CC BY
32
УДК 621.311: 621.331 Крюков Андрей Васильевич,
д. т. н., профессор ИрГУПС, [email protected] Алексеенко Владимир Александрович,
аспирант ИрГУПС, [email protected]
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
A. V. Kryukov, V.A. Alekseenko
RAISE OF EFFICIENCY OF ON-LINE CONTROL IN SYSTEMS OF THE TRACTION ELECTRIC-POWER SUPPLY
Аннотация. Повышение эффективности функционирования энергодиспетчерских служб железных дорог возможно на основе использования современных технологий интеллектуализации, а также путем создания программно-аппаратного комплекса «Советчик энергодиспетчера», основное назначение которого состоит в выработке рекомендаций энергодиспетчеру по оперативному управлению СТЭ в сложных схем-но-режимных ситуациях.
Ключевые слова: системы тягового электроснабжения, оперативное управление режимами, активно-адаптивные сети.
Abstract. Raise of efficiency of functioning of energy dispatching services of railways possiblle on the basis of use of modern production engineering of intellectualization, and also by creation of a hardware-software complex «The Energy Dispatcher Adviser» which basic purpose is in development of recommendations for the energy dispatcher on on-line EPS control in difficult circuit-regime situations.
Keywords: systems of a traction electric-power supply, on-line regimes control, active-adaptive networks.
Введение
Увеличение объемов работ по реконструкции и ремонту оборудования систем тягового электроснабжения (СТЭ) магистральных железных дорог вызывает увеличение нагрузки на энергодиспетчеров и повышает вероятность ошибочных действий. Особенно это актуально для последних лет, что связано с дефицитом квалифицированных кадров. Современные компьютерные технологии позволяют реализовать новые методы работы энергодиспетчера, обеспечивающие повышение производительности его труда и безо-
пасности эксплуатации СТЭ. Разработка новых технологий должна базироваться на исследовании работы энергодиспетчера, в том числе на основе статистических методов и математического моделирования. Главная тенденция при создании новых систем оперативного управления - значительное расширение функциональности. Необходимо создание и интеграция в единую систему подсистем поддержки и контроля действий энергодиспетчера, диагностики оборудования. Это позволит существенно повысить эффективность управления режимами работы СТЭ [1].
Второе направление повышения эффективности оперативного управления СТЭ состоит в использование современных технологий управления режимами электроэнергетических систем (ЭЭС), базирующихся на использовании активно-адаптивных и интеллектуальных электрических сетей [2.. .6].
Постановка задачи
Система тягового электроснабжения железной дороги переменного тока является сложным многорежимным динамическим объектом. Для эффективного управления таким объектом требуется создание комплекса развитых методов и средств. Одним из главных сегментов этого комплекса может быть программно-аппаратный комплекс «Советчик энергодиспетчера».
Назначение комплекса состоит в выработке рекомендаций энергодиспетчеру по оперативному управлению СТЭ в сложных схемно-режимных ситуациях. В дальнейшем, по мере накопления опыта интерактивного взаимодействия энергодиспетчера с программной системой, появится возможность разработки и реализации следующих дополнительных функций:
• формирование рекомендаций по опера-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
тивному управлению на основе использования методов искусственного интеллекта;
• полная автоматизация ряда выделенных функций оперативного управления.
Глобальные цели создания комплекса «Советчик энергодиспетчера» состоят в следующем:
• бесперебойное электроснабжение тяги поездов, а также систем сигнализации, централизации и автоблокировки при соблюдении отраслевых и общеэнергетических норм по качеству электроэнергии;
• обеспечение нормативного качества электроэнергии (ЭЭ) на шинах питающего напряжения тяговых подстанций 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 электромагнитных полей, создаваемых тяговыми сетями и технологическими линиями электропередачи;
• эффективное управление режимами СТЭ с учетом массы поездов, размеров движения и профиля пути;
• стабилизация уровней напряжения на токоприемниках электроподвижного состава.
Комплекс программ «Советчик энергодиспетчера». Структурная схема комплекса приведена на рис. 1.
Ниже приводится краткое описание основных блоков комплекса.
В блоке 1 происходит прием и обработка следующей информации:
• данные о местоположении электроподвижного состава (ЭПС), поступающие из системы глобального позиционирования;
• сфазированные по сигналам GPS измеренные режимные параметры на шинах высокого напряжения тяговых подстанций;
• измеренные параметры режима на шинах районных обмоток тяговых трансформаторов.
В блоке 2 выполняется формирование математической модели СТЭ в виде решетчатой схемы замещения [7] с использованием информации о положениях основных коммутационных аппаратов, влияющих на структуру СТЭ.
В блоке 3 осуществляется имитационное моделирование режима СТЭ по методике, описанной в работе[7].
Блоки 4 и 5 предназначены для выработки практических рекомендаций энергодиспетчеру по оперативному управлению в следующих случаях:
• при возникновении сложной схемно-режимной ситуации, связанной с аварийными отключениями важных элементов ЭЭС и СТЭ;
• в режиме консультационного диалога при обработке заявок на плановое отключение элементов СТЭ (блок 5).
В блоке 6 осуществляется текущая визуали-
Спутники системы
глобального позиционирования
Блок формирования заданий на имитацию отключений элементов СВЭ и СТЭ
Энергодиспетчер
Координаты местоположения ЭПС
Синхронизирующие сигналы для устройств фазированных измерений
Подсистема формирования тяговых и районных нагрузок
Подсистема выработки рекомендаций по упралению
Фазированные измерения режимных параметров
Подсистема формирования структуры СТЭ
Бинарные параметры, «растеризующие положение коммутационных аппаратов
Устройства измерения режимных
параметров на тяговых подстанциях, включая комплексы РМУ^ЛМв
Подсистема имитационного моделирования режима СТЭ
]
Устройства контроля положения коммутационных аппаратов
Подсистема визуализации результатов моделирования
Рис. 1. Структурная схема комплекса «Советчик энергодиспетчера»
4
2
3
6
иркутским государственный университет путей сообщения
зация результатов моделирования с использованием удобных для диспетчера средств вывода графической и числовой информации.
Расширение возможностей оперативного управления на основе технологий интеллектуальных сетей
Существенное расширение возможностей оперативного управления может быть достигнуто на основе использования современных технологий, использующих принципы интеллектуализации электроэнергетических систем (ЭЭС). При высоких темпах развития экономики производство электроэнергии в России к 2030 году возрастет по сравнению с 2000 годом в два раза. Обеспечение таких уровней производства невозможно без системного решения следующих задач [2]:
•создание новой технологической основы энергетики;
• придание интегрирующей роли электрической сети;
• установка в сетях активных технических средств регулирования режимов ЭЭС и создание на их основе адаптивной системы управления;
• применение новых информационных технологий и быстродействующих вычислительных комплексов для оценки состояния и управления;
• повышение эффективности использования энергоресурсов и энергосбережение.
В итоге должен произойти выход электроэнергетики на новое качество управления и переход к интеллектуальной ЭЭС с активно-адаптивной сетью (ИЭСААС). ИЭСААС включает следующие сегменты [2, 3]:
• все виды источников электроэнергии, включая установки распределенной генерации (РГ);
• различные типы потребителей, принимающих непосредственное участие в регулировании качества электроэнергии (ЭЭ) и надежности ЭЭС;
• электрические сети разного напряжения и функционального назначения, имеющие возможность:
- изменения параметров и топологии по текущим режимным условиям;
- регулирования напряжения в узловых точках, обеспечивающего минимизацию потерь при соблюдении нормативных значений показателей качества электроэнергии;
- комплексного учета ЭЭ на границах раздела сети и на подстанциях;
• всережимную систему управления с полномасштабным информационным обеспечением.
Для создания ИЭСААС требуется разработка и внедрение нового оборудования и технологий [2, 3], представленных в табл. 1.
Кроме того, предусматривается включение в сеть накопителей ЭЭ, построенных на различных физических принципах, применение на подстанциях элегазового компактного оборудования. Также предполагается использовать компактные многоцепные ЛЭП высокой пропускной способности, смонтированные на многогранных металлических опорах. Эффективным средством повышения надежности будут служить комплексные системы диагностирования оборудования с выходом на мониторинг его жизненного цикла.
Таблица 1
Новое оборудование и технологии_
В сфере генерации электроэнергии В сфере передачи и распределения электро энергии
Расширение возможностей регулирования мощности и напряжения на основе асинхронизиро-ванных генераторов. Обеспечение работы при изменении скорости вращения турбин. Создание условий включения на параллельную работу с ЭЭС всех видов нетрадиционных возобновляемых источников электроэнергии Внедрение регулируемых элементов сети, обеспечивающие изменение: - величины напряжения с помощью управляемых шунтирующих реакторов, статических ти-ристорных компенсаторов, асинхронизированных неявнополюсных компенсаторов; - фазы напряжения на основе фазоповорот-ных устройств; - сопротивления участка сети путем использования ограничителей тока, в том числе выполненных на основе сверхпроводящих элементов, а также установок продольной компенсации; -передаваемой мощности с помощью вставок и электропередач постоянного тока
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
Таблица 2
Системы управления режимами и диагностирования оборудования
В сфере генерации электроэнергии
В сфере передачи и распределе-_ния электроэнергии_
В сфере электропотребления
Системы АСУ, реализующие новое качество управления с расширенными возможностями взаимодействия с системами управления сетью и ЭЭС в целом. При этом для нетрадиционных источников управление осуществляется через специализированные технологические интерфейсы
Системы управления сетями предполагается строить по иерархическому принципу:
- подстанция, ЛЭП;
- район управления;
- энергосегмент, т. е. ряд районов управления, объединяемых по принципам балансирования;
- сеть в целом с взаимодействием с ЭЭС смежных государств_
Внедрение комплексных систем измерений и учета, обеспечивающих согласованное управление электропотреблением в режиме on-line, с учетом ограничений по надежности и качеству электроэнергии
Функционирование ИЭСААС требует создания развитых информационно-коммуникационных и управляющих систем [2, 3], табл. 2. Управление ИЭСААС должно строиться с использованием следующих принципов:
• применение измерительных комплексов, максимально использующих цифровые принципы получения, обработки и передачи информации;
• создание всережимных on-line систем, оптимизирующих нормальные режимы ЭЭС, выявляющих недопустимые отклонения и включающих противоаварийную автоматику.
В последние годы широкое применение при производстве электроэнергии получают установки РГ, что приводит к изменению технологий управления передачей и распределением ЭЭ и структуры распределительных сетей. Возникающие при этом проблемы могут быть решены на основе создания интеллектуальных сетей smart grid, имеющих функции самодиагностики и автоматизированного принятия решений по управлению режимами [4]. Наиболее точное определение концепции smart grid дано в работе [5], в которой под smart grid понимается полностью саморегулируемая и самовосстанавливающаяся ЭЭС, имеющая сетевую топологию и включающая в себя следующие элементы:
• традиционные источники энергии, а также установки РГ, выполненные, в том числе, на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ);
• электрические сети;
• все виды промышленных, транспортных и коммунально-бытовых потребителей ЭЭ.
Управление режимами работы такой сеть осуществляется на основе единой информационной сети в режиме реального времени.
В электрических сетях, питающих тяговые
подстанции магистральных железных дорог, а также в системах тягового электроснабжения (СТЭ) в полном объеме проявляются перечисленные выше проблемы, решение которых возможно на основе технологий ИЭСААС и smart grid. Особую актуальность вопрос применения таких технологий приобретает в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, где основная системообразующая электрическая сеть непосредственно связана с тяговыми подстанциями (ТП) железнодорожных магистралей [5]. В виду значительного объема резкопеременной, нелинейной и однофазной тяговой нагрузки показатели качества ЭЭ в этих сетях далеко выходят за допустимые пределы.
Структура интеллектуальной СТЭ (ИСТЭ) показана на рис. 2.
ИСТЭ включает следующие сегменты:
• развитые комплексы, обеспечивающие мониторинг состояния электрооборудования, включая устройства, работающие в режиме online;
• автоматические устройства управления, построенные на основе цифровых технологий;
• управляемые источники реактивной мощности, выполненные с использованием концепции FACTS1;
• установки распределенной генерации и накопители электроэнергии;
• комплекс устройств для улучшения качества электроэнергии.
Реализация ИСТЭ позволит решить следующие важные практические задачи:
• обеспечение высокой надежности электроснабжения тяги поездов, а также нетяговых и нетранспортных потребителей;
1 Flexible alternative current transmission systems - гибкие системы передачи энергии переменного тока._
Мониторинг состояния
Распределенная генерация и накопители энергии
я
J
Автоматизация на базе цифровых устройств
Высокая надежность электроснабжения
Низкие потери электроэнергии
Минимизация издержек на обслуживание и ремонт
Высокое качество электроэнергии
Устройства симмтерирования
Фильтрокомпенси рующие устройства
Активные кондиционеры гармоник
Управление качеством электроэнергии
• минимизация потерь электроэнергии, а также издержек на эксплуатацию СТЭ;
• улучшение качества электроэнергии в СТЭ, а также на границах раздела с питающей энергосистемой.
Выводы
1. Повышение эффективности функционирования энергодиспетчерской службы возможно на основе создания программно-аппаратного комплекса «Советчик энергодиспетчера». Назначение комплекса состоит в выработке рекомендаций энергодиспетчеру по оперативному управлению СТЭ в сложных схемно-режимных ситуациях. На основе комплекса возможен полномасштабный учет ограничений технического, экономического и экологического характера при оперативном управлении режимами систем тягового электроснабжения.
2. Применение прогрессивных средств управления режимами СТЭ позволит существенно расширить возможности энергодиспетчера по воздействию на режимы СТЭ для повышения энергоэффективности и качества электроэнергии.
3. В основу вычислительного ядра комплекса «Советчик энергодиспетчера» может быть положена методика имитационного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока, которая базируется на использовании фазных координат и полносвязанных графовых моделей элементов СТЭ.
4. Проблемы улучшения качества электроэнергии и повышения энергоэффективности в
Рис. 3. Структура интеллектуальной СТЭ
электротяговых сетях могут быть решены на основе использования технологий активно-адаптивных сетей и smart grid путем создания интеллектуальных систем тягового электроснабжения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Сиромаха В.Н. Автоматизация диспетчерского управления электроснабжением железнодорожного транспорта: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М.: МИИТ, 2009. 24 с.
2. Дорофеев В.В. «Умные» сети в электроэнергетике. -URL: http: //www.energyland.info / analitic-show-45305. дата обращения 13.09.2011.
3. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть -новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт. - № 4. - 2009. - С. 29-34.
4. Кобец Б.Б., Волкова И.О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции smart grid. - М.: ИАЦ, 2010. - 208 с.
5. Smart Power Grids -Talking about Revolution. IEEE Emerging Technology Portal, 2000.
6. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Abramov N.A. Electro Energetic Technological Control in East Siberia Railway // Energy of Russia in XXI century: Development strategy - Eastern vector. -CD-ROM PROCEEDINGS. - S3-10.
7. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесим-метричные режимы электрических систем. Иркутск: Иркут. ун-т. 2005. 273 с.
