CC BY
13
4. Lipa K.V., Belinskii A.A., Pustovoi V.N. Monitoring tekhnicheskogo sostoianiia i rezhimov eksplu-atatsii lokomotivov. Teoriia ipraktika [Monitoring of the technical condition and operating modes of locomotives. Theory and practice]. Moscow, LLC «Locomotive Technologies» Publ., 2015, 212 p. (In Russian).
5. Lakin I.I. Monitoring tekhnicheskogo sostoianiia lokomotivovpo dannym bortovykh apparatno-programmnykh kompleksov (Monitoring of the technical condition of locomotives according to onboard hardware and software systems). Doctor's thesis, Moscow, MSTU, 2016, 195 p. (In Russian).
6. Lakin I.K. Razrabotka teorii iprogrammno-tekhnicheskikh sredstv kompleksnoi avtomatiziro-vannoi spravochno-informatsionnoi i upravliaiushchei sistemy lokomotivnogo depo (Development of the theory and software and hardware of a complex automated reference, information and control system of a locomotive depot). Doctor's thesis, Moscow, MIIT, 1997, 377 p. (In Russian).
7. Lipa K.V., Grinenko A.V., Liangasov S.L., Lakin I.K., Abolmasov A.A., Mel'nikov V.A. Patent RU2569216, 20.11.2015.
8. Semenov A.P., Lakin I.K., Khromov I.Iu. Information entropy of locomotive technical diagnostics systems. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2020, no. 3(67), pp. 42-53 (In Russian).
9. Teorema Shennona - Khartli [The Shannon - Hartley Theorem]. Available at: https://ru.wik-ipedia.org/wiki/ Теорема Шенона-Хартли (accessed 30.05.2022).
10. Promyshlennaia revoliutsiia [The Industrial Revolution]. Available at: http://www.kru-gosvet.ru/enc/gumanitarnye nauki/ekonomika_i_pravo/PROMISHLENNAYA_REVOLYU-TSIYA.html (accessed 25.05.2022).
11. Zade L.A. Osnovy novogo podkhoda k analizu slozhnykh sistem i protsessov priniatiia resh-enii. Matematika segodnia [Fundamentals of a new approach to the analysis of complex systems and decision-making processes. Mathematics today]. Moscow, Znanie Publ., 1974, pp. 5-49 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Лакин Игорь Игоревич
АО «Трансмашхолдинг» (ТМХ).
Ефремова ул., д. 10, г. Москва, 119048, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, руководитель направления по техническому управлению.
Тел.: +7 (916) 383-6443.
E-mail: i.lakin@tmholding.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Лакин, И. И. Аналитическая оценка автоматизации управления современным электровозом / И. И. Лакин. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. - № 3 (51). - С. 10 - 19.
Lakin Igor Igorevich
Transmashholding LLC (TMH)
10 Efremova st. Moscow 119048, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, head of technical management department.
Phone.: +7 (916) 383-6443.
E-mail: i.lakin@tmholding.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Lakin I.I. Modern electric locomotive automation control systems analysis. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 3 (51), pp. 10-19 (In Russian).
УДК 621.331
В. Л. Незевак, А. Д. Дмитриев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
Аннотация. Выполнение расчетов показателей работы системы тягового электроснабжения в установившихся режимах ориентировано на решение широкого круга задач, связанных с выбором параметров силового оборудования тяговых подстанций, размещением линейного оборудования, сечения контактной подвески, сравнением вариантов по технико-экономическим показателям. В настоящее время появление различных регулируемых устройств в системе тягового электроснабжения обусловливает необходимость совершенствования методов и алгоритмов расчета, используемых в различных программных комплексах.
В настоящей работе рассмотрены вопросы построения схем замещения при моделировании работы системы тягового электроснабжения в установившихся режимах с учетом устройств автоматического включения-отключения резервного преобразовательного агрегата тяговой подстанции и накопления электроэнергии. Представлены соответствующие схемы замещения и фрагменты алгоритмов расчета, учитывающие характеристики и режимы работы указанных устройств. Применение предложенных схем замещения позволяет учесть в расчетах различие внешних характеристик преобразовательных агрегатов, оценить соответствие уставок автоматики уровню электротяговой нагрузки и влияние работы устройства на уровень напряжения на шинах подстанции и в контактной сети, нагрузочную способность тяговых подстанций, а для устройства накопления с учетом зарядной и разрядной характеристик дополнительно оценить влияние на эффективность применения рекуперативного торможения. Предложенные алгоритмы работы устройств предназначены для совершенствования методов расчетов показателей системы тягового электроснабжения. В работе предложен усовершенствованный метод расчета показателей системы тягового электроснабжения, основанный на одновременном проведении тягового и электрического расчета, базирующийся на базе данных расчетов, выполненных для различных условий следования электроподвижного состава на участке железной дороги.
Ключевые слова: схема замещения, алгоритм работы, характеристики, автоматика, система тягового электроснабжения, тяговая подстанция, электроподвижной состав, уровень напряжения, токоприемник, автоматика включения-отключения резерва, система накопления электроэнергии, мощность, энергоемкость, степень заряженности.
Vladislav L. Nezevak, Alexander D. Dmitriev
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
IMPROVEMENT OF METHODS AND ALGORITHMS FOR CALCULATING ENERGY INDICATORS OF TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM WITH ADJUSTABLE DEVICES
Abstract. The calculation of the performance indicators of the traction power supply system in steady-state modes is focused on solving a wide range of tasks related to the choice of parameters of the power equipment of traction substations, the placement of linear equipment, the cross section of the contact suspension, the comparison of options for technical and economic indicators. Currently, the appearance of various regulated devices in the traction power supply system necessitates the improvement of calculation methods and algorithms used in various software complexes.
In this paper, the issues of constructing substitution schemes for modeling the operation of the traction power supply system in steady-state modes, taking into account the devices for automatic switching on and off of the backup converter unit of the traction substation and the accumulation of electricity. The corresponding substitution schemes andfragments of calculation algorithms that take into account the characteristics and operating modes of these devices are presented. The use of the proposed substitution schemes allows us to take into account in the calculations the difference in the external characteristics of the converter units, to assess the compliance of the automation settings with the level of electric traction load and the effect of the device on the voltage level on the substation tires and in the contact network, the load capacity of traction substations, and for the accumulation device, taking into account the charging and discharge characteristics, to additionally assess the impact on the effectiveness of regenerative braking. The proposed algorithms of the devices are designed to improve the methods of calculating the indicators of the traction power supply system. The paper proposes an improved methodfor calculating the indicators of the traction power supply system, based on simultaneous traction and electrical calculations, based on the database of calculations performed for various conditions of electric rolling stock on the railway section.
Keywords: replacement circuit, operation algorithm, characteristics, automation, traction power supply system, traction substation, electric rolling stock, voltage level, current collector, automatic switching on and off of reserve, power storage system, power, energy intensity, degree of charge.
Определение энергетических показателей и показателей нагрузочной способности (далее - показателей работы) системы тягового электроснабжения необходимо для сравнительного анализа работы оборудования в различных условиях эксплуатации, выбора его параметров и вариантов размещения, определения пропускной и провозной способности участка и решения подобных задач [1 - 5].
Методы расчета показателей системы тягового электроснабжения опираются на результаты тяговых расчетов, позволяющих определить нагрузку электроподвижного состава в любой ординате. К настоящему времени известны методы расчета, которые можно разбить на группу методов, основанных на определении нагрузок подстанций и электроподвижного состава на основе предварительно выполненных тяговых расчетов, и группу методов, в которых
расчет показателей системы тягового электроснабжения выполняется одновременно с тяговым расчетом.
Совершенствование первой группы методов привело к широкому использованию метода равномерных сечений, где точность расчетов повышается путем уменьшения интервала времени, с которым выполняются интегрирование уравнения движения поезда и расчет показателей системы тягового электроснабжения. В настоящее время указанный интервал времени составляет несколько секунд или десятков секунд. Например, в программном комплексе «Комплекс тяговых и электрических расчетов», разработанном для определения показателей системы тягового электроснабжения, пропускной способности, расчета схем плавки гололеда и уставок релейной защиты, минимальный интервал времени для выполнения тяговых расчетов составляет 15 с, что определяет точность расчетов. Дальнейшее совершенствование указанного метода связано с уменьшением шага расчетов, но ограничено методологически. Указанное обстоятельство связано с тем, что метод предназначен для расчета статического режима и не позволяет выполнить расчет переходных электромагнитных и электромеханических процессов. Для расчета переходных процессов в системе тягового электроснабжения используются другие методы, учитывающие динамику изменения электрических величин.
Вторая группа методов ориентирована не на повышение точности путем уменьшения интервала расчетов, а на снижение методологической погрешности. Если первая группа методов использует допущение о постоянстве или о заданном уровне напряжения, что вводит погрешность расчетов, то вторая группа методов направлена на учет изменения напряжения на этапе тяговых расчетов и при выполнении электрических расчетов.
Учет изменения напряжения позволяет повысить точность расчета показателей работы системы тягового электроснабжения и необходим для двух случаев:
1) при выполнении тяговых расчетов в условиях изменения напряжения на токоприемнике электроподвижного состава, обусловленного поездной ситуацией в границах межподстан-ционных зон;
2) при выполнении электрических расчетов в условиях изменения напряжения на шинах подстанций в течение суток, обусловленного режимом нагрузки подстанции и изменения режима напряжения на вводах тяговых подстанций.
Необходимость совершенствования методов расчета связана с появлением регулируемых устройств, характеристики и режимы работы которых оказывают влияние на показатели работы системы тягового электроснабжения, как это показано на примере устройств накопления электроэнергии [6].
Широкое распространение регулируемых устройств и необходимость повышения точности методов расчетов для установившихся режимов работы обусловливает актуальность вопросов совершенствования методов и алгоритмов расчета показателей работы системы тягового электроснабжения.
Повышение точности расчетов сопряжено с уменьшением шага расчетов, а также с модификацией методов, связанных с одновременным пошаговым выполнением тяговых и электрических расчетов. Преимуществом указанных методов является учет уровня напряжения при проведении тяговых расчетов, недостатком - повышение вычислительной сложности алгоритма расчетов.
Как показывают исследования, учет изменения напряжения на этапе проведения тяговых расчетов позволяет повысить точность расчетов энергетических показателей поезда, однако не оказывает существенного влияния на точность расчета технической скорости движения, ординаты поезда, времени следования поезда по участку, энергетических показателей системы тягового электроснабжения.
При оценке влияния напряжения на токоприемнике на техническую скорость и время следования электроподвижного состава по участку для допустимого диапазона напряжения (2700 - 4000 В) определено, что указанные показатели отклоняются от аналогичных, полученных для номинального напряжения, на 1 - 1,5 %, как это показано на примере электропоезда
Сапсан в работе [7]. При определении энергетических показателей системы тягового электроснабжения в условиях изменения расчетного напряжения на токоприемнике в зависимости от поездной ситуации необходимо использовать обоснованный уровень напряжения на токоприемнике на этапе проведения тяговых расчетов.
Существует ряд программных продуктов, предназначенных для выполнения тяговых расчетов и моделирования систем тягового электроснабжения, к которым следует отнести программные комплексы: комплекс программ РУТ (МИИТ); MATLAB SimPowerSystems; ETAP с модулем eTraX; ENOTRAC AG; «Комплекс расчетов тягового электроснабжения» ВНИИЖТ; Fazonord software complex и др. [8]. Исследователи отмечают несовершенство действующих мировых стандартов по расчету систем тягового электроснабжения.
Одним из недостатков известных методов расчета энергетических показателей системы тягового электроснабжения, имеющих программную реализацию, например, программный комплекс «Комплекс программ тяговых и электрических расчетов», является отсутствие возможности учитывать работу ряда регулируемых устройств с учетом их алгоритмов работы [9]. К последним следует отнести автоматику включения/отключения резерва на тяговых подстанциях, устройства автоматического регулирования напряжения силовых понижающих трансформаторов, системы накопления электроэнергии, управляемые устройства компенсации реактивной мощности (с плавным или ступенчатым регулированием), устройства бесконтактного регулирования напряжения и др.
Дополнительным фактором, позволяющим повысить точность расчетов, является учет изменения напряжения на шинах тяговых подстанций с учетом нагрузки подстанций и мощности транзита в линиях электропередач, как это показано в работах [10, 11].
Реализация в схемах замещения моделей указанных устройств и алгоритмов их работы позволяет учесть изменение напряжения на шинах тяговых подстанций, линейных устройств и на токоприемнике электроподвижного состава.
Порядок расчета показателей с устройствами автоматического включения/отключения резерва. Способы расчета показателей работы системы тягового электроснабжения основаны на решении мгновенных схем замещения, предполагающих нахождение токов в ветвях и напряжений в узлах схем. Наиболее распространенными применяемыми методами расчета являются методы узловых потенциалов и контурных токов. Указанные методы относятся к вышеупомянутой первой группе, ориентированных на расчет установившихся значений электрических величин. Метод равномерных сечений графика движения поездов среди аналогичных методов показывает наибольшую точность расчетов, повышающуюся при уменьшении интервала расчетов. B результате расчетов по указанному методу с заданным интервалом времени выполняется определение скорости, пути, ординаты и нагрузки электроподвижного состава, на основе которых определяется нагрузка в границах межподстанционной зоны между подстанциями А и В (постоянный ток) в каждый момент времени tc
V V IAi +
Z Ik i +
(1)
k=1
где 1а, 1в - нагрузка тяговых подстанций А и В соответственно, ограничивающих межподстан-ционную зону (для двухстороннего питания), А;
Ь - нагрузка электроподвижного состава, А;
1у - уравнительный ток, обусловленный различием напряжения на шинах подстанций А и В, А.
Различие внешних характеристик тяговых подстанций учитывается при составлении схемы замещения, в которой сопротивления выпрямительных преобразователей задаются постоянными или в виде нелинейных характеристик.
При наличии двух и более преобразовательных агрегатов схема замещения предусматривает наличие соответствующего количества источников напряжения, сопротивление которых изменяется по заданной характеристике или учитывает включенное и отключенное положение агрегатов [12].
Рассмотрим алгоритм расчета токов преобразовательных агрегатов при работе автоматики включения/отключения резерва (АВОР). При работе АВОР в зависимости от уровня нагрузки подстанции изменяется количество работающих преобразователей. В случае, если уровень нагрузки ниже уровня тока уставки АВОР резервного трансформатора, в работе находится один агрегат, а напряжение на шинах подстанции для неуправляемых выпрямителей определяется по формуле:
Т < Т уст : иа ш = иа 0 ТаГэ в ,
(2)
где Udo - выпрямленное напряжение холостого хода преобразователя, В; Та - ток выпрямителя, А.
Гэ. в - эквивалентное сопротивление преобразователя, Ом:
• п икиа0
гэ в = эт--
т Та ном
(3)
ик - приведенное напряжение короткого замыкания трансформатора, о. е.;
т - количество пульсаций;
Та ном - номинальный ток выпрямителя, А.
В случае, если ток нагрузки Та равен или превышает ток уставки, в работе находится два преобразовательных агрегата, токи которых и напряжение на шинах подстанции определяются по выражениям:
и = и - Т г ■
ш иа 01 1а 1'э. в1'
Тd = Та 1+ Та 2 ;
Т > Т :
уст
Та 1 =— (Та2 гэ.в2 + Аи);
(4)
Та 2 =
э в1
Та гэ. в1-А и
Гэ. в1 + Гэ. в2
где Udol - выпрямленное напряжение холостого хода преобразователя 1.
В схеме замещения тяговой подстанции работа АВОР имитируется с помощью ключа, принимающего включенное и отключенное положения в зависимости от уровня нагрузки (рисунок 1, а).
К рельсовой К контактной сети сети
и
3700
3500
3400
ПА1 /
ПА2
500 Т -
А 1500
а б
Рисунок 1 - Схема замещения тяговой подстанции с неуправляемыми выпрямителями и устройствами АВОР
0
При выполнении имитационного моделирования указанная схема замещения позволяет учесть в расчетах различие внешних характеристик преобразовательных агрегатов (ПА) (рисунок 1, б) и определить ток и напряжение на шинах подстанции, потери мощности и электроэнергии с учетом их одиночной или параллельной работы.
Дополнительными параметрами для расчета показателей и построения модели тяговой подстанции с АВОР являются номинальные токи преобразователей, ток уставки включения/отключения резерва, время задержки включения/отключения резерва [13].
Фрагмент алгоритма расчета энергетических показателей и показателей нагрузочной способности с устройством АВОР приведен на рисунке 2.
Указанный алгоритм является базовым для формирования модифицированных алгоритмов расчетов в условиях увеличения количества преобразовательных агрегатов до трех, изменения уставок по току включения/отключения и времени, использования показателя скорости нарастания тока нагрузки и др.
Начало
Формирование параметров схемы, i = 0, Т = 0
Расчет мгновенной схемы, определение I)
Регистрация данных расчета
^откл ^откл + ДТ
^вкл 0 ^вкл ^вкл + ДТ
5 =0
1
^откл = 0
г
5 = = 1
Формирование мгновенной схемы с состоянием С = Д5)
Т1+1=Т,+ДТ; '='+1
нет
Рисунок 2 - Фрагмент алгоритма расчета показателей работы с автоматикой включения/отключения резерва
на подстанциях
Порядок расчета показателей с устройством накопления электроэнергии. Моделирование работы устройств накопления электроэнергии основано на определении включенного и отключенного состояния и расчета по зарядным и разрядным характеристикам с учетом энергоемкости и допустимых режимов работы [14]. К основным настройкам и характеристикам моделей устройств накопления электроэнергии относятся следующие: пороговые значения зарядного и разрядного напряжений, ограничения по току в режимах заряда и разряда с учетом нагрузочной характеристики контактной сети, номинальная энергоемкость, допустимая глубина разряда.
Отличием указанной модели от рассмотренной выше будет являться изменение ее структуры, предусматривающей две ветви, соответствующие режимам работы (заряд и разряд), нелинейные сопротивления ветвей, соответствующие характеристикам, учет параметров контактной сети при ограничении зарядной характеристики, различные номинальные токи режимов, энергоемкость и допускаемая глубина разряда. При уточнении формирования модели уточняются зарядные и разрядные характеристики. Для режима заряда уточняется протокол: СС-СУ, МСС-СМ, СР-СУ, импульсная и бустерная зарядка, УСР [15, 16].
Для проведения расчетов для установившихся режимов указанные модели должны учитывать характер зарядной характеристики с учетом нагрузочной характеристики контактной сети [17, 18]. Зарядный ток устройства накопления электроэнергии, определяемый на основе допустимого падения напряжения в контактной сети, должен удовлетворять неравенству:
U - U .
J ^ max_mm (
зтах , (5)
Г
к. с
где Umax - максимальное напряжение на шинах тяговой подстанции или линейного устройства с учетом рекуперативного торможения электроподвижного состава;
Umm - минимальное допустимое напряжение на шинах поста секционирования по условиям пропуска поездов;
Гк. с - активное сопротивление контактной сети, определяемое для режима заряда.
При линейном увеличении тока заряда, ограниченного нагрузочной характеристикой контактной сети, до номинального значения ток будет определяться в зависимости от уровня напряжения:
J3l =
0, U„... < ;
U . - U .
ш i mir
- U
/ ,, U_ < Ut < U
max ' min
(6)
J , U . > U .
max ' ш i max
где Une i - фактическое напряжение на шинах поста секционирования в i-й момент времени.
Ток в режиме разряда определяется аналогично. Изменение сопротивления устройства, определяемое линейной зарядной характеристикой, описывается кусочно-нелинейной функцией и рассчитывается в соответствии с диапазонами напряжения на шинах, к которому оно подключено.
Схема замещения системы накопления (СНЭ) для проведения расчетов содержит в себе две ветви, соответствующие режиму заряда и разряда (рисунок 3, а). Ветвь разряда подключается ключом Si и включает в себя источник ЭДС Ei, соответствующий напряжению разомкнутой цепи накопителя, переменное сопротивление цепи разряда Гэ р1, счетчик количества электричества или ватт-часов PI1. Ветвь заряда содержит аналогичные элементы: ключ управления S2, переменное сопротивление цепи заряда Гэ з1, счетчик количества электричества или ватт-
часов Р12. Сопротивление ветвей цепи разряда и заряда является нелинейной величиной, зависит от напряжения на шинах, состава оборудования и задается в соответствии с характеристиками системы накопления по выражениям (7). Графики изменения сопротивления и тока СНЭ в зависимости от уровня напряжения приведены на рисунке 3, б.
РТ1
т т
/ J Гэ р1 /
/
Sl
Ь 1
и ш
■г \Та
К рельсовой К контактной сети сети
РТ2
Гэ з2
а 2
70 О5м0 30 10 -10 -30 -50 -70
1 г
— — — Г ■ / 1 / ■ / ■ / п / и/ II V—
- Т
к
\
/1
00000000000
и
1000 А 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000
а б
Рисунок 3 - Схема замещения устройства накопления
Для зарядной характеристики (6) сопротивление определяется следующим образом:
иш i > итах з ' Ттах з ;
итт з < иш i < итах з
и - и . и .
тах з тт з ш г
и . - и . Т
ш г тт з тах з
и < и . < и . : да;
тах р ш г тт з '
(7)
и . < и . < и
тт р ш г тах р
иш г < ит.п р : Ттах р .
и - и . и .
тах р тт р ш г
и . - и . Т '
ш г тт р тах р
Алгоритм расчета показателей работы системы тягового электроснабжения с устройством накопления строится с учетом следующих положений. Управление режимами работы СНЭ осуществляется по уровню напряжения на шинах устройства, к которому он подключен. В зависимости от уровня напряжения осуществляется управление ключами Sl и S2, которые включаются поочередно. Сопротивление ветви заряда или разряда определяется по выражениям (7). Смена положения ключей по уровню напряжения осуществляется с учетом степени заряженности, рассчитываемой с помощью счетчика ватт-часов. Фрагмент расчета показателей с учетом режимов работы СНЭ приведен на рисунке 4, где в качестве упрощения не приведена часть алгоритма, определяющая продолжительность режимов и переключение ключей управления с учетом уровня напряжения.
г
2
Г
э
Начало
Формирование параметров схемы, г = 0, Т = 0, S1,2 = 0
Рисунок 4 - Фрагмент алгоритма расчета показателей работы с устройством накопления электроэнергии
Для гибридных устройств накопления, содержащих два различных вида накопителя электроэнергии, например, электрохимического и электрического вида, приведенная схема замещения (см. рисунок 3) и алгоритм расчета (см. рисунок 4) соответственно дополняются ветвями и блоками, позволяющими учесть совместную работу накопителей с различными характеристиками.
Аналогичным образом для выполнения расчетов по определению показателей работы системы тягового электроснабжения формируются схемы замещения и алгоритмы расчета, учитывающие условия и режимы работы различных регулируемых устройств (вольтодобавочных устройств, устройств бесконтактного автоматического регулирования напряжения, пунктов преобразования напряжения, регулируемых устройств компенсации реактивной мощности, автоматики управления режимами работы устройств и др.).
№,325,1) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 27
При совершенствовании методов расчета второй группы для решения задач установившихся режимов одним из ключевых положений является порядок определения нагрузки и ординаты нахождения электроподвижного состава в заданный момент времени. Решение указанной задачи привело к появлению методов расчета, в которых стадии тяговых расчетов и расчетов показателей работы системы тягового электроснабжения не разделяются. Это позволяет учесть изменение напряжения на токоприемнике электроподвижного состава и выполнить расчет нагрузки.
Недостатком указанного способа расчета является повышение вычислительной сложности алгоритма расчета. Одним из вариантов решения рассматриваемой задачи является применение метода расчета, основанного на базе данных тяговых расчетов, выполненных для различных скоростей движения и напряжений на токоприемнике для рассматриваемого участка. Указанное разделение этапов расчета позволяет существенно упростить алгоритм расчета и сохранить приемлемую точность. Ранее было отмечено, что уровень напряжения на токоприемнике электропоезда ввиду возможности регулирования силы тяги не оказывает существенного влияния на техническую скорость и время следования на участке железной дороги, изменение которых для различных уровней напряжения не превышает 1,5 %. Указанные расхождения результатов расчета в части отклонения скорости и ординаты получено для граничных значений напряжения от значений, полученных для номинального напряжения [7]. Указанная точность расчета достаточна для определения показателей и выбора параметров оборудования системы тягового электроснабжения.
Отмеченные особенности расчетов позволяют модифицировать известные методы расчета показателей системы тягового электроснабжения в установившихся режимах для снижения вычислительной сложности. В основе существующих методов лежит метод расчета энергетических показателей системы тягового электроснабжения, основанный на результатах решения мгновенных схем, нагрузка для которых определяется на основе предварительно выполненных тяговых расчетов с заданным напряжением на токоприемнике [19].
Недостатком указанного способа является относительно высокая погрешность расчетов, связанная с принятым допущением о постоянном значении напряжения на токоприемнике электроподвижного состава в течение поездки. Указанный способ приводит к относительно высокой погрешности в расчетах при определении энергетических показателей вследствие изменения напряжения в широких пределах. Совершенствование в части пошагового выполнения тяговых и электрических расчетов привело к появлению способа расчета, в котором тяговый расчет на каждом следующем шаге выполняется на основе расчетного уровня напряжения, полученного при электрическом расчете [20]. Данный способ характеризуется высокой вычислительной сложностью, пропорционально возрастающей при увеличении размеров движения и применении в системе тягового электроснабжения регулируемых устройств, изменяющих свои параметры в зависимости от уровня напряжения в контактной сети, нагрузки или других показателей. Предложенный способ имеет свои недостатки и не позволяет учесть особенности работы регулируемых устройств.
Развитие рассматриваемого способа расчета выполнено в части учета работы системы тягового электроснабжения с устройствами накопления электроэнергии [21].
Совершенствование метода расчета показателей системы тягового электроснабжения в установившихся режимах связано со следующими направлениями: дополнение схемы замещения системы тягового электроснабжения схемами и алгоритмами работы регулируемых устройств; использование базы данных тяговых расчетов при проведении вычислений показателей работы системы тягового электроснабжения.
Примером реализации первого направления являются рассмотренные в статье схемы и алгоритмы работы регулируемых устройств. Для реализации второго направления предлагается следующий порядок расчета.
Исходя из допустимого диапазона напряжений на токоприемнике в диапазоне от Umm до Umax перед проведением электрических расчетов формируется база данных тяговых расчетов
для вариантов, отличающихся уровнем напряжения на токоприемнике и техническом скоростью движения поезда. Полученный массив поездок формирует базу данных по маркерам напряжения, скорости и ординаты, которая в дальнейшем используется для проведения электрического расчета. Тяговые расчеты проводятся для допустимых значений уровня напряжения на токоприемнике и скоростей движения, изменяющихся с заданным шагом Ди и А V соответственно.
База данных тяговых расчетов представляет собой массив данных размером п хт, в каждой ячейке которых хранится ряд данных тяговых расчетов, содержащих информацию об уровне напряжения и скорости движения, ординате и токе поезда.
Количество строк п и столбцов т массива данных определяется по выражениям соответственно :
n =
m =
U - U .
max mm .
AU ' V - V .
max m.n
(8)
AV
Формирование базы данных осуществляется для каждого типа электроподвижного состава, массы и других параметров поезда в обоих направлениях движения.
На каждом шаге электрического расчета для единицы электроподвижного состава выбирается тяговый расчет, который по уровню напряжения и скорости движения наиболее близок к расчетным значениям. По данным расчета определяется ток поезда. Нагрузка поезда принимается для расчета мгновенной схемы, по результатам решения которой определяются токи во всех ветвях схемы на текущем шаге и напряжения во всех узлах. Расчетный уровень напряжения на токоприемниках используется на следующем шаге для выбора тягового расчета, наиболее близкого к расчетному значению.
На первом шаге расчетов (рисунок 5) напряжение на токоприемнике каждой единицы электроподвижного состава Ui принимается равным номинальному значению ином:
U1 = ^ом. (9)
На втором и последующем шагах электрических расчетов напряжение на токоприемнике определяется на основе нагрузки поезда, находящегося на определенной ординате j:
I = f (j' Uт, Vn ) , (10)
определяемой по тяговому расчету, выбираемому по наиболее близким к расчетным значениям напряжению Un и скорости Vm.
Напряжение Un и скорость Vm тягового расчета на i-м шаге выбираются по критерию минимального отклонения расчетных значений Ui и Vi от значений тягового расчета соответственно :
|Un - U\ ^ min; (11)
Vm - V\ ^min. (12)
Ток поезда определяется из массива данных соответствующего расчета для определенных n и m значений для j-й ординаты в расчетный момент времени на i-м шаге расчетов:
V«, т, 1, г ^ I
ути
На начальном этапе расчетов выполняется подготовка расчетных данных и параметров схемы замещения системы тягового электроснабжения (блок 1). На следующем шаге реализации способа выполняются тяговые расчеты для формирования базы данных по заданным диапазонам изменения напряжения на токоприемнике и скорости движения (блок 2). Определение показателей работы начинается с начального времени расчетов (блок 3), являющегося точкой отсчета, и определения ординаты 1 электроподвижного состава в границах расчетного участка (блок 4). На следующем этапе выполняется расчет электрических величин на основе мгновенных схем (блок 5), в ходе которого определяются напряжения на токоприемниках электроподвижного состава. Результаты расчетов по мгновенной схеме на г-м шаге расчетов записываются для последующего расчета интегральных показателей работы (блок 6). Выбор тягового расчета в зависимости от уровня напряжения и скорости выполняется в блоке 7. По результатам выбора определяется нагрузка поезда (блок 8), используемая на следующем шаге расчетов. Блок 9 увеличивает расчетное время на шаг расчетов, для последующей проверки окончания расчетов (блок 10). На заключительном этапе выполняется расчет интегральных энергетических показателей (блок 11) на основе записанных данных расчета.
Начало
Подготовка расчетных данных н
параметров схемы +
Проведение тяговых расчетов для заданных диапазонов
напряжений (л) и скоростей (да) *
Задание начального времени
Т = Т ; г = 1
Расположение электроподвижного состава для проведения расчета, определение ординат/
Расчет мгновенной схемы, определение напряжений на токоприемниках электроподвижного состава: Щ
Запись данных расчетов на /-м шаге
Выбор тягового расчета электроподвижного состава в зависимости от и V;
Определение токов на следующем шаге ?+1
т,, = Т.+ДТ; г = г+1
10
11
Нет
Расчет интегральных энергетических показателей
Конец
Рисунок 5 - Алгоритм расчета показателей работы системы тягового электроснабжения
Предложенный способ позволяет определить энергетические показатели системы тягового электроснабжения на основе сформированного массива данных тяговых расчетов с учетом изменяющихся нагрузки и напряжения на токоприемнике электроподвижного состава.
Перспективными исследованиями в области совершенствования методов расчета являются разработка и дополнение схемы замещения системы тягового электроснабжения следующими устройствами: автоматического бесконтактного регулирования напряжения; управляемыми выпрямительными и инверторными преобразователями; автоматического регулирования напряжения под нагрузкой силовых понижающих трансформаторов; регулируемыми средствами компенсации реактивной мощности (статическими компенсаторами и дискретно регулируемыми устройствами); вольтодобавочными трансформаторами; пунктами преобразования напряжения и др.
Представленные алгоритмы расчета энергетических показателей системы тягового электроснабжения с регулируемыми устройствами позволяют реализовать расчет показателей работы системы тягового электроснабжения с учетом работы регулируемых устройств. Разработаны модели устройств режимной автоматики включения/отключения резерва и накопления электроэнергии, предназначенные для расчета установившихся режимов. Для разработанных моделей представлены схемы замещения и алгоритмы, реализующие режимы работы рассмотренных устройств. Разработан усовершенствованный метод расчета показателей тягового электроснабжения, позволяющий учитывать нагрузку электроподвижного состава в условиях работы регулируемых устройств.
«Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00002, https://rscf.ru/project/22-29-00002/».
Список литературы
1. Марский, В. Е. Определение пропускной способности железнодорожных участков по устройствам тягового электроснабжения / В. Е. Марский. - Текст : непосредственный // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2014. -№ 1. - С. 40-46.
2. Крюков, А. В. Энергетическая эффективность перспективных систем тягового электроснабжения / А. В. Крюков, А. В. Черепанов, И. А. Фесак. - Текст : непосредственный // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск, 20-24 апреля 2021 года. - Иркутск : Иркутский национальный исследовательский технический университет, 2021. - С. 220-224.
3. Бадер, М. П. Энергосберегающие технологии интеллектуального железнодорожного транспорта / М. П. Бадер, Ю. М. Иньков, Е. Н. Розенберг. - Текст : непосредственный // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2012. - № 4. - С. 36-43.
4. Незевак, В. Л. Мониторинг выполнения норм удельной рекуперации в границах произвольной зоны мониторинга участка постоянного тока / В. Л. Незевак, А. П. Шатохин. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2015. - № 2 (22). - С. 87-96.
5. Герман, Л. А. Сравнение методов расчета системы тягового электроснабжения при разных способах учета параметров внешней сети / Л. А. Герман, К. В. Кишкурно. - Текст : непосредственный // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2013. - № 1. - С. 16-21.
6. Незевак, В. Л. Совершенствование методов и алгоритмов расчета энергетических показателей системы тягового электроснабжения / В. Л. Незевак, В. Т. Черемисин. - Текст : непосредственный // Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Омск : Омский государственный университет путей сообщения, 2020. - С. 204-210.
7. Незевак, В. Л. Анализ характеристик тяговой нагрузки на скоростных участках для определения условий работы устройств накопления электроэнергии / В. Л. Незевак,
A. Д. Дмитриев, С. С. Самолинов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2022. - № 2 (50). - С. 12-29.
8. 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.
9. Аржанников, Б. А. Влияние регулирования напряжения на пропускную способность электрифицированных участков постоянного тока и на расход электрической энергии на тягу поездов / Б. А. Аржанников, И. А. Баева. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. -2017. - № 4 (55). - С. 71-75.
10. Черемисин, В. Т. Оценка регулирования напряжения на стороне высшего напряжения тяговых подстанций в аспекте энергетической эффективности / В. Т. Черемисин, В. Л. Незевак,
B. В. Эрбес. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. - 2017. - № 3 (54). - С. 75-81.
11. Крюков, А. В. Программный комплекс для имитационного моделирования систем тягового электроснабжения / А. В. Крюков, В. П. Закарюкин. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2006. - № 1 (6). - С. 103-108.
12. Комяков, А. А. Оценка эффективности параллельной работы выпрямительных преобразователей тяговых подстанций на основе данных измерительных систем / А. А. Комяков, В. В. Эрбес, В. Л. Незевак. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2015. - № 2 (46). - С. 137-143.
13. Каштанов, А. Л. Управляющий алгоритм системы автоматического резервирования мощности тяговых подстанций постоянного тока / А. Л. Каштанов, Ю. В. Плотников, А. В. Пономарев. - Текст : непосредственный // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2021. - № 9. - С. 512-518.
14. Незевак, В. Л. Моделирование режимов нагрузки на шинах постов секционирования при работе в системе тягового электроснабжения накопителей электроэнергии / В. Л. Незевак. - Текст : непосредственный // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2017. - № 4 (68). - С. 159-170.
15. Tomaszewska, A., Chu, Z., Feng, X. and all. (2019). Lithium-Ion Battery Fast Charging: A Review. eTransportation, 2019, №100011. pp/ 1-28. doi:10.1016/j.etran.2019.100011.
16. Незевак, В. Л. О сравнении энергетических параметров систем накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока / В. Л. Незевак. - Текст : непосредственный // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2022. - Т. 81. - № 1. - С. 38-52.
17. Nezevak, V., & Shatokhin, A. (2019). Interaction's Simulation Modeling of Electric Rolling Stock and Electric Traction System. 2019 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 2019, pp. 1-10. doi:10.1109/uralcon.2019.8877672.
18. Nezevak V., Cheremisin V., Shatokhin A. Electric Energy Storage Units Applicability Assessment of Different Kinds in the Conditions of Moscow Central Ring. Advances in Intelligent Systems and Computing, 2020, № 1115 AISC, pp. 42-51. doi:10.1007/978-3-030-37916-2_5.
19. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквардт. - Москва : Транспорт. - 1982. - 528 с. - Текст : непосредственный.
20. Вильгельм, А. С. Совершенствование метода расчета системы тягового электроснабжения переменного тока / А. С. Вильгельм, А. А. Комяков, В. Л. Незевак. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2014. - № 3 (19). - С. 54-65.
21. Патент № 2 690 126 Российская Федерация, МПК B60M 3/00 (2006.01), B60L 3/12 (2006.01), G01R 21/133 (2006.01). Способ определения энергетических показателей движения поезда и системы тягового электроснабжения : № 2016119647/11 : заявлено 23.07.2018 : опубликовано 30.05.2019. Бюл. № 16. / Незевак В. Л., Черемисин В. Т., Шатохин А. П. -Текст : непосредственный.
3(51)
References
1. Marskii V.E. Determination of the capacity of railway sections by traction power supply devices. Vestnik nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta - Bulletin of the Research Institute of Railway Transport, 2014, no. 1, pp. 40-46 (In Russian).
2. Kriukov A.V., Cherepanov A.V., Fesak I.A. [Energy efficiency of advanced traction power supply systems]. Povyshenie effektivnostiproizvodstva i ispol'zovaniia energii v usloviiakh Sibiri : materialy vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Improving the efficiency of energy production and use in Siberia : materials of the All-Russian scientific and practical conference with international participation]. Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University, 2021, pp. 220-224 (In Russian).
3. Bader M.P., In'kov Iu.M., Rozenberg E.N. Energy-saving technologies of intelligent railway transport. Elektronika i elektrooborudovanie transporta - Electronics and electrical equipment of transport, 2012, no. 4, pp. 36-43 (In Russian).
4. Nezevak V.L., Shatokhin A.P. The monitoring of the execution of the specific regeneration's norms within the ambit of the arbitrary monitoring's area of the DC area. Izvestiia Transsiba - The Journal of Transsib Railway Studies, 2015, no. 2(22), pp. 87-96 (In Russian).
5. German L.A., Kishkurno K.V. Comparison of methods for calculating the traction power supply system with different methods of accounting for the parameters of the external network. Vestnik nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta - Bulletin of the Research Institute of Railway Transport, 2013, no. 1, pp. 16-21 (In Russian).
6. Nezevak V.L., Cheremisin V.T. [Improvement of methods and algorithms for calculating energy indicators of traction power supply system]. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Materials of the international scientific and practical conference]. Omsk, 2020, pp. 204210 (In Russian).
7. Nezevak V.L., Dmitriev A.D., Samolinov S.S. Analysis of the characteristics of the traction load on high-speed sections to determine the operating conditions of power storage devices. Izvestiia Transsiba - The Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 2(50), pp. 12-29 (In Russian).
8. 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 (In Russian).
9. Arzhannikov B.A., Baeva I.A. The effect of voltage regulation on the capacity of electrified DC sections and on the consumption of electric energy for train traction. Transport Urala - Transport Of The Urals, 2017, no. 4(55), pp. 71-75 (In Russian).
10. Cheremisin V.T., Nezevak V.L., Erbes V.V. Evaluation of voltage regulation on the high voltage side of traction substations in the aspect of energy efficiency. Transport Urala - Transport Of The Urals, 2017, no. 3(54), pp. 75-81 (In Russian).
11. Kriukov A.V., Zakariukin V.P. Software package for simulation of traction power supply systems. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2006, no. 1(6), pp. 103-108 (In Russian).
12. Komyakov A.A., Erbes V.V., Nezevak V.L. Evaluation of the efficiency of parallel operation of rectifier converters of traction substations based on data from measuring systems. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2015, no. 2(46), pp. 137-143 (In Russian).
13. Semenov A.P., Lakin I.K., Khromov I.Iu. Information entropy of locomotive technical diagnostics systems. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2020, no. 3(67), pp. 42-53 (In Russian).
14. Nezevak V.L. Modeling of load modes on the tires of partitioning posts when working in the traction power supply system of electric power storage devices. Vestnik Rostovskogo gosudarstven-nogo universiteta putei soobshcheniia - Bulletin of the Rostov State University of Railways, 2017, no. 4(68), pp. 159-170 (In Russian).
15. Tomaszewska, A., Chu, Z., Feng, X. and all. (2019). Lithium-Ion Battery Fast Charging: A Review. eTransportation,, 2019, №100011. pp/ 1-28. doi:10.1016/j.etran.2019.100011.
16. Nezevak V.L. Comparison of energy parameters of electric power storage systems for DC and AC traction power supply systems. Vestnik nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozh-nogo transporta - Bulletin of the Research Institute of Railway Transport, 2022, vol. 81, no. 1, pp. 38-52 (In Russian).
17. Nezevak, V., & Shatokhin, A. (2019). Interaction's Simulation Modeling of Electric Rolling Stock and Electric Traction System. 2019 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 2019, pp. 1-10. doi:10.1109/uralcon.2019.8877672.
18. Nezevak V., Cheremisin V., Shatokhin A. Electric Energy Storage Units Applicability Assessment of Different Kinds in the Conditions of Moscow Central Ring. Advances in Intelligent Systems and Computing, 2020, № 1115 AISC, pp. 42-51. doi:10.1007/978-3-030-37916-2_5.
19. Markvardt K.G. Elektrosnabzhenie elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog [Electricity supply of electrified railways]. Moscow, Transport Publ., 1982, 528 p. (In Russian).
20. Vilgelm A.S., Komyakov A.A., Nezevak V.L. Improvement in the calculation methods for the traction power system. Izvestiia Transsiba - The Journal of Transsib Railway Studies, 2014, no. 3(19), pp. 54-65 (In Russian).
21. Nezevak V.L., Cheremisin V.T., Shatokhin A.P. PatentRU2690126, 30.05.2019.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Незевак Владислав Леонидович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 44-39-23. E-mail: nezevakwl@mail.ru.
Nezevak Vladislav Leonidovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Power supply of railway transport», OSTU.
Phone: +7 (3812) 44-39-23. E-mail: nezevakwl@mail.ru.
Дмитриев Александр Дмитриевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС. Тел.: +7-908-117-96-71. E-mail: alexandrorado@mail.ru
Dmitriev Alexander Dmitrievich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Power supply of railway transport», OSTU. Phone: +7-908-117-96-71. E-mail: alexandrorado@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Незевак, В. Л. Совершенствование методов и алгоритмов расчета энергетических показателей системы тягового электроснабжения с регулируемыми устройствами / В. Л. Незевак, А. Д. Дмитриев. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2022. - № 3 (51). - С. 19 - 34.
Nezevak V.L., Dmitriev A.D. Improvement of methods and algorithms for calculating energy indicators of traction power supply system with adjustable devices. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 3 (51), pp. 19-34 (In Russian).
