CC BY
29
УДК 621.311:621.331 Крюков Андрей Васильевич,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Вторушин Дмитрий Петрович,
аспирант, Иркутский государственный технический университет, e-mail: vtorushind_p@bk.ru
СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
A. V. Kryukov, D.P. Vtorushin
CONSTRUCTIONAL PARAMETRICAL IDENTIFICATION OF RAILWAY ALTERNATING CURRENT ELECTRIC SYSTEMS
Аннотация. Предложена модель системы внешнего электроснабжения железной дороги переменного тока, построенная на основе методов структурно-параметрической идентификации с использованием синхронизированных векторных измерений PMU WAMS. Работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего». Договор № 11.G34.31.0044 от 27.10.2011.
Ключевые слова: системы внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока, структурно-параметрическая идентификация.
Abstract. The model of railway alternating current electric system is offered. This model is built by PMU WAMS measurements. The paper is done on grant 11.G34.31.0044 27.10.2011 «Future Smart Grid Electric Systems».
Keywords: railway alternating current electric system, constructionalparametrical identification.
Введение
Система тягового электроснабжения (СТЭ) железной дороги переменного тока состоит из большого числа элементов разных типов и обладает разнородными связями между ними. Кроме того, СТЭ неразрывно связана с двумя сложными динамическими объектами: питающей электроэнергетической системой (ЭЭС) и железнодорожной магистралью (ЖДМ). Часть ЭЭС, непосредственно примыкающая к опорным тяговым подстанциям (ТП), которую можно рассматривать как систему внешнего электроснабжения (СВЭ), определяет модули и фазы напряжений в точках общего присоединения ЭЭС и СТЭ, от которых зависит вектор режимных параметров СТЭ. Этот вектор также функционально связан с материальным потоком перевозимых по ЖДМ грузов, определяю-
щим электротяговые нагрузки.
Вопросы оперативного управления режимами СТЭ должны решаться с учетом характеристик ЭЭС (СВЭ). Особую актуальность задача корректного моделирования СВЭ (ЭЭС) приобретает в современных условиях, что вызвано двумя факторами. Первый связан с переходом электроэнергетики РФ на новую технологическую платформу, основанную на применении технологий интеллектуальных сетей (smart grid), функционирование которых требует разработки адекватных методов компьютерного моделирования ЭЭС. Второй аспект определяется организацией движения тяжеловесных и высокоскоростных поездов, которые будут создавать значительные пики электротяговых нагрузок. При этом применение упрощенных моделей СВЭ будет приводить к неприемлемым погрешностям моделирования режимов СТЭ.
Постановка задачи
Электроэнергетическая система представляет собой совокупность сложных устройств, предназначенных для выработки, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Используя кортежное определение [1], для ЭЭС можно записать
Е: {{EL }, {s},F}, (1)
где Е - ЭЭС; {EL} - совокупность элементов ЭЭС (генераторов, линий электропередачи, трансформаторов, потребителей электроэнергии, устройств управления и т. д.); {s} - совокупность связей между элементами, определяющая структуру ЭЭС; F - функция ЭЭС, определяемая основным эмерджентным свойством системы, не присущим отдельным элементам ЭЭС.
ЭЭС является сложной системой, состоящей из элементов разных типов и обладающей разнородными связями между ними:
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
{EL }= (J {ELr}.
Г=1
Следует отметить, что отдельные элементы ЭЭС, такие как ЛЭП и трансформаторы, можно также рассматривать как системы и использовать для них кортежное описание (1). Функция ¥ для ЭЭС определяется как централизованное электроснабжение потребителей. При этом для ¥ можно записать [2]:
F = U F
(k )
k=1
где под ¥(1) понимается обеспечение потребителей электроэнергией с минимальными затратами
(2)
на ее выработку, передачу и распределение; к ¥1 ) можно отнести оптимальную надежность электро-
(з)
снабжения, а ¥( ) может рассматриваться как лингвистическая переменная, определяемая функцией от вектора показателей С, характеризующих качество электроэнергии в соответствии с ГОСТ Р 54149-2010, т. е.
¥ (3)=^(С).
Эффективное функционирование СТЭ и СВЭ (ЭЭС) в современных условиях становится невозможным без применения компьютерных технологий, что требует, в свою очередь, разработки адекватных математических моделей как СВЭ в целом, так и ее отдельных элементов. Для модели СВЭ можно записать следующее кортежное определение [2]:
Е: {у + ,у - ,Л,1 ,х,$, У,У } где у+ е У+ - набор входных воздействий (входов), принадлежащих допустимой области У+ ; у- е У- - набор выходных воздействий (выходов), принадлежащих допустимой области У ; Л - набор параметров СВЭ, характеризующих свойства системы, не меняющиеся во времени, и представляющий собой совокупность парамет-
^ = 0 ;
1=1 ы
х е X - набор переменных, характеризующих свойства СВЭ, изменяющиеся во времени (вектор состояния СВЭ); 1 - параметр (или параметры) процесса в системе, принадлежащий допустимой области Т ; 1 е Т; на практике используется скалярный параметр I - время; $ - правило (функция, оператор), определяющее переменные х на
N ( ■)
ров отдельных элементов A = U A( 1 ) ;
У + ,y " ,A,t,
основе параметров
x = S (y + ,A,t ); аналогично y " = V (y + ,A,t ,x). Выполнив подстановку, получим
т. е.
m
(2)
у -= У [ у +, Л, 1, х] = = У [ у +, Л, 1, $ ( у +, Л, 1 )] = .
= У ( у +, Л, 1)
На основании соотношения (2) может быть сформулирован алгоритм формирования модели СВЭ, включающий два этапа:
• определение конкретного вида операторов
$, У, У;
ы м
'(1) обеспе-
• нахождение значений A = U A(
1=1
чивающих выполнение условия
p[y (t),yM (t)J^ min , (3)
где yM(t) - процесс на выходах системы, полученный на основе модели; y (t) - реальный процесс в системе; p - некоторая норма, определенная в пространстве выходных параметров.
В соответствии с современной теорией управления [3, 4], первый этап называется структурной идентификацией, а второй - параметрической. Задача структурной идентификации СВЭ решается в двух классах моделей: динамическом и статическом. Динамические модели СВЭ в общем случае реализуются в виде систем нелинейных дифференциальных уравнений вида dx ! \
л - w(x)
и используются для анализа переходных процессов в СВЭ.
Вторая группа моделей реализуется на основе уравнений установившегося режима, которые могут быть записаны в виде :
f (x)= 0. (4)
Задача параметрической идентификации СВЭ в наиболее общем виде может быть сформулирована так: найти параметры A , обеспечивающие выполнение условия (3). Эта задача может быть решена на основе УУР (4), которые можно записать в следующем виде
(5)
искомые параметры модели элемента
(izm)
Л ' - пара-
f (х('*т), Л)= 0,
где Л -
ЭЭС, подлежащего идентификации; х(' метры, полученные на основе измерений выходных параметров у-, т. е. х(г2т) = -).
В силу уравнений (4) может быть составлена система уравнений
ф(к(izm) ,A)= 0,
(6)
на основе которой могут быть определены параметры А.
Методика построения идентификационной модели СВЭ
На основании изложенного задача идентификации СВЭ может быть проиллюстрирована схемами, приведенными на рис. 1.
Для построения идентификационной модели необходима следующая исходная информация:
• схема СТЭ, включающая линии электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения, осуществляющие непосредственную связь между тяговыми подстанциями (ЛЭП 1-2, 2-3, ..., 4-5, 5-6, ... на рис. 2);
• мощности короткого замыкания 3К2-
в точках общего присоединения (ТОП) СТЭ и СВЭ (точки 1, 2, ...и, 4, 5,. m на рис. 2).
Алгоритм построения модели включает следующие этапы:
1. Задание напряжений на шинах эквивалентных источников, которое может производиться, например, так: ^ =(1,05...1,1)^яод^., где
ином! - соответствующее номинальное напряжение.
2. Оценка длин эквивалентных ЛЭП на основании известных мощностей 5К2: по выражению
Uj L, =-—
1 x S
X0jSKZj
СВЭ(ЭЭС)
• • •
1 1-2
• • •
т4 т -г!..-?
СТЭ
где x0. = 0.4 Ом/км - среднее значение удельного
индуктивного сопротивления ЛЭП 110/220 кВ.
3. Получение данных о комплексах напряжений в ТОП и втекающих в эти точки токов. Эта информация может быть получена на основе устройств синхронизированных векторных измерений PMU WAMS [8].
4. Задание конструктивных параметров: радиусов r проводов и координат их расположения
xi ,У' i = 1...3 ; эти параметры могут быть приняты среднестатистическими для ЛЭП данного класса напряжения.
5. Ориентировочное задание удельной проводимости земли.
6. Определение параметров эквивалентных ЛЭП на основе методов, предложенных в работе [2]. Ввиду отсутствия данных о токах на отправном конце эквивалентных ЛЭП решетчатая схема замещения строится без учета емкостных прово-димостей на землю. Следует отметить, что учет этих проводимостей может быть осуществлен приближенно на основе методики, предложенной в работе [5].
Результаты моделирования и их обсуждение
Моделирование проводилось на основе программного комплекса (ПК) «Fazonord-Качество»
а) б)
Рис. 1. Построение модели СВЭ на основе структурно-параметрической идентификации
Рис. 2. Исходная схема
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. Экономика и управление
[6, 7] применительно к исходной схеме СВЭ и СТЭ, представленной на рис. 2. Расчетная схема, сформированная средствами данного ПК, приведена на рис. 3. На основе моделирования по этой схеме осуществлялась имитация реальных измерений, необходимых для определения параметров эквивалентных ЛЭП по методике, изложенной в работе [2].
Схема модели, полученной в результате идентификации, приведена на рис. 4. Соответствующая этой модели расчетная схема приведена на рис. 5. Решетчатая схема (РС) эквивалентной ЛЭП показана на рис. 6. Параметры РС, полученные по методике работы [2], приведены в табл. 1.
Результаты моделирования в виде графиков погрешностей расчета режимов СТЭ представлены в табл. 2 и на рис. 7-9. На рис. 9 приведены значения Ш = тах[ёи(А) ,Зи(Б) (с)\.
Максимальная погрешность для сети высокого напряжения наблюдается для ОП3 и составляет 1,1 %; максимальная погрешность определения напряжения на токоприемнике электровоза достигает 0,7 %; эти результаты свидетельствуют о практической приемлемости предлагаемой методики для решения практических задач управления режимами СТЭ.
Рис. 3. Расчетная схема для полной модели СТЭ и СВЭ
Рис. 4. Модель, полученная в результате идентификации
Рис. 5. Расчетная схема для эквивалентной модели
Рис. 6. Решётчатая схема замещения эквивалентной ЛЭП
Т а б л и ц а 1
Параметры решетчатых схем замещения эквивалентных ЛЭП_
Ветвь ЕМ Ы ЕМ Ы2 ЕМ Ы3 ЕМ Ы4
Я,, Ом У X , Ом У Я , Ом У X , Ом У Я , Ом У X , Ом У Я, Ом У X , Ом У
1-2 29,07 95,16 25,28 82,79 31,54 88,35 20,92 58,64
1-3 30,28 134,99 26,34 117,44 32,9 106,02 21,83 70,37
1-4 7,56 31,48 6,58 27,39 7,96 28,46 5,29 18,9
1-5 -28,99 -95,06 -25,23 -82,72 -31,47 -88,27 -20,9 -58,61
1-6 -30,22 -134,86 -26,3 -117,36 -32,85 -105,94 -21,81 -70,35
2-3 29,54 99,6 25,69 86,65 31,54 88,35 20,92 58,64
2-4 -28,99 -95,06 -25,23 -82,72 -31,47 -88,27 -20,9 -58,61
2-5 7,6 30,11 6,61 26,2 8,01 27,62 5,32 18,34
2-6 -29,46 -99,48 -25,64 -86,57 -31,47 -88,27 -20,9 -58,61
3-4 -30,22 -134,86 -26,3 -117,36 -32,85 -105,94 -21,81 -70,35
3-5 -29,46 -99,48 -25,64 -86,57 -31,47 -88,27 -20,9 -58,61
3-6 7,54 31,75 6,56 27,63 7,96 28,46 5,29 18,9
4-5 29,07 95,16 25,28 82,79 31,54 88,35 20,92 58,64
4-6 30,28 134,99 26,34 117,44 32,9 106,02 21,83 70,37
5-6 29,54 99,6 25,69 86,65 31,54 88,35 20,92 58,64
а)
-г
- Ф'аза А
\ «а.
1А л I
/ _ФазаС V ^ V
в)
ю
20
30 Вр,
еэш, ганн
Рис. 7. Погрешности определения модулей напряжения на шинах опорных подстанций:
и = и
тг(В) тт(М)
и и .. 100 ; индекс (В) относиться к расчету по исходной (базовой) схеме,
и(в)
а индекс (М) - по модели, полученной в результате идентификации
-¿и,% —
\ /
\ Вре 1ЧЯ. 1ЧНН
О 5 10 15 20 25 30 35 40
Рис. 8. Погрешности определения модулей напряжения на токоприемнике электровоза
Т а б л и ц а 2
Погрешности _ расчета режима с использованием идентификационной модели, %_
Точка определения погрешности Фаза Среднее значение Максимум
Шины ВН ОП1 А 0,57 0,59
В 0,54 0,55
С 0,53 0,55
Шины ВН ОП2 А 0,84 0,87
В 0,79 0,81
С 0,78 0,81
Шины ВН ОП3 А 0,89 1,10
В 0,81 0,96
С 0,37 0,86
Шины ВН ОП4 А 0,34 0,63
В 0,53 0,68
С 0,25 0,65
Токоприемник электровоза - 0,37 0,69
Примечание: средние и максимальные значения погрешностей рассчитывались для абсолютных величин.
1.20
ОП1 ОП2 ОШ ОП4 Токоприемник
..................электровоза
Рис. 9. Погрешности расчета режима с использованием идентификационной модели
Заключение
1. Предложена методика построения модели системы внешнего электроснабжения железной дороги переменного тока, основанная на применении методики структурно-параметрической идентификации с использованием информации, получаемой от устройств векторных измерений режимных параметров PMU WAMS.
2. Результаты компьютерного моделирования свидетельствуют о высокой точности расчета режимов СТЭ на основе предложенной модели: максимальная погрешность для сети высокого напряжения в расчетном примере составила 1,1 %; погрешность определения напряжения на токоприемнике электровоза не превысила 0,7 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Губанов В. А., Захаров В. В., Коваленко А. Н. Введение в системный анализ. Л. : ЛГУ, 1988. 232 с.
2. Закарюкин В. П., Крюков А. В, Шульгин М. С.
Параметрическая идентификация линий электропередачи и трансформаторов. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2012. 96 с.
3. Справочник по теории автоматического управления / под ред. А. А. Красовского. М. : Наука, 1987. 712 с.
4. Карабутов Н. Н. Структурная идентификация систем: Анализ динамических структур. М. : МГИУ, 2008. 160 с.
5. Крюков А. В., Вторушин Д. П. Структурно-параметрический синтез моделей электрических сетей, питающих тяговые подстанции // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Т.2. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2012. С. 81-87.
6. Закарюкин В. П., Крюков А. В. Сложнонесим-метричные режимы электрических систем. Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2005. 273 с.
7. БаЕОпоМ-Качество - Расчеты показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения в фазных координатах с учетом движения поездов : Свидетельство об офиц. регистр. программы для ЭВМ №2007612771 (РФ) / За-карюкин В.П., Крюков А.В. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам; опубл. 28.06.2007.
8. Мокеев А. В. Разработка и внедрение систем сбора телемеханической информации // Электрические станции. № 6. 2007. С. 60-61.
УДК 336.76-027.45 (571.51) Владимирова Ольга Николаевна,
д. э. н., доцент, зав. кафедрой Финансы и кредит, Торгово-экономический институт Сибирского федерального университета (Красноярск)
ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ИНСТИТУЦИОНАЛЬНОЙ СРЕДЫ ФИНАНСОВОГО РЫНКА В КОНТЕКСТЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФИНАНСОВОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РЕГИОНА (НА ПРИМЕРЕ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ)
O.N. Vladimirova
РИОВЬЕМЭ OF FINANCIAL MARKET INSTITUTIONAL ENVIRONMENT DEVELOPMENT IN CONTEXT OF REGION'S FINANCIAL SECURITY ASSURANCE (BY THE EXAMPLE OF ^ASNOYARSK TERRITORY)
Аннотация. В статье рассматриваются проблемы развития институциональной среды финансового рынка как одного из факторов обеспечения финансовой безопасности региона. Анализ функционирования финансовых институтов в регионе способствует определению приоритетных направлений процессов совершенствования обеспеченности финансовыми ресурсами субъектов.
Ключевые слова: финансовая безопасность, финансовая инфраструктура, венчурные фонды, банковская система, государственные
фонды, государственные корпорации, микрофинансовые институты.
Abstract. The article considers problems of financial market institutional environment development as a factor of region's financial security assurance. The analysis of region's financial institutions activity makes it possible to determine promising trends for improving availability of entities ' financial resources.
Keywords: financial security, financial infrastructure, venture capital funds, banking system, state funds, state corporations, institutes, microfinancing.
