авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Управление режимами и процессами эксплуатации систем тягового электроснабжения на основе имитационного моделирования

На правах рукописи

АСТАШИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ И ПРОЦЕССАМИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Крюков Андрей Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Дунаев Михаил Павлович, кандидат технических наук, доцент Игнатьев Игорь Владимирович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», г. Омск, пр. Маркса,

Защита диссертации состоится 5 июня 2008 года в 10 часов на заседании диссер тационного совета Д218.004.01 в Иркутском государственном университете путей со общения (664074, Иркутск, ул. Чернышевского 15, ауд. А-803)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Иркутский госу дарственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан 5 мая 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Н.Н. Пашков Общая характеристика диссертационной работы Актуальность темы. Управление режимами систем тягового электроснабже ния (СТЭ) должно обеспечивать достижение следующих целей:

• бесперебойное электроснабжение тяги поездов, а также систем сигнализации, централизации и автоблокировки (СЦБ) при соблюдении отраслевых и общеэнергети ческих норм по качеству электроэнергии (ЭЭ);

• нормативное качество ЭЭ на шинах питающего напряжения тяговых подстан ций и в сетях районов электроснабжения (РЭС) нетяговых потребителей;

• минимально возможный уровень потерь электрической энергии в СТЭ и РЭС;

• допустимый уровень экологической безопасности в условиях влияния элек тромагнитных полей, создаваемых тяговыми сетями и технологическими линиями электропередачи.

Достижение указанных целей невозможно без применения современных инфор мационных технологий, что, в свою очередь, требует создания эффективных математи ческих моделей и методов.

Разработка таких моделей и методов является сложной научно-технической проблемой, так как при учете электромагнитных и электромеханических переходных процессов система тягового электроснабжения магистральной железной дороги пере менного тока представляет собой многомерный нелинейный динамический объект.

Кроме того, решение этой проблемы дополнительно усложняется тем, что СТЭ активно взаимодействует с целым рядом не менее сложных систем, таких как питающая элек троэнергетическая система (ЭЭС) и районы электроснабжения нетяговых потребите лей, включающих в свой состав технологические линии электропередачи «провод – рельс» и «два провода – рельс», для описания которых требуются специальные методы моделирования.

Ввиду большой размерности, сложности и недостаточной информационной обеспеченности СТЭ практическое использование динамических моделей СТЭ на со временном этапе не представляется возможным. Поэтому для определения режимов СТЭ применяют имитационные методы.

Теоретические основы создания систем управления сложными, многомерными объектами разработали Воронов А.А., Р.Е. Калман, А.А. Красовский, Попов Е.П., Со лодовников В.В., Цыпкин А.З., Юревич Е.И. и др. Существенный вклад в решение про блемы моделирования и управления в ЭЭС и СТЭ внесли Бадер М.А., Баринов В.А., Бардушко В.Д., Берман А.П., Бочев А.С., Быкадоров Л.А., Веников В.А., Висящев А.Н., Воропай Н.И., Войтов О.Н., Гамм А.З., Герман Л.А., Голуб И.И., Горев А.А., Груздев И.А., Дынькин Б.Е., Ермоленко Д.В., Жарков Ю.И., Закарюкин В.П., Идельчик В.И., Конторович А.М., Котельников А.В., Косарев А.Б., Крумм Л.А., Крюков А.В., Лосев С.Б., Макаров Ю.В., Мамошин Р.Р., Марквард Г.Г., Марквард К.Г., Марский В.Е., Мельников Н.А., Мирошниченко Р.И., Мисриханов М.Ш., Попов Н.М., Пупынин В.Н., Совалов С.А., Солдатов В.А., Строев В.А., Тарасов В.И., Тер - Оганов Э.В., Фигурнов Е.П., Черемисин В.Е., Чернин А.Б., Шалимов М.Г., Щербачев О.В., Brameller A., Laugh ton M.A., Roy L., Rao N.D., Stott B., Мо Син Чень и их коллеги.

Не смотря на значительное число работ, посвященных вопросам моделирования и управления СТЭ, некоторые задачи до настоящего времени оставались нерешенными.

Это связано в основном с тем, что применяемые в настоящее время методы моделиро вания и управления режимами СТЭ создавались на основе описания СТЭ как локально го объекта, причем предпочтение отдавалось линейным моделям. Этот подход не обес печивал корректного учета следующих важных факторов:

• влияние внешней сети на режим СТЭ;

• взаимные электромагнитные влияния в сложных электротяговых сетях;

• воздействие изменений стационарных нагрузок ЭЭС и РЭС на режимы СТЭ.

Цель диссертационного исследования состоит в создании математических мо делей и методов для управления режимами систем тягового электроснабжения желез ных дорог переменного тока с учетом перечисленных выше факторов.

Дополнительной целью является решение тесно примыкающей к данному кругу задач проблемы оценивания состояния СТЭ при проведении тепловизионных обследо ваний (ТВО) электрооборудования тяговых подстанций (ТП) и контактной сети.



Методы исследования рассмотренных в диссертации задач базируются на ана лизе математических моделей сложных электрических систем и систем тягового элек троснабжения с применением аппарата теории автоматического управления, линейной алгебры, теории функций многих переменных, численных методов решения систем не линейных уравнений большой размерности.

В качестве основного инструмента для проведения вычислительных экспери ментов использовался разработанный в ИрГУПСе комплекс программ FAZONORD, который был модернизирован и адаптирован в рамках диссертационной работы в части учета внешних возмущений режима СТЭ.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением расче тов, проведенных с помощью специализированных компьютерных программ, прошед ших полномасштабную опытную проверку, а также натурными экспериментами в сис темах тягового электроснабжения.

Научная новизна заключается в том, что в диссертационной работе впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты:

1. Математическая формулировка целей управления режимами СТЭ и систем ный анализ управляемости.

2. Алгоритм управления режимами работы СТЭ, разработанный на основе ими тационного моделирования и отличающийся корректным учетом влияющих подсистем.

3. Метод построения упрощенных моделей внешней сети для целей управления СТЭ, основанный на линеаризации уравнений установившегося режима в фазных ко ординатах.

4. Методика учета внешних возмущений при управлении СТЭ и концепция управления аварийными режимами с элементами адаптации.

5. Технология оценивания состояния СТЭ для целей термографических обследо ваний и методы повышения эффективности ТВО тяговых подстанций и контактной се ти.

Практическая ценность. На основе полученных в диссертации результатов да но научно обоснованное решение следующих актуальных практических задач:

• управление режимами СТЭ с учетом весовых норм поездов, размеров движе ния и профиля пути;

• определение пропускной способности участка дороги по системе электроснаб жения и выбор оптимальной схемы пропуска поездов;

• минимизация потерь электроэнергии в элементах СТЭ;

• повышение надежности работы устройств релейной защиты.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссер тационной работы в виде программного обеспечения для ЭВМ, рекомендаций и прак тических разработок переданы в филиал «Восточно-Сибирская железная дорога» ОАО «РЖД». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском госу дарственном университете путей сообщения.

Апробация работы. Результаты проведенных диссертационных исследований докладывались и обсуждались на научной конференции «Юбилейные X всероссийские (с международным участием) туполевские чтения студентов», Казань, 2002 г.;

на меж дународных научных конференциях «Научно-техническое и экономическое сотрудни чества стран АТР в XXI веке» ДВГУПС, Хабаровск, 2003, 2005, 2007 гг.;

на междуна родной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда», Афины – Иркутск, 2004 г.;

на всероссийской конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Не традиционные и возобновляемые источники энергии», Екатеринбург, 2004 г.;

на все российской научной конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», Красноярск, 2005 г.;

на всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире», Чита, 2006 г.;

на научной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2006 г.;

на научной конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», Иркутск, 2007 г.;





на IV научно-технической конференции «Акту альные проблемы транспортного комплекса», Самара, 2008 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том чис ле одна статья в рецензируемом журнале по списку ВАК, одна монография, депониро ванная в ВИНИТИ, 4 статьи и 12 публикаций в трудах научно-технических конферен ций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключе ния, библиографического списка из 166 наименований и приложения. Общий объем диссертации 192 страницы, в тексте содержится 125 рисунков и 8 таблиц.

При работе над диссертацией автор пользовался научными консультациями канд. техн. наук, доцента Закарюкина В.П.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность исследований, направленных на создание математических моделей и методов, обеспечивающих повышение эффектив ности управления режимами СТЭ железных дорог переменного тока. Сформулированы цель и основные задачи исследований, определена научная и практическая ценность работы. Приведено краткое содержание работы.

В первой главе рассмотрены математические модели систем электроснабжения железнодорожных магистралей (СЭЖМ) переменного тока. Показано, что СЭЖМ включает в свой состав сложные подсистемы, активно взаимодействующие друг с дру гом, рис. 1. К ним можно отнести однофазную СТЭ, трехфазную ЭЭС и районы элек троснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей. СЭЖМ характеризуется большой размерностью и сложностью взаимосвязей и обладает рядом особенностей, которые необходимо учитывать при решении вопросов моделирования и управления режимами. Первая из них состоит в существенной нестационарности однофазных тяго вых нагрузок, перемещающихся в пространстве. Вторая связана со значительной не симметрией напряжения на шинах тяговых подстанций. Третья заключается в том, что выпрямительные электровозы являются нелинейными нагрузками, генерирующими в сеть высшие гармоники. Четвертая определяется электромагнитным влияниям контакт ной сети на смежные линии электропередачи. Указанные особенности необходимо учитывать при решении вопросов разработки методов и средств управления СТЭ. Не учет этих особенностей может привести к резкому снижению эффективности прогрес сивных технологий, а в некоторых случаях и к неработоспособности устройств, пред назначенных для управления режимами.

Система электроснабжения железнодорожной магистрали представляет собой сложный нелинейный динамический объект, для формального описания которого мо жет быть использована следующая модель X(t ) = t [C(t ), Y(t ), S(t )], (1) где X(t ) – n-мерный вектор параметров, характеризующих режим СЭЖМ;

t – нели нейный динамический оператор, в общем случае зависящий от времени;

Y(t ) – m мерный вектор возмущающих воздействий;

C(t ) – l -мерный вектор управлений;

S(t ) – p-мерный вектор структурных параметров.

Рис. 1. Структурная схема системы электроснабжения железнодорожной магистрали: ЭПС – электроподвижной состав;

ТП – тяговые подстанции Ввиду большой размерности, сложности и недостаточной информационной обеспеченности СЭЖМ практическое использование модели (1) на современном этапе не представляется возможным. Поэтому для определения режимов СЭЖМ применяют имитационные методы. При этом используется концепция так называемых мгновенных схем1 и осуществляется редукция динамической модели (1) к набору статических. Для выполнения процедуры моделирования исследуемый интервал TM разбивается на ма лые промежутки t, внутри которых параметры X, S, C и Y принимаются неизмен ными.

Под мгновенными понимаются схемы СТЭ, отвечающие расположению поездов в определенный мо мент времени.

Создание имитационной модели системы электроснабжения железнодорожной магистрали требует построения моделей элементов СЭЖМ с определением алгоритма их взаимодействия и включает следующие составные части:

• моделирование графика движения поездов;

• формирование мгновенных схем и расчет режима для каждой из них;

• определение интегральных показателей моделирования.

На каждом интервале t осуществляется решение следующей нелинейной сис темы уравнений, описывающей установившийся режим соответствующей мгновенной схемы:

F[X k, S k, C k, Yk ] = 0, (2) где X k, S k, C k, Yk – значения векторов X, S, C, Y для k-ой мгновенной схемы.

Так как СЭЖМ включает ряд подсистем, то векторы параметров могут быть представлены в виде X = X T U X S U X R ;

Y = YT U YS U YR ;

C = C T U CS U C R ;

S = S T U S S U S R, где индексом Т обозначены параметры, относящиеся к СТЭ, индек сом S – параметры ЭЭС, а индексом R – параметры РЭС.

Показано, что задача корректного моделирования СЭЖМ для целей управления режимами может быть решена на основе использования фазных координат и решетча тых схем замещения многопроводных элементов, разработанных в ИрГУПСе.

Линии электропередачи и трансформаторы разных типов представляют собой статические многопроводные элементы (СМЭ) из нескольких проводов или обмоток, обладающих взаимной электромагнитной связью. На первом этапе моделирования мат рица проводимостей, используемая для получения решетчатой схемы СМЭ, формиру ется без учета фактического соединения отдельных проводов или обмоток на основе следующего матричного преобразования D D Y PC = M 0 Z M T =, (3) D D где Y PC – матрица размерностью n=2r х 2r;

Z – матрица сопротивлений элемента раз мерностью r x r, учитывающая взаимные индуктивные связи между проводами;

z ik = z ki ;

D = Z 1 ;

r – число проводов элемента без учета их соединения;

M 0 – тополо Er гическая матрица, определяемая на основе соотношения M 0 =, E r – единичная E r матрица размерностью r x r.

Элементы y ij матрицы Y PC отвечают взятым с обратным знаком проводимостям отдельных ветвей решетчатой схемы, соединяющих между собой узлы, номера которых n соответствуют номерам строк и столбцов матрицы;

y kj = y jk ;

y kk = y kj.

j= При отсутствии в элементе связей с узлом нулевого потенциала (землей), т.е.

z k 0 =, k =1…r, матрица Y PC является r-кратно вырожденной, что, однако, не препят ствует использованию модели в расчетах. Действительно, после формирования расчет ной схемы сети путем объединения моделей нескольких элементов и исключения урав нений, отвечающих базисным узлам, матрица проводимостей сети становится хорошо обусловленной.

Для учета емкостных проводимостей необходимо дополнить полученную схему шунтами и ветвями, определяемыми величинами частичных емкостей. Последние мож но найти из потенциальных коэффициентов первой группы формул Максвелла:

U = AT, где U = [U1 U1... U r ] – вектор напряжений провод-земля, T = [1 1... r ] – T T вектор зарядов проводов, A – матрица потенциальных коэффициентов.

На основе матрицы B= A могут быть вычислены собственные и взаимные час тичные емкости. При этом матрица В преобразуется к виду B1e T b12... b1r b 21 B 2e... b 2 r T С=............

T b r1 b r 2... B r e где B k = (b k1 b k 2... b kr ), k = 1...r ;

e = (1 1... 1) – вектор-строка размерностью r, состоящая из единиц.

В узлы решетчатой схемы добавляются шунты, проводимости которых опреде ляются половиной соответствующей собственной емкости. Кроме того, с каждой сто роны системы проводов формируются дополнительные ветви с сопротивлениями, рас считываемыми по половинным значениям соответствующих взаимных емкостей.

В результате матрица Y PC преобразуется к новому виду Y C = Y PC iC Y, 1 C ;

=314 1/с.

где C Y = 2 0 C Следует отметить, что матрица Y C, в отличии от Y PC, является невырожденной и может непосредственно использоваться в расчетах режимов, например для схемы, состоящей из одного СМЭ.

На основе схемы соединений проводов конкретного элемента выполняется пре образование матрицы Y C путем объединения соответствующих узлов и сложения об разующихся при этом параллельных ветвей решетчатой схемы. Указанное преобразо вание можно проиллюстрировать следующим образом. Предположив без потери общ ности, что объединяемые узлы имеют последние номера, можно разделить матрицу Y C на блоки Y1 Y YC = T.

Y12 Y где Y 2 – блок размерностью k х k, отвечающий объединяемым узлам.

Тогда преобразованную матрицу Y S можно представить в виде Y1 Y12e k YS = T T, T e k Y12 e k Y 2e k где e k = [1 1... 1]T – k-мерный вектор, состоящий из единиц.

Кроме того, в главе рассмотрены вопросы определения параметров многопро водных ЛЭП и тяговых сетей. Предложен алгоритм внешних итераций для учета зави симости параметров стальных проводов от протекающего по ним тока. Проанализиро ваны особенности моделирования многообмоточных тяговых трансформаторов. Пока зано, что для решения уравнений (2) в процессе имитационного моделирования режи мов СЭЖМ следует применять итерационный метод Ньютона. При использовании мо дели асинхронной нагрузки в виде источников тока можно рекомендовать метод про стой итерации с решением линейных уравнений на основе схемы Холецкого (LU разложение). Дальнейшее развитие технологий имитационного моделирования СЭЖМ должно быть направлено на применение высоконадежных методов решения уравнений (2), например, методов Матвеева и Конторовича. Это направление имеет особую акту альность при решении задач имитационного моделирования СЭЖМ, получающих пи тание от сетей ЭЭС с ограниченной пропускной способностью. Ярким примером такой системы является СЭЖМ западного участка Байкало-Амурской железнодорожной ма гистрали.

Во второй главе дана математическая формулировка целей управления режи мами СТЭ. Глобальная цель управления режимами СТЭ состоит в обеспечении про пуска заданного числа поездов n суммарной массой M с межпоездным интервалом D t при соблюдении целого ряда ограничений технического, экономического и эколо гического характера.

Математически эта цель сформулирована следующим образом:

nГ nГ n k n k ;

M k M k ;

k = 1...n Г ;

n = n k ;

D t D t ;

M = M k n k, k = k = где n k, n k – соответственно фактическое и заданное число поездов k-й группы;

M k, M k – соответственно фактическая и заданная массы поезда k-й группы;

D t, D t – соот ветственно, фактический и заданный межпоездной интервал.

Ограничения технического характера формулируются так:

1. Ограничения по условиям существования режима (расчетной устойчивости):

Y(t ) D Y, (4) где Y(t ) – значение вектора регулируемых параметров в момент времени t;

D Y – до пустимая область в пространстве Y, определяемая условиями расчетной устойчивости (существования режимов) и нормированным значением коэффициента запаса k Z, рав ного 0,2 в нормальном режиме работы питающей ЭЭС и 0,08 – в послеаварийном.

2. Ограничения по уровню напряжения на токоприемниках ЭПС:

U ЭПС U ЭПСi U ЭПС, min max (5) min max где U ЭПС, U ЭПС – нижний и верхний допустимый уровни напряжения на токоприемнике ЭПС.

3. Ограничения по уровню напряжения на зажимах устройств СЦБ U СЦБ U СЦБi U СЦБ, min max (6) min max где U СЦБi - уровень напряжения на зажимах i-го устройства СЦБ;

U СЦБ, U СЦБ - нижний и верхний допустимый уровни напряжения на зажимах устройств СЦБ.

4. Ограничения по нагреву токоведущих частей:

ij (I ij ) ДОП, (7) где ij (I ij ) = (I ij ) 0 - превышение температуры токоведущей части (ветвь i-j) над температурой окружающей среды 0.

5. Ограничения, характеризующие качество электроэнергии E (норм ), (8) E где E = [U U t k U2 k U0 k U k U (n ) ] -вектор расчетных параметров, характери T зующих качество ЭЭ;

верхним индексом (норм) обозначены нормативные значения по казателей по ГОСТ -13109-98.

Ограничения экономического характера сформулированы как оптимизационная задача W = min W(X, Y ) (9) при соблюдении векторных неравенств:

X min X(Y ) X max ;

Y min Y Y max ;

Z G (X ) Z G (X ) Z G (X ), min max где Z G (X ) – заданные функции от нерегулируемых параметров режима.

Экологические ограничения определяются уровнями напряженностей электри ческого и магнитного полей, создаваемых тяговыми сетями (ТС). Математически эко логические ограничения могут быть сформулированы так:

Н H НОРМ ;

E E НОРМ, (10) где Н MAX, E MAX – соответственно величины напряженности магнитного и электриче ского полей, создаваемых ТС;

H НОРМ, E НОРМ – нормативные значения.

Приведено описание методов и алгоритмов, применимых для определения сформулированных ограничений.

Проведен системный анализ управляемости. Под управляемостью в широком смысле может подразумеваться вероятность (или возможность) достижения задаваемых целей управления в различных ситуациях. При этом может быть проведена структури зация проблемы управляемости СТЭ по целям и ограничениям, сформулированным выше. Эти ограничения могут быть разделены на две группы:

• жесткие ограничения (4)…(7), (10), которые недопустимо нарушать;

• мягкие ограничения (8), (9), нарушения которых могут приводить к дополни тельным затратам, например, связанным со штрафными санкциями энергоснабжающих организаций за ухудшение качества электроэнергии в точках общего присоединения.

Предложен алгоритм управления режимами электротяговых сетей, обеспечи вающий корректный учет внешней сети и взаимных электромагнитных влияний прово дов друг на друга. Структурная схема системы показана на рис. 2.

Разработанная система управления включает в свой состав следующие блоки:

• оценивание состояния СЭЖМ на основе информации, поступающей по кана лам телемеханики или по телекоммуникационной сети из автоматизированной системы диспетчерского управления питающей ЭЭС;

• прогнозирование нетяговых нагрузок;

• построение упрощенной модели внешней сети и ее оперативная корректиров ка при изменениях схемно-режимной ситуации;

• имитационное моделирование СТЭ на основе формирования графиков движе ния, проведения тяговых расчетов, оценки состояния внешней сети и прогноза нетяго вых нагрузок.

Разработаны методики учета динамики изменения нетранспортных нагрузок, а также асинхронной нагрузки при моделировании режимов систем тягового электро снабжения. На основе имитационного моделирования для реальных СЭЖМ показано, что неучет динамики районных нагрузок может приводить к существенным погрешно стям, рис. 3. Кроме того, для адекватного моделирования режимов и нагрузочной спо собности СТЭ необходим учет асинхронной нагрузки, питающейся от районных обмо ток тяговых трансформаторов, рис. 4.

Рассмотрены вопросы управления устройствами продольной компенсации в СТЭ. Поставлена задача оптимального регулирования для установок продольной ком пенсации (УПК). При этом целевая функция задана следующим выражением:

(X C ) = k A [U A (X C ) U HOM ] + k B [U B (X C ) U HOM ], 2 где kA, kB – нормирующие коэффициенты, определяемые профилем пути;

UA, UB – на пряжения на плечах питания тяговой подстанции, UНОМ=27.5 кВ.

Рис. 2. Структурная схема системы оперативного управления СТЭ: ТИ – телеизмере ния;

ТС – телесигнализация Задачей оптимизации является достижение минимума функции (X C ) при ог раничениях в виде нелинейных уравнений (2) и неравенств X min X X max ;

(11) 0 XC XC, HOM где неравенства (11) представляют собой ограничения по допустимым пределам изме HOM нения напряжений в узлах системы, а X C – номинальное значение емкостного со противления УПК.

Рис. 3. Погрешности расчета уровня напряжения на токоприемнике поезда, вызванные неучетом динамики изменения нетяговых нагрузок Рис. 4. Коэффициент несимметрии на шинах высокого напряжения тяговой подстанции Предложена концепция управления аварийными режимами СТЭ с элементами адаптации. Показано, что для надежной работы устройств релейной защиты (РЗ) при мощностях короткого замыкания лежащих в диапазоне 100…1000 МВА необходимо применение алгоритмов адаптации, то есть изменение уставок РЗ при существенных изменениях режимов работы внешней сети. Схема алгоритма адаптации представлена на рис. 5. Алгоритм включает в свой состав следующие блоки: оценивание состояния СТЭ с учетом внешней сети;

оценка степени изменения режима по величине нормы пе n n ретоков по основным линиям = ln Pij + jQ ij ;

при значительном изменении ре i j жима внешней сети производится оперативный расчет токов КЗ с помощью комплекса «FAZONORD», дополненного блоком приема и обработки информации о регулируе мых параметрах Y и топологии сети, поступающей по каналам телемеханики;

коррек тировка уставок РЗ.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма В третьей главе сформулирована проблема эквивалентирования внешней сети и даны возможные пути ее решения. Методы эквивалентирования ЭЭС могут быть раз делены на две больших группы: методы, основанные на исключении переменных и идентификационные методы, использующие результаты измерений или натурных ис пытаний. Показано, что эта проблема может быть решена на основе использования ли неаризованных эквивалентных моделей.

F1 (X1, X 2 ) = 0;

F21 (X1, X 2 ) + R Э (X 2 ) = 0;

где F1 – вектор-функция небалансов мощности в узлах СТЭ;

F21 – вектор-функция, от вечающая перетокам мощности из СТЭ к граничным узлам;

F22 – вектор-функция не балансов в граничных узлах;

F3 – вектор-функция небалансов в узлах внешней сети;

X1, X 2, X 3 – векторы режимных параметров, соответствующие СТЭ, граничным уз F F F 1 F ( ) лам и внешней сети;

R (X2 ) = F22 X, X + 22 22 3 X X X2 – вектор экви Э 0 0 2 X2 X3 3 валентных нагрузок в узлах примыкания (рис. 6) с регулирующими эффектами, зада F 22 F 3 F F ваемыми в виде матрицы C =.

X 3 X 3 X X 2 Рис. 6. Эквивалентные нагрузки Рис. 7. Погрешности линеаризации при недостаточно мощной ЭЭС На основе компьютерного моделирования исследована точность эквивалентиро вания. При питании от ЭЭС, имеющих мощности короткого замыкания в точках под ключения тяговых подстанций (ТП) от 1300 МВ·А до 3800 МВ·А, погрешности эквива лентирования не превышают нескольких сотых долей процента. Несколько иная ситуа ция возникает при небольших мощностях короткого замыкания и сравнительно боль ших нагрузках ЭЭС, рис. 7. Погрешности эквивалентирования в этом случае достигают 5,5 процентов, однако в основном не превышают 3 %. Их пиковые значения соответст вуют максимальным нагрузкам поезда при движении на подъем. Погрешности растут от нескольких десятых долей процента до 4…5 % при движении поезда от подстанций с большими значениями мощностей короткого замыкания SКЗ до подстанций с малыми величинами SКЗ.

Четвертая глава посвящена вопро сам управления процессами эксплуатации электрооборудования тяговых подстанций и контактной сети (КС). При этом основное внимание уделено изучению задач управ ления тепловизионным мониторингом ТП и КС. Проведен системный анализ факто ров, влияющих на эффективность термо графических обследований электрообору дования тяговых подстанций и контактной сети. Описан разработанный автором про граммный комплекс ElStaGraph (рис. 8) для обработки результатов термографических обследований электрооборудования ТП и КС. Предложена технология оценивания состояния устройств электроснабжения для целей термографических обследований. На основе имитационного моделирования ре жимов СТЭ предложены методы повыше- Рис. 8. Представление термограмм в про ния эффективности термографических об- грамме ElStaGraph следований.

В результате выполненных исследо ваний предложена система управления тепловизионным мониторингом СТЭ. Система включает четыре основных блока:

• предварительная подготовка к ТВО;

• оперативная подготовка к проведению измерений;

• выполнение термографирования;

• математическая обработка результатов ТВО.

На этапе предварительной подготовки осуществляется анализ информации, по лученной в результате математической обработки результатов предыдущих обследова ний, и производится прогнозирование уровня дефектности на основании моделей мно жественной регрессии.

Этап оперативной подготовки осуществляется непосредственно на объекте и включает оценку токораспределения по фазам и температур токоведущих частей на ос нове имитационного моделирования по данным информационной системы «График исполненного движения».

На третьем этапе осуществляется непосредственное термографирование с ис пользованием результатов, полученных на этапах 1 и 2, а также рекомендаций, сфор мулированных в диссертационной работе.

На четвертом этапе производится математическая обработка результатов ТВО с помощью современных методов и алгоритмов многомерного статистического анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие результаты:

• на основе системного анализа СТЭ показано, что наиболее приемлемый метод решения задачи управления режимами может быть реализован на основе использова ния фазных координат и решетчатых схем замещения, составленных из RLC элементов, соединенных по схеме полного графа;

• проанализированы особенности моделирования многопроводных линий элек тропередачи, многообмоточных трансформаторов, а также асинхронной нагрузки;

• дана математическая формулировка целей управления режимами СТЭ и про веден системный анализ управляемости;

• на основе имитационного моделирования в фазных координатах разработан алгоритм управления режимами систем тягового электроснабжения, отличающийся корректным учетом влияющих подсистем;

• разработан метод построения упрощенных моделей внешней сети для целей управления СТЭ, основанный на линеаризации уравнений установившегося режима в фазных координатах;

• создана методика учета внешних возмущений при управлении СТЭ и разрабо тана концепция управления аварийными режимами с элементами адаптации;

• предложена технология оценивания состояния устройств электроснабжения для целей термографических обследований и созданы методы повышения эффективно сти тепловизионных обследований тяговых подстанций и контактной сети;

• полученные в диссертации результаты могут служить основой для решения следующих актуальных практических задач: управление режимами СТЭ с учетом весо вых норм поездов, размеров движения и профиля пути;

определение пропускной спо собности железных дорог по электроснабжению и выбор оптимальной схемы пропуска поездов;

минимизация потерь электроэнергии в элементах СТЭ;

повышение надежно сти работы устройств релейной защиты.

Основные результаты диссертационной работы в виде программного обеспече ния для ЭВМ, рекомендаций и практических разработок переданы в филиал «Восточ но-Сибирская железная дорога» ОАО «РЖД». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Крюков, А.В. Тепловизионное диагностирование в системах тягового элек троснабжения [Текст] / А.В. Крюков, В.П. Закарюкин, А.Д. Степанов, С.М. Аста шин // Контроль. Диагностика. – № 8. – 2007. – С. 27-30.

Монография 2. Крюков, А.В. Математическая обработка результатов термографирования тя говых подстанций [Текст]: монография / А.В. Крюков, В.П. Закарюкин, С.М. Аста шин, А.Д. Степанов. – Иркутск, 2007. – 135 с. – Деп. ВИНИТИ 11.01.2007, № 20 – В2007.

В рецензируемых изданиях 3. Закарюкин, В.П. Учет изменений нагрузок нетранспортных потребителей при моделировании систем тягового электроснабжения [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В.

Крюков, С.М. Асташин // Иркутск: Вестник ИрГТУ. – 2007. – № 1. – С. 96-101.

4. Закарюкин, В.П. Моделирование и управление в системах тягового электро снабжения [Электронный ресурс] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, С.М. Асташин // Исследовано в России. - 2008. – http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/006.pdf. – С. 68 77.

5. Закарюкин, В.П. Учет возмущений во внешней сети при имитационном мо делировании систем тягового электроснабжения [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крю ков, С.М. Асташин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование.

Иркутск: ИрГУПС – № 1. – 2008. – С. 72-75.

6. Крюков, А.В. Управление системами тягового электроснабжения на основе имитационного моделирования [Текст] / А.В. Крюков, В.П. Закарюкин, С.М. Аста шин // Вестник Иркутского регионального отделения академии наук высшей школы России. - №1(13). – 2008. – С. 193 – 199.

Материалы научных конференций 7. Асташин, С.М. Программный комплекс для выполнения тяговых расчётов (версия 2) [Текст] / С.М. Асташин // Юбилейные X всероссийские (с международным участием) туполевские чтения студентов. – Т. 2. – Казань: КГТУ, 2002. – С. 17.

8. Асташин, С.М. Программный комплекс для выполнения тяговых расчётов [Текст] / С.М. Асташин // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. – Т. 1. – Хабаровск: ДВГУПС, 2003. – С. 231-233.

9. Astashin, S.M. Computer visualization of the thermo-visual investigations / S.M.

Astashin, A.V. Kryukov, A.D. Stepanov // Abstracts of the International conference 29- March 2004, Irkutsk. – Irkutsk: Irkutsk state transport university-Technological educational institution of Athens. – Irkutsk: IrGUPS, 2004. – PP. 78.

10. Асташин, С.М. Компьютерная визуализация результатов тепловизионных обследований [Текст] / С.М. Асташин, А.В. Крюков, А.Д. Степанов // Proceedings of the International conference 29-31 March 2004, Irkutsk. – Irkutsk: Irkutsk state transport uni versity-Technological educational institution of Athens. – Irkutsk: IrGUPS, 2004. – PP. 234 240.

11. Асташин, С.М. Компьютерная обработка результатов тепловизионных об следований тяговых подстанций [Текст] / С.М. Асташин, А.В. Крюков, А.Д. Степа нов //Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2004. – С. 26- 12. Закарюкин, В.П. Учет асинхронной нагрузки при моделировании режимов систем тягового электроснабжения [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, С.М. Ас ташин, Е.Ю. Литвинов // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. – Красноярск: Изд-во «Гротеск», 2005. – С. 212-217.

13. Асташин, С.М. Программный комплекс для анализа результатов тепловизи онных обследований тяговых подстанций [Текст] / С.М. Асташин, А.Д. Степанов // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. – Т. 1. – Хабаровск: ДВГУПС, 2005. – С. 210-212.

14. Закарюкин, В.П. Моделирование режимов энергосистем с электротяговыми нагрузками [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, С.М. Асташин // Энергетика в современном мире. – Чита: ЧитГУ, 2006. – С. 115-121.

15. Закарюкин, В.П. Имитационное моделирование систем электроснабжения железных дорог [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, С.М. Асташин // Энергетика и энергоэффективные технологии. – Ч. II. – Липецк: ЛГТУ, 2006. – С. 170-174.

16. Закарюкин, В.П. Управление устройствами продольной компенсации в сис темах тягового электроснабжения [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, С.М. Ас ташин // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке.

– Т. 2. – Хабаровск: ДВГУПС, 2007. – С. 158 – 163.

17. Закарюкин, В.П. Упрощенное моделирование внешней сети при расчетах систем тягового электроснабжения [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, Н.А. Аб рамов, С.М. Асташин // Информационные и математические технологии в науке и управлении. – Ч. 1. – Иркутск: ИрГУПС, 2007. – С. 160 – 167.

18. Закарюкин, В.П. Учет питающей сети в имитационных моделях систем тя гового электроснабжения [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков, С.М. Асташин // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса. – Самара: СамГУПС, 2008.

– С. 121-124.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.