СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
VOLTAGE REGULATION METHOD AT ALTERNATING-CURRENT TRACTION STATION

Изобретение относится к электроэнергетике для регулирования напряжения, в частности к системе тягового электроснабжения переменного тока железных дорог для регулирования напряжения с помощью регулятора напряжения под нагрузкой трансформаторов (РПН) и установки поперечной емкостной компенсации.
Известны способы и устройства регулирования напряжения на тяговых подстанциях переменного тока с помощью РПН трансформатора и установки поперечной емкостной компенсации [1-5]. Принимаем за прототип способ регулирования в [1, рис.1.15]: Способ регулирования напряжения на тяговой подстанции переменного тока с трехфазными трансформаторами по схеме соединения «звезда - треугольник», оборудованными устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) и однофазной ступенчатой регулируемой установкой поперечной емкостной компенсации (КУ) с трансформаторами напряжения и трансформаторами тока шин 27,5 кВ, путем изменения напряжения на шинах 27,5 кВ с заданной выдержкой времени при достижении основных пороговых уровней напряжения с помощью РПН и включения (отключения) очередной ступени КУ. Недостаток этого способа:
команда на переключение РПН и на включение (отключение) КУ передается при достижении основных пороговых (предельных) уровней напряжения на шинах 27,5 кВ, то есть 21 кВ и 29 кВ [8]. Однако в пределах указанных пороговых (предельных) уровней напряжения от 21 кВ до 29 кВ также необходимо регулировать, так как это ведет к снижению расхода электроэнергии и улучшению режима работы ЭПС.
Цель изобретения: повышение эффективности регулирования напряжения на тяговой подстанции.
Для реализации цели предлагается ввести регулирование не только по пороговым (предельным) уровням напряжения, но и в пределах всего диапазона изменения напряжения.
кmin
кmax
Для этого вводят внутри основных пороговых уровней дополнительные пороговые уровни регулирования напряжения U и U и расчетный блок, содержащий блок расчета частных производных потерь мощности (приростов потерь) в системе электроснабжения к отклонениям напряжения на ΔU с помощью РПН и(или) путем включения (отключения) очередной ступени КУ, и блок расчета корректированного режима с определением новых значений потерь мощности, подключенный к трансформаторам напряжения и тока шин 27,5 кВ и КУ, и предварительно при напряжениях в границах дополнительных пороговых уровней регулирования напряжения выполняют расчет потерь мощности всех корректированных вариантов новых режимов по заданному приросту напряжения ΔU по выражению
i
где ΔP(ΔU) - потери мощности при заданном приросте напряжения на ΔU при расчете «i»-го варианта нового режима;
o
ΔP - значение потерь мощности в системе электроснабжения в исходном режиме;
nj
S - коэффициент чувствительности изменения потерь мощности к изменению «j»-го отклонения напряжения;
ΔUj - заданный для расчетов «j»-й прирост напряжения,
нм
затем выбирают вариант корректированного режима с наименьшими потерями мощности ΔP(ΔU) и
если
а также
то с заданной выдержкой времени переключают РПН и (или) включают (отключают) очередную ступень КУ, а в противном случае или увеличивают прирост напряжения и продолжают расчеты, или отменяют переключение РПН и (или) включение (отключение) КУ.
На фиг.1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ регулирования напряжения с помощью РПН трансформатора и ступенчатой регулируемой установки поперечной емкостной компенсации КУ.
Обозначения в схеме (фиг.1):
1 - силовой трансформатор 110/27,5 кВ;
2, 3 - измерительные трансформаторы тока (ТТ) тяговой нагрузки шин 27,5 кВ;
4 - шины 27,5 кВ;
5, 6 - измерительные трансформаторы напряжения шин 27,5 кВ и КУ;
7 - измерительный ТТ конденсаторной ступени установки поперечной емкостной компенсации КУ (8);
8 - однофазная регулируемая ступенчатая установка поперечной емкостной компенсации;
9 - блок расчета корректированного режима с расчетом потерь мощности в системе электроснабжения ΔP;
10 - блок расчета частных производных;
11 - управляющий элемент переключения КУ (8);
12 - управляющий элемент переключения РПН;
13 - расчетный блок.
Поясним формирование формулы (1) и порядок проведения расчетов при изменении напряжения на ΔU. Регулирование напряжения возможно с помощью КУ и РПН трансформатора, как показано на чертеже (фиг.1).
o
Потери мощности в исходном режиме ΔP рассчитаны заранее для заданной схемы электроснабжения, ее параметров и нагрузочного режима. Расчет производится по известным формулам [5, 6, 7]. Для общего случая с несколькими тяговыми подстанциями потери мощности в матричной форме равны
д
где I - матрица полных токов тяговой нагрузки;  - сопряженное значение I; R - матрица узловых активных сопротивлений системы электроснабжения, питающей рассматриваемые тяговые подстанции; К - диагональная матрица коэффициентов трансформации трансформаторов. Здесь принято (для упрощения формирования программы расчетов): коэффициент трансформации трансформаторов равен отношению напряжения вторичной обмотки к напряжению первичной обмотки. Поэтому, считая тяговую нагрузку как источник тока, при уменьшении коэффициента трансформации снижаются токи первичной обмотки трансформатора, и, следовательно, снижаются потери в системе внешнего электроснабжения.
Важно отметить, что расчеты потерь мощности необходимы для сравнения результатов по вариантам. Поэтому здесь учитываются только изменяющиеся тяговые нагрузки и не учитывается более «спокойная» нетяговая нагрузка (которая, как правило, значительно меньше тяговой нагрузки). Это обстоятельство значительно упрощает устройство, хотя вносит небольшую погрешность в расчетах, но, как показали расчетные эксперименты, это не влияет на окончательные результаты.
Целесообразно активные потери мощности определять по программе РАСТ-05К совместного расчета систем тягового и внешнего электроснабжения [6, 7]. В зависимости от конкретных заданий по условиям работы устройства регулирования расчет потерь мощности может быть только для системы тягового электроснабжения или в целом для систем тягового и внешнего электроснабжения.
рпн
ку1
ку2
рпн
При необходимости изменения напряжения (если оно вне дополнительных пороговых уровней (границ) регулирования) задается прирост напряжения ΔU при переключении РПН и при включении КУ; для РПН - ΔU (для одного переключения) и для КУ - ΔU (для первой ступени) и ΔU (для второй ступени). Возможно при включении (отключении) КУ учесть изменение параметров схемы электроснабжения и прирост напряжения задавать при регулировании РПН - ΔU=ΔU.
nj
Коэффициенты чувствительности S определяются как частная производная потерь активной мощности в системе тягового электроснабжения (или в системе тягового и внешнего электроснабжения) по отклонению (изменению) напряжения. Методы определения даны в [6, 7] при совместном рассмотрении систем тягового и внешнего электроснабжения и основаны на теории расчетов матриц чувствительности.
i
нм
нм
Расчет по формуле (1) начинается с задания полного перебора всех i вариантов работы РПН и КУ и каждый раз при заданном ΔU подсчитываем значения активных потерь ΔP(ΔU) в системе электроснабжения. Другими словами, для представленной схемы это выполняется следующим образом: задается ΔU при переключении РПН трансформатора и рассчитываем ΔР(ΔU), далее включается КУ (при этом изменяется матрица узловых сопротивлений) и снова задается ΔU и рассчитывается ΔP(ΔU). Так повторяется несколько шагов при изменении прироста напряжения на 2×ΔU, на -2×ΔU и т.д., и заканчиваются при выборе наименьшего значения ΔP(ΔU) в пределах допустимых границ регулирования напряжения. Точно также расчеты по данному алгоритму повторяются на соседних тяговых подстанциях, где также выбирается наименьшее значение ΔP(ΔU), при котором напряжение не будет превышать пороговых значений регулирования.
Пороговые уровни напряжения в тяговой сети [3] 21-29 кВ. Обычно по опыту эксплуатации для ограничения числа переключений РПН основные пороговые уровни принимают 24 кВ - 28,5 кВ.
кmin
кmax
Учитывая номинальное напряжение на токоприемнике электровоза 25 кВ, предлагаем принять дополнительные пороговые уровни регулирования напряжения на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций U и U соответственно 25…26 кВ и 27,5 кВ.
Таким образом, рассматриваемый способ регулирования напряжения реализуется следующим образом:
кmin
кmax
1. При необходимости регулирования напряжения, когда достигаются значения дополнительных порогов регулирования U и U, задается прирост напряжения ΔU (как положительный, так и отрицательный).
рпн
ку
2. Рассматриваются все возможные варианты регулирования напряжения: с помощью РПН (с приростом ΔU), КУ (с приростом ΔU) и т.д.
3. Рассчитываются частные производные (приросты потерь) и новые корректированные режимы в блоке 13 для всех вариантов и выбирается вариант с наименьшими потерями мощности, и этот вариант регулирования напряжения рассматривается далее.
По существу, при выполнении пп.1, 2 и 3 проверяются, какие бы были потери мощности в системе электроснабжения, если бы выполнить регулирование по намеченному приросту напряжения в п.1, то есть здесь решается известная задача из теории чувствительности: «что было бы, если бы…».
нм
4. Если рассматриваемый вариант с ΔP(ΔU) удовлетворяет условиям (2) и (3), то с заданной выдержкой времени переключают РПН и (или) включают (отключают) очередную ступень КУ.
5. В противном случае или увеличивают прирост напряжения и продолжают расчеты, или отменяют переключение РПН и (или) включение (отключение) КУ.
нм
о
кmin
кmax
нм
Поясним работу схемы. Трансформаторы тока 2 и 3 с заданным интервалом времени измеряют входные значения тока тяговой нагрузки на шинах 27,5 кВ 4, а трансформатор 7 - ток КУ, и передают их на расчетный блок 13, трансформаторы напряжения 5 и 6, подключенные между шинами 27,5 кВ (4) и рельсом, также передают измеренные величины в расчетный блок 13. В блоке расчета частных производных 10 идет расчет приростов потерь мощности по отношению к заданному «j»-му отклонению напряжения ΔU, а в блоке расчета корректированного режима 9 по отклонению ΔU начинается расчет новых значений потерь мощности и если ΔP(ΔU)<ΔР, а также U≤U≤U, то с заданной выдержкой времени через расчетный блок 13 подается команда на переключение РПН 12 и (или) включение (отключение) очередной ступени КУ 11. Если же (2) и (3) не выполняется, то задаются следующие отклонения: 2×ΔU, 3×ΔU (-2×ΔU, -3×ΔU) и т.д. и расчеты по определению ΔP(ΔU) повторяются. Если и в этот раз (2) и (3) не выполняется, то переключение РПН и включение (отключение) КУ отменяются.
Переключения выполняют с выдержкой времени, которую определяют путем экспериментально-эксплуатационной проверки. Выдержку времени выбирают такой, чтобы не превышать заданный ресурс работы РПН и привода выключателя КУ [1] (на схеме выключатель КУ не обозначен).
Приложение 1. Расчет коэффициента чувствительности потерь мощности к изменению напряжения
Т
В рассматриваемой ситуации для расчетов целесообразно использовать коэффициент чувствительности потерь мощности к изменению коэффициента трансформации - Snj(ΔP/К).
Σ
1. Расчет коэффициента чувствительности суммарных потерь мощности в системе внешнего и тягового электроснабжения Snj((ΔP/Кт) к изменению коэффициента трансформации.
m
Изменяем коэффициент трансформации на тяговой подстанции i в узле m, то есть на этой подстанции трансформатор, подсоединенный к узлу m, будет иметь коэффициент трансформации К. Тогда, принимая в первом приближении неизменность токов тяговой нагрузки при изменении напряжения, получим значение коэффициента чувствительности
Σ
m
где R - матрица узловых активных сопротивлений для совместно рассматриваемых систем тягового и внешнего электроснабжения. Подстрочный индекс m указывает на то, что в рассматриваемых матрицах учитываются только те элементы, которые зависят от К. Выполнив преобразования (5), окончательно получим
Принятые обозначения в (6) следующие.
Всего n узлов, в трансформаторе узла m изменяем коэффициент трансформации Кm, остальные узлы p (от 1 до n). Собственное узловое активное сопротивление узла m - Rmm, взаимные сопротивления Rmp (p изменяется от 1 до n). Нагрузки в узле m - Im, в остальных узлах - Ip.
Σ
Σ
Здесь важно отметить, что матрица узловых активных сопротивлений R определяется для всей сети в целом с учетом подсоединенной контактной сети. Кроме того, так как на режим напряжения рассматриваемой подстанции влияют только соседние подстанции, то размерность матрицы R можно ограничить до 3n×3n, где n=3 - три подстанции (а 3n - указывает на учет трех фаз системы внешнего электроснабжения).
Т
Принятая в расчетах надбавка напряжения ΔU должна согласовываться с полученной надбавкой при изменении К.
mc
mc
2. Теперь определим коэффициент чувствительности потерь мощности в тяговой сети ΔР при изменении К - Snj(ΔP/Кm)
Σ
Воспользуемся формулой (4) и применим ее для случая, когда матрица узловых сопротивлений R определена с учетом (R) и без учета (Rвн) подключенной тяговой сети.
Тогда потери в тяговой сети определятся
Σ
вн
где ΔP и ΔР - потери мощности с учетом и без учета подключенной тяговой сети.
Поэтому
т
При изменении коэффициента трансформации на тяговых подстанциях изменяется уравнительный ток по тяговой сети. Поэтому характер изменения указанного коэффициента чувствительности будет соответствовать характеру изменения коэффициента чувствительности уравнительного тока к изменению К.
TC
Т
mc
т
Для упрощения определения коэффициента Snj(ΔP/К) можно воспользоваться графоаналитическим методом расчета с применением компьютерной модели по программе РАСТ-5К [6]. Известно, что потери мощности в тяговой сети определяются независимо от потерь мощности от тяговой нагрузки. Поэтому для средних условий работы рассматриваемых тяговых подстанций (для средних нагрузок) по программе РАСТ-05К определяются потери мощности в тяговой сети от уравнительного тока при разных коэффициентах трансформации трансформатора раньше одной подстанции, а затем другой. Отношение потерь мощности от уравнительного тока к изменению коэффициента трансформации будет соответствовать искомому коэффициенту чувствительности - Snj/(ΔР/К). Результаты расчетов представляются графически и используются в рассматриваемой задаче.
Приложение 2. Пример реализации алгоритма на математической модели расчета тягового электроснабжения с учетом системы внешнего электроснабжения.
Расчет выполним с использованием математической модели (ММ) по программе РАСТ-05К [6, 7]. На подстанции установлена одноступенчатая КУ по схеме на фиг.1. Принимаем дополнительные уровни регулирования напряжения в пределах 25 и 27,5 кВ.
Исходные данные для модели взяты с реального участка: использована матрица узловых сопротивлений системы внешнего электроснабжения, нагрузка тяговой сети приведена к шинам тяговых подстанций. Так как в расчетах все исходные данные приведены к напряжению 27,5 кВ, то номинальный коэффициент трансформации трансформатора равен 1.
т
Для некоторой мгновенной схемы реального участка исходные данные для ММ следующие: на отстающей фазе UA шин 27,5 кВ напряжение 24,84 кВ, К=1, одноступенчатая КУ отключена.
Для указанных исходных данных суммарные потери мощности в рассматриваемой системе электроснабжения по расчету равны по программе РАСТ-05К - 1807 кВт.
В связи с тем, что по исходным данным напряжение на подстанции 24,84 кВ (что ниже значения дополнительного порога регулирования 25 кВ), то алгоритм автоматического регулирования придет в действие и начинает работать расчетный блок 13.
т
т
С помощью РПН можно изменять К с шагом 1,78% от номинального напряжения, а одноступенчатое КУ может или включаться, или отключаться. Изменение К на 1,78% соответствует при заданных нагрузках изменению напряжения на ΔU=0,3 кВ, что получено по предварительным расчетам на математической модели PACT-05К. Перебор всех вариантов работы схемы электроснабжения будет заключаться в следующем: пошагово изменяется коэффициент трансформации трансформатора при отключенном, а затем при включенном КУ.
т
По имеющимся исходным данным блок 13 начнет расчет коэффициента чувствительности Snj [7], причем для каждого нового режима, который создается путем переключения отпаек РПН, он будет различным, так как изменяются параметры схемы (матрица узловых сопротивлений) при изменении К. Далее по формуле (1) рассчитываем возможные значения потерь мощности. Для исходных данных суммарные потери мощности в рассматриваемой системе тягового и внешнего электроснабжения по расчету, как было указано, равны 1807 кВт.
т
Расчет будет повторяться для каждого шага изменения К, пока не будет найден вариант регулирования, удовлетворяющий условиям (2) и (3). Результаты расчетов на математической модели сведены в табл.1. Поясним формирование таблицы 1 при работе алгоритма на подстанции.
т
A
т
Выполняем пошаговый перебор коэффициента трансформации К, на каждом шаге j уменьшаем (увеличиваем) коэффициент трансформации - на 0,0178. При этом на каждом шаге j на модели замеряем напряжения фазы U, питающей контактную сеть от ТПА, и задаем изменение напряжения на 0,3 кВ (что соответствует расчету на модели при изменении К на 0,0178 при заданных нагрузках).
Таблица 1
Расчеты на математической модели по программе РАСТ-05К
КУ Выключено
КУ Включено
К<sub>т</sub>
U<sub>A</sub>, кВ
ΔU, кВ
Snj
ΔР(ΔU), кВт
U<sub>A</sub>, кВ
ΔU, кВ
Snj
ΔP(ΔU), кВт
1,0356
25,44
0,3
193,3
1865
26,28
0,3
203,335
1796
1,0178
25,14
0,3
86,69
1833
25,98
0,3
93,331
1763
1
24,84
0
0
1807
25,68
0
0
1735
0,9822
24,54
0,3
-66,69
1787
25,38
0,3
-73,336
1713
0,9644
24,24
0,3
-113,327
1773
25,08
0,3
126,676
1697
0,9466
23,94
0,3
-143,35
1764
24,78
0,3
-163,345
1686
т
Расчет начинаем, принимая К=1 (исходный режим). При увеличении напряжения на ΔU=0,3 кВ рассчитаем коэффициент чувствительности по формулам из [7], получаем 86,69, далее выполняем расчет ΔP(ΔU)=1807+0,3×86,69т=1833 кВт. Такие же потери (с погрешностью не более 10%) получены и на математической модели по программе РАСТ-05К. Аналогично выполняется расчет и при снижении напряжения на ΔU=-0,3 кВ.
т
т
т
Как видно из результатов: при отключенной КУ условиям (2) и (3) удовлетворяет ситуация при К=1,0178 (т.к. этот режим с минимальными потерями при регулировании). Но так как в регулировании участвует и КУ, то можно достичь лучших результатов: при включенном КУ наибольший эффект по потерям мощности достигается при К, равном 0,9644, где условия (2) и (3) также выполняются. Поэтому устройство автоматики дает сигнал на переключение двух отпаек РПН в сторону уменьшения К и сигнал на включение КУ.
Таким образом, проимитировали реальную работу алгоритма регулирования по предлагаемому способу.
т
Итак, результат по расчетам: необходимо включение КУ, а также переключение РПН на минус 2 отпайки, что соответствует К=0,9644, напряжения находятся в пределах дополнительных пороговых значений регулирования (25,08 кВ, что выше порога 25 кВ), а потери мощности уменьшаются на 110 кВт.
Литература
1. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография. - М.: МИИТ, 2012 - 211 с.
2. Патент №102435. Устройство регулирования напряжения трансформатора / Герман Л.А., Якунин Д.В., Куров Д.А. Опубликовано 27.02.2011.
3. Герман Л.А., Синицына Л.А. Автоматизация регулирования несимметричного напряжения тяговой подстанции переменного тока// ЦНИИ ТЭИ. Ж.д. транс. Сер. «Электрификация и энергетическое хозяйство». Вып.1, 1981. - c.1-12.
4. Герман Л.А., Айзенштейн Л.С. Управление установками поперечной емкостной компенсации электрифицированных железных дорог. ЦНИИ ТЭИ. Ж.д. транс. Сер. «Электрификация и энергетическое хозяйство». Экспресс-информ. №6, 1987, с.7-12.
5. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.
6. Герман Л.А., Морозов Д.А. Расчет типовых задач тягового электроснабжения переменного тока на ЭВМ. Уч. пос. - М.: МИИТ 2010. - 59 с.
7. Герман Л.А. Матричные методы расчета системы тягового электроснабжения. Уч. пос., 4.1. - М.: РГОТУПС, 1998, 36 с. и ч.2. М.: РГОТУПС, 2000, 38 с.
8. Правила устройств системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. ЦЭ-462. - М.: МПС, 1997, 79 с.