Анализ эффективности возврата электроэнергии в контактную сеть при рекуперативном торможении электроподвижного состава на основе данных маршрутов машинистов

рекуперативном торможении по счетчикам электровоза - 1390 кВт-ч, что составляет 20,6 % от расхода на тягу, удельная рекуперация - 28,3 кВт-ч / 104 ткм брутто.

2. По данным за 2010 г. по тяговому плечу в направлении ТП 1 - ТП 8 проводится девять пар грузовых поездов в сутки, т. е. 3285 поездов в год. Таким образом, возврат электроэнергии при рекуперативном торможении по опытным данным может составить 4 566 150 кВт-ч, или при действующем тарифе на электроэнергию на тягу поездов 2,06 р. / кВт-ч экономия за счет использования рекуперации в направлении ТП 1 - ТП 8 составит 9,4 млн р. в год.

3. На участке ТП 6 - ТП 7 расход электроэнергии составил 680 кВт-ч, возврат электроэнергии - 250 кВт-ч (36,8 %), на участке ТП 7 - ТП 8 расход составил 620 кВт-ч, возврат -320 кВт-ч (51,6%).

4. Экспериментальные исследования распределения потоков мощностей электрической энергии в режимах тяги и рекуперации показали следующее:

рекуперируемая электровозом электрическая энергия частично была возвращена в энергосистему и частично была потреблена на собственные нужды подстанции;

небаланс между отпущенной по межподстанционным зонам и потребленной электрической энергией электровозом составил 7,0 %;

небаланс между рекуперируемой электроэнергией электровозом и принятой подстанцией составил 8,4 %.

5. Выполнен сравнительный анализ показателей качества электрической энергии в режимах максимальной тяговой нагрузки и возврата электроэнергии. Анализ результатов проведенного сравнения показывает, что при возврате электрической энергии показатели качества электроэнергии сопоставимы с показателями качества электроэнергии в режиме тяги. Таким образом, неудовлетворительное качество электрической энергии, вызванное влиянием системы тягового электроснабжения, не может являться основанием для отказа принятия сальдированного учета электроэнергии.

6. Проведена оценка загрузки трансформаторов тока. Полученные в ходе экспериментальных исследований данные позволяют сделать вывод о том, что токи избыточной энергии рекуперации, возвращаемой в сеть общего назначения, превышают минимальный порог в 5 %. Следовательно, загрузка трансформаторов тока присоединений, на которых установлены приборы учета в режиме возврата электроэнергии, удовлетворяет требованиям правил устройства электроустановок.

УДК 629.423.1

А. И. Давыдов

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗВРАТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В КОНТАКТНУЮ СЕТЬ ПРИ РЕКУПЕРАТИВНОМ ТОРМОЖЕНИИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ МАРШРУТОВ МАШИНИСТОВ

Статья посвящена описанию методики анализа эффективности возврата электроэнергии в контактную сеть при рекуперативном торможении на электровозах переменного и постоянного тока по данным маршрутов машинистов.

В настоящее время актуален вопрос о повышении эффективности работы железнодорожного транспорта на основе внедрения ресурсосберегающих технологий перевозок. Применение режима рекуперативного торможения является важнейшей составляющей энергосбережения. В современной литературе рассматриваются различные схемотехнические решения для повышения эффективности рассматриваемого режима, однако при этом не уделя-

06301360

ется должного внимания анализу достигнутых результатов с целью выявления возможностей повышения количества электрической энергии, возвращаемой в контактную сеть при рекуперативном торможении.

Анализ, проведенный специалистами Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТа), Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПСа) и Восточно-Сибирской железной дороги в 2005-2007 гг., показал, что существует ряд причин субъективного и объективного характера, тормозящих применение рекуперации. Ее использование затрагивает интересы многих служб: движения, электроснабжения, локомотивной, пути, вагонного хозяйства, автоматики и телемеханики, связи. Различные подразделения железных дорог имеют как положительные, так и отрицательные примеры влияния данного вида электрического торможения на их эксплуатационные показатели. Комплекс факторов, определяющих необходимость применения рекуперативного торможения, приведен в схематическом виде на рисунке 1.

Факторы, определяющие целесообразность применения рекуперативного торможения

Хозяйство движения Локомотивное хозяйство Хозяйство электроснабжения Вагонное хозяйство

Повышение безопасности движения поездов

Увеличение пропускной способности участков железных дорог

Снижение времени обработки составов после спуска

Ускорение оборота локомотивов и вагонов

Снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов

Повышение технической скорости движения

Увеличение

среднесуточного пробега и

производительности

локомотива

Снижение времени простоя локомотива с поездом на станциях оборота_

Экономия электрической энергии

Экономия тормозных колодок

Экономия на обточке колесных пар вагонов

Рисунок 1 - Комплекс факторов, определяющих целесообразность применения рекуперативного торможения

Комплексная оценка влияния всех факторов в общем технико-экономическом эффекте позволяет сделать вывод о целесообразности применения режима рекуперативного торможения.

Разработанный на кафедре «Прикладная математика и механика» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПСа) метод анализа эффективности рекуперации по данным маршрутов машинистов основан на сравнительной оценке показателей результативности возврата электроэнергии на различных уровнях интеграции данных об энергопотреблении: на уровне железной дороги (рисунок 2, а) и на уровне локомотивного депо (рисунок 2, б).

Первоисточником данных об эксплуатационной работе, затратах энергии на тягу и возвращенной электроэнергии при рекуперативном торможении являются маршруты машинистов (ММ), интегрированная обработка которых осуществляется в специальной автоматизированной системе (АС ИОММ) в информационно-вычислительных центрах железных дорог. Данные АС ИОММ служат основой для составления отчетов форм ТХО-1 и ТХО-9, которые могут быть использованы при проведении анализа эффективности применения рекуперации. При этом следует иметь в виду, что в случае сомнительных показаний счетчика моторного

=ИВНЕСТИЯ Транссиба 57

режима расход электроэнергии принимается равным начисленной по поездке норме, что не всегда адекватно отражает фактическое энергопотребление и может привести к искажению результатов исследования. Более широкие возможности для анализа результативности возврата электроэнергии при рекуперативном торможении дает специальный отчет в программном комплексе анализа расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов (ПК АРТЭР), разработанном на кафедре «Прикладная математика и механика» Омского государственного университета путей сообщения и внедренном в 2009 г. во всех локомотивных депо Западно-Сибирской железной дороги. Окно параметров отчета приведено на рисунке 3.

Железная дорога

Локомотивное депо 1

Поездоучасток 1

Поездоучасток 2

Поездоучасток 3

Локомотивное депо 2

Поездоучасток 3

Поездоучасток 4

Поездоучасток 5

Локомотивное депо N

Поездоучасток К

Поездоучасток М

Поездоучасток С)

Рисунок 2 - Уровни анализа эффективности рекуперации: а - железная дорога; б - локомотивное депо

В настоящее время в качестве показателя для оценки использования режима возврата электроэнергии широко применяется отношение энергии на /-м уровне исследования, возвращенной электровозами при рекуперации, к энергии, затраченной на тягу, выраженное в процентах [1]:

2Х

К т

^--100

к

^ ^Л т

т=1

где }¥я т - величина возврата электроэнергии при рекуперативном торможении по маршруту машиниста, кВт-ч;

IVл т - полный расход электроэнергии по ММ, кВт-ч; к - количество исследуемых маршрутов машинистов.

58 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— м;01'5)

06301360

Рисунок 3 - Вид окна параметров отчета по рекуперации в ПК АРТЭР

Однако наличие случаев недостоверных результатов данных по ММ (неисправный моторный счетчик или его отсутствие, случайное или умышленное искажение его показаний) может привести к получению некорректных значений этого показателя и к неверным выводам по результатам анализа. Поэтому более адекватным показателем эффективности применения рекуперативного торможения является удельная рекуперация - отношение величин возврата электроэнергии к тоннокилометровой работы:

№

т= 1

Ш).

т=1

где {ОЦт - тоннокилометровая работа, 104 ткм брутто.

Этот показатель является базовым при предлагаемом методе анализа эффективности применения рекуперативного торможения, обобщенная графическая схема алгоритма данного анализа приведена на рисунке 4. Выход из алгоритма возможен практически на любом этапе вычислительного процесса в зависимости от поставленных целей и глубины анализа. В блоках сравнения, отмеченных знаком «*», на каждом уровне обозначена операция выделения группы анализируемых объектов, которые отклоняются от заданного критического значения.

Оценивать объемный показатель применения рекуперативного торможения в целом по структурному подразделению (железной дороге) целесообразно по величине доли тоннокилометровой работы по маршрутным листам с использованием рекуперации относительно работы в целом по виду тяги:

ит,

/=1

1 V

1>=1

где ТУ - общее количество ММ в целом по виду тяги; АТр - количество ММ с рекуперацией.

Рисунок 4 - Обобщенная графическая схема алгоритма анализа эффективности рекуперации

Рассмотрим особенности реализации описываемого алгоритма на примере одного из локомотивных депо Урало-Сибирского региона. Из генеральной совокупности ММ в электрической тяге за июль 2009 г., включающей в себя около 8 тыс. элементов, отберем только те, в которых использовалось рекуперативное торможение, обозначим выборку Оь Для этой выборки на рисунке 5 приведена диаграмма, показывающая распределение по видам движения этих маршрутных листов, а также основных объемных показателей в рассматриваемом структурном подразделении.

99

Е 95

93

89

87

85

Кол-во ММ

Работа

Расход э/э

Рекуперация

- СБ;

Рисунок 5 - Вклад видов движения в формирование объемных показателей (ГР - грузовое; ПС - пассажирское; ПВ - передаточно-вывозное;

СБ - сборное; ХЗ - хозяйственное)

Диаграммы на рисунке 5 свидетельствуют о том, что максимум всех параметров приходится на грузовой вид движения, поэтому для дальнейшего анализа отберем только ММ в этом виде движения на локомотивах одной серии с исправными моторными счетчиками и с нулевой величиной пробега в одиночном следовании, этот набор данных насчитывает 1766 элементов, обозначим его О.2. По полученной выборке вычисляется значение эффективности

рекуперации по формуле (2), в рассматриваемом депо оно составило 6,1 кВт-ч /10 ткм брутто. Полученную выборку разобьем на кванты. Для определения числа интервалов группирования воспользуемся эвристической формулой Старджесса [2]:

к=[1 + 1о82М'р],

где М'р — число элементов полученной выборки 0.2-

Для выборки 0.2 к= 12. Гистограмма распределения значений удельной рекуперации для рассматриваемого примера приведена на рисунке 6.

35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0

407

29,7

12.1

-

3,5 2,4 1 8 1 4 2,2

I I I Ii-Ii-1 I-1

Рисунок 6 - Гистограмма интервального распределения значений эффективности рекуперации

Гистограмма на рисунке 6 свидетельствует о том, что в интервал [4,1; 7,7], содержащий «среднюю» по выборке 0.2 величину эффективности рекуперации, попадает 29,7 % маршрутных листов. В зависимости от заранее определенного критерия наиболее тщательному анализу могут быть подвергнуты случаи как со значениями в интервале [0,5; 4,1), так и с Г.0Ь > у у кВт-Ч / 104 ткм брутто.

Для определения направления дальнейшего анализа на каждом этапе исследования целесообразно учитывать объем тоннокилометровой работы на рассматриваемом уровне исследования. Для этого предлагается использовать комплексный показатель ф], рассчитываемый по формуле:

<Pi

где у, - доля работы в величине работы на вышестоящем уровне исследования в относительных единицах (o.e.).

В таблице 1 приведен пример результатов анализа эффективности применения рекуперативного торможения по поездоучасткам в рассматриваемом депо. По данным таблицы 1 на рисунке 7 построены гистограммы удельной рекуперации и долей работы по участкам работы локомотивных бригад. Данные по формированию структуры удельной рекуперации по депо приведены на рисунке 8.

Таблица 1 - Результаты применения рекуперации по поездоучасткам по выборке ММ

Поездоучасток («ч» - четный, «н» -нечетный) Доля работы по поездо-участку от работы в целом по выборке, o.e. Удельная рекуперация, кВт-ч /104ткм Произведение доли работы на удельную рекуперацию

Зн 0,018 4,00 0,07

Зч 0,221 3,59 0,79

1ч 0,210 3,39 0,71

4н 0,117 3,18 0,37

1 н 0,253 3,06 0,77

2н 0,010 2,58 0,03

2ч 0,010 2,41 0,02

4ч 0,161 1,76 0,28

Всего 1,000 3,06 3,06

Данные таблицы 1 и рисунка 7 позволяют сделать следующие выводы:

1) наибольший вклад в значение эффективности рекуперации по выборке маршрутных листов имеют поезд оучастки Зч, 1н, 1ч, 4ч;

2) наименьшее значение удельной рекупеации наблюдается в четном направлении участка № 4, несмотря на то, что на нем выполняется 16,1 % работы депо. Этот факт свидетельствует о необходимости дальнейшего анализа эффективности применения режима возврата электроэнергии в контактную сеть со стороны специалистов теплотехнического профиля, а также о целесообразности проведения нескольких контрольных поездок по тяговому плечу № 4 с составами различной массы с целью проверки соблюдения и возможной корректировки действующих режимных карт ведения поездов. На основании результатов нескольких поездок можно сделать вывод о потенциале снижения удельного расхода на конкретном участке.

Подобные экспериментальные исследования были проведены специалистами ОмГУПСа на одной из железных дорог России, при этом величина возврата электроэнергии при рекуперативном торможении составила около 20 % от расхода на тягу.

Разработанная методика позволяет выявить резервы повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет применения рекуперативного торможения путем определения комплекса технических и организационных мероприятий.

Квтч

бругг

3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

4,00 I I I I

2,58 2,41 I I

I I

I I I

I I I I

Зч 1ч

Поездоучастки —

Зч 1ч

Поездоучастки —

Список литературы

1. Кучумов, В. А. Рекуперация электроэнергии: достижения и резервы [Текст] / В. А. Ку-чумов, Б. Н. Ребрик // Железнодорожный транспорт. 2002. - № 11. - С. 50-55.

2. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие [Текст] / В. Е. Емурман. - М.: Высшая школа, 2003. - 479 с.

Рисунок 7 - Эффективность рекуперации и долей работы по участкам работы локомотивных бригад депо: а - удельная рекуперация; б - доли работы по поездоучасткам общей работы

Рисунок 8 - Структура удельной рекуперации в депо по участкам нормирования

2.3%

26.0%

= с

23,4%

12.2%

62 ИЗВЕСТИЯ Транссиба И ^