СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM OF ELECTRIFIED AC RAILWAYS

Изобретение относится к области электроснабжения железных дорог на переменном токе напряжением 27,5 кВ, в частности к системам контроля и учета электроэнергии в системе тягового электроснабжения.
Для электрических железных дорог переменного тока известна проблема контроля электроэнергии, потребляемой электроподвижным составом от тяговых подстанций, которая заключается в точности ее контроля. Контроль электроэнергии, потребляемой электроподвижным составом от тяговых подстанций, в известных системах осуществляется на всем пути следования электроподвижного состава без учета потребления электроэнергии на движение по отдельному участку между тяговыми подстанциями различных дистанций электроснабжения, что обуславливает его низкую точность.
Известна система энергоснабжения электрифицированного транспорта переменного тока, обеспечивающая питание электроподвижного состава [Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1982. - С.8, 242].
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции, контактную сеть, рельсовые цепи и блок энергодиспетчера.
Каждая тяговая подстанция содержит силовой трансформатор, питающие фидеры, измерительные преобразователи тока и напряжения, устройство для регулирования напряжения.
Тяговые подстанции связаны между собой контактной сетью и рельсовыми цепями. При этом контактная сеть через питающие фидеры соединена с силовым трансформатором тяговых подстанций.
Электроподвижной состав подключен к контактной сети и к рельсовым цепям.
Измерительные преобразователи тока и напряжения включены в питающие фидеры и связаны с блоком энергодиспетчера, соединенным с устройством для регулирования напряжения.
Система электроснабжения работает следующим образом.
Токи от силового трансформатора тяговых подстанций через питающие фидеры по контактной сети протекают к электроподвижному составу и возвращаются от него через рельсовые цепи в силовой трансформатор тяговых подстанций.
В процессе питания электроподвижного состава происходит изменение (в частности, снижение) уровня напряжения в питающих фидерах тяговой подстанции, что регистрируется измерительными преобразователями тока и напряжения. От них информация об измененном уровне напряжения в питающих фидерах поступает в блок энергодиспетчера. Регулирование уровня напряжения в питающих фидерах осуществляется в момент снижения уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного состава до минимально допустимого значения. При этом блок энергодиспетчера дает команду на переключение положения до рационального значения напряжения в устройстве для регулирования напряжения. Регулированием напряжения на силовом трансформаторе тяговой подстанции обеспечивается уровень напряжения в питающих фидерах, а также на электроподвижном составе в пределах допустимых значений.
В промежутках времени между регулированием уровня напряжения в питающих фидерах этот уровень может отличаться от номинального значения, что приводит к снижению скорости движения электроподвижного состава в этих промежутках времени.
Поддержание рационального значения напряжения в питающих фидерах позволяет обеспечить электроснабжение электроподвижного состава.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в значительном промежутке времени между регулированием напряжения до рационального значения в питающих фидерах тяговой подстанции, что приводит к снижению скорости движения электроподвижного состава и к невыполнению графика движения поездов.
Это обусловлено тем, что поддержание требуемых значений напряжения в питающих фидерах тяговой подстанции происходит только в моменты времени, когда этот уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава достигает минимально допустимого значения, т.е. через большие промежутки времени. В течение этих промежутков напряжение на токоприемнике электроподвижного состава может существенно снизиться, что приведет к снижению скорости его движения и к невыполнению графика движения поездов.
Другой недостаток известной системы электроснабжения заключается в отсутствии контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом на движение.
Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, используемая в системе мониторинга инфраструктуры участков железных дорог [Пляскин А.К., Ли В.Н., Кейно М.Ю. Автоматизация оперативного мониторинга участков железных дорог [Текст] / Труды всероссийской научно-практической конференции, 11-12 ноября 2010 г., Хабаровск, ДВГУПС, 2010. - С.33].
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции, контактную сеть, рельсовые цепи, блок энергодиспетчера, блок ГЛОНАСС/GPS, блок контроля тока и блок контроля напряжения.
Каждая тяговая подстанция содержит силовой трансформатор, питающие фидеры, измерительные преобразователи тока и напряжения, устройство для регулирования напряжения.
Тяговые подстанции связаны между собой контактной сетью и рельсовыми цепями. При этом контактная сеть через питающие фидеры соединена с силовыми трансформаторами тяговых подстанций.
Электроподвижной состав подключен к контактной сети и к рельсовым цепям. Блок ГЛОНАСС/GPS, блок контроля тока и блок контроля напряжения установлены на электроподвижном составе и связаны с блоком энергодиспетчера.
Измерительные преобразователи тока и напряжения включены в питающие фидеры и связаны с блоком энергодиспетчера, соединенным с устройством для регулирования напряжения.
Система электроснабжения работает следующим образом.
Токи от силового трансформатора тяговых подстанций через питающие фидеры по контактной сети протекают к электроподвижному составу и возвращаются от него через рельсовые цепи в силовой трансформатор тяговых подстанций.
В процессе питания электроподвижного состава происходит изменение (в частности, снижение) уровня напряжения в питающих фидерах тяговой подстанции, что регистрируется измерительным преобразователем тока и напряжения. Одновременно в блоке ГЛОНАСС/GPS регистрируются координаты текущего местоположения электроподвижного состава, а в блоке контроля напряжения измеряется уровень напряжения на его токоприемнике. Информация о координатах местоположения электроподвижного состава и об уровне напряжения на его токоприемнике передается в блок энергодиспетчера.
С учетом данной информации блок энергодиспетчера дает команду на переключение положения до рационального значения напряжения в устройстве для регулирования напряжения. Регулирование осуществляется в режиме реального времени. Регулированием напряжения на силовом трансформаторе тяговой подстанции обеспечивается уровень напряжения в питающих фидерах, а также на электроподвижном составе в пределах допустимых значений.
В процессе движения электроподвижного состава электроэнергия поступает на него от тяговых подстанций различных дистанций электроснабжения, расположенных на пути движения электроподвижного состава. При этом блок контроля тока и блок контроля напряжения измеряют соответственно ток и напряжение на токоприемнике электроподвижного состава в каждый момент времени. Данная информация передается в блок энергодиспетчера. В блоке энергодиспетчера на основании введенной информации определяется потребление электроэнергии на движение электроподвижного состава на всем пути его следования, что позволяет оценить точность выполнения графика движения поездов. Равенство фактически потребляемой электроэнергии и нормированного значения свидетельствует о выполнении графика движения поездов. Превышение фактически потребляемой электроэнергии над нормированным значением свидетельствует о нарушении выполнения графика движения поездов в результате неправильного содержания пути при исправном электроподвижном составе.
Достоинство известной системы электроснабжения заключается в снижении длительности промежутка времени между регулированием напряжения до рационального значения в питающих фидерах тяговой подстанции, что приводит к обеспечению рационального напряжения в питающих фидерах в режиме реального времени и, как следствие, к выполнению графика движения поездов. Это обусловлено измерением напряжения на токоприемнике электроподвижного состава и питающих фидерах и его регулированием в каждый момент времени. Кроме того, известная система электроснабжения позволяет контролировать потребление электроэнергии электроподвижным составом на движение.
Недостаток известной системы электроснабжения заключается в низкой точности контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом на движение. Это обусловлено тем, что контроль потребляемой электроэнергии осуществляется на всем пути следования электроподвижного состава без учета потребления электроэнергии на движение по отдельному участку между тяговыми подстанциями различных дистанций электроснабжения, что не позволяет определить конкретный участок движения электроподвижного состава с неправильным содержанием пути.
Другим недостатком известной системы электроснабжения является усредненный учет потребляемой электроэнергии от каждой дистанции электроснабжения без определения действительного значения электроэнергии, поставляемой каждой дистанцией электроснабжения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, позволяющей повысить точность контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом на движение, состояния пути и режима работы тяговой сети и тяговых подстанций за счет контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом при движении по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями различных дистанций электроснабжения.
Для решения поставленной задачи в систему электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, содержащую тяговые подстанции, контактную сеть, рельсовые цепи, блок энергодиспетчера, блок ГЛОНАСС/GPS, блок контроля тока и блок контроля напряжения, при этом каждая тяговая подстанция представляет собой силовой трансформатор с питающими фидерами, с измерительными преобразователями тока и напряжения, с устройством для регулирования напряжения, тяговые подстанции связаны между собой контактной сетью и рельсовыми цепями, контактная сеть через питающие фидеры соединена с силовыми трансформаторами тяговых подстанций, блок ГЛОНАСС/GPS, блок контроля тока и блок контроля напряжения установлены на электроподвижном составе, а измерительные преобразователи тока и напряжения включены в питающие фидеры, выход блока энергодиспетчера соединен с устройством для регулирования напряжения, введены блок «И» и устройство для учета электроэнергии, при этом устройство для учета электроэнергии установлено соответственно на каждой тяговой подстанции и на каждом электроподвижном составе, причем на тяговой подстанции вход устройства для учета электроэнергии соединен с выходами измерительных преобразователей тока и напряжения, а выход - с первым входом блока «И», второй вход которого подключен к выходу блока ГЛОНАСС/GPS, третий вход - к выходу блока контроля тока и четвертый вход - к выходу блока контроля напряжения, и выход блока «И» соединен со входом блока энергодиспетчера, а на электроподвижном составе первый вход устройства для учета электроэнергии соединен с выходом блока контроля тока, второй вход - с выходом блока ГЛОНАСС/GPS, третий вход - с выходом блока контроля напряжения, и выход устройства для учета электроэнергии связан с пятым входом блока «И».
Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что система электроснабжения дополнительно снабжена блоком «И» и устройством для учета электроэнергии, при этом устройство для учета электроэнергии установлено соответственно на каждой тяговой подстанции и на каждом электроподвижном составе, причем на тяговой подстанции вход устройства для учета электроэнергии соединен с выходами измерительных преобразователей тока и напряжения, а выход - с первым входом блока «И», второй вход которого подключен к выходу блока ГЛОНАСС/GPS, третий вход - к выходу блока контроля тока и четвертый вход - к выходу блока контроля напряжения, и выход блока «И» соединен со входом блока энергодиспетчера, а на электроподвижном составе первый вход устройства для учета электроэнергии соединен с выходом блока контроля тока, второй вход - с выходом блока ГЛОНАСС/GPS, третий вход - с выходом блока контроля напряжения, и выход устройства для учета электроэнергии связан с пятым входом блока «И».
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Введение в систему электроснабжения новых элементов: блока «И» и устройства для учета электроэнергии, приводящее к образованию новых взаимосвязей между элементами системы электроснабжения, обеспечивает повышение точности контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом на движение, состояния пути и контроля режима работы тяговой сети и тяговых подстанций.
Это обусловлено тем, что в процессе работы системы электроснабжения информация о токе и напряжении на токоприемнике электроподвижного состава в устройстве для учета электроэнергии преобразуется в значение потребления электроэнергии ЭПС на движение и вместе с информацией о координатах текущего местоположения электроподвижного состава и информацией с устройства для учета электроэнергии тяговой подстанции передается в блок «И», где преобразуется в значение потребления электроэнергии электроподвижным составом на движение по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями, что повышает точность контроля измеряемых параметров для корректного их регулирования, оценки состояния пути и контроля режима работы тяговой сети и тяговых подстанций блоком энергодиспетчера.
Из уровня техники явным образом не следует, что введение в систему электроснабжения новых элементов: блока «И» и устройства для учета электроэнергии, приводящее к образованию новых взаимосвязей между элементами системы электроснабжения, обуславливает повышение точности контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом на движение, состояния пути и контроля режима работы тяговой сети и тяговых подстанций. Следовательно, причинно-следственная связь между существенными отличительными признаками и техническим результатом является новой и не известна в уровне техники. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигуре представлена схема заявляемой системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока, иллюстрирующая и подтверждающая ее работоспособность и «промышленную применимость» на примере системы электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока двухпутного участка.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока содержит тяговые подстанции 1, контактную сеть 2 и рельсовые цепи 3, блок энергодиспетчера 4, блок ГЛОНАСС/GPS 5, блок контроля тока 6 и блок контроля напряжения 7, блок «И» 8 и устройство для учета электроэнергии 9.
Контактная сеть 2 и рельсовые цепи 3 образуют тяговую сеть 10.
Каждая тяговая подстанция 1 содержит силовой трансформатор 11, четыре питающих фидера 12, устройство для регулирования напряжения 13 и четыре измерительных преобразователя тока и напряжения 14.
Тяговые подстанции 1 связаны между собой тяговой сетью 10. При этом контактная сеть 2 через питающие фидеры 12 соединена с силовыми трансформаторами 11 тяговых подстанций 1. В питающие фидеры 12 включены измерительные преобразователи тока и напряжения 14.
Электроподвижной состав 15 подключен к контактной сети 2 токоприемником 16, а к рельсовым цепям 3 - колесными парами 17. Блок ГЛОНАСС/GPS 5, блок контроля тока 6 и блок контроля напряжения 7 установлены на электроподвижном составе 15.
Устройство для учета электроэнергии 9 установлено на каждой тяговой подстанции 1 и на каждом электроподвижном составе 15.
На тяговой подстанции 1 вход устройства для учета электроэнергии 9 соединен с выходами измерительных преобразователей тока и напряжения 14, а выход - с первым входом блока «И» 8. Второй вход блока «И» 8 подключен к выходу блока ГЛОНАСС/GPS 5, третий вход - к выходу блока контроля тока 6, четвертый вход - к выходу блока контроля напряжения 7, а выход блока «И» 8 соединен со входом блока энергодиспетчера 4.
На электроподвижном составе 15 первый вход устройства для учета электроэнергии 9 соединен с выходом блока контроля тока 6, второй вход - с выходом блока ГЛОНАСС/GPS 5, третий вход - с выходом блока контроля напряжения 7, выход устройства для учета электроэнергии 9 связан с пятым входом блока «И» 8.
Система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока работает следующим образом.
i
i+1
Токи от силового трансформатора 11 смежных тяговых подстанций 1 (ТП, ТП) через питающие фидеры 12 по контактной сети 2 протекают к электроподвижному составу 15 и возвращаются от него через рельсовые цепи 3 в силовой трансформатор 11 тяговых подстанций 1. При этом значения токов тяговых подстанций 1, протекающих к электроподвижному составу 15, обратно пропорциональны сопротивлению тяговой сети 10 от тяговых подстанций 1 до электроподвижного состава 15.
В процессе питания электроподвижного состава 15 происходит изменение (в частности, снижение) уровня напряжения в питающих фидерах 12 тяговой подстанции 1. Значение напряжения и тока в питающих фидерах 12 тяговой подстанции 1 в каждый момент времени регистрируется измерительными преобразователями тока и напряжения 14. Данная информация от измерительных преобразователей тока и напряжения 14 передается в устройство для учета электроэнергии 9.
i
i+1
i
i+1
Устройство для учета электроэнергии 9 определяет общий расход электроэнергии W и W смежных тяговых подстанций 1 на питание электроподвижного состава и передает значения W и W в блок «И» 8.
ЭПС
ЭПС
э
Одновременно в блоке ГЛОНАСС/GPS 5 регистрируются координаты Х, Y текущего местоположения электроподвижного состава 15, а в блоках контроля тока 6 и напряжения 7 измеряются соответственно ток и напряжение на его токоприемнике 16. Координаты текущего местоположения передаются в блок «И» 8. Ток и напряжение на токоприемнике электроподвижного состава 15 поступают в устройство для учета электроэнергии 9, где преобразуются в значение потребления электроэнергии W электроподвижным составом на движение, передаваемого в блок «И» 8.
ЭПС
ЭПС
э
э.i,i+1
i
i+1
В блоке «И» 8 на основании координат X, Y текущего местоположения электроподвижного состава, а также значения W определяется потребление электроэнергии W на движение электроподвижного состава 15 по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями 1 (ТП, ТП).
i
i+1
э.i,i+1
Из блока «И» 8 значения напряжения в питающих фидерах 12 тяговой подстанции 1, значение общих расходов электроэнергии W и W по тяговым подстанциям 1, а также значение W передаются в блок энергодиспетчера 4.
При поступлении информации в блок энергодиспетчера 4 он осуществляет следующее.
Во-первых, блок энергодиспетчера 4 с учетом информации об уровне напряжения в питающих фидерах 12 тяговой подстанции 1 дает команду на переключение положения до номинального значения напряжения в устройстве для регулирования напряжения 13, которое обеспечивает уровень напряжения в питающих фидерах 12 силового трансформатора 11 тяговых подстанций 1, а также на электроподвижном составе 15 в пределах допустимых значений. В устройстве 13 регулирование осуществляется в режиме реального времени.
Это позволяет контролировать уровень напряжения в питающих фидерах 12 тяговой подстанции 1 и осуществлять его регулирование в каждый момент времени, что повышает точность выполнения графика движения поездов.
э.i,i+1
Во-вторых, блок энергодиспетчера 4 на основании информации о потреблении электроэнергии Wэлектроподвижным составом 15 на движение по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями 1 определяет доли, приходящиеся на тяговые подстанции 1 различных дистанций электроснабжения.
Это позволяет определить действительные значения поставляемой электроэнергии каждой дистанцией электроснабжения, что повышает точность контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом 15 по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями 1.
э.i,i+1
э.i,i+1
Повышение точности контроля потребления электроэнергии электроподвижным составом 15 по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями 1 позволяет оценить состояние пути и выполнение электроподвижным составом 15 графика движения поездов при движении по участку между смежными тяговыми подстанциями 1. Равенство фактически потребляемой электроэнергии W и ее нормированного значения  свидетельствует о выполнении графика движения поездов. Многократное превышение фактически потребляемой электроэнергии W над нормированным значением  при движении электроподвижного состава 15 на этом участке свидетельствует о нарушении выполнения графика движения поездов в результате неправильного содержания пути при исправном электроподвижном составе 15.
i
i+1
э.i,i+1
В-третьих, блок энергодиспетчера 4 по известным значениям информации об общих расходах электроэнергии W и W смежных тяговых подстанций 1, а также потреблению электроэнергии W электроподвижным составом 15 на движение по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями 1 определяет значение уравнительных токов в тяговой сети 10.
Значение потерь электроэнергии ΔW в тяговой сети 10 находится по известным формулам.
i
i
э.i,i+1
где W - общий расход электроэнергии по тяговой подстанции 1 ТП; W - потребление электроэнергии электроподвижным составом 15 на движение по отдельному участку между смежными тяговыми подстанциями 1.
0
д
Структура потерь электроэнергии ΔW в тяговой сети включает потери электроэнергии на тягу поездов ΔW и дополнительные потери электроэнергии ΔW.
0
д
ΔW=ΔW+ΔW.
0
о
д
Потери электроэнергии на тягу ΔW зависят от нагрузок электроподвижного состава 15, графиков движения и находятся расчетным путем. На основании известных потерь электроэнергии ΔW в тяговой сети 10 и потерь электроэнергии на тягу ΔW определяются дополнительные потери электроэнергии ΔW, которые обусловлены уравнительным током в тяговой сети 10.
д
эу
тс
2
ΔW=(I)RT.
эу
тс
где I - эффективное значение уравнительного тока; R - активное сопротивление тяговой сети 10; T - расчетный период.
Известные значения дополнительных потерь электроэнергии позволяют определить эффективное значение уравнительного тока в тяговой сети 10.
,
Значение уравнительного тока позволяет судить о режиме работы тяговой сети 10 и тяговых подстанций 1.
В случае значительной разности напряжений на шинах смежных тяговых подстанций 1 в тяговой сети 10 протекают большие значения уравнительных токов, что вызывает перегрузку тяговой сети 10, питающих фидеров 12 тяговых подстанций 1 и силовых трансформаторов 11, нарушение работы устройств релейной защиты и автоматики и может привести к невозможности питания электроподвижного состава 15 по схеме двухстороннего питания.
Кроме того, известные значения уравнительного тока позволяют определить коэффициенты эффективности схем питания на расчетный интервал, произвести оценку их качества и выбрать рациональную схему, обеспечивающую напряжение в контактной сети 2 в пределах допустимых значений, а также минимум дополнительных потерь электроэнергии.