалах попутного следования представлены в табл 1.

Результаты расчетов позволили определить загрузку преобразовательных агрегатов тяговых подстанций и коэффициент их перегрузки, которые приведены в табл. 2.

Т а б л и ц а 1

Эффективные токи СТП линии метрополитена

Эффективный ток, А

СТП за время максимальный максимальный максимальный максимальный

расчета 75 с 40 с 10 с 5 с

1 2729 4327 5204 9249 11203

2 2493 3514 4330 7843 8317

3 2667 3730 4648 7699 8888

4 2573 3811 4842 9017 9828

5 2584 3748 4644 8417 9437

6 2779 4502 5492 10279 12349

7 3137 4679 6274 10008 12649

9 2640 4006 5180 8590 10489

10 1884 3028 3561 6562 7947

11 1761 2780 3434 6203 7442

12 1823 2878 3667 6883 7822

Т а б л и ца2

Коэффициенты перегрузки СТП при трех работающих преобразовательных агрегатах_

Коэффициент перегрузки относительно номинального тока

СТП за время максимальный максимальный максимальный максимальный

расчета 75 с 40 с 10 с 5 с

1 0,568 0,902 1,084 1,927 2,334

2 0,519 0,732 0,902 1,634 1,733

3 0,556 0,777 0,968 1,604 1,852

4 0,536 0,794 1,009 1,879 2,048

5 0,538 0,781 0,967 1,753 1,966

6 0,579 0,938 1,144 2,141 2,573

7 0,653 0,975 1,307 2,085 2,635

9 0,550 0,835 1,079 1,790 2,185

10 0,393 0,631 0,742 1,367 1,656

11 0,367 0,579 0,715 1,292 1,550

12 0,380 0,600 0,764 1,434 1,630

Анализ результатов моделирования, приведенных в табл. 1 и 2, и сравнение их с данными натурных экспериментов, проведенных для этих же участков, позволяют сделать выводы, что разработанная авторами модель отражает адекватно и с достаточной степенью точности физические процессы, которые протекают в различных элементах системы тягового электроснабжения отдельных участков метрополитенов.

Следовательно, методика расчета, реализованная в виде имитационной модели совместной работы СТП и ЭПС. может быть рекомендована для определения токовых нагрузок, подбора оборудования и расчета параметров защит строящихся и модернизируемых участков метрополитенов.

Заключение

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты.

1. Разработана методика построения имитационной модели совместной работы тягового подвижного состава и системы тягового электроснабжения.

2. Выполнена апробация модели для СТЭ линии Минского метрополитена, по результатам которой получены эффективные токи за весь период моделирования и эффективные токи заданной продолжительности СТП линии метрополитена при средних интервалах попутного следования.

3. Установлено, что разработанная авторами модель отражает адекватно и с достаточной степенью точности физические процессы, которые протекают в различных элементах системы тягового электроснабжения отдельных участков метрополитенов.

4. Разработанная методика, на основе имитационной модели, может быть использована для определения токовых нагрузок, подбора оборудования и расчета параметров защит строящихся и модернизируемых участков метрополитенов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шиловская Р.В., Полякова Т. В. Алгоритм выбора расчетных функций тяговой нагрузки электроснабжения линии метрополитена при рекуперации // Вестник ВНИИЖТа. 1990. № 8. С. 20-22.

2. Шиловская, Р.В. Математическая модель расчета системы энергоснабжения метрополитена на ЭВМ // Вопросы энергоснабжения и тяги поездов на электрических железных дорогах : тр. ВЗИИТа. Вып. № 27. М., 1969.

3. Шиловская Р.В. Математическая модель расчета системы энергоснабжения метрополитена на ЭВМ // ВЗИИТ. 1973. Вып. № 65.

4. Пронтарский А.Ф. Системы и устройства электроснабжения. М. : Транспорт, 1974. 272 с.

5. Федоров Г.В. Подвижной состав метрополитена. М. : Транспорт, 1968. 480 с.

6. Электроснабжение метрополитенов / под ред. В.А. Туманова. М. : Транс-желдориздат, 1957. 399 с.

7. Шиловская Р.В. Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог : лекция. Ч. 2. М. : МИИТ, 2010. 37 с.

8. Шиловская Р.В. Расчет системы электроснабжения электрических железных дорог : лекция. Ч. 1. М. : МИИТ, 2010. 52 с.

9. Марквардт К. Г. Энергоснабжение электрических железных дорог. М. : Транспорт, 1965. 464 с.

Ю.Андреев В.В. Метод расчета моментных схем // Вопросы электроснабжения электрических железных дорог : межвуз. сб. МИИТ. М. : МИИТ, 1981. С.36-43.

11. Марквардт Г.Г., Белов Е.Ф. Модель электрической железной дороги переменного тока // Тр. ВЗИИТ. 1969. Вып. 41. 87 с.

иркутским государственный университет путей сообщения

12. Электрический расчет многопроводных тяговых сетей переменного тока / Б.И. Косарев и др. // Вестник ВНИИЖТ. 1982. № 8. С. 32-37.

13. Тяговые и электрические расчеты по участку продления Кожуховской линии Московского метрополитена от станции Косино до станции Некрасовка : отчет о НИР / БелГУТ ; рук. B.C. Могила. Гомель, 2013. 57 с. № 2012.85-3с (8338).

14. Тяговые и электрические расчеты по участку продления Сокольнической линии Московского метрополитена от станции Юго-Западная до станции Тропарево : отчет о НИР / БелГУТ ; рук. B.C. Могила. Гомель, 2012. 41 с. № 2012.10/с (7900).

15. Тяговые и электрические расчеты первой линии Минского метрополитена : отчет о НИР / БелГУТ ; рук. B.C. Могила. Гомель, 2014. 117 с. № 2013.43-с (8853).

16. Тяговые и электрические расчеты по первому участку третьей линии Минского метрополитена от станции Корженевского до станции Площадь Юбилейная : отчет о НИР / БелГУТ ; рук. B.C. Могила. Гомель, 2013. 74 с. №2009.33-2с (8280).

17. Тяговые и электрические расчеты по первому участку третьей линии Минского метрополитена от станции Корженевского до станции Площадь Юбилейная. Проверка адекватности тяговых и электрических расчетов (заключительный) : отчет о НИР / БелГУТ ; рук. B.C. Могила. Гомель, 2014. 74 с. № 2009.33-2с (8280).

18.Оптимизация системы тягового электроснабжения для организации движения тяжеловесных поездов и электрического подвижного состава в режимах тяги и рекуперации : отчет о НИР / БелГУТ ; рук. B.C. Могила. Гомель, 2014. 164 с. № 9131.

УДК 624.21.014.2, 539.3, 625.1 Быкова Наталья Михайловна,

к. т. н., доц., зав. кафедрой «Строительство железных дорог, мостов и тоннелей», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8(3952)638-360, e-mail: nauka.transport@yandex.ru Баранов Тимофей Михайлович, к. т. н., доц. кафедры «Строительство железных дорог, мостов и тоннелей», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8(3952)638-399 (+0142), e-mail: Baranov-87@yandex.ru

Толстиков Евгений Олегович, аспирант кафедры «Строительство железных дорог, мостов и тоннелей», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8(3952)638-399 (+0142), e-mail: E.O.Tolstikov@yandex.ru

МЕТОДИКА УТОЧНЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО МОСТА СО СКВОЗНЫМИ ГЛАВНЫМИ ФЕРМАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОБИЛЬНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

МОНИТОРИНГА

N. M. Bykova, T. M. Baranov, E. O. Tolstikov

A METHOD FOR THE ELABORATION OF THE CARRYING CAPACITY OF THE SPAN RAILWAY TRUSS BRIDGE WITH THE MOBILE AUTOMATED MONITORING SYSTEMS

Аннотация. Одним из основных факторов, влияющих на оценку технического состояния мостов на железных дорогах, является грузоподъемность сооружения, определяемая методом классификации элементов пролетных строений и опор. Настоящая статья описывает применение современных средств мониторинга транспортных сооружений при уточненном определении грузоподъемности пролетных строений металлических мостов со сквозными главными фермами.

В настоящее время системы мониторинга сооружений получили значительное развитие и большое распространение в мостовом хозяйстве. Однако цена подобных систем такова, что позволяет оборудовать только уникальные сооружения. Мобильная автоматизированная система мониторинга может использоваться как инструмент для уточнения грузоподъёмности пролетного строения, полученного расчетным путем. Сама система состоит из аппаратной, программной и организационно-технологической частей.

Уточнение грузоподъемности пролетного строения проводится в развитие раздела «Руководства по определению грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов», посвященного анализу результатов испытаний мостов. В ходе рассуждений используются понятия коэффициента отклонения фактической работы сооружения от расчетной модели, линий влияния силовых факторов в элементах, усилия и напряжения в элементах фермы. При использовании системы мониторинга пролетных строений допустимая временная нагрузка выражается через напряжения в двух и более элементах от проходящих временных нагрузок, а также через площади, ограниченные линиями влияния для этих элементов через площади поперечного сечения элементов.

Данный подход позволяет избежать расходов на применение дорогостоящих капитальных систем мониторинга, организационно и технологически проще проведения испытаний сооружения, но при этом не теряет достоинств по определению