СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Российский патент 2016 года по МПК B60M3/00 B60L3/12 G01R21/133 

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.

Изобретение относится к электрическим сетям, контактирующим с токоприемниками транспортных средств. Способ определения технологических потерь в тяговой сети заключается в том, что измеряют на участке железной дороги ток, напряжение, ординаты поезда во времени. При этом измерения на фидерах контактной сети тяговых подстанций и устройствах усиления системы электроснабжения постоянного или переменного тока осуществляют синхронно с измерениями на электроподвижном составе при помощи систем глобального позиционирования. Результаты измерений передают на сервер обработки данных через корпоративную сеть с тяговых подстанций, устройств усиления и устройств сбора данных в пунктах оборота локомотивных бригад. Определяют технологические потери для произвольного анализируемого участка тяговой сети как разность между расходом электроэнергии, определяемым по данным тяговых подстанций и устройств усиления, и расходом электроэнергии по данным электроподвижного состава. Технический результат заключается в повышении точности определения технологических потерь электроэнергии в тяговой сети. 1 ил.

Способ определения технологических потерь электроэнергии в тяговой сети, заключающийся в измерениях на участке железной дороги тока, напряжения, ординаты поезда во времени, отличающийся тем, что измерения на фидерах контактной сети тяговых подстанций и устройствах усиления системы тягового электроснабжения постоянного или переменного тока осуществляются синхронно с измерениями на электроподвижном составе при помощи систем глобального позиционирования, результаты измерений передаются на сервер обработки данных через корпоративную сеть с тяговых подстанций, устройств усиления и устройств сбора данных в пунктах оборота локомотивных бригад, оснащенных системой передачи данных, на основе которых определяются технологические потери электроэнергии для произвольного анализируемого участка тяговой сети за необходимый период времени как разность между расходом электроэнергии, определяемым по данным тяговых подстанций и устройств усиления системы тягового электроснабжения, и расходом электроэнергии по данным электроподвижного состава.