Моделирование систем электроснабжения железных дорог переменного тока

РАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.311

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

А.В. КРЮКОВ, В.П. ЗАКАРЮКИН, С.М. АСТАШИН

Иркутский государственный университет путей сообщения

Разработана методика имитационного моделирования, позволяющая определять режимы систем электроснабжения железных дорог переменного тока. Предложена концепция оперативного управления системой электроснабжения железнодорожной магистрали в режиме реального времени.

Однофазные системы тягового электроснабжения (СТЭ) железных дорог переменного тока связаны с рядом других подсистем, активно взаимодействующих друг с другом (рис. 1). К их числу можно отнести трехфазную электроэнергетическую систему (ЭЭС) и районы электроснабжения (РЭС) нетяговых и нетранспортных потребителей, включающие линии электропередачи нетрадиционного типа, выполненные по схеме «провод - рельс» и «два провода -рельс». Объединенная система электроснабжения (ОСЭ) железнодорожной магистрали характеризуется большой размерностью и сложностью взаимосвязей. До настоящего времени адекватные компьютерные средства для моделирования ОСЭ отсутствовали.

Для определения режимов ОСЭ целесообразно использовать методы имитационного моделирования, которые являются эффективным средством исследования сложных систем. Имитационное моделирование предполагает исследование процесса функционирования во времени, причем имитируются элементарные события с сохранением логики их взаимодействия.

Имеющиеся имитационные модели систем тягового электроснабжения, рассмотренные, например, в работах [1-5], используют упрощенные представления внешнего электроснабжения и трансформаторов, не позволяющие производить анализ режимов работы объединенных систем тяги и внешнего электроснабжения при движении поездов.

Создание имитационной модели системы электроснабжения железнодорожной магистрали требует построения моделей ЭЭС, СТЭ и РЭС с определением алгоритма их взаимодействия и включает следующие составные части:

• моделирование графика движения поездов;

• моделирование графиков изменения нетяговых (промышленных и коммунально-бытовых) нагрузок;

• формирование мгновенных схем и определение потокораспределения для каждой схемы;

• выборка результатов расчета и определение интегральных показателей имитационного моделирования.

Итоговая цель моделирования для СТЭ состоит в определении расхода электрической энергии (ЭЭ) при движении поездов и потерь ЭЭ в элементах

© А.В. Крюков, В.П. Закарюкин, С.М. Асташен Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

систем тягового и внешнего электроснабжения, контроле напряжения на токоприемнике электровоза и токов в элементах СТЭ для предотвращения тепловых перегрузок. Для двух остальных подсистем имитационное моделирование позволяет получить информацию о динамике влияния изменяющихся тяговых нагрузок на режимы основной сети ЭЭС и РЭС.

Рис. 1. Структурная схема системы электроснабжения железнодорожной магистрали

Способы адекватного моделирования внешней сети и модели элементов СТЭ, учитывающие электромагнитные взаимовлияния и позволяющие объединять ЭЭС, СТЭ и РЭС в единую систему, предложены в работе [6]. Переход к имитационному моделированию потребовал разработки алгоритмов формирования отдельных мгновенных схем, определяемых перемещением поездов и изменением нетяговых нагрузок, а также формирования интегральных характеристик моделирования. Методика имитационного моделирования реализована в виде программного комплекса Рагопо^ «Расчеты режимов и нагрузочной способности систем тягового электроснабжения в фазных координатах».

На основе разработанной методики моделирования может быть решена задача создания системы оперативного контроля и управления режимами ОСЭ в реальном времени, позволяющая оценивать ее состояние и осуществлять прогнозирование режимов. Ввиду целого ряда ограничений экономического и

организационного характера при моделировании внешней сети реально будет доступна оперативная информация только по элементам питающей энергосистемы, непосредственно примыкающим к шинам высокого напряжения тяговых подстанций. Поэтому при решении задач оперативного управления необходимо построение эквивалентной модели основной сети ЭЭС. Процедура эквивалентирования может быть выполнена на основе методов и алгоритмов, предложенных в работе [7] и базирующихся на линеаризации УУР в исключаемой части сети.

Структурная схема системы показана на рис. 2. Система должна включать следующие блоки:

• оценивания состояния ЭЭС на основе информации, поступающей по каналам телемеханики или по телекоммуникационной сети из автоматизированной системы диспетчерского управления питающей энергосистемы;

• нейросетевого прогнозирования нетяговых нагрузок, которое может осуществляться с помощью методов и алгоритмов, предложенных в работе [8];

• эквивалентирования внешней сети и оперативной корректировки эквивалентной модели при изменениях ее схемно-режимной ситуации;

• имитационного моделирования режима ОСЭ на основе формирования графиков движения, проведения тяговых расчетов, оценки состояния внешней сети и прогноза нетяговых нагрузок.

Рис. 2. Структурная схема системы оперативного управления ЭЭС: ТИ - телеизмерения; ТС - телесигнализация

© Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

136

Эквивалентирование ЭЭС

ти

Оцеї

В качестве иллюстрации предлагаемой методики имитационного моделирования режимов проведены расчеты ОСЭ, показанной на рис. 3. Расчетная схема моделирования, сформированная средствами комплекса Рагопог^ представлена на рис. 4. Результаты моделирования режимов ОСЭ при движении нечетного пакета из пяти поездов массой 4000 т показаны на рис. 5 и 6. Из анализа представленных временных зависимостей напряжений можно сделать заключение о том, что для корректного моделирования ОСЭ необходим учет графиков изменения как промышленных и коммунально-бытовых, так и тяговых нагрузок.

172+]83 ЛСО-ЗО»

39+^8

Рис. 3. Схема ЭЭС: РПЭ - районная подстанция энергосистемы

Рис. 4. Расчетная схема ЭЭС

67.5

67

66.5

66

§ 65,5 Ь 65

64.5 64

63.5

63

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113

Время, мин

Рис. 5. Изменение напряжения на шинах 110 кВ РПЭ при неизменных нагрузках нетяговых

потребителей

69

68

67

3 66 Ь 65

64 63 62

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113

Время, мин

Рис. 6. Изменение напряжения на шинах 110 кВ РПЭ при переменных нагрузках нетяговых

потребителей

Выводы

1. На основе системного подхода разработана методика имитационного моделирования, позволяющая рассчитывать режимы систем электроснабжения железных дорог переменного тока.

2. Предложена концепция оперативного управления системой электроснабжения железнодорожной магистрали в режиме реального времени.

Summary

There is prepared the methodic of imitating modeling that allows to determinate conditions of railway electric supplying systems of alternative current. The conception of operating management of railway electric system in real time is suggested.

Литература

1. Марский В.Е. Особенности расчета системы тягового электроснабжения 2х25 кВ // Вестник ВНИИЖТ. - 1983. - № 1. - С. 19-23.

2. Тер-Оганов Э.В. Имитационная модель работы системы электроснабжения двухпутного электрифицированного участка: Сб. научн. тр. ВЗИИТ. - М., 1983, вып. 788.

3. Герман Л.А. Схема замещения электрифицированного участка железной дороги переменного тока // Электричество. - 1988. - № 3. - С. 71-75.

4. Вычислительная и микропроцессорная техника в устройствах электрических железных дорог / В.В. Андреев, П.Б. Куликов, Г.Г. Марквардт, Е.К. Рыбников, В.П. Феоктистов / Под общ. ред. Г.Г. Марквардта. - М.: Транспорт, 1989. - 287 с.

5. Дынькин Б.Е., Рачек Л.Н., Поступаев С.Ю. Алгоритм и программа имитационного моделирования системы тягового электроснабжения на ЭВМ // Вопросы повышения эффективности устройств тягового электроснабжения в условиях Дальнего Востока и БАМ: Сб. научн. тр. ХабИИЖТ. - Хабаровск, 1989. -С. 10-16.

6. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. - Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2005. - 273 с.

7. Упрощенное моделирование внешней сети при расчетах систем тягового электроснабжения / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, Н.А. Абрамов, С.М. Асташин // Информационные и математические технологии в науке и управлении. Ч. 1. -Иркутск, 2007. - С. 160 - 167.

8. Моделирование и прогнозирование процессов электропотребления на железнодорожном транспорте / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, Н.В. Раевский, Д.А. Яковлев: Монография - Иркутск, 2007. - 114 с.- Деп. в ВИНИТИ 11.01.2007, №19-В2007.

Поступила 30.10.2007