CC BY
72
Энергетика
УДК 621.311:621.317
ОЦЕНКА ПЕРЕТОКОВ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО ДАННЫМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АСМУЭ ФКС
А.Л. Каштанов, О.О. Комякова
Внедрение автоматизированных систем учета электроэнергии на тяговых подстанциях позволяет получить дополнительные возможности при разработке управленческих решений, направленных на повышение энергоэффективности системы тягового электроснабжения. В статье рассмотрен метод по оценке перетоков мощности в тяговой сети постоянного тока, а также алгоритм обработки данных с целью мониторинга потерь электроэнергии, вызванных перетоком мощности в моменты времени отсутствия на межподстанционной зоне электроподвижного состава
Ключевые слова: тяговая подстанция, автоматизация, энергоэффективность, переток мощности
Анализ результатов реализации Энергетической стратегии холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г позволяет отметить, что за последние годы структура энергобаланса ОАО «РЖД» претерпела существенные изменения. Основным видом потребляемых энергоресурсов все в большей степени становится электрическая энергия. Затраты электроэнергии на тягу поездов составляют 57,6 % в общем объеме потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в ОАО «РЖД». Таким образом повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения (СТЭ) во многом определяет снижение величины затрат на ТЭР в общих эксплуатационных затратах ОАО «РЖД».
В настоящее время внедрение автоматизированных систем учета электроэнергии на тяговых подстанциях, а также разработка алгоритмов обработки получаемой ими информации становится одним из основных инструментов при разработке рекомендаций, направленных на снижение потерь электроэнергии [1, 2].
На участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе, тяговая сеть представляет собой неразрывную цепь, участки которой соединены по шинам 3,3 кВ тяговых подстанций и тем самым обеспечивая возможность перетока мощности из смежных меж-подстанционных зон (МПЗ).
К основным причинам, влияющим на появление перетоков мощности в тяговой сети, можно отнести следующие:
наличие на участке электроподвижного состава двигающегося в режиме рекуперативного торможения;
Каштанов Алексей Леонидович - ОмГУПС, канд. техн. наук, доцент, тел. (3812) 44-39-23, e-mail: kesh-al@rambler.ru Комякова Ольга Олеговна - ОмГУПС, канд. техн. наук, доцент, тел. (3812) 44-39-23, e-mail: tskom@mail.ru
различие уровней напряжения на шинах 3,3 кВ смежных тяговых подстанций;
различные режимы работы и характеристики оборудования смежных тяговых подстанций.
Перетоки мощности в тяговой сети, в частности в момент отсутствия поездов на участке, приводят к возникновению дополнительных технических потерь электрической энергии, и тем самым ухудшают показатели эффективности работы СТЭ. До настоящего времени на тяговых подстанциях постоянного тока приборы учета устанавливались только на вводах преобразовательных трансформаторов, и оценить величину перетока мощности по шинам 3,3 кВ не представлялось возможным.
В 2014 г. в рамках реализации инвестиционного проекта «Внедрение ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте» была разработана и внедрена на опытном полигоне Шаля - Подволошная Свердловской железной дороги автоматизированная система мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети (АСМУЭ ФКС). Внедрение АСМУЭ ФКС предусматривает установку информационно-измерительных комплексов (ИИК) на вводах выпрямительно-преобразовательных трансформаторов и фидерах контактной сети (ФКС). Система АСМУЭ ФКС предназначена для обеспечения контроля, управления и повышения энергетической эффективности работы СТЭ за счет наличия функций измерения напряжений и токов, учета активной энергии в прямом и обратном направлении, выявления потерь электрической энергии в контактной сети и оборудовании тяговых подстанций [3, 4].
К основным информативным параметрам системы относятся:
напряжение, ток (со знаком), значение активной мощности (со знаком) по ФКС и вводам
3,3 кВ с заданным интервалом времени (3 с; 6 с; 60 с; 30 минут);
приращение активной энергии по ФКС и вводам 3,3 кВ на заданном интервале;
гармонический состав напряжения на заданном интервале времени;
время выполнения измерений с привязкой к системе обеспечения единого времени.
Обладая такими функциональными возможностями, система АСМУЭ ФКС позволяет обеспечить мониторинг перетоков мощности и выполнить расчет технических потерь от их протекания.
Первым критерием наличия перетока мощности является отрицательное значение тока по одному из плеч тяговой подстанции. При этом отрицательный ток может быть обусловлен как наличием в МПЗ электровоза, двигающего в режиме рекуперативного торможения, так и перетоком мощности, значение которого необходимо определить.
Вторым критерием перетока мощности в тяговой сети является равенство по модулю и различие по знаку токов по фидерам контактной сети тяговых подстанций, питающих одну и туже МПЗ.
В качестве третьего критерия, позволяющего выделить ток рекуперации, принимается резкое увеличение уровня напряжения на шинах 3,3 кВ. Следует отметить, что анализ уровня напряжения на тяговой подстанции также позволяет оценивать состояние и эффективность работы приемников избыточной энергии рекуперации и действий локомотивных бригад при применении рекуперативного торможения
[5].
Структурная схема участка для оценки перетока мощности приведена на рис. 1.
Величина потерь электрической энергии в тяговой сети рассчитывается по выражению:
AW = 1-KU™1 - UТП2 )•£\ik 2 k=1
(1)
где иТП1, иТП2 - действующее значение напряжения шинах 3,3 кВ на соответственно на тяговой подстанции ТП1 и ТП2; ц - действующее значение тока по к-му ИИК; к - количество ИИК, установленных на ФКС 3,3 кВ.
Программно-аппаратный комплекс АСМУЭ ФКС позволяет реализовать возможность контроля перетоков мощности в тяговой сети в автоматическом режиме. С этой целью предложен алгоритм обработки данных для оценки эффективности работы СТЭ (рис. 2), в основу которого положен расчет потерь электроэнер-
гии в тяговой сети в моменты времени отсутствия нагрузки на МПЗ.
Рис. 1. Структурная схема расчетного участка
Для анализа необходимо объединить токи ФКС четного и нечетного путей в каждой меж-подстанционной зоне таким образом, что токи /12, /34 были равны сумме токов фидеров чет-
ного и нечетного путей (см. рис. 1):
-(12) = il + i2 •
I(34) = i3 + i4'
(2) (3)
За положительный принимается ток, направленный от подстанции, на которой установлен ИИК измеряемый данный ток, и в этом случае sign (ik) = 1. В случае изменения направления тока sign (ik ) = 0.
При протекании перетоков мощности в тяговой сети токи плеч питания смежных тяговых подстанций разнонаправлены. Данное условие описывается следующим логическим выражением:
sign I12 © sign I34 = 1,
(4)
где символ © - логическая операция «строгая дизъюнкция», которой соответствует логическая связка «либо - либо».
В случае отсутствия тяговой нагрузки на МПЗ разность токов /12 и /34 не должна превышать величину допустимой абсолютной погрешности, обусловленной погрешностью учета ИИК:
|-12 - -34 | ^AIH6 ,
(5)
где А1нб - предел допустимой погрешности измерения тока:
Alfi =V М. нб ¿1 100
(6)
где 5к - предел допустимой относительной погрешности к-го ИИК, обусловленной погрешностью шунта и измерителя.
4
н
Рис. 2. Алгоритм расчета потерь электроэнергии от протекания перетоков мощности в тяговой сети по данным АСМУЭ ФКС
Дополнительным критерием выделения перетока мощности, обусловленного рекуперативным торможением, является контроль уровня напряжения на шинах 3,3 кВ тяговых подстанций:
(] - ] ) V (] - ]) >Аим, (7)
где символ V - логическая операция «дизъюнкция», которой соответствует логическое выражение «или»; ] - временной интервал измерения ИИК АСМУЭ ФКС, АЦМ - граничное
значение напряжения, определяемое на основании опытных данных.
Апробация описанного метода выполнена на действующем участке электрифицированных железных дорог постоянного тока Шаля -Подволошная Свердловской железной дороги.
На рис. 3 приведены графики тока и напряжения на МПЗ Шаля - Сарга для трех различных режимов: переток мощности, тяга и рекуперативное торможение.
В режиме перетока мощности (см. рис. 3 а) напряжение на тяговых подстанциях Шаля (и 2) и Сарга (из4 ) составили соответственно 3,62 и 3,58 кВ. При этом токи по ФКС, питающим МПЗ Шаля - Сарга, разнонаправлены и имеют одинаковое значение.
В режиме рекуперативного торможения (см. рис. 3б) напряжение возрастает до 3,76 кВ и при этом наблюдается отрицательные токи по ФКС на обеих тяговых подстанциях. При переходе в режим тяги уровень напряжения снижается до 3,5 - 3,6 кВ, а токи по ФКС меняют свое направление на положительное.
При нахождении на МПЗ одновременно нескольких электровозов возможен случай, когда токи по ФКС смежных тяговых подстанций разнонаправлены. Такой вариант возникает, когда один из электровозов двигается в режиме тяги, а другой в режиме рекуперативного торможения. При этом часть энергии рекуперации потребляется смежным электровозом, двигающемся в режиме тяги, а другая перетекает по шинам тяговой подстанции в смежную МПЗ. Отличительным фактором данного режима от режима перетока мощности является различие значений токов по ФКС смежных тяговых подстанций.
Синхронные измерения на ФКС тяговых подстанций участка Шаля - Поволошная позволили оценить значения перетоков мощности и потерь электроэнергии от их протекания. Расчетное значение потерь электроэнергии, обусловленных перетоками мощности, составило 5,8 - 11,6 % от потерь в тяговой сети, что
1 (12) ] 1(Ъ4)]
<д/.
нб]
в свою очередь составляет 0,1 % от расхода электроэнергии на тягу поездов в границах участка Подволошная - Шаля.
< —
Un Ш
рекуперация тяга
112
У
h 4
i i i i ................
и AJJ 1 V/ 31 41 51 61 71 SI 91 101
11 21
время, с
а)
4,00 3,50 3,00
С
2,50 и
2,00 I
S
1,50 §" и
1,00
0,50
0,00 время, с
б)
Рис. 3. Графики тока и напряжения в различных режимах работы СТЭ: а - переток мощности; б - тяга и рекуперация
Изменение поездной обстановки на каком либо участке железной дороги в свою очередь приводит к изменениям режимов работы оборудования тяговых подстанций. Оперативное реагирование на такие изменения является актуальной задачей, цель которой - повышение эффективности работы СТЭ. Внедрение авто-
матизированных систем учета электроэнергии на тяговых подстанциях позволяет получить дополнительные возможности при разработке управленческих решений, направленных на повышение энергоэффективности системы тягового электроснабжения.
Литература
1. Комяков А. А. Апробация алгоритма оценки эффективности энергосберегающих устройств и технологий в системе тягового электроснабжения [Текст] / А. А. Комяков, В. В. Эрбес, О. А. Гателюк // Известия Транссиба. Омск, 2014. № 4(20). С. 79 - 85.
2. Каштанов А. Л. Применение синхронных измерений на тяговых подстанциях и электроподвижном составе при анализе эффективности систем автоведения [Текст] / А. Л. Каштанов, Д. В. Пашков // Научные исследования и их практическое применение. Состояние и пути развития: Сборник научных трудов SWorld / Одесса. Украина, 2014. №3 (36). Том 1. С. 37 - 41.
3. Черемисин В. Т. Концепция Единой автоматизированной системы учета электрической энергии на тягу поездов [Текст] / В. Т. Черемисин, А. Л. Каштанов, С. Ю. Ушаков // Транспорт Урала. 2013. №4 (39). С. 83 -87.
4. Никифоров М. М. Перспективы повышения эффективности использования электроэнергии на тягу поездов при внедрении системы учета на фидерах контактной сети тяговых подстанций постоянного тока [Текст] / М. М. Никифоров, А. Л. Каштанов // Энергосберегающие технологии, контроль и управление для предприятий железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2015. С. 18 - 23.
5. Кващук В. А. Мониторинг напряжений в контактной сети на участках постоянного тока в условиях применения рекуперативного торможения [Текст] / В. А. Кващук, А. С. Вильгельм // Инновационное развитие железнодорожного транспорта России: Материалы всероссийской науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2012. С. 119 - 128.
Омский государственный университет путей сообщения
EVALUATION OF POWER FLOW IN TRACTION NETWORK DC ACCORDING TO THE AUTOMATED SYSTEM OF THE FCC ASMAA
A. L. Kashtanov, O. O. Komiakova
Introduction of the automated systems of the accounting of the electric power on traction substations allows to have additional opportunities when developing the administrative decisions directed on increase of energy efficiency of system of traction power supply. In article the method according to power overflows in a traction network of a direct current is considered, and also algorithm of data processing for the purpose of monitoring of the losses of the electric power caused by a power overflow in absence timepoints on an intersubstation zone of an electrorolling stock
Key words: traction substation, automation, efficiency, power flow
