Оперативное управление режимами систем тягового электроснабжения

Актуальность темы

Глобальная цель управления режимами систем тягового электроснабжения (СТЭ) может быть сформулирована как обеспечение заданных размеров движения при соблюдении ряда ограничений технического, экономического и экологического характера [54]. С помощью введения этих ограничений многоцелевая задача управления редуцируется к одноцелевой, что позволяет существенно упростить анализ. Достижение поставленной цели возможно на основе применения компьютерных технологий, что требует создания эффективных методов управления режимами СТЭ.

Разработка таких методов является сложной научно-технической проблемой, так как СТЭ является многомерным динамическим объектом с нелинейными характеристиками [1, 37, 54], непрерывно взаимодействующим с питающей электроэнергетической системой (ЭЭС) и районами электроснабжения нетяговых потребителей (РЭС). Ввиду значительной сложности и недостаточной информационной обеспеченности динамические модели систем тягового электроснабжения имеют ограниченное применение и для моделирования их режимов применяют имитационные методы [37, 73, 96]. При этом используется концепция мгновенных схем [72] и осуществляется редукция динамической моде/ ли к набору статических. Для выполнения моделирования исследуемый интервал разбивается на малые промежутки времени, внутри которых параметры СТЭ принимаются неизменными. Анализ измерений параметров режима в реальных СТЭ [37], а также результаты компьютерного моделирования показывают, что такое допущение является приемлемым и не вносит заметной погрешности в результаты расчетов.

Существенный вклад в решение проблемы моделирования и управления в ЭЭС и СТЭ внесли Аржанников Б. А., Бадер М. П., Баринов В. А., Берман А. П., Бочев А. С., Быкадоров А. Л., Веников В. А., Висящев А. Н., Воропай Н. И., Гамм А. З., Герман JI.A., Голуб И. И., Горев А. А., Груздев И. А., Дынькин Б. Е., Жарков.

Ю.И., Идельчик В. И., Конторович A.M., Котельников А. В., Косарев А. Б., Крумм Л. А., Лосев С. Б., Мамошин P.P., Марквардт Г. Г., Марквардт К. Г., Мар-ский В.Е., Мельников Н. А., Мирошниченко Р. И., Мисриханов М. Ш., Попов Н. М., Пупынин В. Н., Совалов С. А., Строев В. А., Тарасов В. И., Тер-Оганов Э.В., Фигурнов Е. П., Черемисин В. Т., Чернин А. Б., Шалимов М. Г., Щербачев О. В., Brameller A., Laughton М.А., Roy L., Rao N.D., Stott В., Mo Син Чень и их коллеги [7, 9, 13.18, 22.24, 28.33, 35.41, 43, 44, 51, 55, 57, 58, 60.62, 64.66, 78, 93.95, 102, 105, 108.122]. Общие вопросы ситуационного управления сформулированы в работах Поспелова Д. А. [86] Применение методов ситуационного управления в системах электроснабжения общего назначения рассматривали Пантелеев В. И. и Туликов А. Н. [85].

Несмотря на значительное число работ [72, 73, 96], посвященных вопросам управления СТЭ, остался ряд нерешенных задач, связанных, в основном, с корректным моделированием питающей ЭЭС и учетом взаимных электромагнитных влияний токоведущих частей в сложных электротяговых сетях.

Цель диссертационной работы заключается в разработке метода оперативного управления режимами систем тягового электроснабжения железных дорог переменного тока как сложного объекта, активно взаимодействующего с питающей ЭЭС.

Для реализации сформулированной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

• разработана методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, применимая для рационального размещения устройств управления режимами;

• разработан метод управления режимами СТЭ, основанный на ситуационном подходе;

• разработаны методики и компьютерные технологии кластеризации режимов СТЭ;

• предложены методы построения упрощенных моделей внешней сети для целей управления режимами СТЭ.

Методы исследования рассмотренных в диссертации задач базируются на анализе математических моделей сложных электрических систем и систем тягового электроснабжения с применением аппарата теории автоматического управления, линейной алгебры, теории функций многих переменных, многомерных статистических методов.

В качестве основного инструмента для проведения вычислительных экспериментов использовался разработанный в ИрГУПСе комплекс программ «FAZONORD-Качество», который был модернизирован в части реализации пошагового управления регулируемыми устройствами СТЭ на тяговых подстанциях и постах секционирования.

Научная новизна заключается в том, что в диссертационной работе впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты.

1. Методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, основанная на использовании специальной технологии имитационного моделирования и применимая для научно обоснованного решения задачи рационального размещения устройств управления режимами.

2. Метод управления режимами систем тягового электроснабжения, основанный на ситуационном подходе и позволяющий рассматривать при управлении ограниченное количество характерных режимных ситуаций.

3. Технология выделения характерных режимных ситуаций с помощью кластеризации мгновенных режимов СТЭ на основе метода к-средних.

4. Методика нечеткой кластеризации мгновенных режимов СТЭ, учитывающая размытость формируемых кластеров и применимая для реализации алгоритмов ситуационного управления СТЭ.

5. Методика построения и оперативной корректировки упрощенных моделей внешней сети по данным синхронизированных измерений (PMU-WAMS), основанная на линеаризации уравнений установившегося режима (УУР) в фазных координатах.

6. Идентификационный метод построения упрощенной модели внешней сети в фазных координатах, в основу которого положено получение эквивалентной решетчатой схемы замещения.

7. Методика глубокого эквивалентирования внешней сети, отличающаяся от известных использованием информации, получаемой из системы синхронизированных измерений PMU-WAMS.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена их сопоставлением с результатами моделирования, выполненного с помощью промышленных компьютерных программ, а также с данными инструментальных замеров в системах тягового электроснабжения.

Практическая значимость полученных научных результатов состоит в решении актуальных научно-технических задач, связанных с оперативным управлением режимами систем тягового электроснабжения. На основе полученных в диссертации результатов возможно научно обоснованное решение следующих актуальных практических задач:

• рациональный выбор комплекса средств автоматического управления на тяговых подстанциях и постах секционирования контактной сети железных дорог переменного тока;

• управление режимами СТЭ с учетом массы поездов, размеров движения и профиля пути;

• стабилизация уровней напряжения на токоприемниках электроподвижного состава и снижение потерь электроэнергии в СТЭ.

Основные результаты диссертационной работы в виде результатов компьютерного моделирования реальных СТЭ, практических рекомендаций по размещению устройств управления режимами переданы в филиал «ВосточноСибирская железная дорога» ОАО «РЖД», а также в ООО «Пуско-наладочное предприятие Вектор-А». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.

Апробация работы. Результаты, полученные на основе проведенных в диссертации исследований, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XII Байкальская всероссийская конференция с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2007 г.- международная научно-практическая конференция «Совместная деятельность сельскохозяйственных товаропроизводителей и научных организаций в развитии АПК Центральной Азии», г. Иркутск,.

2008 г.- III заочная международная научно — технической конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2008 г.- всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 2008 г.- 4-я всероссийская конференция «Винеровские чтения», г. Иркутск, 2009 г.- V всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, 2009 г.- всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Научно-техническое сотрудничество стран АТР в XXI веке», г. Хабаровск, 2009 г.- 3-я научная конференция «Автоматизация в промышленности», г. Москва, 2009 г.- XIV Байкальская всероссийская конференция с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2009 г.- XV Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надежность, безопасность», г. Томск, 2009 г.- межвузовская научно-практическая конференция «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», г. Иркутск, 2009 г.- научно-практическая конференция «Проблемы развития железнодорожного транспорта», г. Красноярск, 2009 г.- международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство», г. Ростов-на-Дону,.

2009 г.- 2-я международная научно-практическая конференция «Наука и образование — транспорту», г. Самара, 2010 г.- всероссийская научно-практическая конференция «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», г. Хабаровск, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе четыре статьи в рецензируемых журналах по списку ВАК. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Во введении обосновывается актуальность исследований, направленных на создание математических моделей и методов, обеспечивающих повышение эффективности управления режимами СТЭ железных дорог переменного тока. Сформулированы цель и основные задачи исследований, определена научная и практическая ценность работы. Приведено краткое содержание работы.

В первой главе предложена развернутая формулировка целей управления режимами СТЭ. Проанализировано современное состояние технического и информационного обеспечения для управления режимами СТЭ [48]. Описаны новые направления в управлении режимами СТЭ.

Во второй главе приведено описание режимных особенностей СТЭ, которые необходимо учитывать при реализации алгоритмов оперативного и автоматического управления. Дано формализованное системное описание СТЭ. Проанализированы особенности построения имитационной модели СТЭ [1, 34, 50, 54, 56].

В третьей главе сформулирована задача ситуационного управления режимами СТЭ. Приведены результаты кластерного анализа режимов СТЭ на основе метода к-средних [52, 53, 63]. Описан разработанный метод, использующий процедуру нечеткой кластеризации [59]. Приведены примеры реализации ситуационного управления.

В четвертой главе сформулирована проблема редукции моделей внешней сети и намечены возможные пути ее решения. Приведены результаты построения редуцированной модели внешней сети на основе линеаризации уравнений установившегося режима в фазных координатах [2, 36, 47]. Описан разработанный автором метод эквивалентирование внешней сети на основе измерений параметров режима с помощью технологий PMU-WAMS [49].

В заключении отмечается, что на основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие результаты:

• проведен системный анализ современного состояния технических и информационных средств для управления режимами СТЭ и предложена структурно-топологическая классификация систем управления режимами СТЭ;

• разработана методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, применимая для научно обоснованного решения задачи рационального размещения устройств управления режимами;

• проведен системный анализ особенностей систем тягового электроснабжения и показана необходимость их учета при решении задач управления режимамипредложено формализованное описание СТЭ в виде набора сложных подсистем, активно взаимодействующих друг с другом.

• показано, что система тягового электроснабжения железных дорог переменного тока представляет собой нелинейный динамический объект, отличающийся многорежимностыо, что существенно усложняет оперативное управление СТЭпредложено для преодоления указанной трудности использовать концепцию ситуационного управления (СУ), основанного на выявлении проблемных ситуаций и преобразовании имеющейся информации в управляющие воздействия, направленные на их разрешение;

• показано, что мгновенные режимы системы тягового электроснабжения могут быть разбиты на сравнительно однородные группы (кластеры) и на этой основе возможна реализация ситуационного управления режимами СТЭкачество и компактность кластеризации подтверждены объективными критериями;

• предложена методика нечеткой кластеризации мгновенных режимов СТЭ, учитывающая размытость формируемых кластеров и применимая для реализации алгоритмов ситуационного управления СТЭи.

• сформулирована проблема редукции внешней сети при управлении режимами системами тягового электроснабжения и предложены методы ее решения на основе технологий эквивалентирования ЭЭСпроведена классификация методов эквивалентирования;

• показано, что эквивалентные модели внешней сети, основанные на использовании линеаризованных УУР, записанных в фазных координатах, отличаются следующими свойствами: точным воспроизведением параметров режимов в широком диапазоне их изменениявесьма малым временем, необходимым для получения эквивалентаточным воспроизведением потерь активной и реактивной мощности в электрической сетивозможностью оперативной корректировки эквивалентов по данным телеизмерений, реализованных на основе технологий PMU-WANS;

• на основе имитационного моделирования показано, что погрешности эквивалентирования не превышают сотых долей процента при мощностях короткого замыкания тяговых подстанций не менее 1300 MB-А и увеличиваются до единиц процентов, когда эти мощности составляют несколько сотен MB-Ав режиме максимальных нагрузок, возникающих при движении поездов по горно-перевальным участкам, погрешность приближается к 5%, в редких пиковых режимах достигает 7%, однако остается приемлемой для решения практических задач управления СТЭ;

• предложен метод построения идентификационной редуцированной модели внешней сети в фазных координатах, в основу которого положено получение эквивалентной решетчатой схемы замещенияпоказано, что погрешности в определении напряжений на токоприемниках ЭПС не превышают 2%;

• реализована методика глубокого эквивалентирования, использующая фиксацию модулей и фаз первичных напряжений ТП, полученных на основе технологий PMU-WAMSпоказано, что при питании СТЭ от достаточно мошной ЭЭС (мощность короткого замыкания более 1000 MB-А) погрешность эк-вивалентирования не превышает 1.7%.

Основные результаты диссертационной работы в виде программного обеспечения для ЭВМ, рекомендаций и практических разработок переданы в филиал «Восточно-Сибирская железная дорога» ОАО «РЖД», а также в ООО «Пуско-наладочное предприятие Вектор-А». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.

Автор благодарит за предоставленные научные консультации кандидата технических наук, доцента Закарюкина В.П.

Основные результаты диссертационной работы в виде программного обеспечения для ЭВМ, рекомендаций и практических разработок переданы в филиал «Восточно-Сибирская железная дорога» ОАО «РЖД», а также в ООО «Пуско-наладочное предприятие Вектор-А». Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие результаты:

• проведен системный анализ современного состояния технических и информационных средств для управления режимами СТЭ и предложена структурно-топологическая классификация систем управления режимами СТЭ в виде трех структурных схем: локальной, централизованной и комбинированнойпоказано, что локальная структура управления отличается простой применяемых алгоритмов и не требует для своей реализации развитой сети каналов для передачи информацииее основной недостаток состоит в отсутствии координации, что может приводить к снижению качества управленияцентрализованная структура обеспечивает координацию, но для ее реализации требуется разработка достаточно сложных алгоритмов выбора управляющих воздействий, а также новых методов оценивания состояния электроэнергетических системкомбинированная структура обеспечивает координацию управляющих воздействий и позволяет получить существенную экономию за счет сокращения каналов передачи измерительной информации и управляющих воздействий;

• разработана методика выявления сенсорных элементов в системе тягового электроснабжения, применимая для научно обоснованного решения задачи рационального размещения устройств управления режимами и основанная на имитационном моделировании режимов систем при реальном и условном токовых профиляхдля более четкого выделения сенсорных элементов можно использовать нелинейное преобразование полученной в результате расчетов зависимости напряжения на токоприемнике электроподвижного состава от времени или соответствующей пространственной координаты;

• проведен системный анализ особенностей систем тягового электроснабжения и показана необходимость их учета при решении задач управления режимамипредложено формализованное описание СТЭ в виде набора сложных подсистем, активно взаимодействующих друг с другом;

• показано, что система тягового электроснабжения железных дорог переменного тока представляет собой нелинейный динамический объект, отличающийся многорежимностыо, что существенно усложняет оперативное управление СТЭпредложено для преодоления указанной трудности использовать концепцию ситуационного управления, основанного на выявлении проблемных ситуаций и преобразовании имеющейся информации в управляющие воздействия, направленные на их разрешение;

• показано, что мгновенные режимы системы тягового электроснабжения могут быть разбиты на сравнительно однородные группы (кластеры) и на этой основе возможна реализация ситуационного управления режимами СТЭкачество и компактность кластеризации подтверждены объективными критериями: энтропия разбиения равна 0.932- второй функционал Рубенса достигает значения 0.998- объясненная доля общего разброса составляет 0.7, что свидетельствуют о достаточно высоком качестве кластеризации;

• предложена методика нечеткой кластеризации мгновенных режимов СТЭ, учитывающая размытость формируемых кластеров и применимая для реализации алгоритмов ситуационного управления СТЭ;

• сформулирована проблема редукции внешней сети при управлении режимами систем тягового электроснабжения и предложены методы ее решения на основе технологий эквивалентирования электроэнергетических системпроведена классификация методов эквивалентирования;

• показано, что эквивалентные модели внешней сети, основанные на использовании линеаризованных уравнений установившегося режима, записанных в фазных координатах, отличаются следующими свойствами: точным воспроизведением параметров режимов в широком диапазоне их изменениявесьма малым временем, необходимым для получения эквивалента- >точным воспроизведением потерь активной и реактивной мощности в электрической сетивозможностью оперативной корректировки эквивалентов по данным телеизмерений, реализованных на основе технологий PMU-WANS;

• на основе имитационного моделирования показано, что погрешности эквивалентирования не превышают сотых долей процента при мощностях короткого замыкания тяговых подстанций не менее 1300 МВ-А и увеличиваются до единиц процентов, когда эти мощности составляют несколько сотен МВ-Ав режиме максимальных нагрузок, возникающих при движении поездов по горно-перевальным участкам, погрешность приближается к 5%, в редких пиковых режимах достигает 7%, однако остается приемлемой для решения практических задач управления СТЭ;

• предложен метод построения идентификационной редуцированной модели внешней сети в фазных координатах, в основу которого положено получение эквивалентной решетчатой схемы замещенияпоказано, что погрешности в определении напряжений на токоприемниках ЭПС не превышают 2%;

• реализована методика глубокого эквивалентирования, использующая фиксацию модулей и фаз первичных напряжений тяговых подстанций, полученных на основе технологий PMU-WAMSпоказано, что при питании СТЭ от достаточно мощной электроэнергетической системы (мощность короткого замыкания более 1000 МВ-А) погрешность эквивалентирования не превышает 1.7%.