Регулирование напряжения в тяговой силе переменного тока

Основное требование к режиму напряжения в тяговой сети переменного тока заключается в обеспечении надежной и экономичной работы электроподвижного состава (ЭПС) и в целом системы электроснабжения [1]. Для этого необходимо наиболее полно использовать и совершенствовать существующие способы регулирования напряжения с помощью компенсирующих установок и регулирующих устройств, а также продолжать разработки новых устройств повышения качества электроэнергии.

Осуществляемое при регулировании уменьшение диапазона не только длительных, но и кратковременных изменений напряжения обеспечивает его стабильность, устанавливается необходимый уровень напряжения, от которого зависит скорость движения ЭПС и эффективность работы системы тягового электроснабжения [2].

Эффективность регулирования проявляется в основном в повышении скорости движения поездов и в экономии электроэнергии на тягу. Повышение скоростей движения, в свою очередь, позволяет сократить время оборота вагонов и электровозов и, следовательно, уменьшить эксплуатационный парк подвижного состава и численность поездных локомотивных бригад, а также ускорить доставку пассажиров и грузов.

Отклонения напряжения, длительность которых превышает установленную в устройствах автоматики регулирования напряжения (АРН) выдержку времени, почти полностью исключается. В те периоды, когда движение осуществляется с большими интервалами между поездами, устройства АРН исключают повышение напряжения, наблюдаемое обычно при небольших нагрузках тяговых подстанций.

Существенное снижение объёма перевозок на электрифицированных железных дорогах выдвинуло новую задачу выбора целесообразного уровня напряжения в тяговой сети. При большом грузообороте необходимо было поддерживать максимально допустимый уровень напряжения, так как только в этом случае можно было реализовать объёмы и скорости перевозок. В настоящее время появилась альтернатива: поддерживать в тяговой сети номинальный уровень напряжения и даже снижать его. С одной стороны, при повышении напряжения в тяговой сети в ней снижаются нагрузочные потери мощности. В этом одна из причин традиционного стремления повысить напряжение в тяговой сети. Однако, с другой стороны, приближение уровня напряжения на токоприемнике ЭПС переменного тока к номинальному 25 кВ обеспечивает его надёжную работу с наивысшим КПД, повышается КПД вспомогательных машин, снижается расход электроэнергии на собственные нужды ЭПС. Опыт Горьковской ж.д. показывает, что снижение напряжения на шинах тяговых подстанций с 27,5 до 26 кВ в условиях уменьшения грузопотока приводит к снижению расхода электроэнергии на некоторых участках: активного — до 3% и реактивного — до 10%.

Опыт новых разработок при эксплуатации электрифицированных участков подтверждает, что для стабилизации напряжения при изменяющихся режимах работы тяговой сети необходимо вводить автоматическое регулирование параметров компенсирующих установок и регулирующих устройств с принципиально новыми алгоритмами их работы. Появление микропроцессорных устройств позволяет более выгодно решать практические задачи автоматического управления напряжением в тяговой сети. Максимальная простота и дешевизна этих устройств даёт возможность углубить децентрализацию контроля обработки информации и управления режимами работы объекта. Во многих отраслях техники, в том числе и в устройствах системы тягового электроснабжения, затраты на микропроцессорные устройства быстро окупаются оптимизацией режимов работы оборудования на тяговых подстанциях. При этом появляется целый ряд задач, эффективно решить которые можно лишь с помощью средств вычислительной техники. К ним относятся и задачи регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока.

Однако до настоящего времени не решены вопросы эффективного поиска оптимальных параметров регулирования, управления устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) всех трансформаторов на тяговых подстанциях 1×25 и 2×25 кВ, определения эффективности регулирования регуляторами напряжения. Для совершенствования автоматизации процесса регулирования напряжения было принято решение о поиске и разработке новых методов, позволяющих повысить надёжность регулирования. Реализация этой задачи была осуществлена с помощью современной вычислительной техники, позволяющей использовать более эффективные алгоритмы управления РПН [3].

В настоящей работе представлены разработка самонастраивающейся системы регулирования напряжения в тяговой сети, объединяющей расчет параметров, методы и способы регулирования, и разработка программного обеспечения на основе применения современной вычислительной техники. Теоретические исследования основаны на использовании метода локального случайного поиска теории экстремального регулирования, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы самонастраивающейся системы регулирования напряжения в тяговой сети электрических ж. д., включающей эффективный алгоритм поиска оптимальных параметров регулирования. Разработан алгоритм моделирования процесса регулирования напряжения для расчёта и исследования максимально допустимых по условиям приемлемого качества параметров регулирования. Разработан алгоритм работы самонастраивающегося микропроцессорного регулятора напряжения (СМРН) на основе циклического измерения и расчёта параметров напряжения и эффективности регулирования.

Практическая ценность. Разработана самонастраивающаяся система регулирования напряжения в тяговой сети, объединяющая микропроцессорное устройство, объект управления, датчики-преобразователи, средства контроля и сигнализации. Предложено микропроцессорное устройство, позволяющее реализовать оптимальный алгоритм регулирования напряжения. Предложен способ контроля эффективности регулирования напряжения микропроцессорным регулятором. Выполнены экспериментальные образцы промышленного изготовления микропроцессорной системы управления, подтвердившие работоспособность новой самонастраивающейся системы регулирования. Экономический эффект проявляется в том, что самонастраивающаяся система регулирования напряжения в тяговой сети, уменьшая число переключений переключателя, улучшает режим напряжения, что, в частности, снижает дисперсию отклонений напряжения и уменьшает число случаев длительных отклонений напряжения от границ зоны нечувствительности автоматики регулирования.

Внедрение результатов работы. Разработанный самонастраивающийся микропроцессорный регулятор напряжения проверен в эксплуатационных условиях на тяговых подстанциях переменного тока системы 2×25 кВ (подстанция Мухтолово, более года) и стыковой 2×25/3 кВ (подстанция Вековка, более шести месяцев) Горьковской железной дороги. Разработана программа работы СМРН на базе аппаратуры управления режимом работы оборудования тяговых подстанций 1×25 и 2×25 кВ электрических железных дорог, созданной сотрудниками Нижегородского филиала РГОТУПС, научно-технического центра «Элтекс» и ПКБ ЦЭ МПС. Научные исследования и опытно-конструкторские работы выполнены автором в соответствии с планом НИР МПС по теме 14.00.60/94.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на технических совещаниях при начальнике Горьковской ж. д. (1993 г.), в ПКБ ЦЭ (1993 г.), на секции «Повышение эффективности функционирования энергетического хозяйства железных дорог» Третьей межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г. Москва, РГОТУПС, 1998 г.), на заседании кафедры «Энергоснабжение электрических железных дорог» (г. Москва, РГОТУПС, 1998, 1999 гг.).

По материалам диссертации «Устройство регулирования напряжения тяговых подстанций» экспонировалось на ВДНХ СССР (г. Москва, 1991 г.).

1. ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Результаты работы регулятора приведены в табл. 5.1 и в приложении П. 5. Внутринедельный цикл изменения напряжения имеет интервалы, где напряжение понижено (2−6, 11 — 14, 16−21, 23 — 24 периоды) и повышено (1, 7 — 10, 15, 22 периоды). Максимальное понижение пришлось на 19-й период (26,949 кВ), а повышение — на 8-й период (27,854 кВ). Максимальное значение дисперсии (0,568 кВ2) наблюдалось на 23-м периоде, минимальное — на 1-м периоде (0,249 кВ2). При работе по алгоритму с самообучением (3.16) самообучение производилось со скоростью 0,055 кВ/шаг, т. е. близкой к оптимальной, при которой, как показано в [41], для случая, когда число оптимизируемых параметров п > 2 шаг должен составлять 10−15% от диапазона возможных изменений управляющего напряжения. Вероятности P? по формуле (3.13) перестраивались так, чтобы создать наилучшие условия для уменьшения функции качества, т. е. увеличить вероятность благоприятных шагов поиска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решён комплекс вопросов регулирования напряжения в тяговой сети переменного тока, связанный с разработкой и исследованием новых микропроцессорных устройств АРН. Наиболее существенные результаты работы:

1. В результате проведенных исследований сформулированы и научно обоснованы принципы построения, алгоритмические и схемотехнические решения самонастраивающейся системы регулирования напряжения для тяговых подстанций 1×25, 2×25 кВ и стыковой 2×25/3 кВ.

2. На базе метода статистического моделирования разработан моделирующий алгоритм работы системы регулирования напряжения в тяговой сети, имитирующий поведение элементов системы, взаимодействие между ними, учитывающий влияние случайных возмущающих факторов для расчёта параметров регулирования методом сканирования. Особенностью моделирования является учет всех сочетаний выдержек времени и зон нечувствительности при регулировании напряжения на шинах тяговых подстанций. Выполнен расчёт оптимальных параметров регулирования и получена зависимость показателя качества управления объектом от оптимизируемых параметров в виде таблиц и графиков.

3. Разработаны алгоритмы работы и программное обеспечение переносного информационно-вычислительного комплекса, осуществляющего:

— сбор и обработку информации о режиме напряжения на шинах тяговых подстанций, получение результатов работы в виде гистограмм, таблиц и графиков;

— получение полной информации о работе системы регулирования напряжения (контролируется более 30 параметров);

— подготовку и отладку программного обеспечения для контроллеров «Электроника К1−20» и «Электроника МС2721» .

4. На основании анализа экспериментальных данных режима напряжения на шинах исследуемых тяговых подстанций определено, что наиболее сильное влияние на характер изменения напряжения оказывает режим электропотребления в энергосистеме, не зависящий от тяговой нагрузки, напряжение на шинах 27,5 кВ неустойчиво и изменяется в широких пределах, значительное время оно находится вне зоны нечувствительности, что свидетельствует о недостаточной эффективности работы устройств АРН, сформулированы основные требования, предъявляемые к СМРН, и постановка задачи для системы управления, включающие следующие основные положения:

— необходимость приспосабливания к новым условиям функционирования путём изменения параметров регулирования на основании обработки информации по мере её поступления;

— обеспечение максимально возможной эффективности регулирования напряжения;

— обеспечение допустимого числа переключений устройств.

РПН.

5. Предложена методика оптимизации процесса регулирования напряжения в тяговой сети для устройств АРН, включающая общую схему поиска с разбиением его на этапы, в каждом из которых решается задача оптимизации, а последовательное решение этих задач образует процесс определения порядка нахождения экстремума функции качества поисковым методом.

6. Разработан алгоритм работы и программное обеспечение самонастраивающегося микропроцессорного регулятора напряжения, автоматически изменяющего свои параметры в зависимости от режима работы электрифицированного участка, обеспечивающий минимальное значение дисперсии напряжения и заданные среднее напряжение и эффективность регулирования при допустимом числе переключений, коррекцию уровня регулируемого напряжения по напряжению на шинах 27,5 кВ, коррекцию уровня регулируемого напряжения по току нагрузки одной или группы линий, коррекцию уровня регулируемого напряжения по коэффициенту реактивной мощности нагрузки.

7. Разработаны технические решения по применению СМРН, включающие:

— разработку блока управления, осуществляющего выбор режима работы СМРН, усиление выходных сигналов СМРН для управления приводами РПН на уменьшение и повышение напряжения;

— сигнализацию неисправности работы приводов РПН шести трансформаторов;

— формирование массивов исходных параметров и начальных значений переменных.

8. Разработан групповой регулятор напряжения для тяговых подстанций 1×25, 2×25 кВ и стыковой 2×25/3 кВ, обеспечивающий управление и контроль шести электроприводов РПН тяговых трансформаторов отечественного и зарубежного производства с возможностью управления тяговыми трансформаторами по двум плечам питания (с разными фазами) и трансформаторами, питающими районную нагрузку по трем независимым каналам.

9. В результате эксплуатационных испытаний промышленных экземпляров СМРН определены оптимальные параметры регулирования при максимальной эффективности работы и допустимом числе переключений, подтвердившие эффективность алгоритма локального случайного поиска с самообучением и эффективность применения СМРН при достаточной надёжности его работы.