CC BY
1
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Фроленков Сергей Андреевич
Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС).
Свободы ул., д. 2 в, г. Самара, 443066, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», СамГУПС.
Тел.: +7 (927) 656-09-96.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Фроленков, С. А. Совершенствование алгоритма определения положения проводов контактной подвески в плане пути с помощью цифровой обработки изображений / С. А. Фроленков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. -№ 2 (54). - С. 9 - 16.
УДК 621.331
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Frolenkov Sergey Andreevich
Samara State Transport University (SSTU).
2v, Svobody st., Samara, 443066, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «The supply of rail transport», SSTU.
Phone: +7 (927) 656-09-96.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Frolenkov S.A. Improvement of the algorithm for determining the position of the contact suspension wires in terms of the path using digital image processing. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 2 (54), pp. 9-16 (In Russian).
А. А. Комяков, А. И. Шкулов, Л. А. Бартель
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы имитационного моделирования динамических процессов в системе тягового электроснабжения. В качестве инструмента для разработки модели выбрана среда SimlnTech. Для модели составлены схема обмена данными внутри программного комплекса, разработан алгоритм динамического расчета расстояний от подстанций до электроподвижного состава, позволяющий произвести расчет сопротивлений элементов системы тягового электроснабжения, представлены основные блоки модели и дано описание к ним. Разработана модель расчетного участка для одной из межподстанционных зон Западно-Сибирской железной дороги, позволяющая анализировать динамические процессы в системе тягового электроснабжения с учетом движения поездов. Произведено моделирование работы участка в SimlnTech, приведены графики мгновенных и среднеквадратических значений тока и напряжения присоединений контактной сети подстанций, показана возможность анализа показателей качества электроэнергии при работе модели. Полученные результаты верифицированы путем сравнения с результатами моделирования в программном комплексе «КОРТЭС». Получено, что расход по присоединениям контактной сети с учетом потерь электроэнергии в SimlnTech составил 4036,7 кВтч, а в «КОРТЭС» - 4085,3 кВтч, расхождение составило 1,18 %. Таким образом, доказана работоспособность модели. Сделаны выводы о работе программного комплекса и рассмотрены перспективы дальнейших исследований в рамках решения прикладных задач по повышению энергоэффективности и пропускной способности участков железных дорог.
Ключевые слова: система тягового электроснабжения, имитационное моделирование, тяговая нагрузка, динамические процессы.
Alexander A. Komyakov, Andrey I. Shkulov, Lyubov A. Bartel
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
SIMULATION MODELING OF DYNAMIC PROCESSES IN THE TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM
Abstract. The article deals with the issues of simulation modeling of dynamic processes in the traction power supply system. As a tool for the development of the model, the development environment for algorithms, mathematical models, and control interfaces of the SimlnTech software package was chosen. A model of a single-track design section of the
inter-substation zone based on a real stretch from Karasuk 3 station to Aksenikha station (Zapadno-Sibi the Russian railway), for the calculation of the traction power supply system, which allows analyzing dynamic processes taking into account the movement of trains. For the model, the following are compiled: a data exchange scheme within the software package, an algorithm for dynamic calculation of distances from substations to EPS, which allows calculating the resistances of the elements of the STE with decoding and explanations, the main blocks of the model are presented and a description is given to them. The simulation of the trip was carried out and the results obtained were verified using the example of an operating section of electrified railways modeled in the KORTES software package. Graphs of instantaneous and RMS values of current and voltage of one of the simulated substations are given. According to the simulation results, we see that the consumption of the feeders of the contact network, taking into account the loss of electricity, amounted to 4036.7 kWh, and the simulation results in «KORTES» show 4085.3 kWh error was 1.18 percent. Conclusions are drawn about the work of the software package and plans for further development are considered.
Keywords: traction power supply system, simulation modeling, traction load, dynamic processes.
В соответствии с Транспортной стратегией РФ до 2035 г. [1] ключевым инфраструктурным вызовом в части железнодорожного транспорта является недостаточная пропускная способность железнодорожных линий. Особенно остро эта проблема проявляется на Восточном полигоне, где имеют место ограничения пропускной и провозной способности, в том числе по условиям устройств электроснабжения. Для принятия решения о выборе способов ликвидации «узких мест» железнодорожной энергетической инфраструктуры с учетом удовлетворения будущего спроса на перевозки в большинстве случаев используется методология, основанная на совместном имитационном моделировании работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) и электроподвижного состава (ЭПС). При этом указанные расчеты должны выполняться с учетом безусловного выполнения критериев энергоэффективности перевозочного процесса, что также является одним из ключевых направлений развития ОАО «РЖД» [2]. На текущий момент существует множество вариантов для решения изложенных выше проблем и задач: ряд программных комплексов «Fazanord-качество» [3], «Fazanord» [4], «КОРТЭС», Ма^АВ Simulink, AnyLogic, ExtendSim, «еТгаХ» [5], алгоритмов, патентов, полезных моделей [6 - 13].
Наиболее распространенным в практике расчетов системы тягового электроснабжения в России является «Комплекс расчетов тягового электроснабжения» (КОРТЭС). Наряду с преимуществами, связанными с относительной простотой и надежностью, КОРТЭС имеет ряд недостатков, к числу которых можно отнести:
1) неправильный учет уровня напряжения на токоприемнике ЭПС из-за того, что тяговый расчет выполняется отдельно от электрического, что приводит к значительным погрешностям расчета;
2) отсутствие возможности оценки качества электроэнергии;
3) невозможность достоверного учета перетоков мощности по межподстанционным зонам;
4) невозможность отслеживания мгновенных значений токов и напряжений;
5) невозможность оценки влияния режимов работы тяговой сети на нетяговых железнодорожных потребителей;
6) сложность моделирования активных устройств системы тягового электроснабжения, таких как управляемые устройства компенсации реактивной мощности, бустерные трансформаторы, накопители электроэнергии.
Таким образом, существует необходимость совершенствования методов имитационного моделирования СТЭ. В настоящем исследовании поставлена цель - разработать имитационную модель системы тягового электроснабжения, позволяющую анализировать динамические процессы с учетом движения поездов по межподстанционной зоне. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1) разработать алгоритм, позволяющий учитывать движение поездов по межподстанцион-ной зоне при имитационном моделировании;
2) разработать имитационные модели СТЭ, ЭПС и тяговой сети и оценить их работоспособность;
N
;п21534) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 17
3) верифицировать модель на примере действующего участка электрифицированных железных дорог.
В качестве рабочей среды для имитационного моделирования выбран программный комплекс SimlnTech. Он предназначен для анализа и исследования динамических процессов в различных объектах [14].
Разработана схема обмена данными при имитационном моделировании СТЭ в программе SimlnTech (рисунок 1).
Блок формирования файла данных о движении поездов получает данные из первичного тягового расчета и графика движения поездов. Данные включают в себя время, координаты поездов, сопротивления и индуктивности электровозов в каждый момент времени, зависящий от шага дискретизации и сигналов включения или отключения блоков «ЭПС». Схематическое расположение ЭПС на межподстанционной зоне приведено на рисунке 2. В середине межподстанционной зоны предусмотрен пост секционирования.
На представленной схеме х0, х1, х2 ... - длины соответствующих участков межподстанционной зоны, которые определяются координатой электроподвижного состава ЭПС1, ЭПС2, ЭПС3 в каждый конкретный момент времени. Направление движения в схеме - из точки А в точку В. Когда ЭПС пересекает координату поста секционирования, его параметры автоматически присваиваются соответствующему ЭПС с тем же порядковым номером и дополнительным индексом «ф».
Рисунок 1 - Схема обмена данными при имитационном моделировании системы тягового электроснабжения в SimlnTech
Рисунок 2 - Схематическое расположение ЭПС на межподстанционной зоне для одного пути двухпутного участка
Для расчета значений х0, х1, х2 и т. д. разработан алгоритм, представленный на рисунке 3. Он предусматривает одновременное нахождение до трех поездов на одном пути двухпутного участка.
' Т
Ввод а, Ъс, И, tZ, I, II, 12, 13 /
1
:
>
kl-(t»v]tkO :
Г_Конец_
7
k2=ft"v)+k
т
Вывод 1сЗ=с
Рисунок 3 - Граф-схема алгоритма расчета расстояний от подстанций до ЭПС
Блок ввода данных «Ввод а, С t2, I, 11, 12, 13» включает в себя ввод начальных параметров: а - начальная координата первого поезда; ^ - рассматриваемый промежуток времени движения подвижного состава в секундах; Л - время отправления второго поезда: t2 - время отправления третьего поезда; I - длина пути до точки хО; 11 - расстояние от начала отсчета до координаты поста секционирования; 12 - то же с учетом запаса; 13 - длина пути до точки х3.
Задаем цикл через блок модификации « = г, ^; j» с параметром времени t, где i -начальное значение времени; ^ - конечное значение времени; j - шаг изменения. Определяем тело цикла, включающее в себя команды расчета, блок вывода данных и условный блок.
Блок расчета «к1 = (^у) + АО» вычисляет координату расположения первого поезда по времени. Блок «Вывод ^ к1» выводит мгновенные значения времени и координаты первого поезда.
Условный блок « <= Я» проверяет условие времени отправления второго поезда. При выполнении условия ^ <= Л) блок «Вывод к2 = Ь» фиксирует координату второго поезда равной первоначальному значению координаты (поезд не движется), в противном случае ^ > Л) блок «к2 = (^у) + к» вычисляет координату второго поезда, выводя значение координаты с помощью блока «Вывод к2». Аналогично вычисляется координата третьего поезда с учетом времени отправления для третьего поезда.
Условный блок «к1 < а+ 11» проверяет условие пересечения первым поездом точки х4. При выполнении условия (к1 < а + 11) блок «х4 = а + 11 - к1» вычисляет расстояние поезда до точки х4 и выводит его через блок «Вывод х4». В противном случае (к1 >а + 11) поезд пересек точку х4, блок «Вывод х4 = к» фиксирует координату точки х4 равной коэффициенту запаса.
Условный блок «к1 < а + 11» проверяет условие пересечения первым поездом точки х4. При выполнении условия (к1 < а + 11) блок «х5 = к1 - к2 + к» вычисляет координату точки х5 равной расстоянию между первым и вторым поездами, выводит значение через блок «Вывод х5». В противном случае (к1 > а + 11) вычисляет координату точки х5 относительно расстояния между точкой х4 и вторым поездом. Так как при пересечении вторым поездом точки х5 значение координаты принимает отрицательный знак, вводим условный блок «х5 > 0». При выполнении условия (х5 > 0) блок «Вывод х5» выводит значение координаты точки х5. В противном случае блок «Вывод х5 = к» фиксирует координату точки х5 равной коэффициенту запаса.
Условный блок «к1 < а + 11» проверяет условие пересечения первым поездом точки х4. При выполнении условия (к1 < а + 11) блок «х6 = к2 - к3 + к» вычисляет координату точки х6 равной расстоянию между вторым и третьим поездами, выводит значение через блок «Вывод хб». В противном случае (к1 > а + 11) блок «х6 = а + 11 - к2 - к3 + к» вычисляет координату точки х6 относительно расстояния между вторым и третьим поездами.
Блок «х7 = 12 - х4 + к» вычисляет координату точки х7. Блок «Вывод х7» выводит значение координаты точки х7.
Условный блок «к1 > а + 11» проверяет условие пересечения первым поездом точки х4. При выполнении условия (к1 > а + 11) блок «хО = I + а - к1 + к» вычисляет координату точки х0 равной расстоянию между точкой х0 и первым поездом. Так как при пересечении первым поездом точки х0 значение координаты принимает отрицательный знак, вводим условный блок «хО > 0», при выполнении условия которого блок «Вывод хО» выводит значение координаты точки хО. В противном случае блок «Вывод хО = к» фиксирует координату точки хО равной коэффициенту запаса. При невыполнении условия (к1 > а + 11) блок «Вывод хО = 13» выводит значение координаты точки хО равной расстоянию пути до точки х3.
Условный блок «к2 > а + 11» проверяет условие пересечения вторым поездом точки х4. При выполнении условия (к2 > а + 11) блок «х1 = хО - к2 + 11 + к» вычисляет координату точки х1 равной расстоянию между точкой хО и вторым поездом. Так как при пересечении вторым поездом точки х1 значение координаты принимает отрицательный знак, вводим условный блок «х1 > О», при выполнении условия которого блок «Вывод х1» выводит значение
координаты точки х1. В противном случае («к2 > а + 11» или «х1 < 0») блок «Вывод х1 = к» фиксирует координату точки х1 равной коэффициенту запаса.
Условный блок «к3 > а + 11» проверяет условие пересечения третьим поездом точки х4. При выполнении условия (к3 > а + 11) блок «х2 = х1 - к3 + 11 + к» вычисляет координату точки х2 равной расстоянию между точкой х1 и третьим поездом. Так как при пересечении третьим поездом точки х2 значение координаты принимает отрицательный знак, вводим условный блок «х2 > 0», при выполнении условия которого блок «Вывод х2» выводит значение координаты точки х2. В противном случае («к3 > а + 11» или «х2 < 0») блок «Вывод х2 = к» фиксирует координату точки х1 равной коэффициенту запаса.
Блок «х3 = 13 - х0 + к» вычисляет координату точки х3. Блок «Вывод х3» выводит значение координаты точки х7.
По результатам расчета в блоке формирования файла данных о движении поезда создается текстовый документ в формате Данные в текстовом документе представляются в виде
матрицы D размером М х Ы, где М- количество факторов, N - количество значений факторов в зависимости от шага дискретизации. Например, матрица входных данных для двух поездов на межподстанционной зоне имеет вид:
х4х х61 х1г х21 х31 х4х ге11 1е11 ге21 1е21 ге/11 1е/21 1е/21 рк111 рк121
й = Х42 х5г х62 х12 Х22 х32 х42 ге12 1е12 ге22 1е22 ге/12 Щ 1е/22 гк112 гк122 ук1/12
х4п х6п х1 Л1п х2 Л2п х4п ге1п 1е1п ге2п 1е2п ге!1п 1е/2п 1е/2п ук11п гк12п йг/1п vklf 1п
Кроме длины участков межподстанционной зоны в матрицу исходных данных входят такие значения:
ге1, ге2, ге/У, ге/2 - активное сопротивление локомотива в каждый момент времени; 1е1, 1е2, /е/1, /е/2 - индуктивность локомотива в каждый момент времени; ук/1, уМ2, ук/1, ук//2 - бинарный сигнал включения/отключения расчетного блока ЭПС. Значения ге и 1е определяются по результатам тягового расчета в соответствии с ГОСТ Р 57670-2017 и переходом от напряжений, активных и полных токов к пассивным параметрам в соответствии с выражениями:
Дл = ; (2)
(гЧ2- «5
. ^полн^ /лч
I = --, (3)
314 '
где и - напряжение в контактной сети; 1а - активный ток локомотива; 1полн - полный ток локомотива.
Блок чтения данных и записи сигналов (демультиплексор) представляет собой элемент программы, который считывает из файла *. dat данные о движении поезда и преобразует их в сигналы, воспринимаемые программой (рисунок 4). Отдельные данные используются только на начальном шаге моделирования, а другие применяются в течение всей работы программы.
Блок «Тяговая подстанция» (рисунок 5) моделирует работу реальной тяговой подстанции и учитывает потери электроэнергии в ее элементах, в модель встроены измерительных приборы для отслеживания изменений ключевых параметров. Модель тяговой подстанции состоит из трехфазного трехобмоточного трансформатора, подающего напряжение в контактную сеть, блока PQ, который моделирует нагрузку нетяговых потребителей, блоков вычисления активной и реактивной мощностей, амперметров и вольтметров, элементов для построения графиков зависимостей мгновенных и среднеквадратических значений токов и напряжений, активной и реактивной мощностей от времени, спектров токов и напряжений.
Рисунок 4 - Схема блока чтения данных и записи сигналов
Рисунок 5 - Схема блока «Тяговая подстанция»
Блок «ЭПС» (рисунок 6) представляет собой схему однофазного мостового диодного преобразователя электровоза, имитирующую тяговую нагрузку в СТЭ. Данный подход является упрощенным. Современные типы электровозов переменного тока имеют тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИПы), однако на данном этапе разработки модели принятые допущения не окажут значительного влияния на результат. Тяговая нагрузка задается на основе тягового расчета, который учитывает модель локомотива, загруженность подвижного состава, график движения поездов и др. В модели используются выпрямительный агрегат и измерительные блоки, по своему назначению аналогичные блокам, применяемым на тяговой подстанции. Для расчета используется действительное напряжение, которое изменяется с каждым шагом итерации модели.
Рисунок 6 - Схема блока «ЭПС»
В блоке «Тяговая сеть» (рисунок 7) смоделированы пассивные элементы контактной сети и рельсовой цепи, которые рассчитываются на основании информации о значениях хО, х1, х2 и т. д., получаемой из блока чтения данных и записи сигналов, и заданного удельного сопротивления этих элементов. Таким образом, имеется возможность определения значения напряжений в каждой точке межподстанционной зоны, которые зависят от текущей поездной ситуации.
Рисунок 7 - Схема блока «Тяговая сеть»
В блоке «Тяговая сеть» предусмотрено наличие поста секционирования и разъединителей, позволяющих моделировать любую схему питания тяговой сети, в том числе пропуск поездов по одному из путей двухпутного участка.
Блок вывода данных (рисунок 8) отвечает за анализ ключевых параметров системы тягового электроснабжения, таких как напряжение и ток на присоединениях контактной сети, напряжение на токоприемнике ЭПС и ток локомотива, спектральный состав тока и напряжения и дальнейший графический вывод информации. С помощью этого блока можно комплексно оценить изменение требуемых параметров и зависимостей в конкретный момент времени или за все время моделирования для дальнейшего анализа.
- <№
- Р(ГНП~
- <№гС
Тяговая подстанция
а.
и токопр (мгн) I токопр (мгн) Спектр и (верх вывод) Спектр и (них вы вол) Спектр I (верх бувол) Спектр ] (ииж быв од) И токопр (гтпя) I токопр (гтз) Р ПП5 <3 лп*
ЭПС 2
а б
Рисунок 8 - Элементы блока вывода данных: а - анализаторы спектра токов и напряжений присоединений контактной сети;
б - анализаторы действующих и мгновенных значений, спектрального состава тока и напряжения ЭПС
Кроме того, в разработанной модели имеется блок учета электроэнергии, который состоит из элементов приема сигналов датчиков, расположенных в сопряженных блоках, элементов вычисления активной и реактивной мощностей, пары интеграторов и перемножителей (элемент перемножителя необходим для приведения значения расхода электроэнергии из модельного к реальному). Блок расчета потерь электроэнергии формирует информацию о расходе и потерях электроэнергии в тяговой сети.
Для оценки работоспособности модели в программном комплексе SimInTech выполнено моделирование действующего участка перегона от ст. Карасук 3 до ст. Аксениха протяженностью 52,84 км (Западно-Сибирская железная дорога). В качестве ЭПС выбраны ВЛ85 с массой поезда 3988 т и ЭП1 1О7О т соответственно. Одновременно на одной межподстанционной зоне находятся два поезда, которые передвигаются с начальным интервалом 8 мин.
На рисунке 9 представлен фрагмент графика мгновенных значений тока и напряжения присоединения контактной сети.
3.6 1605 3.61 3.615 3.62 3.625 3.63 3.635 3.64 3.645 3.65
Модельное время, с -►
Рисунок 9 - График мгновенных значений напряжения (а) и тока (б)
Из графиков на рисунке 9 видно, что наблюдаются характерные искажения синусоидальности кривых тока и напряжения. На рисунке 10 представлен анализ спектрального состава напряжения присоединения контактной сети тяговой подстанции, из которого видно, что в спектре преобладают нечетные гармоники. Это хорошо согласуется с результатами известных исследований. На рисунке 11 можно наблюдать динамику изменения действующих значений тока и напряжения присоединения контактной сети тяговой подстанции. Имеют место характерные закономерности: при резком увеличении тягового тока наблюдаются просадки напряжения и наоборот.
Выполнена оценка точности модели путем сравнения ее результатов с данными, смоделированными в программном комплексе «КОРТЭС» (таблица).
Сравнение результатов моделирования в SimInTech и КОРТЭС
Параметр Результаты моделирования в SimInTech, кВт • ч Результаты моделирования в КОРТЭС, кВт • ч Погрешность, %
Расход первого локомотива 1198,2 1208,6 0,85
Расход второго локомотива 2759,4 2774,2 0,53
Расход по присоединениям контактной сети с учетом потерь электроэнергии 4036,7 4085,3 1,18
и, В
Рисунок 10 - График спектра входного сигнала
а)
I, А
б)
и, В
Модельное время, с
Рисунок 11 - График среднеквадратических значений тока (а) и напряжения (б)
Из данных в таблице видно, что сходимость результатов моделирования с данными КОРТЭС достаточно высока. Таким образом, разработанная модель демонстрирует удовлетворительную сходимость, верификация успешна.
Несмотря на хорошую сходимость результатов имитационного моделирования существует ряд недостатков модели: на данном этапе разработки используется один путь двухпутного расчетного участка, малое количество ЭПС, одновременно находящихся на межподстанционной зоне, нет совместных тяговых и электрических расчетов, что ограничивает универсальность программы.
В дальнейшем планируется поэтапное устранение данных недостатков, уменьшение вводной информации при формировании файла данных путем внедрения тягового расчета в модель совместно с базой данных параметров и характеристик электроподвижного состава, расширение расчетного участка пути за счет введения двухпутного движения, ускорение работы программы путем оптимизации.
В результате проведенного исследования разработана имитационная модель системы тягового электроснабжения в программе $1т1пТесИ, включающая в себя модели электроподвижного состава, тяговых подстанций, тяговой сети и различные блоки анализа энергетических показателей СТЭ. Разработан алгоритм, позволяющий учитывать
сопротивление элементов СТЭ при движении поездов по межподстанционной зоне, за счет чего реализована возможность исследования динамических процессов в тяговой сети. После получения результатов моделирования проведена верификация модели путем сравнения ее результатов с программным комплексом КОРТЭС. Результаты показывают, что расход по тяговым подстанциям в модели SimlnTech составляет 4036,7 кВтч, а по данным КОРТЭС - 4085,3 кВтч. Расхождение составило 1,18 %, что доказывает работоспособность модели. В рамках дальнейших исследований предложенную модель предполагается использовать для разработки методики расчета потерь электроэнергии в тяговой сети при ее передаче электроподвижному составу и методики оценки влияния уравнительных токов на потери электроэнергии.
Список литературы
1. Транспортная стратегия Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года : Распоряжение Правительства Российской Федерации № 3363-р от 27 ноября 2021 // https://mintrans.gov.ru : сайт. - Текст : электронный. - URL : https://mintrans.gov.ru/ file/473193 (дата обращения: 19.03.2023).
2. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года : Распоряжение ОАО «РЖД» № 2537р от 14 декабря 2016 // http:// company.rzd.ru : Текст : электронный. - URL : https://company.rzd.ru/api/media/ resources/1346066?action=download (дата обращения: 19.04.2023).
3. Цифровые модели перспективных систем тягового электроснабжения повышенного напряжения / А. В. Крюков, А. В. Черепанов, А. Д. Степанов [и др.]. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2021. -№ 3 (71). - С. 83-91. - DOI 10.26731/1813-9108.2021.3(71).83-91. - EDN OFAEGA.
4. Крюков, А. В. Моделирование режимов систем тягового электроснабжения, оснащенных установками продольной компенсации / А. В. Крюков, М. А. Садохина, М. Л. Дмитриева. - Текст : непосредственный // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Иркутск, 19 - 22 апреля 2022 года. - Иркутск : Иркутский национальный исследовательский технический университет, 2022. - Том 1. -С. 170-178. - EDN JEILKX.
5. Анализ программного обеспечения для моделирования электрификации железных дорог / А. А. Королев, Д. С. Плетнев, М. Н. Белов [и др.]. - Текст : непосредственный // Наукосфера. - 2022. - № 1-1. - С. 175-181. - EDN ZHHHYU.
6. Bo Zhang, Yichen Ying, Qionglin Li, Chen Zheng. Traction load modeling considering multiple types of locomotives and analysis of its impact on power grid. Electric Power Systems Research, vol. 215, part B, 2023, 109008.
7. X. Yu. General Mathematical Model of AC Traction Power Supply System Simulation Based on Mathematical Reasoning and Its Application Research. 2020 IEEE International Conference on Artificial Intelligence and Information Systems (ICAIIS), 2020, pp. 441-446.
8. Gang Zhang, Zhongbei Tian, Pietro Tricoli, Stuart Hillmansen, Zhigang Liu. A new hybrid simulation integrating transient-state and steady-state models for the analysis of reversible DC traction power systems. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 109, 2019, pp. 9-19.
9. Christian Dullinger, Walter Struckl, Martin Kozek. Simulation-based multi-objective system optimization of train traction systems. Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 72, 2017, pp. 104-117.
10. Нурпеисова, Г. Б. Имитационное моделирование участка тягового электроснабжения / Г. Б. Нурпеисова, Ж. Ж. Калиев, А. Б. Нургажанова. - Текст : непосредственный // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. - 2019. - № 4 (111). -С. 283-291. - EDN HXBJKA.
11. Андреев, В. В. Реализация в среде Matlab/Simulink имитационной модели системы электроснабжения с автотрансформаторной тяговой сетью 2 х 25 кВ на двухпутном участке электрифицированной железной дороги / В. В. Андреев. - Текст : непосредственный // Путь науки. - 2016. - № 8 (30). - С. 20-26. - EDN WHULMR.
12. Бардушко, В. Д. Способ моделирования перемещения электровозов в межподстан-ционной зоне средствами MATLAB / В. Д. Бардушко, В. А. Ушаков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2014. - № 4 (20). - С. 10-18. - EDN TCEGOT.
13. Анализ волновых процессов в тяговой сети переменного тока на основе имитационного моделирования / Т. В. Ковалева, А. А. Комяков, О. О. Комякова, Н. В. Пашкова. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. - 2022. - № 1 (72). -С. 80-85. - DOI 10.20291/1815-9400-2022-1-80-85. - EDN KCIPSY.
14. Бородай, И. Ю. Использование среды динамического моделирования SimlnTech при моделировании / И. Ю. Бородай. - Текст : непосредственный // Гагаринские чтения-2018 : сборник тезисов докладов международной молодежной научной конференции, Москва - Ахтубинск - Байконур, 17 - 20 апреля 2018 года. - Москва - Ахтубинск - Байконур : Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2018. -Том 1. - С. 306. - EDN ORNEVF.
References
1. Transport strategy of the Russian Federation until 2030 with a forecast for the period up to 2035: Decree of the Government of the Russian Federation No. 3363-r dated November 27, 2021. Available at: https://mintrans.gov.ru/ file/473193 (accessed 19.03.2023) (In Russian).
2. Energy strategy of the Russian Railways Holding for the period up to 2020 and for the future up to 2030: Order of JSC «Russian Railways» No. 2537r dated December 14, 2016. Available at: https://company.rzd.ru/api/media/ resources/1346066?action=download (accessed 19.04.2023) (In Russian).
3. Kryukov A.V., Cherepanov A.V., Stepanov A.D. and others. Digital models of advanced highvoltage traction power supply systems. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie. -Modern technologies. System analysis. Modeling, 2021, no. 3 (71), pp. 83-91, DOI 10.26731/1813-9108.2021.3(71).83-91, EDN OFAEGA (In Russian).
4. Kryukov A.V., Sadohina M.A., Dmitrieva M.L. Simulation of modes of traction power supply systems equipped with longitudinal compensation units. Improving the efficiency of energy production and use in Siberia: materials of the All-Russian scientific and practical conference with international participation. Irkutsk, 2022, vol. 1, pp. 170-178, EDN JEILKX (In Russian).
5. Korolev A.A., Pletnev D.S., Belov M.N. and others. Analysis of software for modeling railway electrification. Naukosfera - Sciencosphere, 2022, no. 1-1, pp. 175-181, EDN ZHHHYU (In Russian).
6. Bo Zhang, Yichen Ying, Qionglin Li, Chen Zheng. Traction load modeling considering multiple types of locomotives and analysis of its impact on power grid. Electric Power Systems Research, vol. 215, part B, 2023, 109008.
7. X. Yu. General Mathematical Model of AC Traction Power Supply System Simulation Based on Mathematical Reasoning and Its Application Research. 2020 IEEE International Conference on Artificial Intelligence and Information Systems (ICAIIS), 2020, pp. 441-446.
8. Gang Zhang, Zhongbei Tian, Pietro Tricoli, Stuart Hillmansen, Zhigang Liu. A new hybrid simulation integrating transient-state and steady-state models for the analysis of reversible DC traction power systems. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 109, 2019, pp. 9-19.
9. Christian Dullinger, Walter Struckl, Martin Kozek. Simulation-based multi-objective system optimization of train traction systems. Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 72, 2017, pp. 104-117.
10. Nurpeisova G.B., Kaliev Zh.Zh., Nurgazhanova A.B. Simulation modeling of traction power supply section. Vestnik Kazahskoj akademii transporta i kommunikacij im. M. Tynyshpaeva - Bulletin of the Kazakh Academy of Transport and Communications named after M. Tynyshpayev, 2019, no. 4 (111), pp. 283-291, EDN HXBJKA (In Russian).
11. Andreev V.V. Implementation in the Matlab/Simulink environment of a simulation model of an electric power supply system with an autotransformer traction network of 2 x 25 kV on a doubletrack section of an electrified railway. Put' nauki. - The path of science, 2016, no. 8 (30), pp. 20-26, EDN WHULMR (In Russian).
12. Bardushko V.D., Ushakov V.A. The method of simulating movement of locomotives in merpttazinol zone by means of MATLAB. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2014, no. 4 (20), pp. 10-18, EDN TCEGOT (In Russian).
13. Kovaleva T.V., Komyakov A.A., Komyakova O.O., Pashkova N.V. Analysis of wave processes in the AC traction network based on simulation modeling. Transport Urala - Transport of the Urals, 2022, no. 1 (72), pp. 80-85, DOI 10.20291/1815-9400-2022-1-80-85, EDN KCIPSY (In Russian).
14. Borodaj I.Yu. Using the SimInTech dynamic Modeling environment in modeling. Gagarin Readings-2018: collection of abstracts of the International Youth Scientific Conference. Moscow -Akhtubinsk - Baikonur: Moscow Aviation Institute (National Research University), 2018, vol. 1, p. 306, EDN ORNEVF (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Комяков Александр Анатольевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7-904-322-89-05.
E-mail: [email protected]
Шкулов Андрей Иванович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Теоретическая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7-923-695-46-13.
E-mail: [email protected]
Бартель Любовь Алексеевна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Студентка, направление подготовки - 13.03.02 -«Электроэнергетика и электротехника», направленность (профиль) - «Электроэнергетические системы и сети».
Тел.: + 7-965-875-78-61.
E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Komyakov Aleksandr Anatol'evich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, K. Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Doctor Of Sciences in Engineering, docent, professor of the department «Theoretical electrical engineering», OSTU.
Phone: +7-904-322-89-05.
E-mail: [email protected]
Shkulov Andrey Ivanovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, K. Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Theoretical electrical engineering», OSTU.
Phone: +7-923-695-46-13.
E-mail: [email protected]
Bartel Lyubov Alekseevna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, K. Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Student, field of study 13.03.02 Electric power industry and electrical engineering, focus (profile) «Electric power systems and networks».
Phone: + 7-965-875-78-61.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Комяков, А. А. Имитационное моделирование динамических процессов в системе тягового электроснабжения / А. А. Комяков, А. И. Шкулов, Л. А. Бартель. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. - № 2 (54). - С. 16 - 29.
Komyakov A.A., Shkulov A.I., Bartel L.A. Simulation modeling of dynamic processes in the traction power supply system. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 2 (54), pp. 16-29 (In Russian).
УДК 629.4.027.3
А. В. Харитонов
Проектно-конструкторско-технологическое бюро по нормированию - филиал ОАО «РЖД» (ПКТБ Н),
г. Москва, Российская Федерация
ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОЕЗДА И
ЕЕ ВЕРИФИКАЦИЯ
Аннотация. Статья посвящена вопросу моделирования динамики скоростного электропоезда в программном комплексе «Универсальный механизм». При исследовании динамики подвижного состава ключевым фактором является точность полученных результатов. Точность в первую очередь определяется уровнем детализации рассматриваемой модели подвижного состава, однако это в свою очередь требует значительных вычислительных усилий. В последнее время сложные модели транспортного средства, включающие в себя более подробное рассмотрение процессов, происходящих в компонентах подвески с нелинейными характеристиками, являются предметом обширных исследований. Целью работы является разработка математической модели скоростного электропоезда, которая может быть использована для дальнейших исследований. Разработанная модель включает в себя нелинейные упругодисссипативные характеристики элементов связей экипажной части первичной и вторичной ступеней рессорного подвешивания. К данным элементам, например, относится пневматическая рессора, которая представляется в вертикальном направлении моделью Берга с частотно-зависимой характеристикой вертикальной динамической жесткости. Подтверждение адекватности разработанной модели проводилось в несколько этапов. На первом этапе определены собственные частоты колебаний динамической системы экипажа и исследовались свободные колебания с определением критической скорости движения. На втором этапе проведена верификация модели на основе данных комплексных испытаний электропоезда «Сапсан». В ходе численного исследования проведено сравнение показателей динамических качеств и воздействия на путь, полученных в ходе эксперимента и моделирования. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными, следовательно, разработанная модель отвечает требованиям точности и детализации. В связи с изложенным выше методология численного исследования и представленный в данной работе уровень детализации модели могут быть использованы при исследовании динамики скоростных электропоездов.
Ключевые слова: скоростной электропоезд, имитационная 3D-модель, динамическое моделирование, показатели динамических качеств, нелинейные характеристики, универсальный механизм.
Anton V. Kharitonov
Design and Technological Bureau for Rationing - branch of RZD «Russian Railways»,
Moscow, the Russian Federation
DYNAMIC MODEL OF A HIGH-SPEED ELECTRIC TRAIN AND ITS VERIFICATION
Abstract. The article is devoted to the issue of modeling the dynamics ofa high-speed electric train in the « Universal Mechanism» software package. When studying the dynamics of rolling stock, the key factor is the accuracy of the results obtained. Accuracy is primarily determined by the level of detail of the rolling stock model under consideration, but this in turn requires significant computational effort. Recently, complex vehicle models, which include a more detailed consideration of the processes occurring in suspension components with nonlinear characteristics, have been the subject of extensive research. The aim of the work is to develop a mathematical model of a high-speed electric train, which can be used for further research. The developed model includes nonlinear elastic-dissipative characteristics of the coupling elements of the crew part of the primary and secondary stages of spring suspension. These elements, for example, include
