Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из приоритетных задач «Энергетической стратегии холдинга «Российские железные дороги» является полное и надежное энергетическое обеспечение перевозочного процесса, снижение рисков при кризисных ситуациях в энергообеспечении железнодорожного транспорта.
В настоящее время, в связи с увеличением полигонов скоростных пассажирских перевозок, а также с постоянным ростом массы грузовых поездов, актуальной задачей является усиление инфраструктуры железных дорог для реализации потребной пропускной способности. Особую значимость имеет вопрос расчета энергообеспечения перевозочного процесса, поскольку большинство участков железных дорог имеют систему тягового электроснабжения (СТЭ), спроектированную на отличную от применяемой в настоящее время организацию движения поездов. Следствием этого является то, что уже сейчас СТЭ отдельных наиболее нагруженных участков ОАО «РЖД» начинает работать без надлежащих резервов, необходимых для обеспечения прогнозируемого роста объема перевозок грузов и пассажиров. Возникает проблема отсутствия необходимых резервов мощности системы электроснабжения, ограничения в потреблении электроэнергии и связанными с этим снижением пропускной и провозной способности. Особенно это проявляется на участках, электрифицированных на постоянном токе, характеризующихся большими значениями токовых нагрузок и, как следствие, более существенным падением уровня напряжения в контактной сети, что отрицательно сказывается на организации скоростных пассажирских перевозок.
К настоящему времени из-за сложного описания режимов работы СТЭ аналитическими зависимостями при проведении расчетов используются имитационные методы моделирования. Проведенная работа рядом исследователей по созданию и развитию идентификационных моделей СТЭ, а также разработанные программные средства для расчета СТЭ, использующие контуры проверки адекватности работы, позволили существенно увеличить точность расчетов режимов работы СТЭ.
4 При этом существующие методы по оценке энергообеспеченности, в том
числе и программные средства, не позволяют оценивать энергообеспеченность при скоростном пассажирском движении. Поскольку действующая в настоящее время Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог 2010 года, во-первых, в качестве основной функциональной составляющей использует межпоездной интервал, что не актуально для расчета скоростных пассажирских перевозок. Во - вторых, пропускную способность предлагается рассчитывать с помощью имитационного моделирования на базе программного комплекса, в котором отсутствует процедура проверки адекватности работы. Таким образом, актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью совершенствования методики расчета энергообеспеченности скоростных пассажирских перевозок на железных дорогах постоянного тока.
Объект исследования. Система тяги, устройства электроснабжения.
Область исследования. Системы электроснабжения железных дорог. Улучшение эксплуатационных показателей устройств электроснабжения.
Степень разработанности темы исследования. В своих исследованиях в области систем электроснабжения железных дороги и в области улучшения эксплуатационных показателей устройств электроснабжения автор опирался на труды ученых: ВНИИЖТ - А.В. Котельников, В.Е. Марский; ДвГУПС - Б.Е. Дынь-кин, В.Н. Ли; ИрГУПС - В.Д. Бардушко, В.П. Закарюкин, А.В. Крюков; ОмГУПС - О.А. Сидоров, В.Т. Черемисин; МИИТ - В.В. Андреев, М.П. Бадер, Р.Р. Мамо-шин, Г.Г. Марквардт, Г.К. Марквардт, В.Н. Пупынин; ПГУПС - А.Т. Бурков, А.Н. Марикин; РГУПС - А.Л. Быкадоров, Ю.И. Жарков, Е.П. Фигурнов; СамГУПС -В.Л. Григорьев, А.Н. Митрофанов; УрГУПС - Э.В. Тер-Оганов, Б.А. Аржанников, А.Г. Галкин, А.В. Ефимов, Ю.П. Неугодников.
Целью исследования является совершенствование методики расчета энергообеспеченности скоростных пассажирских перевозок на железных дорогах, электрифицированных по системе постоянного тока.
Достижение указанной цели осуществлялось в ходе постановки и решения следующих задач.
-
Проведение анализа существующих методов расчета энергообеспеченности скоростных пассажирских перевозок.
-
Разработка модели системы тягового электроснабжения повышенной точности за счет включения в модель дополнительных контуров проверки адекватности работы, позволяющих осуществлять оценку энергообеспеченности скоростных пассажирских перевозок.
-
Разработка алгоритма выбора мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения постоянного тока, позволяющего осуществлять экспресс-оценку и выбор мероприятий по повышению энергообеспеченности при организации на участке скоростных пассажирских перевозок.
-
Разработка алгоритма определения рабочей схемы тяговых подстанций участка на основе данных автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учета электроэнергии (АИИСКУЭ), позволяющего привести параметры модели системы тягового электроснабжения к реальным процессам.
-
Разработка технологии оценки энергообеспеченности участков на основе кластерного анализа показателей работы системы управления ресурсами, рисками и надежностью на этапах жизненного цикла (УРРАН), позволяющая расширить функциональные возможности системы.
-
Проведение экспериментальных исследований в части проверки адекватности работы по физическим параметрам системы тягового электроснабжения.
-
Оценка технико-экономической эффективности выбранных мероприятий.
Научная новизна работы заключается в совершенствовании методических решений по расчету энергообеспеченности скоростных пассажирских перевозок.
Основные научные результаты, полученные в работе:
1. Разработана модель системы тягового электроснабжения повышенной точности, позволяющая произвести оценку энергообеспеченности скоростных пассажирских перевозок на участках железных дорог постоянного тока, отличающаяся наличием четырех контуров проверки адекватности работы.
-
Разработан алгоритм выбора мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения постоянного тока, позволивший разработать формализованную инструкцию выбора мероприятий по повышению энергообеспеченности. Алгоритм отличается тем, что позволяет исключить лишние операции при подборе мероприятий.
-
Предложен алгоритм определения рабочей схемы тяговых подстанций моделируемого участка на основе данных АИИСКУЭ, позволяющий привести параметры модели системы тягового электроснабжения к реальным процессам.
-
Разработана технология оценки энергообеспеченности участков на основе кластерного анализа показателей работы системы УРРАН, позволяющая связать показатели данной системы с показателями энергообеспеченности, что представляет возможность дополнительно производить оценку энергообеспеченности при составлении факторного анализа.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная модель СТЭ, имеющая четыре контура проверки адекватности работы, может быть использована работниками экспертно-аналитических групп хозяйства электрификации и электроснабжения для расчета энергообеспеченности участков.
Разработанный алгоритм выбора мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения постоянного тока может быть использован при проведении экспресс - оценки мероприятий, обеспечивающих максимальный эффект по приведению показателей нагрузочной способности к нормативным значениям.
Разработанная технология оценки энергообеспеченности участков на основе кластерного анализа показателей работы системы УРРАН может быть использована при составлении факторного анализа, как в дистанциях электроснабжения, так и в службе электрификации и электроснабжения.
Разработанная программа «Esnew-2», предназначенная для расчета системы тягового электроснабжения с оценкой энергообеспеченности участков, может быть использована в производственных условиях для оценки энергообеспеченности участков Куйбышевской железной дороги.
Отдельные элементы работы использованы на Куйбышевской железной до-
7 роге для расчета усиления системы тягового электроснабжения. Теоретические
положения работы используются в учебном процессе кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Самарского государственного университета путей сообщения по дисциплинам «Электроснабжение железных дорог», «Электроснабжение высокоскоростных магистралей» и «Моделирование работы СТЭ». Методология и методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались теоретические и практические исследования, методы математического анализа, методы структурного синтеза моделей, теория вероятностей, математическая статистика, методы идентификации и имитационного моделирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Модель системы тягового электроснабжения повышенной точности с дополнительными контурами проверки адекватности работы, позволяющими осуществлять оценку энергообеспеченности скоростных пассажирских перевозок.
-
Алгоритм выбора мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения, позволяющий осуществлять экспресс - оценку и выбор мероприятий по повышению энергообеспеченности при организации на участке скоростных пассажирских перевозок.
-
Алгоритм определения рабочей схемы тяговых подстанций участка на основе данных АИИСКУЭ, позволяющий привести параметры модели системы тягового электроснабжения к реальным процессам.
-
Технология оценки энергообеспеченности участков на основе кластерного анализа показателей работы системы УРРАН, позволяющая расширить функциональные возможности системы.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты обоснованы теоретически и подтверждены результатами экспериментальных исследований на реальном участке Куйбышевской железной дороги в части проверки адекватности работы по физическим параметрам системы тягового электроснабжения.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: V Межд. науч. - практ. конф. «Образова-
8 ние, наука, транспорт в XXI веке» (Оренбург, 2015); Межд. науч. – практ. конф.
«Наука и образование транспорту» (Самара, 2014, 2013, 2012); Седьмой Международный симпозиум «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов скоростного и высокоскоростного ж.д. транспорта» (Санкт-Петербург, 2013); Межд. науч. – практ. конф. имени Леонардо да Винчи (Берлин, 2013); Межд. науч. – практ. конф. «Электроэнергетическая инфраструктура и электроподвижной состав железнодорожного транспорта» (г. Ростов-на-Дону, 21-22 мая, 2013); Всерос. науч. – техн. конф. «Эксплуатац. надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); Всерос. науч. – техн. конф. «Наука университета – инновации производства» (Хабаровск, 2012); VI Межд. науч. – практ. конф. «Электрификация железнодорожного транспорта» (Мисхор, 2012).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 18 печатных работах, из них 4 публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, 2 патента на полезные модели, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа представлена на 120 страницах, содержит 94 страницы основного текста, 52 рисунка, 12 таблиц. Список литературы включает 103 наименования.