Введение к работе
Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является одной из важнейших производственных отраслей России. На долю железных дорог приходится более 70 % внутреннего грузооборота. Более 80 % перевозок производится электрической тягой. В силу значительных объемов перевозок железнодорожный транспорт является одним из крупных и стабильных корпоративных потребителей энергоресурсов. Ежегодно железнодорожным транспортом расходуется 5 - 6 % всей производимой в стране электроэнергии.
Согласно стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г. одним из приоритетных направлений для компании является повышение надежности и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств. Качество электроснабжения играет важную роль для надежности работы всех потребителей на сети железных дорог, в том числе и для нетяговых. Выход за предельно допустимые значения показателей качества электрической энергии (ПКЭ) оказывает негативное воздействие на работу нетяговых потребителей и приводит к экономическим потерям. Надежность работы таких нетяговых потребителей, как устройства железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) напрямую влияет на безопасность движения поездов. В связи с этим необходимо обеспечить контроль качества электроснабжения по всей технологической цепи передачи электрической энергии: от генерирующих предприятий к тяговым подстанциям и от них - к потребителям. Для решения этой задачи требуется создание и массовое внедрение высокоточных и в то же время достаточно дешевых аппаратных средств контроля ПКЭ. Переход на обслуживание сложных технических средств по фактическому состоянию требует развития устройств мониторинга и диагностики их в непрерывном режиме.
До настоящего времени не полностью решены вопросы измерения и контроля ПКЭ питающего напряжения нетяговых потребителей в реальном масштабе времени, отсутствуют технические решения, позволяющие оценить взаимодействие системы тягового электроснабжения и нагрузок нетяговых потребителей по всем контролируемым показателям.
Цель работы - совершенствование методов контроля показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения нетяговых потреби-
телей за счет повышения быстродействия и точности контроля с помощью разработки и применения новых технических средств.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Оценить влияние отклонения показателей качества электрической энергии от нормативных величин в системе электроснабжения на работу устройств нетяговых потребителей.
-
Разработать методы повышения точности контроля показателей качества питающих напряжений в системе электроснабжения нетяговых потребителей.
-
Составить алгоритмы контроля показателей качества питающих напряжений нетяговых потребителей в реальном масштабе времени.
-
Найти новые технические решения и создать соответствующие средства, обеспечивающие удаленный мониторинг показателей качества электрической энергии питающих напряжений нетяговых потребителей первой категории на примере устройств ЖАТ.
5. Определить технико-экономическую эффективность разработанных
технических средств контропя качества питающих напряжений нетяговых по
требителей, использующих предложенные алгоритмы и методы повышения
быстродействия и точности измерений.
Методика исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Для повышения точности контроля коэффициентов высших гармонических составляющих питающих напряжений нетяговых потребителей применен метод функционального и спектрального анализа сигналов. Определение частоты основной гармоники питающих напряжений проводилось с применением методов цифровой обработки сигналов и математической статистики. Моделирование погрешности расчета ПКЭ проводилось с использованием программных пакетов Matlab и MathCad. Данные, полученные экспериментальным путем на Красноярской, Западно-Сибирской и Восточно-Сибирской железных дорогах, обрабатывались методами математической статистики и теории вероятностей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан метод расчета поправочных коэффициентов для компенсации погрешности при определении значения высших гармонических составляющих питающего напряжения нетяговых потребителей при отклонении значения частоты основной гармоники питающего напряжения от номинального;
определена область применения поправочных коэффициентов при нормально и предельно допустимых значениях отклонения частоты питающего напряжения нетяговых потребителей для вычисления значений высших гармонических составляющих с погрешностью, соответствующей требованиям ГОСТ 13109-97;
предложен метод повышения быстродействия определения частоты питающего напряжения, основанный на совместном применении оконной функции Блэкмана и взвешенной средней арифметической значений частотного спектра;
обоснована целесообразность использования алгоритма Винограда преобразования Фурье (АВПФ) для расчета спектрального состава питающего напряжения нетяговых потребителей.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований с применением разработанных опытных образцов устройств контроля качества электрической энергии. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.
Практическая ценность диссертации:
предложенный метод расчета поправочных коэффициентов позволяет компенсировать погрешность определения высших гармонических составляющих при отклонении частоты основной гармоники питающего напряжения нетяговых потребителей;
совместное применение оконной функции Блэкмана и взвешенной средней арифметической значений частотного спектра позволяет значительно сократить время определения значения основной частоты питающего напряжения нетяговых потребителей путем минимизации числа отсчетов;
предложенные алгоритмы позволяют повысить быстродействие контроля основных показателей качества питающего напряжения нетяговых потребителей в реальном масштабе времени;
полученные технические решения для реализации предложенных методов и алгоритмов в системах контроля качества электрической энергии нетяговых потребителей соответствуют требованиям ГОСТ 13109-97;
разработанное устройство контроля качества электрической энергии защищено двумя патентами Российской Федерации на полезную модель.
Реализация результатов работы. Проведенные испытания опытных образцов устройств контроля качества электрической энергии подтвердили эффективность разработанных методов, алгоритмов и технических средств. Устройство контроля качества электрической энергии используется на Западно-Сибирской, Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорог, а также в лаборатории «Микропроцессорные информационно-управляющие системы» ОмГУПСа в учебных и научных целях. Предложенные алгоритмы и методы нашли применение в измерительно-вычислительном комплексе вагона-лаборатории Новосибирского метрополитена.
Апробация работы. Основные положения работы представлялись на международной научно-технической конференции «Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, 2006), научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2007), всероссийской научно-практической конференции «Перспективы и направления развития транспортной системы» (Самара, 2007), первой научной межвузовской интернет-конференции «Перспективы развития транспорта в XXI веке» (Иркутск, 2007), второй научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 200), ХШ научно-практической конференции «Энерго-, ресурсосбережение в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2008) докладывались и обсуждались на научно-техническом семинаре ОмҐУПСа (Омск, 2008). Опытные образцы устройства контроля качества электрической энергии демонстрировались на выставках, организованных в рамках первой и второй международных научно-практических конференций «ТрансЖАТ-2004», «ТрансЖАТ-2005», и на совещании руководителей среднего звена железных дорог Сибири, Урала и Дальнего Востока (Новосибирск, 2007).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах, которые включают в себя восемь статей (из них две - в издании, определенном ВАК Минобрнауки России) и два патента РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем - 186 страниц, 28 иллюстраций, 11 таблиц, 10 приложений. Библиография включает в себя 135 наименований.
