СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ, СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРОВОЗОВ
METHOD OF SIMULATION MODELING IN REAL TIME OF THE JOINT WORK OF ELECTRIC POWER SYSTEMS, TRACTION POWER SYSTEMS AND ELECTRIC LOCOMOTIVES

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к электроэнергетике, электротехнике, информационным технологиям и может быть использовано для моделирования движения поездов на магистральных и пригородных железных дорогах, промышленного транспорта, метрополитенов и городского транспорта. Необходимость построения программно-аппаратного комплекса имитационного моделирования в реальном времени совместной работы электроэнергетических систем, систем тягового электроснабжения, а также электровозов и электропоездов определяется тем, что при создании или модернизации любых электрических транспортных систем большое значение имеет правильный выбор всех элементов системы тягового электроснабжения и режимов движения поездов. Для решения этих задач необходимо в системах электроснабжения различного уровня учитывать движение множества перемещающихся нагрузок в виде электрического транспорта и при этом исследовать не только механические процессы движения электрического транспорта, но и электромагнитные процессы взаимодействия электрического транспорта с системой тягового электроснабжения и электроэнергетической системой, а также взаимное их электромагнитное влияние друг на друга.
Для правильного выбора режимов движения (тяга, выбег, рекуперация) также необходимо знать положение всех поездов на участке и особенности их взаимодействия с системой тягового электроснабжения.
«Уровень техники»
За прототип взят существующий в настоящее время вычислительный комплекс реального времени, имеющийся на кафедре «Электропоезда и локомотивы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II» (л-1). Этот вычислительный комплекс реального времени (Фиг. 1) образован тремя подсистемами, взаимодействующими между собой по каналам аналогового и цифрового ввода/вывода, а также по сетевым каналам стандарта TCP/IP. Верхний уровень выполняет моделирование электромагнитных процессов и состоит из персонального компьютера ПК и вычислительной платформы реального времени ВПРВ. В прототипе ВПРВ реализована на базе системы RT-lab канадской фирмы Opal-RT. ВПРВ оборудована устройствами сопряжения с объектом (УСО-1), включающими многоканальные аналогово-цифровые (АЦП-1) и цифроаналоговые (ЦАП-1) преобразователи, а также устройства цифрового ввода (ЦВВ-1) и цифрового вывода (ЦВЫВ-1). Программа расчёта составляется в ПК. В прототипе программа расчёта составляется в среде программного пакета Matlab/Simulink.
К УСО-1 подключается аппаратная часть комплекса в виде микроконтроллера МК, имитирующего внешнюю систему управления объектом. В прототипе МК реализован на базе промышленного микроконтроллера CompactRIO фирмы National Instruments. К третьему уровню относится система отображения и обработки сигналов, включающая в себя дисплей и модульную измерительную систему ИС. В прототипе ИС реализована на базе промышленного компьютера PXI фирмы National Instruments. Таким образом, в состав программно-аппаратного комплекса входит четыре различных типа вычислительных машин.
На ВПРВ сохраняются модели системы первичного и тягового электроснабжения. К модели тяговой сети подключены модели двух электровозов, работающих в режиме тяги и рекуперативного торможения. Система управления электровозами с реализацией реально действующих на сегодняшний момент внутренних алгоритмов их работы, выполнена на МК и ИС.
Недостатком прототипа является отсутствие перемещения электровозов, ограниченное их число в две единицы, ограниченная длина участка обращения (одна межподстанционная зона), неполный учёт всех особенностей работы системы управления электропоездов, заключающийся, например, в реализации только двигателей постоянного тока, отсутствие контроля буксования и езды юзом и т.д. Реализация множества единиц электровозов и увеличение длины участка обращения потребует существенного повышения вычислительной мощности ВПРВ, однако даже это не позволит максимально точно производить моделирование в силу погрешностей численной реализации алгоритмов управления электромагнитными, электромеханическими и механическими процессами в каждом электровозе.
С этой целью следует модернизировать вычислительный комплекс реального времени (л-1), дополнив его блоками, моделирующими электромагнитные, электромеханические и механические процессы в каждой единице электрического транспорта. Количество таких блоков должно соответствовать количеству единиц электрического транспорта, которые могут одновременно находиться на участке обращения в соответствие с пропускной способностью этого участка. Эти блоки должны содержать модели движения единицы электрического транспорта по профилю реального участка и реальными блоками, моделирующими процессы, происходящие в каждой единице электрического транспорта при её движении по расчётному участку.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом заявляемого объекта является максимально точное представление единицы электрического транспорта, перемещающейся по реальному профилю, и отработкой всех алгоритмов управления электромагнитными, электромеханическими и механическими процессами, реализуемыми с помощью реальных физических микроконтроллеров, используемых в электрическом транспорте в настоящее время. Единая модель систем электроснабжения различного уровня с учётом движения множества перемещающихся нагрузок по участку обращения в виде электрического транспорта, механических процессов движения электрического транспорта, электромагнитных процессов взаимодействия электрического транспорта с системой тягового электроснабжения и электроэнергетической системой, а также взаимного их электромагнитного влияния друг на друга позволят максимально точно вести расчёты и исследования силовых элементов системы тягового электроснабжения и обеспечить корректный выбор их параметров, а также осуществлять качественный выбор режимов движения поездов.
Для достижения вышеуказанного технического результата предложен способ имитационного моделирования в реальном времени совместной работы электроэнергетических систем, систем тягового электроснабжения и электровозов, заключающийся в совместном использовании четырёх взаимодействующих подсистем в виде персонального компьютера, вычислительной платформы реального времени, микроконтроллера управления объектом и системы отображения и модульно-измерительной системы обработки сигналов, отличающийся тем, что в нём предусмотрено использование группы единиц электрического транспорта в количестве более двух, при этом каждая единица электрического транспорта представлена отдельным программно-аппаратным блоком.
Согласно заявленному способу количество блоков единиц электрического транспорта выбирают равным количеству одновременно находящихся на участке обращения в соответствие с пропускной способностью этого участка единиц электрического транспорта.
Согласно заявленному способу блоки единиц электрического транспорта снабжают моделями процессов движения единицы электрического транспорта по профилю расчётного участка, электромагнитных, электромеханических и механических процессов.
«Краткое описание чертежей»
На Фиг. 1 представлен вычислительный комплекс реального времени согласно прототипу.
На Фиг. 2 представлен модернизированный вычислительный комплекс реального времени согласно настоящему изобретению.
«Осуществление изобретения»
Заявляемый способ иллюстрируется чертежом на Фиг. 2. В новом варианте вычислительного комплекса реального времени модели единицы электрического транспорта (ЕЭТ) выполнены в виде отдельных вычислительных блоков БМЕЭТ, которые соединены с моделью тяговой сети через каналы УСО-1. БМЕЭТ содержат процессоры, моделирующие в реальном времени все электромагнитные и электромеханические процессы, происходящие в силовой электрической схеме ЕЭТ и тяговых электродвигателях, а также механические процессы движения по участку.
Вычислительное устройство, имитирующее работу БМЕЭТ, выполняется на базе материнской платы (МП) персонального компьютера (Фиг. 2), дополненной графическим процессором, работающим в режиме высокопроизводительных вычислений (ГП), что повышает быстродействие вычислительной системы БМЕЭТ более чем на порядок. Кроме того, к МП подключаются два устройства связи с объектом - УСО-2 для связи с ВПРВ и УСО-3 для связи с микроконтроллером (МК), реализующим функции управления ЕЭТ. УСО-2 и УСО-3 выполняются в такой же комплектации, как и УСО-1.
Для решения задач управления каждый БМЕЭТ должен быть оборудован своим микроконтроллером (МК), содержащим помимо процессорной расчётной части (МПР) и ещё своё устройство связи с объектом УСО-4 (ответная часть для УСО-3) в такой же комплектации, как и УСО-1.
Таким образом, в БМЕЭТ реализуется виртуальная замкнутая микропроцессорная система моделирования и автоматического управления, содержащая управляющее устройство, реализованное на базе МПР, исполнительное устройство и объект управления на базе МП и ГП. В качестве исполнительного устройства используются модели тягового трансформатора и силового полупроводникового преобразователя, а в качестве объекта управления - модели тяговых электродвигателей ЕЭТ.
Реализация модернизированного вычислительного комплекса реального времени может быть выполнена на базе следующих компонентов:
- ВПРВ на базе системы RT-lab фирмы Opal-RT;
- МК на базе промышленного микроконтроллера CompactRIO фирмы National Instruments;
- ИС на базе промышленного компьютера РХ1фирмы National Instruments;
- МП любого типа с шиной PCI-Express 16х для установки ГП, встроенной графикой, сетевой картой, интерфейсом USB 2.0 и выше;
- ГП на базе графической карты NVidia TitanX или специализированных вычислительных систем NVidia Tesla K20, K40, K80;
- МПР на базе микроконтроллера 1986ВЕ94Т;
- УСО-1,2,3,4 (АЦП, ЦАП, ЦВВ, ЦВЫВ) на базе LTR-крейта LTR EU-8 с платами расширения LTR-41, LTR-42, LTR-27, LTR-34.
Источники информации
1. Савоськин А.Н., Чучин А.А., Болдин Д.И., Телегин М.В. Исследование электромагнитных процессов в электрической железной дороге переменного тока на базе вычислительного комплекса реального времени // Вестник ВЭл-НИИ. - 2011. т. 1 (61). - С. 23-38.