СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ Российский патент 2016 года по МПК B60M3/02 H02J13/00 G05B19/04 

Изобретение относится к системе электроснабжения, а именно к способу управления системой электроснабжения железных дорог.

Система электроснабжения железных дорог включает в себя систему тягового и нетягового электроснабжения. Электроснабжение нетяговых потребителей крупных железнодорожных станций и узлов (объекты инфраструктуры, в том числе локомотивного и вагонного хозяйства, культурно-бытовые объекты, сторонние потребители и др.) осуществляется непосредственно от подстанций электроэнергетических систем 110/6(10)/0,4 кВ или от тяговых подстанций 220 (110)/35/10 кВ. Электроснабжение нетяговых железнодорожных потребителей, расположенных на железнодорожных перегонах и железнодорожных станциях, находящихся на межподстанционных зонах (освещение промежуточных станций, остановочных пунктов, линейно-путевых зданий, устройств автоблокировки и др.), осуществляется, как правило, от линий продольного электроснабжения 6, 10, 35 кВ или от районных электросетей.

В настоящее время основой управления параметрами режима системы электроснабжения железных дорог является оперативно-диспетчерское управление переключениями, выполняемое персоналом.

Между тем, повышение энергоэффективности системы электроснабжения железных дорог может достигаться на основе измерений информативных параметров и реализации согласованных управляющих воздействий на исполнительные устройства объектов системы электроснабжения железных дорог, что позволяет обеспечить заданные показатели надежности, качества электроэнергии и уровня потерь в реальном режиме времени.

В качестве таких объектов для рассматриваемой системы электроснабжения выступают поперечные компенсирующие устройства (КУ), устройства продольной емкостной компенсации, вольтодобавочные трансформаторы (на тяговых подстанциях электрифицированных участков переменного тока), устройства компенсации несимметрии и искажений синусоидальности напряжений, РПН трансформаторов (в том числе тяговых), источники распределенной генерации и накопители энергии, коммутационные аппараты.

Режим работы сети характеризуется рядом параметров, которые можно изменять (регулировать). К их числу относятся активные и реактивные нагрузки потребителей (линий), нагрузки и ток линий тяговой и распределительной сети, напряжение в узлах электрической сети, уровень искажений напряжений.

Известна расширенная автоматизированная система электроснабжения (RU №2514208) с дополнительным объемом функций, которая наряду с функциями управления обычной автоматизированной системы энергоснабжения служит для управления и контроля сети энергоснабжения, например, коммутирующего устройства сети энергоснабжения; включает в себя дополнительные функции для регистрации и направления данных о качестве электроэнергии.

Недостатком известной системы в части общих признаков с заявляемым изобретением является ограниченность информативных параметров для целей контроля и управления системой электроснабжения, а также централизованная структура обработки данных с низким быстродействием.

Известна также система и способ для управления электроэнергетической системой (RU №2270469), состоящая из датчиков на различных участках энергосистемы общего пользования, с применением технологии передачи данных и компьютерной технологии, таких как дополнительные структуры шины, для обновления электроэнергетической системы таким образом, чтобы она могла работать более эффективно и надежно, и для поддержания дополнительных услуг для потребителей. Известная интеллектуальная энергосистема может включать в себя распределенное интеллектуальное средство в энергосистеме общего пользования (отдельное от интеллектуальных средств центра управления), включающее в себя устройства, которые генерируют данные на разных участках энергосистемы, анализируют сгенерированные данные и автоматически модифицируют работу участка электроэнергетической системы.

Известное изобретение связано со сбором, анализом данных для управления электроэнергетической системой, в частности с эталонной информационной архитектурой интеллектуальной энергосистемы, способом передачи данных от множества компонентов электрической сети в центральный орган управления, с системой хранения, управления данными и реализации управляющих воздействий для модификации участка электроэнергетической системы. Известная система и способ для управления электроэнергетической системой содержит в качестве объектов управления только коммутационные аппараты, а также предусматривает наличие датчиков только для измерения электрических величин.

Недостатками известной системы и способа, таким образом, являются ограниченные функциональные возможности для целей управления, например не предполагается управление поперечными компенсирующими устройствами (КУ), устройствами компенсации несимметрии и искажений синусоидальности напряжений, РПН трансформаторов, источниками распределенной генерации, накопителями энергии и т.п.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является изобретение, принятое в качестве прототипа, «Управление распределением электрической энергии» (RU 2479087).

Известное изобретение содержит распределительный контроллер и способ управления распределением электрической энергии. Распределительный контроллер для управления распределением электрической энергии в первом регионе распределения энергии выполнен с возможностью соединения с устройствами технологических процессов и с возможностью взаимодействия со вторым распределительным контроллером, относящимся ко второму региону, причем устройства технологических процессов взаимодействуют с основными устройствами, относящимися к первому региону, при этом контроллер содержит средства обработки данных для обработки данных из устройств технологических процессов, соединенных с контроллером, и для предложения операций, относящихся к основному устройству первого региона, и средства координирования для координирования предложенных операций, отличающийся тем, что средства координирования выполнены с возможностью координации операций, относящихся к основному устройству первого региона и предложенных средствами обработки данных указанного распределительного контроллера или второго распределительного контроллера, и/или средства координации выполнены с возможностью координирования предложенных операций на основе входных данных поддержки решения из второго контроллера. Средства координирования выполнены с возможностью координирования предложенных операций на основании назначения приоритетов или упорядоченности по рангам. Назначение приоритетов или упорядоченность по рангам базируется на истории функционирования основного устройства

Известный способ управления распределением электрической энергии содержит два региона распределения энергии и два распределительных контроллера, соединенных с устройствами технологических процессов, которые, в свою очередь, взаимодействуют с основными устройствами в соответствующем регионе распределения энергии, включающий определение операций, относящихся к основному устройству первого региона, с помощью средств обработки данных первого контроллера на основе данных от устройств технологических процессов, соединенных с контроллером, координирование с помощью средств координации первого контроллера указанных операций на основе входных данных поддержки решения из второго распределительного контроллера.

К недостаткам известного изобретения можно отнести отсутствие средств прогнозирования изменений параметров режима, а также отсутствие средств обучения на основе оперативной оценки результатов управляющих действий контроллера, что снижает качество управления и эффективность системы электроснабжения в целом. Кроме того, в известном способе управления распределением электрической энергии распределительные контроллеры заданы не по функциональному назначению, а по территориальному принципу, что приводит к значительной централизации вычислительных процессов и снижению быстродействия, а также к взаимному перекрытию зон ответственности распределительных контроллеров и конфликтным ситуациям при координации из-за несовпадений зон ответственности и зон чувствительности (например, при регулировании напряжений на первом участке некоторые необходимые средства регулирования могут оказаться на участке соседнего контроллера).

Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные выше недостатки применительно к системе электроснабжения железных дорог.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности и расширении функциональных возможностей управления системой электроснабжения железных дорог.

Технический результат достигается с помощью представленного способа управления системой электроснабжения железных дорог.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании способа управления системой электроснабжения железных дорог, позволяющего повысить эффективность и расширить функциональные возможности управления системой электроснабжения железных дорог.

Признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, является архитектура системы управления с общей средой обмена данными (виртуальная сеть), наличие средств прогнозирования изменений параметров режима, а также средств обучения на основе оперативной оценки результатов управляющих действий контроллера для повышения качества управления системой электроснабжения железных дорог.

Кроме того, управляющие контроллеры назначены по функциональному назначению, что приводит к значительной децентрализации вычислительных процессов (на одном участке несколько управляющих контроллеров) и повышению быстродействия. При этом зона ответственности управляющих контроллеров определяется не границами участка сети, примыкающей к основной подстанции, а на основе чувствительности управляющих воздействий к управляемым параметрам режима.

Благодаря отличительным признакам повышается эффективность и расширяются функциональные возможности управления системой электроснабжения железных дорог.

На фиг. 1 представлен фрагмент системы электроснабжения железных дорог, на фиг. 2 - архитектура способа управления системой электроснабжения железных дорог, на фиг. 3 - структура управляющего контроллера (агента-координатора).

Сущность предлагаемого изобретения представлена ниже.

Система электроснабжения железных дорог (фиг. 1), например, включающая в себя систему тягового и нетягового электроснабжения, тяговые (11, 12) и трансформаторные подстанции (13, 15, 16, 17), распределительные пункты (14), тяговую сеть, распределительную сеть, тяговые (не показаны) и нетяговые нагрузки, содержит поперечные компенсирующие устройства (3), устройства продольной емкостной компенсации (10), вольтодобавочные трансформаторы и другие системы управления напряжением (не показаны), устройства компенсации не симметрии и искажений синусоидальности напряжений (5), РПН трансформаторов (1, 4, 8, 9), источники распределенной генерации (7) и накопители энергии (6), коммутационные аппараты (по концам каждой линии 2).

Способ управления системой электроснабжения железных дорог включает в себя архитектуру с распределенными центрами принятия решений (управляющие контроллеры-агенты-координаторы) на основе измерений и высокоскоростного анализа с помощью вычислительных средств на базе мультиагентных систем (фиг. 2); необходимые датчики электрических (напряжения, токи, мощности, коэффициент мощности, показатели качества электроэнергии и т.п.) и неэлектрических величин (положение коммутационных аппаратов, отпаек РПН, ПБВ, вольтодобавочных трансформаторов, ступеней компенсирующих устройств и т.п.); локальные контроллеры исполнительных устройств. Все датчики, локальные и управляющие контроллеры соединены через информационные каналы по своим протоколам к виртуальной модели сети в границах энергодиспетчерского пункта ОАО «РЖД» (с возможность получения и обмена данными с соседними энергодиспетчерскими пунктами). Виртуальная модель сети содержит все зеркальные данные о сети, которые обновляются с получением новых данных. Она позволяет реализовать взаимодействие элементов сети в системе управления с различными протоколами передачи данных.

Выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства объектов электроснабжения осуществляется как в автоматическом режиме, так и в результате действий энергодиспетчера, который осуществляет свои функции в центре управления системой электроснабжения.

В качестве локальных контроллеров-агентов исполнительных устройств выступают локальные контроллеры оборудования (локальное управление регулируемыми компенсирующими устройствами, РПН трансформаторов, фильтр-устройств, накопителей, коммутационных аппаратов и т.д.). Локальные контроллеры могут работать автономно, получая данные непосредственно в месте подключения и/или из виртуальной модели сети, на основе своих заданных целей и в составе системы управления электроснабжением, получив задание от распределительного контроллера для достижения глобальной цели, т.е. координировано.

Управляющие контроллеры выступают в качестве агентов-координаторов, реализованы по функциональному признаку, например контроллеры управления напряжением, управления секционированием и потоками мощности, управления качеством электроэнергии и др.

Управляющий контроллер содержит (фиг. 3) средства обработки данных от датчиков, локальных контроллеров, центра управления и включает в себя оценку состояния - идентификацию параметров сети (топология: путем анализа измерений на наличие соединения линий, параметры элементов схемы), параметры режима - напряжения узлов, перетоки мощностей и токов в ветвях, мощности генерации, накопления и потребления в узлах, ограничения на параметры режима. Далее с учетом базы знаний, которая содержит модели процессов, критерии и ограничения, как заложенные, так полученные из опыта и прогнозирования, происходит принятие решений по управлению системой электроснабжения железных дорог, основанное на алгоритмах полезности функционирования объекта (например, алгоритм минимума потерь в сетях) по результатам координации с другими управляющими контроллерами и определяется величина управляющих воздействий, которая передается локальным контроллерам для реализации исполнительными устройствами.

Прогнозирование особенно необходимо для целей управления переключением РПН трансформаторов, т.к. количество переключений таких систем в сутки ограничено и для повышения эффективности такого управления необходим закон изменения напряжения. Для облегчения целей прогнозирования напряжений на шинах тяговых подстанций может быть реализован сбор сведений о перемещении тяговых нагрузок с использованием геоинформационных данных (Глонасс).

Кроме этого, управляющий контроллер содержит средства координации по принципу сотрудничества или переговоры-аукциона. Координация осуществляется для достижения глобальной цели или получения максимальной отдачи от локальных систем управления (контроллеров-агентов). Например, агент начинает переговоры с другими, когда его реактивная нагрузка возрастает, а он не имеет достаточного запаса реактивной мощности, чтобы достичь локальной цели (повышения напряжения). Координация может выполняться на основе выставленных приоритетов и чувствительности к параметрам режима, а также ранжирования по значениям функции полезности со стороны агентов с учетом истории и прогнозных значений, например, реконфигурация топологии сети для автоматического восстановления нормального режима. Под функциями полезности понимаются алгоритмы оптимизации, например минимум потерь в сетях, минимальное среднеквадратическое отклонение напряжения в узлах сети и т.д.

Координация выполняется между всеми управляющими контроллерами через среду обмена данными (виртуальную сеть). Ели какой-то контроллер-агент не сможет выполнять свою работу по причине отказа, то соседний контроллер возьмет на себя его функции.

Для повышения качества управления и эффективности системы электроснабжения в целом в управляющем контроллере реализован механизм обучения на основе оперативной оценки результатов управляющих действий контроллера, который заключается в запоминании и анализе результатов управления, получении новых знаний и внесении соответствующих изменений в работу управляющего контроллера.

Способ управления системой электроснабжения железных дорог осуществляется в реальном режиме времени с высоким быстродействием, порядка 0,1 с. За счет распределенных вычислений и отсутствия централизованного сбора и обработки данных существенно возрастает скорость управления системой электроснабжения железных дорог.

Использование управляющих контроллеров, построенных по функциональному признаку, предполагает задание каждому из них своей динамически изменяющейся «зоны ответственности» над локальными контроллерами и исполнительными устройствами на основе заданной чувствительности действий исполнительных устройств к конкретным параметрам (например, напряжению, перетокам мощности). Таким образом, система электроснабжения железных дорог разделяется на отдельные участки на основе, например, сенсорного анализа с учетом наличия средств регулирования на конкретном участке сети и их влияния на регулируемые параметры для более эффективной работы управляющего контроллера. Также, например, возможно определение участков системы электроснабжения с различным качеством электроэнергии, перегрузкой линий с предоставлением информации в центр управления о невозможности поддержания требуемых параметров режима для поиска решения.

Список обозначений:

1, 4, 8, 9 - РПН трансформаторов

2 - линии;

3 - поперечные компенсирующие устройства;

5 - устройства компенсации не симметрии и искажений синусоидальности напряжений;

6 - накопители энергии;

7 - источники распределенной генерации;

10 - устройства продольной емкостной компенсации;

11, 12 - тяговые подстанции;

13, 15, 16, 17 - трансформаторные подстанции

14 - распределительный пункт.

Изобретение относится к подаче электроэнергии к электрическим сетям, контактирующим с токоприемниками транспортных средств. Предложен способ управления системой электроснабжения железных дорог, которая включает в себя датчики электрических и неэлектрических величин, локальные контроллеры исполнительных устройств и управляющие контроллеры, содержащие вычислительные средства. Управляющие контроллеры содержат средства прогнозирования изменений параметров режима и средства обучения на основе оперативной оценки результатов управления и разделены по функциональному назначению. При этом управляющие контроллеры, локальные контроллеры исполнительных устройств, центр управления и блок данных оценивания состояния электрической сети подключены по своим протоколам к среде обмена данными, которая содержит обновляемую виртуальную модель электрической сети с изменяемой зоной ответственности на основе заданной чувствительности действий исполнительных устройств к параметрам режима. Через среду обмена данными осуществляется координация управляющих и локальных контроллеров между собой. Технический результат заключается в повышении эффективности и расширении функциональных возможностей управления системой электроснабжения железных дорог. 3 ил.

Способ управления системой электроснабжения железных дорог, которая включает в себя необходимые датчики электрических и неэлектрических величин, локальные контроллеры исполнительных устройств и управляющие контроллеры, содержащие вычислительные средства для высокоскоростного анализа и принятия решений в зависимости от целей управления, отличающийся тем, что управляющие контроллеры содержат средства прогнозирования изменений параметров режима и средства обучения на основе оперативной оценки результатов управления и разделены по функциональному назначению, при этом управляющие контроллеры управления напряжением, управления секционированием и потоками мощности, управления качеством электроэнергии, локальные контроллеры исполнительных устройств, центр управления и блок данных оценивания состояния электрической сети подключены по своим протоколам к среде обмена данными, через которую осуществляется координация управляющих и локальных контроллеров между собой и которая содержит обновляемую виртуальную модель электрической сети с изменяемой зоной ответственности на основе заданной чувствительности действий исполнительных устройств к параметрам режима.