Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Изобретение относится к системам электроснабжения, а именно к системе тягового электроснабжения железнодорожного транспорта, в частности к способу определения технологических потерь в тяговых сетях постоянного и переменного тока.

Целью изобретения является повышение точности определения технологических потерь электроэнергии на участках с устройствами усиления системы тягового электроснабжения, получающими электроэнергии от шин тяговых подстанций или других источников, а также снижение издержек на построение информационной системы определения расхода электроэнергии по данным электроподвижного состава.

Электропотребление на тягу поездов составляет около 80% от общего электропотребления железнодорожного транспорта Российской Федерации. В связи с этим актуальны мероприятия, направленные на снижение расхода электроэнергии на тягу и технологических потерь в тяговой сети. Оценка эффективности эксплуатации электрической тяги и реализации мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности, опирается на анализ электропотребления и определение уровня потерь электроэнергии в тяговой сети для различных условий эксплуатации: применения поездами рекуперативного торможения; эксплуатации электровозов различных серий; организации движения с использованием систем автоведения поезда и без него; организации движения поездов повышенной массы; реализации энергооптимальных графиков движения поездов; эксплуатации на участке железной дороги электровозов, принадлежащих различным компаниям; организации учета электроэнергии на тягу поездов на границах различных тарифных зон; вынужденных остановок поездов на перегонах и др.

Определение технологических потерь электроэнергии в тяговой сети определяется с помощью соответствующей системы учета на тяговых подстанциях и электроподвижном составе или расчетным способом. Известные способы определения потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения основаны на многократных расчетах для схем, в которых поезд представлен фиксированной электрической нагрузкой, размещаемой с определенными интервалами или в характерных точках межподстанционной зоны. Данные способы позволяют определить технические потери и основаны на измерении расхода электроэнергии за определенный интервал времени [1, 2] силу целого ряда причин указанные способы не получили распространение на практике. На железнодорожном транспорте в настоящее время определяются не технические, а технологические потери - статистически в границах железной дороги на основе данных о расходе электроэнергии электроподвижным составом и автоматизированной системы коммерческого учета на тяговых подстанциях отдельно по полигонам постоянного и переменного тока.

Учет расхода электроэнергии на тяговых подстанциях осуществляется с помощью автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии, позволяющей определять его на получасовых интервалах. Данная система позволяет определять расход электроэнергии по присоединениям подстанции, в частности, расход электроэнергии по понижающим и преобразовательным трансформаторам на стороне переменного тока. В существующих системах тягового электроснабжения (СТЭ) постоянного тока по присоединениям фидеров контактной сети (ФКС) и вводов преобразовательных агрегатов тяговых подстанций (ТП) на номинальном напряжении 3,3 кВ расход электроэнергии не определяется, в отличие от систем тягового электроснабжения переменного тока.

Известны способы определения технологических потерь электроэнергии в тяговой сети переменного тока [3-5]. Указанные способы основаны на синхронном измерении тока и напряжения на каждой тяговой подстанции с помощью специальных счетчиков амперчасов, устанавливаемых на тяговых подстанциях и электроподвижном составе (ЭПС), или счетчиков переменного тока, подключенных к соответствующим измерительным трансформаторам. Синхронизация данных осуществляется по единому времени, а также дополнительно - при прохождении поездом нейтральной вставки.

Наиболее близким к предложенному решению является способ, реализованный в [6]. В данном способе ТП и ЭПС оснащаются дополнительными устройствами передачи данных с измерительных систем ЭПС на устройства приема данных на ТП при применении устройств радиосвязи.

К недостаткам предложенного способа относятся:

1) необходимость организации системы приема-передачи данных от электроподвижного состава в местах расположения каждой тяговой подстанции контролируемого участка по радиоканалу;

2) отсутствие возможности сбора данных с устройств усиления системы тягового электроснабжения (УУ СТЭ).

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения технологических потерь электроэнергии на тягу в тяговой сети за определенный интервал времени в границах анализируемого участка, содержащего УУ СТЭ на одной или нескольких межподстанционных зонах. Данные измерений с ТП и УУ СТЭ передаются на сервер для обработки и хранения данных по существующим линиям оптоволоконной связи. Повышение эффективности предлагаемого способа достигается за счет переноса устройств сбора данных о расходе электроэнергии на ЭПС с ТП в пункты оборота локомотивных бригад, что позволяет сократить их количество в несколько раз. Данные о расходе электроэнергии на тягу поездов с измерительных систем ЭПС передаются по радиоканалу на устройства сбора данных в пунктах смены локомотивных бригад, а затем на сервер хранения и обработки данных. Технологические потери определяются как разность между расходом электроэнергии, определяемым по данным ТП и устройств усиления системы тягового электроснабжения, и расходом электроэнергии по данным электроподвижного состава.

Сравнение заявленного способа определения технологических потерь в тяговой сети с описанными выше показывает, что синхронное измерение параметров тяговой нагрузки на ФКС и УУ СТЭ, а также ЭПС на основе данных соответствующих измерительных систем в границах одной или нескольких межподстанционных зон для тяговой сети ни в области электроснабжения, ни в других областях техники не использовались.

Отличиями от ранее известных способов определения потерь являются: повышение точности измерений на основе обработки данных измерительных систем ФКС, УУ СТЭ и ЭПС в границах межподстанционной зоны, дистанций электроснабжения, железных дорог и др. на основе систем глобального позиционирования, определения потерь в границах межподстанционных зон в зависимости от режима ведения поезда (в тяге или рекуперативном торможении) за произвольный промежуток времени следования поездов, а также синхронизации измерений технологических потерь по корпоративному времени ОАО «РЖД»; организация учета данных по расходу электроэнергии на УУ СТЭ (автотрансформаторные пункты с питанием от дополнительных ЛЭП, пункты повышения напряжения постоянного тока, вольтодобавочные устройства, накопители электрической энергии и пр.) с помощью измерительных систем; перенос систем сбора данных с измерительных систем по радиоканалу от мест расположения тяговой подстанции контролируемого участка в пункты смены локомотивных бригад; возможность использования способа для любых систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.

Определение технологических потерь осуществляется в следующем порядке.

Действующие значения напряжения, тока и мощности (в СТЭ постоянного и переменного тока) за j-й интервал усреднения ДТ определяются по выражению:

,

где U_i, I_i - цифровые отсчеты для определения мгновенных значений напряжения и тока;

i - момент отсчета, i:t∈(t_j-1; t_j);

L_i - номер отсчета для j-го интервала усреднения;

j - номер интервала усреднения;

N - количество отсчетов на интервале усреднения.

Активная мощность для электроподвижного состава, фидеров тяговых подстанций и устройств усиления СТЭ в общем виде за j-й интервал усреднения определяется по выражению:

Расход активной энергии за j-й интервал усреднения определяется по выражению:

Объем потребленной активной электроэнергии:

Объем возвращенной активной электроэнергии:

Расход электрической энергии по данному способу в границах k-й зоны учета за j-й интервал усреднения с УУ СТЭ определяется на основе измерений за интервал времени для системы электроснабжения по выражению:

где l - количество ФКС, относящихся к k-й зоне учета.

Длительность интервала усреднения j определяется как диапазон 3 секунды (ГОСТ Р51317.4.30-2008), при этом количество измерений на интервале усреднения составляет 38 400.

Определение расхода электрической энергии по данному способу в границах k-й зоны учета за j-й интервал усреднения для ЭПС определяется по выражению:

,

где n - количество единиц ЭПС, находящегося в k-й зоне в j-й интервал усреднения.

Технологические потери активной электроэнергии в тяговой сети на основе синхронных измерений за j-й интервал усреднения определяются по отдельно по потребленной и возвращенной энергии по выражению:

Принадлежность ТП, ФКС и УУ СТЭ к j-й зоне учета является неизменной и определяется схемой секционирования контактной сети. Отнесение расхода электроэнергии электроподвижного состава за выбранный интервал времени к j-й зоне учета определяется на основе систем глобального позиционирования.

Сущность предлагаемого способа определения технологических потерь в тяговой сети проиллюстрирована на следующем примере его реализации в границах одной межподстанционной зоны.

На фиг.1 представлена структурная схема системы тягового электроснабжения, в которой определяются технологические потери электроэнергии в тяговой сети.

На тяговой подстанции на ФКС 10, получающие питание от понижающего (преобразовательного) трансформатора 2, устанавливаются измерительные системы 3, на УУ СТЭ 5 - измерительные системы 6, позволяющие осуществлять учет и контроль параметров тяговой нагрузки. На ЭПС 11 для учета и контроля данных тяговой нагрузки поезда используются измерительные системы 4. По каналам связи 8 от измерительных систем 3, 4 и 6 информация о тяговой нагрузке поступает на сервер хранения и обработки данных 9. Передача данных с измерительных систем 4 на устройство приема/передачи данных в пунктах оборота локомотивных бригад в депо осуществляется по радиоканалу.

Расход электрической энергии, потребленной ЭПС 11 в границах зон учета измерительной системой 4 определяется с использованием системы глобального позиционирования 1 GPS/ГЛОНАСС. На основании данных измерительной системы 4 определяется расход электроэнергии электроподвижным составом за любой промежуток времени в границах каждой j-й зоны учета. Границы зоны учета определяются по координатам воздушных изолирующих промежутков (нейтральных вставок) 7. По данным измерительных систем 3 и 6 определяется расход электроэнергии за отчетный интервал времени (час, сутки, месяц и т.д.). Технологические потери за отчетный интервал времени для произвольного участка определяются как разность между расходом электроэнергии, определяемой по данным 3 и 6, и расходом электроэнергии по данным измерительным систем 4 с учетом времени и привязки к зонам учета на региональном сервере обработки и хранения данных 9. Передача данных с ЭПС 11 осуществляется с помощью систем сбора данных с измерительных систем локомотивов на сервера сбора и передачи данных 12, расположенных в пунктах смены локомотивных бригад для последующей передачи данных через корпоративную сеть на региональный сервер хранения и обработки данных 9.

Обработка данных осуществляется на основе приведения исходной информации измерительных систем электроподвижного состава к единому формату отображения данных с единым интервалом времени. При необходимости интервалы времени дискретизации могут быть изменены (от 1 секунды до 30 минут). По данным измерительных систем ФКС ТП и УУ СТЭ определяется количество электроэнергии, отпущенной в тяговую сеть, на произвольном участке (кратном межподстанционной зоне) за выбранный период времени. Полученный график нагрузки синхронизируется с данными нагрузки ЭПС на рассматриваемом участке. Синхронизация во времени осуществляется на основании систем глобального позиционирования по ординате нахождения поезда для последующего представления данных во времени с требуемыми интервалами. Технологические потери определяются как разность полученных данных о расходе электроэнергии соответственно от устройств тягового электроснабжения и ЭПС.

Предложенный способ позволяет с высокой степенью точности определять технологические потери в тяговой сети, на основе которых проводится оценка энергетической эффективности эксплуатации инфраструктуры железнодорожного транспорта. Изобретение направлено на реализацию мониторинга технологических потерь электроэнергии в тяговой сети в различных условиях эксплуатации инфраструктуры (при исчислении затрат по использованию объектов инфраструктуры частными компаниями-владельцами подвижного состава; в различных условиях организации движения поездов (капитальный ремонт путей, вынужденные остановки поездов, нагон отставания поездов от графика и др.), пропуск поездов повышенной массы и т.д.).

Список использованных источников

1. Корякин Р.Н. Определение потерь в тяговых сетях переменного тока. Тяговые сети переменного тока. «Транспорт», 1964 г., с.52-55.

2. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.д. транспорта. - М.: Транспорт, 1982 - С.350-363.

3. В.П. Кручинин, А.Л. Быкадоров, В.Т. Даманский. Опыт эксплуатации счетчиков потерь; «Режимы работы, автоматическое управление и техническая диагностика систем электроснабжения железных дорог» Труды. Межвузовский тематический сборник, выпуск 171, с.45-48. г. Ростов-на-Дону, 1983 г.

4. Пат. на изобретение 2267410 РФ. МПК B60L 3/00, G01R 21/06. Способ определения технологических потерь электроэнергии в тяговой сети переменного тока / М.Д. Рабинович, Н.А. Петров, А.В. Кузнецов, В.В. Кузнецов, Б.Д Никифоров, Е.Л. Емельяненкова. (РФ) - №2004118637/11; Заявлено 22.06.2004; опубл. 10.01.2006. Бюл. №01.

5. Пат. на изобретение 2281518 РФ. МПК G01R 19/00, B60L 3/00. Способ прямого определения энергии, потребленной электроподвижным составом из тяговой сети / В.А. Гречишников, А.А. Федотов, В.Н. Пупынин. (РФ) - №2004127967/28; Заявлено 22.09.2004; опубл. 10.08.2006. Бюл. №22.

6. Пат.на изобретение 2446065 РФ. МПК B60M 3/02. Информационная система для учета электроэнергии в тяговых сетях / В.Т. Черемисин, С.Н. Чижма, Ю.В. Кондратьев, М.М. Никифоров, А.С. Онуфриев (РФ) - №2010143100/11. Заявл. 20.10.2010; опубл. 27.03.2012. Бюл. №9.