Совершенствование расчета наличной пропускной способности железных дорог постоянного тока по условиям электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Гаранин, Максим Алексеевич

• Гаранин, Максим Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гаранин, Максим Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЛИЯНИЕ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА.

1.1. Пропускная способность и ее увеличение на железных дорогах мира.

1.2. Пропускная и провозная способность железных дорог по условиям электроснабжения (как критерий эффективности).

1.2.1. Методика расчета НПС по методике МПС.

1.2.2. Методика расчета НПС методами имитационного моделирования на моделях систем тягового электроснабжения.

1.3. Оценка существующих межпоездных интервалов как показателя пропускной способности.

1.4. Цели и задачи построения идентификационной модели пропускной способности железных дорог.

1.5. Выводы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ НАГРУЗОЧНУЮ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

2.1. Портрет характеристик электропотребления на участке железной дороги.

2.2. Сравнение тяговых расчетов с результатами экспериментальных поездок.

2.3. Анализ адекватности расчета системы тягового электроснабжения на базе метода имитационного моделирования.

2.4. Кластерный анализ участков электрифицированных железных дорог.

2.5. Выводы.

3. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ УЧАСТКА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ.

3.1. Построение модели расчета СТЭ на основании физических параметров СТЭ.

3.1.1. Основные принципы расчета.

3.1.2. Определение нагрузок тяговых подстанций постоянного тока с учетом их внешних характеристик.

3.1.3. Расчет уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного состава.

3.2. Аналитические выражения для расчета минимального межпоездного интервала по условиям электроснабжения.

3.3. Адаптивная модель расчета пропускной способности.

3.4. Выводы.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

4.1. Оценка элементов нагрузочной способности на базе идентификационной модели.

4.2. Формирование энергооптимальных интервалов отправления поездов на основании идентификационной модели расчета наличной пропускной способности.

4.3. Анализ адекватности работы модели.

4.4. Выводы.

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ УЧАСТКОВ

ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ.

5.1. Структурная схема модели и описание ее работы.

5.2. Описание работы модуля для расчета наличной пропускной способности системы тягового электроснабжения программно - технологического комплекса.

5.3. Экономическая эффективность от сокращения межпоездного интервала.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование расчета наличной пропускной способности железных дорог постоянного тока по условиям электроснабжения»

На современном этапе развития и эксплуатации электрифицированных железных дорог на первый план выдвигаются задачи наиболее полного использования пропускной способности участков /1/. В последние годы наметилась тенденция проведения поездов повышенной массы и длины, что усложнят условия работы системы электроснабжения, особенно на дорогах постоянного тока /2/. Это привело к тому, что пропускная способность устройств электроснабжения определяет пропускную способность участков.

Существуют методики МПС РФ по расчету наличной пропускной способности (НПС), основанные на оценке элементов нагрузочной способности системы тягового электроснабжения (СТЭ): мощности силового оборудования тяговых подстанций (ТП), нагреву проводов контактной сети, напряжению на токоприемнике электроподвижного состава, условиям работы защиты от токов короткого замыкания, нагрузочной способности элементов обратной тяговой сети /3/.

Недостаток данных методик заключается в том, что расчет ведется исходя из усредненных данных по нагрузке, полученной из тяговых расчетов, при этом: результаты НПС носят так же усредненный характер, не дается рекомендаций по мероприятиям для увеличения НПС, не дается рекомендаций по усилению СТЭ, не дается рекомендаций по мероприятиям оперативного регулирования режимами тяговой нагрузки с целью оптимизации пропускной способности.

Существуют модели и программные средства расчета нагрузочной способности СТЭ, посредством которых возможна оценка НПС методами имитационного моделирования (ЖЖО-З, Кортэс). В результате моделирования поездной ситуации с установленным априорным межпоездным интервалом и т.д., могут быть получены параметры СТЭ в разрезе: напряжений на токоприемниках электроподвижного состава, температуры проводов контактной сети, расхода и потерь электроэнергии.

Далее по результату экспертной оценки технологами (расчетчиками) сравниваются параметры СТЭ (напряжение на токоприемниках электроподвижного состава, температура проводов контактной сети, расход и потери электроэнергии) с допустимыми, определенными «Правилами технической эксплуатации» (ПТЭ) и т.д. Изменяя размеры движения, межпоездные интервалы, параметры СТЭ (напряжение холостого хода тяговых подстанций, мощность СТЭ) можно добиться соответствия между допустимыми параметрами и модельными (напряжение на токоприемниках электроподвижного состава, температура проводов контактной сети, расход и потери электроэнергии). При этом в расчете отсутствует функция проверки адекватности результатов расчета. В связи с выше изложенной технологией расчета НПС модели ЖЖО-З так же присущ ряд недостатков: ограниченность полигона железной дороги; отсутствие данных об адекватности модели; ограничение в плане формирования графика движения поездов; кроме того, оценка нагрузочной способности участков определяется в результате статистического моделирования прохода поездов в прямом и встречном направлениях при котором может возникнуть ситуация встречи поездов на значимых по потреблению участках, вследствие чего может возникнуть режим например кратковременного снижения уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного состава ниже уровня ПТЭ и т.п., в результате данного краткосрочного снижения и выбраковываются как не прошедшие по условиям ограничения СТЭ целые межподстанционные участки, хотя может быть достаточно проведение мероприятий по сдвижке поездов встречного направления.

Таким образом, необходимо построение идентификационной модели расчета СТЭ с реализацией функций:

- мониторинга дислокации поездов согласно графика исполненного движения (ГИД);

- расчета режимов СТЭ и электропотребления по тяговым подстанциям расчетного участка;

- сбора информации об электропотреблении по тяговым подстанциям СТЭ из базы данных автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ);

- оценки адекватности расчета параметров СТЭ на базе сравнения расчетных с реальными процессами электроснабжения и настройки параметров модели СТЭ;

- поиска достоверных межпоездных интервалов при вариации размеров движения и количественных показателей поездной работы на участке.

Именно построению идентификационной модели расчета наличной пропускной способности системы тягового электроснабжения постоянного тока посвящена диссертационная работа.

Целью работы является совершенствование методов расчета наличной пропускной способности и межпоездных интервалов на участках железных дорог постоянного тока по условиям, удовлетворяющим требованиям эксплуатации

Для достижения этой цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:

1) провести анализ существующих методов расчета наличной пропускной способности СТЭ постоянного тока с позиции оценки их адекватности реальным условиям функционирования;

2) провести статистический анализ факторов, определяющих нагрузочную способность СТЭ и выбрать факторы, наиболее адекватно отражающие режимы эксплуатации;

3) провести кластерный анализ участков постоянного тока с целью выявления соответствия между типом профиля пути, типом СТЭ и определенной величиной межпоездного интервала;

4) разработать имитационную модель оценки межпоездных интервалов по нагрузочной способности СТЭ, включающую процедуру адаптации результатов расчетов к реальным процессам;

5) разработать программно-технологические средства расчета межпоездных интервалов и наличной пропускной способности по условиям СТЭ;

6) провести экспериментальные исследования функционирования разработанных программно-технологических средств расчета.

Объект и предмет исследования: система тягового электроснабжения, минимальные межпоездные интервалы движения поездов и их оптимизация по критерию работы системы электроснабжения в соответствии с требованиями ПТЭ.

Основные методы научных исследований. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического анализа, методы структурного синтеза моделей, теория вероятностей, математическая статистика, методы идентификации при построении моделей и алгоритмов.

Научная новизна состоит в следующем: разработана комплексная методика расчета наличной пропускной способности участков железных дорог, включающая: аналитические зависимости для определения межпоездных интервалов, учитывающих параметры СТЭ, характер тяговой нагрузки и режимы движения поездов на расчетном участке;

- идентификационную модель оценки межпоездных интервалов и режимов СТЭ с контролем адекватности показателей расчетного и реального уровней электропотребления на участке.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы заключается в следующем. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований был создан ряд программно-технологических средств, позволяющих произвести расчеты наличной пропускной способности СТЭ постоянного тока. Повышается точность и адекватность расчета.

Новизна практических результатов подтверждена свидетельством на полезную модель, девятью свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ, одним свидетельством о регистрации базы данных и тремя свидетельствами о регистрации интеллектуальных продуктов.

Внедрение результатов работы. Методика расчета наличной пропускной способности СТЭ используется в службе электроснабжения Куйбышевской железной дороги - филиале ОАО «РЖД», программно-технологический комплекс «Расчет наличной пропускной способности» (ПТК РНПС-ЭЧ) используется в Дорожной электротехнической лаборатории и 7-ми энергоучастках Куйбышевской железной дороги для расчетов системы тягового электроснабжения при пропуске поездов повышенной массы и длины. Теоретические положения работы используются в учебном процессе по дисциплинам специальности 19.04.01 - Электроснабжение железных дорог.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на первом и втором международном симпозиуме «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Санкт - Петербург, Екгаш 2001, 2003 г.г.); на 3-ей международной научно-технической конференции «Безопасность транспортных систем» (Самара, 2002 г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса» (Гомель, 2003 г.); на всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, 2003г.); на расширенном заседании кафедры «Электроснабжения железнодорожного транспорта» СамГАПС (2004 г.); на технических совещаниях службы электроснабжения Куйбышевской железной дороги (2002, 2003, 2004 г.г.); на сетевом совещании главных инженеров служб электроснабжения ОАО "РЖД", (Москва, РГОТУПС, 2003 г.); на сетевом совещании начальников служб электроснабжения железных дорог ОАО "РЖД" (Самара, 2004 г.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 25 печатных работах, включающих 4 статьи и тезисов докладов 7, 1 свидетельство на полезную модель, 9 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ, 3 свидетельства о регистрации интеллектуального продукта и одно свидетельство о регистрации базы данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гаранин, Максим Алексеевич, 2004 год

1. Федеральный закон Российской Федерации «О железнодорожном транспорте в Российской Федерации» от 18 января 2003 г. N 17-ФЗ // Российская газета от 18.01.03, No 8 (3122).

2. Фогель X. Вопросы увеличения массы и длинны поездов // Железные дороги мира № 4, 2000. 22-27.

3. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог - М., «Транспорт», 1991.

4. Гоманков Ф.С. Технология и организация перевозок на железнодорожном транспорте: Учеб. для вузов. - М.: Транспорт, 1994. - 2 0 8 с.

5. Реконструкция линии Москва - Санкт-Петербург // // Железные дороги мира№11,1998.

6. В. Perren, D. Thrower. Modem Railways, 1997, N 590, p. 712 - 720.

7. G. Pettitt. Modem Railways, 1998, N 595, p. 246 - 248.

8. J.-P, Menuet. Revue Generale des Chemins de Per, 2001, № 4, p. 9 - 14.

9. Wittke et al. Der Eisenbahningenieur, 1999, № 2, S. 10- 14. lO.Elektrische Bahnen, 1998, N 5, S. 122 - 141, 142 - 145.

10. International Railway Journal, 1988, N 7, p. 15, 17 - 24, 28.

11. Glasers Aimalen, 1976, N 10, S. 315 - 320.

12. Мирошниченко Р.И. Совершенствование расчета пропускной способности участков по условиям электроснабжения // Вестник ВНИИЖТа, №7 1979. - 5-10.

13. Миропшиченко Р.И. Сравнительная оценка способов усиления систем постоянного тока 3 кВ // Вестник ВНИИЖТа, №1, 1973. - 5-10.

14. Т. Boston. Public Transport Report, 1997, p. 149 -150, 152 - 153.

15. Архангельский E.B., Воробьев H.A., Дроздов Н.А. Расчет пропускной способности железных дорог 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1977.-310с.

16. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учеб. для вузов ж.-д. траснп. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

17. Марквардт Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения. -М.: Транспорт, 1972 г. - 224 с.

18. Тер-Оганов Э. В. Приминение имитационного моделирования для расчета и анализа работы системы тягового электроснабжения // Уч. пособ. - Екатеринбург, 1993. - 56 с.

19. Марквардт Г. Г. Исходные положения по созданию математической модели процесса работы устройств энергоснабжения электрических железных дорог. — М.: ВЗИИТ, 1969. вып. 37, с. 46—52.

20. Куликов П. Б. Особенности воспроизведения на ЭЦВМ тяговой на грузки по заданному графику движения поездов с учетом характеристик устройств энергоснабжения. — М.: ВЗИИТ, 1969, вып. 41. с, 51—59.

21. Полякова Т. В. Анализ алгоритма расчета мгновенных схем. — М.: ВЗИИТ, 1972. вып. № 63, с. 47—49.

22. Марквардт Г. Г., Полякова Т. В. Алгоритм воспроизведения на ЭЦВМ процесса изменения тяговой нагрузки при расчете системы энергоснабжения, — М.: ВЗИИТ, 1973. вып. 65, с. 95—107.

23. Шиловская Р. В. Математическая модель расчета системы энергоснабжения метрополитена на ЭВМ. —М.: ВЗИИТ, 1973. вып. 65.

24. Марский В. Е. Определение нагрузочной способности контактных подвесок постоянного тока и их элементов // Новое в хозяйстве электроснабжения / Под ред. А.Б. Косарева, - М.: Интекст, 2003. 123-127.

25. Марквардт Г. Г. Применение усеченного нормального закона распределения к тяговой нагрузке и уточнение его параметров // Ученые записки ВЗИИТа. Вып. II, - М., 1964.

26. Палеи Д. А. Расчет системы энергоснабжения на ЭЦВМ методом статистических испытаний // Вестник ЦНИИ МПС № 5, - М., 1964.

27. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М.: Высшая школа, - 1985.-271с.

28. З.Марков Д.С. Методы построения имитационных моделей и исследования операционных характеристик систем управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте: Дис. на соискание уч. степени канд. нехн. наук. - Сбп.: ЛИИЖТ, 1985.

29. Марквардт К. Г. Распределение тяговой нагрузки // Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог: Тр. МИИТа. Вып. 302. - М.: Транспорт, 1969.

30. Никитин Ю. М. Метод статистического исследования нестацио парных случайных процессов в энергоснабжении // Электричество. № 2. 1971.

31. Коновалов Ю. С, Курилевичус И. Б. К вопросу о про гнозировании тяговой нагрузки с применением ЭЦВМ // Вестник ЦНИИ МПС, №4, 1965.

32. Каялов Г. М., Гордеев В. И. Теория корреляции и основы расчета электрических нагрузок железнодорожных тяговых сетей // Известия АН СССР «Энергетика и транспорт», № 5, 1969.

33. Тимофеев Д. В. Закономерности изменения тяговых нагрузок // Электричество, № 2, 1963.

34. Фигурнов Е.П., Бочев А.С. Энергосберегающая электротяговая сеть ЭУП в современных условиях // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, №1, 2003г.

35. Бочев А.С. Спектральный метод определения нагрузочной способности элементов системы электроснабжения (монография), - Ростов н/Д, 2003.

36. Фигурнов Е. П. Статистическая проверка методов расчета системы энергоснабжения электрических железных дорог // Известия вузов, Энер гетика, № 10, 1959.

37. Гречипшиков В.А. Переносное микропроцессорное устройство для замеров токов КЗ в тяговых сетях постоянного и переменного тока -УЗТКЗ // Труды III наз^но-практической конференции «Безопасность движения поездов», - М., 2002. стр. 11-24 -11-25.

38. Пупынин В.Н., Гречишников В.А. Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 3,3 кВ // ЭЛЕКТРО, № 1, 2004г., с.29-35.

39. Фигурнов Е. П. Об учете неравномерности движения поездов при расчетах энергоснабжения электрических железных дорог // Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог: Тр. МЭМИИТа. Вып. 63, - М.: Трансжелдориздат, 1953.

40. Каялов Г. М., Отпущенников В. И., Гордеев В. И. Вероятностные характеристики потока поездов на магистральных железных дорогах // Известия АН СССР «Энергетика и транспорт», № 3, 1967.

41. Палеи Д. А. Межпоездные интервалы как основа расчета элек троснабжения электрических железных дорог // Вестник ЦНИИ МПС, № 1, 1967.

42. Шиловская Р.В. Статистические исследования интервалов по путного следования между поездами // Вопросы повышения эффективности использования устройств железнодорожного транспорта: Тр. ВЗИИТа, Вып. 40. - М., 1969.

43. Пупынин В.Н. Отчет о научно-исследовательской работе. - М.: МИИТ. 1992.

44. Рациональные режимы вождения поездов и испытыния локомотивов / По ред. И.Осипова. - М.: Транспорт, 1984. - 280 с.

45. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

46. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистик: Учеб. пособие для вузов. - 8-е изд., стер. - М.: Высш.шк., 2002. - 497 с.

47. Лисицын А.Л, Ресурсосберегающие технологии - основа снижения издержек на железнодорожном транспорте // Экономика железных дорог, №1, 1999, 32-42.

48. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. - Ульяновск.: Ульяновский дом печати, 2000. - 190 с.

49. Патент на полезную модель 37422 (РФ) Автоматизированная система коммерческого и технического учета электроэнергии / Митрофанов А.Н., Гаранин М.А., Добрынин Е.В. Опубл. Б.И. 2004, № 11, G 06 F 17/60.

50. Гаранин М.А., Добрынин Е.В., Машков Д.А. Имитационная модель оценки электропотребления на участках железных дорог // Тез. докл. XXX межвуз. науч. конф. студ. и асп. - Самара: СамГАПС, 2003. -С.72-73.

51. Гаранин М.А. Мониторинг потерь электроэнергии в системе внешнего электроснабжения железной дороги // Тез. докл. XXX межвуз. науч. конф. студ. и асп. - Самара: СамГАПС, 2003. - 73-74.

52. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868). Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. - М.: Трансиздат, 2002 г. -184 с.

53. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1-2. / Под ред. К.Г. Марквардта. - М.: Транспорт, 1981.

54. Митрофанов А.Н. Управление перевозками из единого диспетчерского центра // Железнодорожный транспорт №8, - М., 1998, с 6-7.

55. Митрофанов А.Н. Анализ моделей прогнозирования электропотребления на з^астках федеральных железных дорог // Известия Самарского научного центра РАН: Спец. вып. «Проблемы транспорта».- Самара, 2003.- с 123 -129.