Способ определения величины управляющего воздействия при автоматическом снижении уравнительного тока в тяговой сети 25 кВ
METHOD FOR DETERMINING THE VALUE OF CONTROL ACTION WITH AN AUTOMATIC DECREASE IN THE CIRCULATING CURRENT IN A 25 kV TRACTION NETWORK

Изобретение относится к системе электроснабжения переменного тока электрифицированных железных дорог. Электрифицированные железные дороги являются потребителем первой категории, поэтому при электроснабжении тяговой нагрузки применяется двусторонняя схема питания тяговой сети. Зачастую напряжение на шинах 27,5 кВ подстанций, питающих одну межпод-станционную зону, отличаются и между подстанциями циркулирует уравнительный ток. Уравнительный ток загружает участок тяговой сети, находящийся у подстанции с большим напряжением, и разгружает участок тяговой сети у подстанции с меньшим напряжением. Таким образом, из-за неравномерного токораспределения в тяговой сети возникают потери электроэнергии, вызванные уравнительным током.
Известен способ определения величины управляющего воздействия при автоматическом снижении уравнительного тока в тяговой сети 25 кВ (патент РФ на изобретение №2741158, Бюл. №3, 22.01.2021), принятый за аналог и реализованный на устройстве, которое содержит датчики напряжения, блоки определения параметров вектора напряжения, блоки формирования опорного импульса, блок сравнения, систему управления устройством регулирования напряжения, устройство регулирования напряжения, который реализован на основе синхронных векторных измерений и заключается в том, что формируется синхронный опорный сигнал блоком формирования опорного импульса на основе спутникового сигнала, который совместно с измеренным сигналом мгновенного значения напряжения посредством датчика напряжения на каждой тяговой подстанции поступают в блок определения параметров вектора напряжения, которые затем в виде сигналов пропорциональных модулю и аргументу напряжения передаются в блок сравнения, где вычисляются параметры сигнала разности напряжений в виде модуля и аргумента на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций, который поступает в систему управления устройством регулирования напряжения.
Выходное напряжение устройства регулирования напряжения может подаваться в виде дополнительного напряжения в фидер контактной сети тяговой подстанции, что приводит к выравниванию напряжений этих подстанций и снижению уравнительного тока, протекающего в тяговой сети.
Данный способ снижает уравнительный ток, но только при отсутствии тяговой нагрузки в межподстанционной зоне. В противном случае, управляющее воздействие создает дополнительное напряжение в тяговой сети, которое приводит к перераспределению тока так, что ток в обмотке трансформатора подстанции с большим напряжением снижается на величину уравнительного тока, и как следствие, уменьшается падение напряжения в данной обмотке, а в обмотке трансформатора подстанции с меньшим напряжением ток увеличивается на величину уравнительного тока, что приводит к повышению падения напряжения в данной обмотке. Таким образом разница напряжений на шинах 27,5 кВ подстанций увеличивается, что приводит к неконтролируемому увеличению уравнительного тока при автоматическом регулировании.
Наиболее близким является способ определения величины управляющего воздействия при автоматическом снижении уравнительного тока в тяговой сети 25 кВ (патент РФ на изобретение №2752992 С1, Бюл. №23, 11.08.2021), принятый за прототип и реализованный на устройстве, содержащем датчики напряжения и датчики тока, блоки определения параметров вектора напряжения, блоки определения параметров вектора тока, блоки формирования опорного импульса, блок сравнения, систему управления устройством регулирования напряжения, устройство регулирования напряжения и который основан на синхронных векторных измерениях, при котором относительно опорного импульса, полученного блоком формирования опорного импульса от спутникового сигнала измеряются напряжения подстанций и ток фидера контактной сети, значения которых через блок определения параметров вектора напряжения и блок определения параметров вектора тока передаются в систему управления устройством регулирования напряжения, где производится их сравнение, вычисление величины уравнительного тока и определение управляющего воздействия для устройства регулирования напряжения.
Таким образом, создание систем для снижения уравнительного тока может выполняться с учетом параметров, полученных данным способом, который принят за прототип.
В способе - прототипе происходит вычисление разницы синхронно измеренных напряжений смежных тяговых подстанций с учетом тока питающего фидера одной из смежных тяговых подстанций. Данному способу присущ существенный недостаток, который заключается в том, что сопротивление тяговой сети определяется при отключенном напряжении второй тяговой подстанции, но при данной схеме протекающий в тяговой сети ток и разница напряжений, может быть вызваны только наличием в межподстанционной зоне электроподвижного состава, т.е. необходимо знать его сопротивление и местоположение, также сопротивление тяговой сети двухпутных (многопутных) участков зависит от направления токов в контактных подвесках путей (согласно п. 4.4 Руководящих указаний по релейной защите систем тягового электроснабжения: Утв.: декабрь 2004 г. / ОАО "РЖД", Департамент электрификации и электроснабжения. - Москва: ТРАНСИЗДАТ, 2005. - 216 с. -ISBN 5-900345-32-7). Помимо этого, проблема неконтролируемого роста уравнительного тока при автоматическом регулировании напряжения в тяговой сети, выявленная у способа-аналога сохраняется и в способе-прототипе.
Задачей предлагаемого способа определения величины управляющего воздействия при автоматическом снижении уравнительного тока в тяговой сети 25 кВ является компенсация влияния положительной обратной связи по напряжению, возникающей в процессе регулирования дополнительного напряжения в замкнутом контуре тяговой сети с устройствами регулирования любого типа (РПН трансформаторов, вольтодобавочных трансформаторов и др.).
В результате решения поставленной задачи будет обеспечиваться отслеживание в непрерывном режиме величины управляющего сигнала для корректирования дополнительного напряжения на величину разницы напряжений, возникающей от перераспределения токов в тяговой сети при снижении уравнительного тока.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройством регулирования напряжения в тяговую сеть подается дополнительное напряжение, которое равно по модулю и противоположно по аргументу измеренной разности напряжений, при этом в блоке формирования сигнала дополнительного напряжения управляющее воздействие корректируется на величину падений напряжения в обмотках трансформаторов, рассчитанных в блоке вычисления корректирующего сигнала с учетом фазы тяговой подстанции (опережающей или отстающей), возникающих от перераспределения токов в обмотках трансформаторов тяговых подстанций при снижении уравнительного тока, при этом уравнительный ток вычисляется, как разница токов подстанции до и после подачи дополнительного напряжения.
Техническим результатом является повышение точности регулирования напряжения и снижение потерь электроэнергии в тяговой сети.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым к нему чертежом, где на фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ.
Схема (фиг. 1), реализующая предлагаемый способ, содержит два датчика напряжения 1, шесть блоков формирования опорного импульса 2, два блока определения параметров вектора напряжения 3, блок сравнения напряжений 4, четыре датчика тока 5, четыре блока определения параметров вектора тока 6, блок вычисления корректирующего сигнала 7, блок формирования сигнала дополнительного напряжения 8, система управления устройством регулирования напряжения 9, устройство регулирования напряжения 10.
Первый датчик напряжения 1, первый, второй и третий блок формирования опорного импульса 2, первый блок определения параметров вектора напряжения 3, блок сравнения напряжений 4, первый и второй датчик тока 5, первый и второй блок определения параметров вектора тока 6, блок вычисления корректирующего сигнала 7, блок формирования сигнала дополнительного напряжения 8, система управления устройством регулирования напряжения 9 и устройство регулирования напряжения 10 установлены на первой тяговой подстанции 11, у которой напряжение, как правило, ниже, чем у соседней (из-за наибольшей удаленности от источника питания или питания тяговой сети межподстанционной зоны отстающей фазой и т.д.).
Второй датчик напряжения 1, четвертый, пятый и шестой блок формирования опорного импульса 2, второй блок определения параметров вектора напряжения 3, третий и четвертый датчик тока 5, третий и четвертый блок определения параметров вектора тока 6 расположены на второй тяговой подстанции 11.
Функционирование устройства по предлагаемому способу в соответствии с прилагаемым чертежом осуществляется следующим образом. Определение управляющего воздействия выполняется согласно следующим операциям.
Первая операция способа. Датчиками напряжения 1 и датчиками тока 5 непрерывно измеряются мгновенные значения напряжений и токов вторичных обмоток соответствующих измерительных трансформаторов каждой тяговой подстанции 11.
Вторая операция способа. Каждый блок формирования опорного импульса 2 на основе спутникового сигнала формирует синхронный опорный сигнал. Опорный сигнал и измеренные сигналы напряжений и токов на каждой тяговой подстанции 11 подаются в соответствующие блоки определения параметров вектора напряжения 3 и тока 6, где синхронно рассчитываются модули и аргументы напряжений и токов относительно опорного сигнала по сигналам мгновенных значений напряжений и токов.
Третья операция способа. Цифровые сигналы с информацией о модуле и аргументах напряжений подстанций с каждого блока определения параметров вектора напряжения 3 передаются в блок сравнения напряжений 4, в котором вычисляется модуль и аргумент первой разности напряжения на шинах 27,5 кВ первой и второй тяговых подстанций 11. При этом блок сравнения генерирует сигнал с вычисленным модулем и аргументом первой разности напряжений, который передается в систему управления устройством регулирования напряжения 9.
Четвертая операция способа. Тем временем измеренные сигналы токов каждой тяговой подстанции 11 подаются в соответствующие блоки определения параметров вектора тока 6. Цифровые сигналы, с информацией о модуле и аргументе токов плеч подстанций с каждого блока определения параметров вектора тока 6 передаются в блок вычисления корректирующего сигнала 7, в котором они сохраняются в ячейки памяти.
Пятая операция способа. При этом система управления устройством регулирования напряжения 9 формирует управляющее воздействие и, при отсутствии запрещающего сигнала на включение от релейной защиты, передает его в устройство регулирования напряжения 10. Устройство регулирования напряжения 10 подает в тяговую сеть дополнительное напряжение равное по модулю и противоположное по аргументу вычисленной первой разнице напряжений.
Дополнительное напряжение в тяговой сети приводит к снижению уравнительного тока, а также к перераспределению токов нагрузок, то есть к изменению токов тяговых подстанций:
- для первой тяговой подстанции:
- для второй тяговой подстанции:
где  - ток первой тяговой подстанции до подачи дополнительного напряжения в тяговую сеть,  - ток второй тяговой подстанции до подачи дополнительного напряжения в тяговую сеть,  - уравнительный ток. Таким образом, величина изменения токов тяговых подстанций при подаче дополнительного напряжения равна уравнительному току, протекавшему в тяговой сети до регулирования напряжения.
Шестая операция способа. Измеренные и преобразованные значения токов тяговых подстанций после регулирования напряжения подаются в блок вычисления корректирующего сигнала 7. Блок вычисления корректирующего сигнала 7 производит сравнение значений токов до и после подачи дополнительного напряжения в тяговую сеть, а также вычисление падений напряжений в обмотках трансформаторов, изменяющиеся из-за перераспределения токов в тяговой сети в соответствии с формулами:
- для опережающей фазы
- для отстающей фазы
m
оп
от
у
где Х - сопротивление трансформатора, I - ток плеча в опережающей фазе, I - ток плеча в отстающей фазе, I - уравнительный ток.
Далее определяется вторая (корректирующая) разница напряжений:
где  - падение напряжения в трансформаторах первой подстанции,  - падение напряжения в трансформаторах второй подстанции. Каждая тяговая подстанция может питать рассмотренную межподстанционную зону как опережающей, так и отстающей фазой.
Седьмая операция способа. Сигнал, с вычисленными по формуле (5) модулем и аргументом второй разности напряжений, передается в блок формирования сигнала дополнительного напряжения 8, в котором осуществляется вычисление результирующей разницы напряжений по формуле:
где  - первая (измеренная и поданная в тяговую сеть) разница напряжений;  - вторая (корректирующая) разница напряжений, при этом
Блок формирования сигнала дополнительного напряжения 8 генерирует сигнал с вычисленным модулем и аргументом скорректированной разницы напряжений и передает его в систему управления устройством регулирования напряжения 9. Система управления устройством регулирования напряжения 9 формирует управляющее воздействие, корректирующее дополнительное напряжение на величину разницы напряжений, вызванной перераспределением токов при снижении уравнительного тока.
Корректировка управляющего воздействия осуществляется только после подачи дополнительного напряжения устройством регулирования напряжения и вызванного им перераспределения токов между тяговыми подстанциями. При этом способе также вычисляется уравнительный ток, который равен разнице токов в фазах тяговых подстанций, питающих данную межподстан-ционную зону, до и после подачи дополнительного напряжения в тяговую сеть.
Проверка функционирования способа производилась численным методом на созданной иммитацонно-математической модели в среде компьютерного моделирования MATLAB/Simulink.
Предлагаемый способ применим для любых типов устройств регулирования напряжения в тяговой сети, выполненных на основе автотрансформаторов, фазоповоротных устройств, компенсирующих установок, вольтодобавочных устройств, в частности для РПН трансформаторов подстанции, а именно, когда регулируется только модуль напряжения.