УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, а именно к системе тягового электроснабжения, содержащей регулируемые устройства компенсации реактивной мощности и накопители электроэнергии на тяговой подстанции или линейных устройствах контактной сети.
Целью изобретения является повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения путем автоматического регулирования ее работы.
Устройство направлено на решение задачи повышения энергетической эффективности за счет сокращения потерь электроэнергии при обеспечении необходимых показателей работы системы тягового электроснабжения.
Известно устройство для автоматического регулирования тягового электроснабжения (прототип), содержащее: блоки телеизмерения напряжения на шинах тяговых подстанций, выходы которого подключены к блоку памяти устройства и позволяют накапливать результаты измерений; блоки телеуправления напряжением, входы которых подключены к выходам блока памяти, предназначенные для регулирования напряжения на шинах тяговых подстанций; блоки измерения тока, координат и напряжения на токоприемнике электроподвижного состава выходы которого присоединены ко входу блока памяти и предназначены для измерения электрических параметров и координаты нахождения электроподвижного состава на межподстанционной зоне; блоки управления мощностью тяговых подстанций, входы которых подключены к выходам блока памяти; входы и выходы блока памяти подключены к микропроцессору, который на основе измерений, поступающих от блока памяти, блоков параметров тяговой сети и порогового блока параметров рассчитывает уровень напряжения и мощности подстанций; блоков оптимизации уровня напряжения и мощности тяговых подстанций, одна пара вход-выход которых подключены к микропроцессору, две других пары вход-выход - к микропроцессорам смежных межподстанционных зон [1].
На основе измерений электрических параметров системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава с помощью блока памяти и блоков оптимизации напряжения и мощности микропроцессор рассчитывает необходимую корректировку напряжения и мощности тяговых подстанций для приведения их к оптимальным значениям. При изменении потребляемой мощности электроподвижным составом микропроцессор через блок памяти и блоку телеуправления напряжения и мощностью снижает мощность силового оборудования тяговых подстанций, находящегося в работе, и понижает уровень напряжения на шинах тяговых подстанций в соответствии с заданными предельными уровнями и алгоритмом оптимизации.
Данное устройство позволяет повысить коэффициент полезного действия системы тягового электроснабжения путем управления напряжением на шинах тяговых подстанций и мощностью тяговых подстанций на основе данных измерений об уровне напряжения на шинах тяговых подстанций, токе поезда, напряжения на токоприемнике и координатах поезда. Устройство позволяет поддерживать заданный уровень напряжения в контактной сети, направленный на сокращение нагрузочных потерь в системе тягового электроснабжения, и вводить или выводить из работы мощность силового оборудования на тяговых подстанциях с целью снижения потерь в силовом оборудовании.
Появление устройств с плавным регулированием в системе тягового электроснабжения, к которым, относятся регулируемые устройства компенсации реактивной мощности и системы накопления электроэнергии изменяют подход к регулированию напряжения и мощности ввиду отличительных показателей работы. Указанные устройства реализуют алгоритмы управления на основе изменения показателей работы системы тягового электроснабжения, изменение которых требует адаптации настроек регулируемых устройств в системе тягового электроснабжения.
Недостатками указанного устройства являются:
1) отсутствие возможности регулирования при повышении напряжения на токоприемнике электроподвижного состава выше напряжения холостого тяговых подстанций при реализации рекуперативного торможения и исчерпании возможностей тяговых подстанций по регулированию напряжения и мощности. Функциональность устройства не позволяет выполнить регулирование системы для указанного случая;
2) отсутствие возможности регулирования тягового электроснабжения при работе регулируемых устройств компенсации реактивной мощности и накопителей электроэнергии, реализующих управление мощностью. Функциональность устройства не позволяет выполнить управление тяговым электроснабжением при наличии данных устройств.
Технический результат работы устройства достигается за счет управления режимами работы регулируемых устройств одновременно с регулированием напряжения и мощности тяговых подстанций в системе тягового электроснабжения.
Достижение результатов достигается за счет введение в устройство блоков, позволяющих измерять текущие электрические величины регулируемых устройств, передавать данные измерений в микропроцессор, далее блоки оптимизации уровней напряжения и мощности, рассчитывать корректировку уровня напряжения и мощности тяговых подстанций и регулируемых устройств, и с помощью блоков памяти и телеуправления формировать управляющее воздействие на регулируемые устройства.
Предлагаемое устройство позволяет повысить энергетическую эффективность системы тягового электроснабжения в различных режимах работы электроподвижного состава (в т.ч. рекуперативного торможения) посредством реализации автоматического управления регулируемыми устройствами компенсации реактивной мощности и накопителями электроэнергии.
Применение регулируемых устройств компенсации и накопителей электроэнергии направлено на повышение энергетической эффективности работы тягового электроснабжения и улучшение энергетических показателей (уровень напряжения в контактной сети, загрузку силового оборудования, температуру нагрева элементов и др.). В условиях регулирования напряжения и мощности на тяговых подстанциях применение указанных устройств позволяет достичь дополнительного эффекта повышения энергетической эффективности тягового электроснабжения при условии проведения оптимизации режимов их работы.
Работа регулируемого устройства компенсации реактивной мощности позволяет воздействовать на уровень напряжения на шинах тяговой подстанции или линейного устройства путем управления мощностью устройства. К параметрам, определяющим работу устройства, относится напряжение холостого хода на шинах подстанций и линейных устройств. В условиях изменения напряжения холостого хода или при необходимости повышенного уровня компенсации необходимо адаптировать напряжения включения устройства под режимы работы тягового электроснабжения. Адаптация режимов работы происходит на основе расчета корректировки напряжения включения и характеристики изменения реактивной мощности, выполняемой микропроцессором устройства.
Работа накопителя электроэнергии на шинах тяговой подстанции или линейного устройства направлена на повышение энергетической эффективности и энергетических показателей работы тягового электроснабжения. Управление мощностью накопителя электроэнергии должно осуществляться с учетом режимов его работы, степени заряженности, глубины разряда, изменения напряжения включения в режимах заряда и разряда. К показателям, определяющим устойчивую работу тягового электроснабжения с накопителем электроэнергии относят напряжение холостого хода на шинах тяговых подстанций или смежных подстанций при работе на линейных устройствах, уровень степени заряженности и глубину разряда. Корректировка изменения мощности и режимов работы накопителя электроэнергии происходит с помощью микропроцессора, который рассчитывает необходимое изменение токов в режимах заряда и разряда и напряжения для смены режимов в зависимости от показателей работы накопителя.
Устройство автоматического регулирования системы тягового электроснабжения состоит из блоков телеизмерения напряжения на шинах подстанций 1, 10 и блоков телеизмерения тока 11, 12. Выходы блоков подключены к входам блока памяти для передачи данных текущих измерений. Блок 2 предназначен для измерения напряжения на шинах регулируемого устройства, блоки 3 и 4 - для измерения степени заряженности и глубины разряда, блок 5 - для измерения тока устройства компенсации реактивной мощности, блоки 6 и 7 - для измерения токов в режимах заряда и разряда накопителя электроэнергии. Выходы блоков 2-7 подключены к входам блока памяти устройства. Информация о нагрузке, координатах и напряжении на токоприемнике электроподвижного состава передается с помощью блоков 8 и 9, выходы которых подключены к блоку памяти. Текущие измерения передаются на микропроцессор путем соединения выходов блока памяти со входами микропроцессора. Выходы блоков задания параметров системы тягового электроснабжения 21 и предельных уровней токов и напряжений 22 подключены к входам микропроцессора 29. Два входа-выхода микропроцессора 29 подключены к входам-выходам блоков оптимизации напряжения и мощности 23 и 26. На основе данных, поступающих от блоков 1-12 и 21, 22, блоков 23 и 26 микропроцессор 29 рассчитывает необходимые значения корректировки напряжения и мощности оборудования в системе и с помощью третьей пары входа-выхода передает текущие данные в блок памяти 20. Выходы блока памяти 20 подключены к входам блоков телеуправления напряжением 13,15 и мощностью тяговых подстанций 14, 16, напряжением включения регулируемого устройства 17, токов в режимах заряда 18 и разряда 19 накопителя электроэнергии. Расчет оптимальных значений напряжения и мощности в системе тягового электроснабжения выполняется в блоках оптимизации 23 и 26 одна пара входа-выхода которых подключена к микропроцессору 29. Вторая и третья пара входа-выхода подключена к микропроцессорам смежных межподстанционных зон 25 и 28. Выходы блоков телеизмерения напряжения 24 на шинах тяговых подстанций и блок формирования зарядной и разрядной характеристик 27 накопителя подключены в входам блоков оптимизации напряжения 23 и мощности 26 соответственно. Расчет оптимальных значений напряжения и мощности на шинах тяговых подстанций и регулируемых устройств от выходов блоков оптимизации 23 и 26 поступает на входы микропроцессора.
Корректировка напряжений включения регулируемых устройств позволяет регулировать их внешние характеристики, управлять мощностью, в том числе в режимах заряда и разряда, степенью разряженности и глубиной разряда накопителя электроэнергии.
Устройство работает следующим образом: от блоков телеизмерения напряжения на шинах и тока ввода тяговых подстанций 1, 11 и 10, 12 одной межподстанционной зоны, блоков измерения напряжения на шинах регулируемых устройств 2, блоков измерения степени разряженности и глубины разряда 3 и 4, блоков измерения тока устройства компенсации реактивной мощности 5, тока заряда 6 и разряда 7 накопителя электроэнергии, блоков измерения тока 8, координат 9 и напряжения на токоприемнике электроподвижного состава информация поступает в блок памяти 20, где хранятся измеренные значения и передаются в микропроцессор 29. Микропроцессор фиксирует для последующего сравнения напряжения на шинах и мощность подстанций, устройств регулирования и электроподвижного состава с учетом данных измерений (блоки 1-12), параметров системы тягового электроснабжения (блок 21) и предельных значений электрических величин (блок 22). Значения напряжения и мощности тяговых подстанций и регулируемых устройств от микропроцессора 29 поступают в блок оптимизации режимов напряжения 23 и мощности 26, куда поступает аналогичная информация от микропроцессоров смежных межподстанционных зон 25 и 28 и блоков измерения напряжения холостого хода 24 и зарядной и разрядной характеристик 27.
С помощью блоков оптимизации напряжения и мощности 23 и 26 определяется оптимальный уровень напряжения и мощности силового оборудования на межподстанционной зоне для обеспечения пропуска поездов и сокращения уровня потерь. При повышенном напряжении и избыточной мощности блоки оптимизации 23 и 26 формируют значения напряжения и мощности подстанций и регулируемых устройств ниже текущих значений на ступень регулирования, при снижении напряжения и увеличении мощности блоки оптимизации - выше текущих значений в соответствии. При недостаточной степени заряженности или глубине разряда накопителя электроэнергии выше предельного уровня, задаваемого блоком 22, блок оптимизации мощности в соответствии с зарядной и разрядной характеристикой, задаваемой блоком 27, корректирует зарядную и разрядную характеристику и определяет оптимальные значения токов в режиме заряда и разряда. Блок оптимизации мощности корректирует зарядные и разрядные характеристики с задаваемой блоком 22 степенью деградации во времени. При работе регулируемого устройства компенсации реактивной мощности напряжение включения устройства при увеличении напряжения холостого хода на смежных тяговых подстанциях увеличивается на основе данных измерений от блока 21 блоком оптимизации напряжения 23, при снижении напряжения холостого хода - напряжение включения понижается.
Информация об оптимальном уровне напряжения и мощности тяговых подстанций и регулируемых устройств передается в микропроцессор 29, который рассчитывает необходимую коррекцию по напряжению и мощности и далее через блок памяти 20 поступает на блоки телеуправления напряжением и мощностью тяговых подстанций 13, 14 и 15, 16, блок телеуправления напряжением включения регулируемых устройств 17, блоки телеуправления током в режимах заряда и разряда 18 и 19. На следующем шаге измерений обработка данных и корректировка напряжения и мощности повторяется.
Библиографический список
1. Пат. на полезную модель №45343 РФ. Устройство для автоматического регулирования тягового электроснабжения / А.Н. Марикин, А.Т. Бурков, А.В. Смирнов (РФ) - 2005100935/22; Заявл. 17.01.2005; опубл. 10.05.2005. Бюл. №13.