CC BY
17
UDC 621.321, 621.311
V. G. SYCHENKO (DNURT)
Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan, Department of Power supply of Railways, 2 Lazaryan Street, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: (056) 793-19-11, e-mail: elsnz@mail.ru
VOLTAGE QUALITY ON TRACTION LOAD BUSES OF DC SUBSTATIONS
Introduction
Voltage mode on buses of the DC 3,3 kV traction substation influences to opeating characteristics of functioning of the electric railways. Thus, dinamic character of voltage leads to conventionality of using the existing norms of voltage levels. These norms need the new estimation criterias of power supplies quality on the DC traction lines. The level of voltage and voltage deviation on traction lines are the most important indicators of power quality for traction power supply systems that give a power to rolling stock. The efforts of specialists over the past decades [1] were directed to ensuring
5uy, b
the necessary level of voltage and minimizing its deviations. In order to investigate the voltage modes the authors have widely used statistical experimental studies [2, 3]. This allows to define the numerical characteristics of the voltage on the DC bus, which can be used for building a intelligent system for controlling the modes of traction lines.
The analysis of experimental researches of voltage modes
The selective results of experimental researches of voltage deviations on traction substations are showed on fig. 1, and statistical characteristics are shown in tab. 1.
6uy, b 500 n
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 8000C t, XB
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 8000C t, XB
Pic. 1. A steady voltage deviation on 3,3 kV buses of DC traction substations
Table 1
№ Parameters Number of substation
1 5 6 11
1 Mathematical expectation M(§Uy), % / V 7.98 263,38 5.41 178,52 7.71 254,28 7.93 261,82
2 Mode Mo(8f/y),%/V 8.48 280,00 5.47 192,36 9.23 304,48 7.88 260,00
3 Median M?(8f/y),%/V 8.06 266,00 5.47 180,41 7.83 258,25 7.91 261,00
4 Variance £>(8f/y),%2/V2 5.68 6180,27 1.09 1185,08 1.70 1850,87 1.25 1361,69
5 Standard deviation j. % / V 2.38 78,61 1.04 34,42 1.30 43,02 1.12 36,90
6 Asymmetry Av(8f/V) -0,74 -0,33 -1,09 0,21
7 Excess Ex(dUy j 1,40 -0,17 1,92 1,82
©SychenkoV. G., 2013
The sharp changes of voltage on buses (fig. 1) corresponds to the following modes of substation: inverter condition - a leap upwards, a rectifier condition - a leap downwards, or changing the traction loads.
The analysis of the obtained results shows that numerical characteristics of a of A U distribution differ insignificantly for each given substation (tab. 1). In other words their empirical distributions
Pic. 2. The empirical distributions of voltage deviations on feeder 3,3 kV for four different substations
Table 2
Numerical characteristics of voltage deviation on 3,3 kV feeders
have a symmetric character, (fig. 2). It s impossible to find the analytical distribution of voltage for all interval of observation. It is necessary to notice that during calculations of modes of traction power supply systems it's widely used a normal distribution for the description of regularity changes of voltage. At the same time, this approach is approximate and not allows us to gain a necessary accuracy during regulating the modes of operation (tab. 2).
№ Substation Parameters of the normal distribution Pearson . . 2 criterion, The critical value, Xcr Result
1 S a = 72,299 M = 3538,9 1401,4 21,026 Hypothesis is rejected
2 L a = 80,842 M = 3569,2 3547,0 22,362 Hypothesis is rejected
3 Sin a = 34,425 M = 3478,5 52,709 21,026 Hypothesis is rejected
4 N a = 43,2 M = 3557,2 10993,0 26,296 Hypothesis is rejected
5 El a = 130,57 M = 3348,8 728,82 22,362 Hypothesis is rejected
The problem of selection the most appropriate distribution law of the voltage exists also on highvoltage lines [4]. It was proposed to determine its day interval sequences using Instant probability densities, which allowed him to apply a normal distribution for each clock time with their statistical characteristics.
Unfortunately, this approach to description of the regularity changes of voltage on the traction substation buses didn't give for us the necessary result . Tabl.3 shows the example of distribution law selection of voltage on the buses for one of given substations.
©SychenkoV. G., 2013
Table 3
Selection of the best distribution law of voltage on substation S
№ h. Distribution law Parameters Criterion, y2 The critical value, XkP Result (+/-)
1 Weibull a = 159,53 ß = 3521,9 5,89 14,07 +
2 Hi-square v = 248 ß = 3244 18,03 14,07 -
3 Lognormal a = 0,0932 |j, = 5,4675 y = 3235 5,1 14,07 +
4 Weibull a = 205,69 ß = 3479,5 3,85 14,07 +
5 Beta aj =2,7217 a2 =3,359 a = 3411,9 b = 3521,4 5,08 14,07 +
6 Lognormal a = 0,02396 n = 6,9619 y = 2369,5 5,95 14,07 +
7 Log - logistical a = 205,38 ß = 3438,4 14,06 14,07 +
8 Relej a = 47,584 y = 3388,6 13,78 14,07 +
9 Inverse gaussian X = 6,33-108 [1 = 8672,8 y = -5223,6 7,79 14,07 +
10 Weibull a = 167,17 ß = 3482,6 8,22 14,07 +
11 The normal a = 20,422 \i = 3457,7 8,27 14,07 +
12 Relej a = 47,095 y = 3410 10,3 14,07 +
13 Weibull a = 167,17 ß = 3482,6 8,22 14,07 +
14 Normal a = 18,744 n = 3484,1 4,5 14,07 +
15 Logistic a = 5,8694 ß = 81,562 y = 3412,9 30,92 14,07 -
16 Normal a = 17,325 n = 3502,9 6,31 14,07 +
17 Normal a = 16,13 |j, = 3523,2 4,81 14,07 +
18 Beta ocj =1,6859 a2 =1,5137 a = 3438,6 b = 3551,7 21,08 14,07 -
19 Log - logistical a = 210,49 ß = 3486,2 29,06 14,07 -
20 Weibull a = 257,83 ß = 3523,6 31,01 14,07 -
21 Logistic a = 34,463 ß = 468,03 y = 3026,9 12,69 14,07 +
22 Erlang m = 380 ß = 1,7967 y = 2796,6 33,70 14,07 -
23 Weibull a = 150,64 ß = 3490,1 31,01 14,07 -
24 Log - logistical a = 218,6 ß = 3466,0 3,46 14,07 +
Fig.3 shows the correlation plot of voltage on buses 3.3 kV on traction substations. We can see that they contain explicitly expressed periodic structure. So, the original signal contains nonran-dom periodic structure. By means of the Fourier analysis it's demonstrated that harmonics with maximum amplitudes in the range to 1 Hz, first of all, have periods 24, 12, 8 and 4 hour. This approach also became the methodological basis for description of regularity of voltage changes on buses of the DC traction substations [5].
©SychenkoV. G., 2013
The analysis of experimental researches of voltage harmonics
The analysis of the experimental data shows that the spectrum of the rectified voltage on 3,3 kV buses of the traction substations contains a wide spectrum of the harmonics, including canonical and not canonical harmonics. So, it is actually impossible to establish a connection between changing of operational modes of traction substations and spectrum, as well as to assess the level of mutual influence of external power supply system and traction one. As an example, fig. 4-9 shows the typical spectrums of voltage 3.3 kV in different modes of traction substation equipment.
-0.2 --
-0.4 -L
Pic. 3. Autocorrelation functions of voltage on buses 3,3 kV for the different substations
SCO 10» 1M0 1 400 16« 1SOO 2000
Pic. 4. Spectrum of Voltage 3,3 kV, rectified mode
........— —................-........-........-........-........;........-.........
.....
30t........i-
25 ■ ........
15 .........7
--------:--------;--------;
........i........:........i
--------;--------1--------1---------
........:........i........i.........
.............;........;........;........f-
..................;..................
........t........i........\.........
:: :
ni ilhLilliii.
600 800 1 000 1 200 1 4 F.TM
1 600 1 800 2 000
Pic. 5. Spectrum of voltage 3,3 kV, invertor mode
5040 ........:— ■— ^.......
3530 ........r.-.g.-.r.......
25- ■
20 ........r-l-r.......
15 ............■----5-.......
10- ■--
-LL
........
-;—i-
200 400 600
.......;..... :
—L
— l-i -I
800 1 000 1 200 1 400 1 BOO 1 800 2 000 F.TK
Pic. 6. Spectrum of voltage 3,3 kV, rectified mode (The filter is disconnected)
Î 50
IL
UJ
--------i--------:
..!........:
lir
Jlii-.lln.
il
âL
200 WO
800 1 000 1 200 1 400 F.ru
Pic. 7. Spectrum of voltage 3,3 kV, invertor mode (The filter is disconnected)
i .....' .......................
> ■h........ • mLu. "i-
.!■i.i.l.■■!
\ .1.1 ;
O 200 400 S00 SOO 1 000 1 200 1 400 1 600 1 BOO 2000
F.rH
Pic. 8. Spectrum of voltage 3,3 kV, invertor mode 11/16/2007 11:10 (the filter is switched on 2 elements)
■....... i ........;..........................
........!
.........:--- ;
........j........
lll.ll .llll......lll.lllll.llllllllllll
Pic. 9. Spectrum of voltage 3,3 kV, forced mode (the traction load is disconnected)
©SychenkoV. G., 2013
The analysis of experimental researches of voltage harmonics
Analysis of the long-term results of experimental studies of the voltage modes on DC railways performed at the Department of "Power supply of railways" allows to make the following conclusions:
- the voltage modes on buses of the traction substations, as well as on feeders of traction substation are defined by random factors and have a weak correlation between each others;
- the numerical characteristics of the distribution laws of AU differ only a little between each others for each of the given substantions. Thus, their empirical distributions have the symmetric shape. Investigation of the voltage distribution law for all interval is a complex task. Therefore, it's better using the analytical expressions in the polynomial form for the tasks of the regulation of modes on traction lines;
- the spectrum of rectified voltage on 3,3 kV buses of traction substations contains a wide amount of harmonics including canonical and not canonical ones. Thus, it's actually impossible to find out a correlation between changing of operational modes of traction substations and spectrums.
Internal reviewer Kuznetsov V. G.
REFERENCES
1. Sychenko V. G. Pokaznyky jakosti elektrozh-yvlennja u tjagovyh merezhah postijnogo strumu [Quality Indicators traction power in DC networks]. Praci Incty-tutu elektrodynamiky NAN Ukrai'ny. Special'nyj vypusk Chastyna 2 [Proceedings Intstytutu Electrodynamics of NAS of Ukraine. Special Issue. Part 2], 2011, pp. 5-13.
2. Miroshnichenko R. I. Rezhimy raboty elektrifitsirovannykh uchastkov [Modes electrified sections]. Moscow, Transport Publ., 1982. 207 p.
3. Markvardt G.G. Primenenie teorii veroyatnostey i vychislitel'noy tekhniki v sisteme energosnabzheniya [Application of probability theory and computer technology in the power supply system], Moscow, ransport Publ., 1972. 224 p.
4. Dovgalyuk O. M. Otsenka zakona raspredeleni-ya funktsii napryazheniya v pitayushchikh elektrich-eskikh setyakh [Evaluation of the distribution law of the stress function in the supply of electrical networks]. Svitlotekhnika ta elektroenergetika - Light and electricity, 2008, no.l, pp.70-75.
5. Sychenko V. G. Metodologiya modelirovaniya otkloneniy napryazheniya v podsistemakh tyagovogo elektrosnabzheniya postoyannogo toka [Modeling methodology voltage deviations in the subsystems of the traction power supply DC]. Girnicha elektromekhanika ta avtomatika. Naukovo-tekhnichniy zbirnik NGU [Mining Electromechanics and Automation. Scientific and technical collection NMU], 2012, no.89, pp.48-53.
External reviewer Denisuk S. P.
Voltage is one of the parameters of the traction power grid mode, and affects the energy performance of its functioning. Characteristics of electricity transmission networks are pulling for a change of the consumers and change their operation modes, restrictions imposed by train each other depending on their relative position, as well as limitations due to ensuring the transportation process. Voltage level at the traction substation buses and hence on the current collectors locomotives, depends not only on changes in traction load, but also from changes in load and foreign consumers district energy system, while the nature of factors that affect the voltage is nonlinear and non-stationary. At the same voltage level as an indicator of the quality of the functioning of the traction power supply system must be regarded as a parameter, which optimizes the transmission and consumption of electricity for electric rolling stock. In this regard, the regulation voltage in traction network has always been one of the most important practical tasks. To answer how to manage stress regime in the traction power supply system can be divided into three groups: local, zonal control and centralized management. Their use is intended to achieve the overall optimum. The development of modern computing technology provides the possibility of recording the parameters modes networks with more accurate and high-speed devices, and also used for data processing and rapid means of modern microprocessor and computer technology. This allows spanning more productively use the results to adjust the parameters of their operation modes. When running on energy saving measures today questions of optimal control mode voltage are of particular relevance. For optimum operation control traction networks necessary to perform analysis of their functioning in real time. One component of this process is an assessment of the law of distribution bus voltage traction substation, as one of the main parameters of the regime.
Keywords: voltage quality, direct current, traction load, substation, statistic, distribution law.
© Sychenko V. G., 2013
УДК 621.321, 621.311
В. Г. СИЧЕНКО (ДНУЗТ)
Днтропетровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту ¡меш акад. В. Лазаряна, кафедра Електропостачання зал1зниць, вул. Лазаряна 2, Днтропетровськ, Украша, 49010, тел.: (056) 793-19-11, ел. пошта: elsnz@mail.ru
ЯК1СТЬ НАПРУГИ НА ШИНАХ ТЯГОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ П1ДСТАНЦ1Й ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ
Напруга е одним з параметра режиму тяговоТ електричноТ мережу та впливае на енергетичш показники м функцюнування. Особливостями передач! електроенерпТ по тяговм мереж1 е зм1на положения споживачю \ зм1на режимю Тх роботи, обмеження, що накладаються поТздами один на одного залежно вщ Тх взаемного ро-зташування, а також обмеження пов'язаш, загалом, ¡з забезпеченням перев1зного процесу. Ртень напруги на шинах тяговоТ пщстанци ¡, отже, на струмоприймачах електровозт, залежить не лише вщ змши тягового на-вантаження, але \ вщ змши навантаження районних споживачт \ живлячоТ енергосистеми, при цьому характер чинниюв, що впливають на напругу, е нелшмним \ нестацюнарним. При цьому ртень напруги, як показ-ник якосп функцюнування системи тягового електропостачання, повинен розглядатися як деякий параметр, що оптим1зуе передачу \ споживання електроенерпТ для електрорухомого складу. У зв'язку з цим регулюван-ня напруги в тяговш мереж1 завжди було одним з важливих практичних завдань. На сьогодшшшй день спо-соби управлЫня режимом напруги в систем! тягового електропостачання можуть бути роздшеш на три групи: мюцеве управлшня, зонне управлшня та централ1зоване управлшня. 1х застосування передбачае досягнення загального оптимуму. Розвиток сучасноТ обчислювальноТ техшки дае можлив1сть реестраци параметра режи-м1в роботи мереж за допомогою бтьш точних та швидкод1ючих прилад1в, а також використовувати для Тх об-робки сучасн1 \ швидкод1юч1 засоби м1кропроцесорноТ \ комп'ютерноТ техн1ки. Це дозволяв бтьше продуктивно використовувати отримаш результати для коригування параметр1в режим1в Тх роботи. В умовах виконува-них на сьогодш заход1в по енергозбереженню питания оптимального керування режимом напруги мають особливу актуальшсть. Для оптимального управлЫня режимами роботи тягових мереж необхщно виконувати анал1з функц1онування Тх в реальному чаа. Одн1ею ¡з складових цього процесу е оцЫка закону розподшу напруги на шинах тяговоТ тдстанци, як одного з головних параметра режиму.
Ключов1 слова: як1сть напруги, поспйний струм, тягове навантаження, пщстанцт, статистика, закон розподшу.
Внутр1шнш рецензент Кузнецов В. Г. Зовшшнш рецензент Денисюк С. П.
Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени акад. В. Лазаряна, Кафедра Электроснабжение железных дорог, ул. Лазаряна 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел.: (056) 793-19-11, эл. почта: elsnz@mail.ru
КАЧЕСТВО НАПРЯЖЕНИЯ НА ШИНАХ ТЯГОВОЙ НАГРУЗКИ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Напряжение является одним из параметров режима тяговой электрической сети, и влияет на энергетические показатели ее функционирования. Особенностями передачи электроэнергии по тяговой сети являются изменение положения потребителей и изменение режимов их работы, ограничения, которые накладываются поездами друг на друга в зависимости от их взаимного расположения, а также ограничения обусловленные, в целом, с обеспечением перевозочного процесса. Уровень напряжения на шинах тяговой подстанции и, следовательно, на токоприемниках электровозов, зависит не только от изменения тяговой нагрузки, но и от изменения нагрузки районных потребителей и внешней энергосистемы, при этом характер факторов, которые влияют на напряжение, является нелинейным и нестационарным. При этом уровень напряжения, как показатель качества функционирования системы тягового электроснабжения, должен рассматриваться как некоторый параметр, который оптимизирует передачу и потребление электроэнергии для электроподвижного состава. В связи с этим регулирование напряжения в тяговой сети всегда было одним из важных практических заданий. На сегодняшний день способы управления режимом напряжения в системе тягового электроснабжения могут быть разделены на три группы: местное управление, зонное управление и централизованное управление. Их применение предусматривает достижение общего оптимума. Развитие современной вычислительной техники обуславливает возможность регистрации параметров режимов работы сетей с помощью более точных и быстродействующих приборов, а также использовать для их обработки современные и быстродействующие средства микропроцессорной и компьютерной техники. Это позволяет болеее производительно использовать полученные результаты для корректировки параметров режимов их работы. При выполняемых на сегодня мероприятий по энергосбережению вопросы оптимального управления режимом напряжения имеют особенную актуальность. Для оптимального управления режимами работы тяговых сетей необходимо выполнять анализ функционирования их в реальном времени. Одной из составляющих этого процесса есть оценка закона распределения напряжения на шинах тяговой подстанции, как одного из главных параметров режима.
Ключевые слова: качество напряжения, постоянный ток, тяговая нагрузка, подстанция, статистика, закон распределения.
УДК 621.321, 621.311
В. Г. СЫЧЕНКО (ДНУЖТ)
Внутренний рецензент Кузнецов В. Г.
Внешний рецензент Денисюк С. П.
© ЗусЬепко V. в., 2013
