Система для контроля и регулирования мощности и энергии, расходуемой транспортной системой
SYSTEM FOR CONTROLLING AND MONITORING POWER AND ENERGY CONSUMED BY TRANSPORT SYSTEM

Изобретение относится к области электрифицированного железнодорожного транспорта, точнее к системам контроля и регулирования мощности, потребляемой единицами подвижного состава с электрической тягой.
Известна система для контроля и регулирования мощности и энергии, расходуемой транспортной системой, включающая в себя множество транспортных средств, имеющих электрический тяговый двигатель, причем транспортная система включает в себя подстанцию электроснабжения, связанную с внешней сетью электроснабжения, обеспечивающую энергией тяговые подстанции, снабжающие мощностью участки линии электроснабжения, и предусматривающую устанавливаемые на транспортных средствах токоснимающие устройства, подсоединенные к ним, при этом каждое транспортное средство содержит силовой преобразователь, который снабжается мощностью от токоснимающего устройства и контролирует мощность и частоту вращения тягового электродвигателя транспортного средства, при этом система дополнительно содержит средства для измерения и снятия показаний электрической мощности, потребляемой из внешней сети электроснабжения подстанцией электроснабжения, средство детектора для обнаружения времени, в течение которого мощность и/или энергия, потребляемая из внешней сети, имеют тенденцию превышать заданный порог, и средство для передачи заданного значения (значений) регулируемой величины в одно или более транспортных средств, если мощность или энергия, потребляемая из внешней сети, имеют тенденцию превышать порог, при этом заданные значения регулируемой величины воздействуют на бортовой преобразователь транспортного средства с целью временного снижения мощности и/или частоты вращения тягового электродвигателя (RU 2314215, В60М 3/00, 10.01.08).
Однако известная система недостаточно эффективно использует обмен энергией рекуперативного торможения между единицами подвижного состава с электрической тягой, питающимися от одной и той же тяговой электросети. Это увеличивает количество случаев посылок на единицы подвижного состава ограничений по мощности от тяговых подстанций, что затрудняет соблюдение нормативного графика движения поездов и в результате снижает эффективность работы железнодорожного транспорта.
В настоящее время тяговые подстанции могут оснащаться устройствами для автоматического регулирования напряжения в контактной сети, улучшающими условия возврата в первичную сеть избыточной энергии, вырабатываемой поездами при рекуперативном торможении, и повышающими устойчивость работы тяговых подстанций и энергоэффективность работы железнодорожного транспорта (RU 2481203, В60М 3/02, 10.05.13). Наиболее эффективным энергосбережением является прямое использование энергии рекуперативного торможения соседними поездами. Однако для этого требуется синхронизации в движении поездов, при которой во время рекуперативного торможения одного поезда поблизости от него находятся другие поезда, способные возможно полнее использовать сгенерированную первым поездом электроэнергию для своей тяги.
В качестве прототипа выбрана система для контроля и регулирования мощности и энергии, расходуемой транспортной системой, содержащая тяговые подстанции, с размещенными на них приемниками спутниковой навигации и стационарными радиомодемами, соединенными по радиоканалу связи с бортовыми радиомодемами, установленными на электровозах, к одной из вторичных обмоток трансформатора каждой тяговой подстанции подключен датчик напряжения, а через датчик тока подключены соответствующие концы секции контактного провода и секции рельсовой линии, при этом секции контактного провода каждого отдельного участка тяговой электросети гальванически отделены от секций контактного провода соседних участков тяговой электросети силовыми ключами, выходы датчиков напряжения и тока соединены с соответствующими входами устройства контроля и управления тяговой подстанции, первый и второй вход/выход которого подключены к выходу/входу соответственно приемника спутниковой навигации и стационарного радиомодема, а третий вход/выход через устройство сопряжения и сеть передачи данных подключен к центральному устройству сбора и обработки данных энергодиспетчера, на борту каждого электровоза установленные датчики напряжения и тока, потребляемого электровозом, выходами подключенные к входу бортового блока контроля и управления, вход/выход которого подключен к бортовой шине передачи данных, с которой соединены выход бортового приемника спутниковой навигации и вход/выход бортового радиомодема (RU 2446065, В60М 3/02, 27.03.2012).
Известная система повышает точность учета электроэнергии тяговых сетей электроснабжения за счет синхронизации времени систем контроля электроэнергии электроподвижного состава и тяговых подстанций и определения текущего положения электроподвижного состава (ЭПС) с помощью использования системы спутниковой навигации, а также за счет записи информации об электропотреблении ЭПС при движении по межподстанционной зоне и передаче ее на устройство сбора и обработки данных при передвижении ЭПС в зоне радиодоступа.
Известная система выполняет функции расчета и регистрации расхода электроэнергии для последующего анализа и использования этих данных в устройстве центрального сбора и обработки данных энергодиспетчера, для возможности практического анализа электропотребления по всей длине тяговой сети, для выявления участков с повышенными потерями электроэнергии.
Недостатком известной системы является ограниченность ее функциональных возможностей, обусловленная тем, что она не предусматривает постоянный контроль за поездной ситуацией на перегонах и параметрами движения поездов для обеспечения безопасности движения и эффективного управления в реальном времени распределением энергии на тягу поездов в межподстанционных зонах тяговой энергосети.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей за счет постоянного контроля за поездной ситуацией и возможности интеллектуального управления энергоснабжением поездов в межподстанционных зонах тяговой энергосети.
Технический результат достигается тем, что в системе для контроля и регулирования мощности и энергии, расходуемой транспортной системой, содержащей тяговые подстанции, с размещенными на них приемниками спутниковой навигации и стационарными радиомодемами, соединенными по радиоканалу связи с бортовыми радиомодемами, установленными на электровозах, к одной из вторичных обмоток трансформатора каждой тяговой подстанции подключен датчик напряжения, а через датчик тока подключены соответствующие концы секции контактного провода и секции рельсовой линии, при этом секции контактного провода каждого отдельного участка тяговой электросети гальванически отделены от секций контактного провода соседних участков тяговой электросети силовыми ключами, выходы датчиков напряжения и тока соединены с соответствующими входами устройства контроля и управления тяговой подстанции, входы/выходы которого через устройство сопряжения и сеть передачи данных подключены к центральному устройству сбора и обработки данных энергодиспетчера, на борту каждого электровоза установленные датчики напряжения и тока, потребляемого электровозом, выходами подключенные к входу бортового блока контроля и управления, вход/выход которого подключен к бортовой шине передачи данных, с которой соединены выход бортового приемника спутниковой навигации и вход/выход бортового радиомодема, согласно изобретению, на каждом электровозе установлены и подключены к бортовому блоку контроля и управления модуль формирования сигнала регистрации и модуль хранения номеров временных слотов, к сети передачи данных подключен персональный компьютер автоматизированного рабочего места поездного диспетчера, а на каждой тяговой подстанции введен блок управления радиомодемной связью, состоящий из микропроцессора, к выходу которого подключен приемник сигнала регистрации, выходом соединенный с блоком памяти номеров поездов, к которому подключен блок определения номера временного слота, выходом соединенный с входом микропроцессора, первый вход/выход которого соединен с выходом/входом блока обработки данных, ко второму, третьему и четвертому входам/выходам микропроцессора подключены соответственно выходы/входы устройства контроля и управления тяговой подстанции, приемника спутниковой навигации и стационарного радиомодема.
На чертеже приведена структурная схема системы для контроля и регулирования мощности и энергии, расходуемой транспортной системой.
Система для контроля и регулирования мощности и энергии, расходуемой транспортной системой, содержит тяговые подстанции 1 и 2, с размещенными на них приемниками 3 спутниковой навигации и стационарными радиомодемами 4, соединенными по радиоканалу связи с бортовыми радиомодемами 5, установленными на электровозах 6, к одной из вторичных обмоток трансформатора 7 каждой тяговой подстанции 1 (2) подключен датчик 8 напряжения, а через датчик 9 тока подключены соответствующие концы секции контактного провода 10 и секции рельсовой линии 11, при этом секции контактного провода 10 каждого отдельного участка тяговой электросети гальванически отделены от секций контактного провода соседних участков тяговой электросети силовыми ключами 12, выходы датчиков 8 напряжения и датчиков 9 тока соединены с соответствующими входами устройства 13 контроля и управления тяговой подстанции, входы/выходы которого через устройство 14 сопряжения и сеть 15 передачи данных подключены к центральному устройству 16 сбора и обработки данных энергодиспетчера, на борту каждого электровоза 6 установленные датчики 17 напряжения и датчики 18 тока, потребляемого электровозом, выходами подключенные к входу бортового блока 19 контроля и управления, вход/выход которого подключен к бортовой шине передачи данных, с которой соединены выход бортового приемника 20 спутниковой навигации и вход/выход бортового радиомодема 5, к бортовому блоку 19 контроля и управления подключены модуль 21 формирования сигнала регистрации и модуль 22 хранения номеров временных слотов, к сети 15 передачи данных подключен персональный компьютер 23 автоматизированного рабочего места поездного диспетчера, на каждой тяговой подстанции 1 (2) введен блок 24 управления радиомодемной связью, состоящий из микропроцессора 25, к выходу которого подключен приемник 26 сигнала регистрации, выходом соединенный с блоком 27 памяти номеров поездов, к которому подключен блок 28 определения номера временного слота, выходом соединенный с входом микропроцессора 25, первый вход/выход которого соединен с выходом/входом блока 29 обработки данных, ко второму, третьему и четвертому входам/выходам микропроцессора 25 подключены соответственно выходы/входы устройства 13 контроля и управления тяговой подстанции, приемника 3 спутниковой навигации и стационарного радиомодема 4.
Система для контроля и регулирования мощности и энергии, расходуемой транспортной системой, работает следующим образом.
Районные подстанции (на рисунке не показаны) снабжают тяговые подстанции 1 и 2, а также и другие тяговые подстанции электроэнергией по трехфазным линиям питания. Тяговый трансформатор 7 на каждой тяговой подстанции преобразует входное напряжение к величине 27,5 кВ и питает этим напряжением контактную сеть, причем смежные подстанции 1 и 2 питают одну межподстанционную зону с двух сторон. На всех тяговых подстанциях 1 (2) установлено одинаковое оборудование. Учет электроэнергии, потребляемой от тяговой подстанции 1 (2), осуществляется с помощью датчика 9 тока и датчика 8 напряжения. Информация о величинах тока и напряжения поступает на устройство 13 контроля и управления, где каждый отсчет синхронизируется с помощью системы спутниковой навигации, сигналы которой принимаются с помощью приемника 3. Устройство 13 контроля и управления рассчитывает расход электроэнергии, регистрирует и отправляет данные через устройство сопряжения 14 через сеть передачи данных 15 в устройство 16 центрального сбора и обработки данных энергодиспетчера.
На каждом электровозе 6 с датчика 18 тока и датчика 17 напряжения информация передается в бортовой блок 19 контроля и управления, который, наряду с функциями безопасного управления движением поезда, осуществляет расчет расхода электроэнергии и регистрирует его. Электровозный бортовой блок 19 контроля и управления принимает от приемника 20 системы спутниковой навигации информацию для синхронизации времени отсчетов и информацию о местоположении электровоза 6. Электровозный бортовой блок 19 контроля и управления привязывает информацию о расходе электроэнергии к профилю пути, пройденного поездом, и передает ее в стационарный радиомодем 4 с помощью бортового радиомодема 5.
До начала обмена информацией на электровозах при движении осуществляют сравнение текущих географических координат местоположения электровоза 6 с предварительно заданными географическими координатами точки регистрации, предшествующей нейтральной вставке каждого очередного изолированного участка тяговой электросети. При совпадении упомянутых координат в бортовом блоке 19 контроля и управления электровоза 6 программный модуль 21 формирования сигнала регистрации формирует сигнал регистрации, который через бортовой радиомодем 5 передается в радиоканалы связи. Стационарный радиомодем 4 на тяговой подстанции 1 (2) принимает этот сигнал регистрации и передает его на вход микропроцессора 25, размещенного внутри блока 24 управления радиомодемной связью. Микропроцессор 25 декодирует сигнал регистрации и передает его в приемник 26 сигнала регистрации. Сигнал регистрации несет информацию о номере, категории поезда и номере пути его следования. Приемник 26 сигнала регистрации осуществляет запись принятых данных о поезде в базу данных блока 27 памяти номеров поездов и передает его в блок 28 определения номера временного слота. В блоке 28 определения номера временного слота с учетом очередности поступивших ранее данных определяется номер свободного временного слота для передачи данных от электровоза 6 данного поезда. Информация о присвоенном номере временного слота с выхода блока 28 поступает в микропроцессор 25 и далее через стационарный радиомодем 4 передается на электровоз 6. Через бортовой радиомодем 5 электровоза 6 бортовой блок 19 контроля и управления передает присвоенный номер временного слота в модуль 22 хранения номеров временных слотов. В качестве бортового блока 19 контроля и управления предпочтительно используется безопасный локомотивный объединенный комплекс «БЛОК» или аналогичные ему по функциональным и вычислительным возможностям бортовые устройства управления электровозов.
Выделенные временные слоты используется для передачи от электровоза 6 на тяговую подстанцию 1 (2) пакетов данных о параметрах движения и энергопотребления поезда, а синхронизацию при обмене пакетов данных осуществляют по меткам системы спутниковой навигации, сигналы которой принимаются с помощью приемников 3 и 20 спутниковой навигации.
На тяговой подстанции 1 (2) блок 29 обработки данных осуществляет сбор данных об ограничениях, накладываемых условиями безопасного интервального регулирования, и ограничениях на расход энергии потребления для поездов при движении их по участкам маршрутов между тяговыми подстанциями 1 и 2. Эти данные поступают в них по сети передачи данных 15 из центрального устройства 16 сбора и обработки данных энергодиспетчера и из персонального компьютера 23 автоматизированного рабочего места поездного диспетчера.
Персональный компьютер 23 автоматизированного рабочего места поездного диспетчера имеет непрерывную информацию о последовательном занятии и освобождении поездами рельсовых цепей и информацию об ограничениях максимальной скорости движения для каждой координаты маршрутов движения поездов. Эти данные с выхода блока 29 обработки данных в синхронные моменты времени передаются на электровоз 6.
Бортовой блок 19 контроля и управления осуществляет сбор данных о состоянии, координатах, скорости и направлении движения поезда. Эти данные также передаются на тяговую подстанцию 1 (2) и используются блоком 29 обработки данных и микропроцессором 25.
Система обеспечивает постоянный контроль за поездной ситуацией на перегонах и контроль за параметрами движения поездов с целью обеспечения оптимального расстояния между вслед идущими поездами и обеспечения энергосбережения при выполнении графиков движения.
Стационарный радиомодем 4 обеспечивает передачу пакетов данных на каждый электровоз 6 в заранее установленные временные интервалы длительностью, например, 500 мс.
Регистрацию бортового радиомодема 5 осуществляют во временные интервалы, длительностью, например, 100 мс.
Бортовой радиомодем 5 осуществляет передачу пакетов данных на радиомодем 4 тяговой подстанции 1 (2) в выделенные интервалы времени 1…n для каждого поезда с интервалами времени на передачу этих данных длительностью, например, 100 мс.
Сообщение от стационарного радиомодема 4 содержит общую (широковещательную) и адресные части, следующие непрерывно в одном пакете. Максимальная длина сообщения от стационарного радиомодема 4 составляет, например, 240 байтов. Длина общей части фиксирована и составляет, например, 40 байтов. Длина адресной части переменная, зависит от максимального количества поездов на участке между тяговыми подстанциями 1 или 2 и составляет, например, 10 байтов для каждого электровоза 6. Сообщения от электровоза 6 имеют фиксированную длину, например, не более 20 байтов. С электровоза 6 передаются два вида сообщений: информационное и запрос на регистрацию.
Высокая оперативность и надежность обмена информацией между тяговыми подстанциями 1 (2) и электровозом 6 создает возможность для передачи на электровоз 6 команд по изменению параметров их движения с минимальными задержками в реальном времени. Для дополнительного уменьшения задержек в обмене информацией, например, для высокоскоростных поездов, для них может выделяться увеличенное количество временных слотов.
Дополнительно к основной радиомодемной связи на железнодорожных участках, имеющих радиопокрытие другими видами мобильной радиосвязи, такими как, например, GSM, GSM-R, система может параллельно или в качестве резервных использовать и эти виды связи.
В отличие от прототипа в заявляемой системе интеллектуальные функции существенно расширены. Теперь система не только определяет режимы электропотребления на каждом участке, по каждому фидеру, и высчитывает потери электроэнергии в реальном времени, а также осуществляет интеллектуальное управление в реальном времени системой электроснабжения поездов на участке между тяговыми подстанциями 1 и 2. Модемная радиосвязь обеспечивает оперативное выделение временных слотов для обмена информацией с поездами с минимальным отставанием от реального времени на протяжении всей зоны управления. Анализ в реальном времени графиков движения всех поездов на участке между тяговыми подстанциями 1 и 2 выполняется микропроцессором 25 во взаимодействии с устройством контроля и управления 13. В результате прогнозирующих расчетов система предотвращает возникновение перегрузок тяговых подстанций 1 (2) по разрешенной мощности. Также система своевременно реагирует на ограничения в распределении энергии на движение поездов, которые могут быть связаны как с предельными возможностями аппаратуры, так и с ограничениями энергопотребления, задаваемыми районными подстанциями.
За счет лучшего согласования режимов энергосберегающего движения поездов на каждом участке между тяговыми подстанциями 1 и 2, устройство контроля и управления 13 обеспечивает более эффективный непосредственный обмен энергией рекуперативного торможения между поездами. Приказы на снижение чрезмерной потребляемой мощности учитывают минимально необходимый уровень мощности, требуемый профилем пути на тягу каждого конкретного поезда, и позволяют оптимизировать энергоснабжение поездов в порядке приоритетов диспетчерского управления безопасным движением с соблюдением установленных графиков движения. Количество случаев посылок на единицы подвижного состава ограничений по мощности от тяговых подстанций по сравнению с аналогами сокращено за счет лучшего использования энергии рекуперативного торможения для покрытия возникающих дефицитов энергии на тягу поездов. Это также улучшает соблюдение нормативных графиков движения поездов, снижает влияние нехватки электроэнергии на степень замедления в движении поездов и отставания их от нормативного графика.
В рамках каждого изолированного участка тяговой электросети возможна локальная субоптимизация энергосберегающего движения в реальном времени, не противоречащая выполнению заложенного глобального графика поездки, а наоборот его поддерживающая. Например, для восстановления движения, заложенного глобальным графиком поездки после сбоя, или оптимизация использования резервов времени хода, которые обязательно (для надежности) закладывались на этапе разработки глобального графика. Если упомянутые резервы еще не были использованы к моменту вхождения поезда в текущую зону маршрута между тяговыми подстанциями 1 и 2, то это используется при оптимизации энергосбережения на основе лучшего совмещения интервалов набора скорости одними поездами с интервалами рекуперативного торможения соседних поездов. Другая существенная возможность для этой оптимизации основана на том, что существуют варианты энергооптимальных графиков движения, позволяющие сдвигать момент начала рекуперативного торможения без существенных изменений в экономии электроэнергии. Примеры, иллюстрирующие это, приведены, например, в патенте RU 2524410, B61L 3/00, 27.07.2014. Микропроцессор 25 для осуществления этой оптимизации оперативно формирует для электровоза 6 команды на изменения интервалов времени и интенсивности рекуперативного торможения, а также команды на изменение интервалов времени темпов набора скорости поездами, не противоречащие требованиям глобального графика движения поездов. При этом учитывается априорное знание планов движения поездов в текущих зонах маршрутов между тяговыми подстанциями 1 и 2, а также знание, например, сопротивления их движению, которое оказывает путевая инфраструктура и текущие погодные условия. Это позволяет заранее рассчитать порции энергии, которые могут быть получены в результате рекуперативного торможения. Управляющие приказы могут быть сформированы с учетом необходимости не допустить отставания от графика, или, наоборот, ликвидировать, или уменьшить уже накопившиеся ранее отставания от графика. Более полное использование энергии рекуперативного торможения за счет прямого использования ее другими поездами, как показано в патенте RU 2477235, В60Т 13/58, 10.03.2013, имеет дополнительный положительный эффект продления сроков службы тормозной системы поезда, а также уменьшения износа ходовых частей поезда и износа путевой инфраструктуры.
Предлагаемая система может использоваться для сетей тягового электроснабжения как переменного, так и постоянного тока, разница лишь в используемых датчиках тока и напряжения.
По сравнению с прототипом система позволяет повысить также точность учета использования электроэнергии вследствие более оперативного и полного обмена информацией с поездами об энергоиспользовании на протяжении всего маршрута их движения. Связь системы через сеть передачи данных 15 с системами верхнего уровня управления, например АСОУП, обеспечивает уточненный коммерческий учет электроэнергии и позволяет передавать в систему оперативные изменения глобального графика, которые рассчитываются, например, системой Эльбрус (RU 2487036, B61L 27/00, 10.07.2013). Система позволяет повысить оперативность ввода изменения глобального графика в локальные графики движения поездов на участках между тяговыми подстанциями 1 и 2, одновременно решая локальные задачи энергосберегающего движения.
Рассмотренная работа системы показывает то, что она обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет постоянного контроля в реальном времени за поездной ситуацией в пределах изолированных участков тяговой электросети и эффективного управления распределением энергии на тягу при движении электропоездов по этим участкам.