Microsoft Word Document, 341 Кб

На правах рукописи
ЛАРИН Андрей Николаевич
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ
УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ОМСК 2008
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет
путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
МАСЛОВ Геннадий Петрович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
ДЕМИН Юрий Васильевич;
кандидат технических наук, доцент
ОЩЕПКОВ Владимир Александрович.
доктор
Ведущая организация:
ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»
(ИрГУПС, г. Иркутск).
Защита диссертации состоится 30 декабря 2008 г. в 11 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» по адресу: 644046, г. Омск, пр.
Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.
Автореферат разослан
ноября 2008 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета
Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44; E-mail: [email protected]
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор
О. А. Сидоров.
_________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2008
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является
энергоемким потребителем электроэнергии. Например, в 2007 г. для нужд электрической тяги использовано 40,41 млрд кВтч, что составило 5,35 % от общей
выработки электроэнергии в стране. В этот же период доля затрат на оплату
электроэнергии в среднем по сети дорог России составила 7,5 % от общих эксплуатационных расходов, а на отдельных дорогах достигала более 9 %.
В соответствии с основными положениями «Энергетической стратегии
России на период до 2020 г.», утвержденной Правительством Российской Федерации (постановление № 1234-р от 28.08.2003), прогнозируется дальнейший рост
тарифов на энергоресурсы. Поэтому одной из первоочередных задач в условиях
непрерывного увеличения электропотребления на тягу поездов и эксплуатационные нужды железнодорожного транспорта является снижение платы за использование топливно-энергетических ресурсов. В настоящее время разрабатывается
новая шкала штрафных санкций за низкие показатели качества электрической
энергии (ПКЭ) в сторону ужесточения требований к потребителям.
Совместным решением Государственного комитета по стандартизации и
метрологии РФ, Министерства энергетики РФ (Минэнерго России) и РАО
«ЕЭС» России – «О мерах по обеспечению проведения обязательной сертификации электрической энергии» – от 02.11.2001 Департаменту государственного
энергетического надзора и энергосбережения Минэнерго России предписано
проинформировать поднадзорные энергоснабжающие организации о необходимости разработки планов-графов подготовки к сертификации электрической
энергии для составления прогноза показателей качества электрической энергии,
что в полной мере относиться и к электроэнергетическим сетям железнодорожного транспорта.
Цель диссертационной работы – разработка системы анализа и прогноза
показателей качества электрической энергии в электроэнергетической системе, содержащей электротяговую нагрузку переменного тока, путем составления сетевых
карт качества электрической энергии, с учетом рационального использования существующих технических средств и схем питания тяговой сети.
Для достижения обозначенной цели поставлены и решены следующие задачи:
разработать структуру системы мониторинга ПКЭ;
усовершенствовать методику измерения ПКЭ с учетом специфических
особенностей системы электроснабжения железных дорог переменного тока;
3
предложить алгоритм оценки состояния показателей качества электрической энергии на участках железных дорог переменного тока, провести их исследования и систематизировать полученные результаты для анализа эффективности использования существующих средств системы тягового электроснабжения по улучшению ПКЭ;
разработать методику прогнозирования значений ПКЭ в зависимости от
величины тяговой и нетяговой нагрузки;
создать методику составления сетевой карты для оценки состояния показателей качества электрической энергии с учетом имеющихся технических
средств управления качеством и определением участков с показателями, превышающими нормально и предельно допустимые значения.
Методы исследования. При проведении исследований в работе были использованы графоаналитические методы расчета, имитационное моделирование на
ЭВМ с применением итерационного метода расчета сложной электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, инструментальных средств
Matlab 6,0, программного комплекса Кортес системы тягового электроснабжения с
учетом основных положений математической статистики и теории вероятностей с
последующим экспериментальным определением ПКЭ с учетом специфики электроснабжения действующих участков магистральных железных дорогах переменного тока. Экспериментальные исследования проведены с использованием многоканального измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М».
Научная новизна работы заключается в следующем:
усовершенствована методика измерения показателей качества электрической энергии на магистральных железных дорогах переменного тока, позволяющая оценить влияние схем питания межподстанционных зон и возврата электроэнергии от перетоков мощности и рекуперации подвижного состава на изменение
показателей качества электрической энергии в точках присоединения тяговых
подстанций к системе внешнего электроснабжения;
разработана методика прогнозирования значений показателей качества
электрической энергии при изменении тяговой и нетяговой нагрузки в различных узлах электроэнергетической системы;
создана методика составления сетевой карты качества электрической энергии, отражающая характеристики исследуемого участка, состояние и результаты
анализа рассматриваемых показателей с указанием их прогноза при применении
предложенных в ней рекомендаций по улучшению ПКЭ.
4
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных на Северной и Красноярской железных дорогах. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.
Практическая ценность работы:
разработанная структура системы мониторинга показателей качества электрической энергии обеспечивает возможность учета специфических особенностей электрифицированных железных дорог, влияющих на изменение показателей качества электрической энергии, для выбора научно обоснованных технических решений по улучшению этих показателей;
усовершенствованная методика измерения показателей качества электрической энергии на магистральных электрифицированных железных дорогах переменного тока позволяет получить первичную информацию о большинстве
факторов, влияющих на качество электрической энергии;
разработанная методика прогнозирования дает возможность определить
изменения показателей качества электрической энергии при различных режимах работы систем тягового и нетягового электроснабжения;
созданная методика составления сетевой карты качества электрической
энергии дает возможность оценить исследуемые показатели и провести их анализ в различных узлах электроэнергетической системы, содержащей тяговую и
нетяговую нагрузки, наметить возможные пути снижения платы за электроэнергию на тягу поездов, а также отображает прогноз данных показателей при
применении рекомендованных технических решений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на сетевой научно-практической конференции
«Энергетическое обследование структурных подразделений филиалов ОАО
«РЖД» (Омск, 2004); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном
транспорте» (Красноярск, 2005); шестой межвузовской конференции «Молодые
ученые – транспорту» (Екатеринбург, 2005); научно-практической конференции
«Ресурсосберегающие технологии в структурных подразделениях ЗападноСибирской железной дороги» (Омск, 2005); научно-техническом семинаре
ОмГУПСа и семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» ОмГУПСа
(Омск, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей (из них
две – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ).
5
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав,
списка литературы и пяти приложений. Работа изложена на 165 страницах основного текста, содержит 37 рисунков, 43 таблицы и библиографический список из 184 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и
задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе показаны специфические особенности системы тягового
электроснабжения переменного тока, приведены результаты анализа факторов,
влияющих на показатели качества электрической энергии на электрифицированных участках железных дорог переменного тока. Представлены характерные
ПКЭ, на которые оказывает влияние электроподвижной состав: коэффициенты
искажения синусоидальности кривой напряжения, n-й гармонической составляющей напряжения и несимметрии напряжения по обратной последовательности. Разработана структура системы мониторинга ПКЭ.
Вопросы повышения качества электрической энергии, компенсации реактивной мощности, влияния перетоков мощности по контактной сети рассмотрены в работах М.П. Бадера, В.Д. Бардушко, А.С. Бочева, Б.М. Бородулина,
А.Т. Буркова, Л.А. Германа, Б.Е. Дынькина, Д.В. Ермоленко, Ю.И. Жаркова,
И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, В.Н. Зажирко, Р.И. Караева, Б И. Косарева,
А.В. Котельникова, Р.Р. Мамошина, К.Г. Марквардта, Г.Г. Марквардта, В.Е. Марского, Г.П. Маслова, Н.И. Молина, А.И. Тамазова, В.Т. Черемисина, Ю.А. Чернова, В.П. Феоктистова, Е.П. Фигурнова, М.Г. Шалимова, зарубежных авторов
Дж. Аррилага, Д. Бредли и др.
Рассмотрены направления улучшения ПКЭ и повышения эффективности
использования системы тягового электроснабжения, которые позволяют сформулировать конкретные практические рекомендации, связанные с экономией
энергоресурсов.
Разработанная адаптированная структура системы мониторинга показателей
качества электроэнергии предполагает три составляющих (рис. 1): состояние – сбор
фактического материала по исследуемому участку, проведение натурных исследований ПКЭ с учетом специфических особенностей работы электрифицированных железных дорог переменного тока; анализ – оценка, определение научно обоснованных
технических решений по приведению рассматриваемых ПКЭ к нормируемым значениям; прогнозирование – информация о перспективах развития объекта с учетом
6
воздействия на конкретный показатель качества электроэнергии различных процессов и факторов, а также
принятых
технических
решений.
Система мониторинга предназначена для
обеспечения периодического контроля показателей электрической энергии и принятия своевременных мер по их улучРис.1. Структура системы мониторинга ПКЭ
шению.
Во второй главе выполнен анализ существующих методов измерения и
оценки состояния ПКЭ, даны рекомендации по их совершенствованию и проведена оценка качества электроэнергии на участках электрифицированных железных дорог переменного тока.
Усовершенствована методика выбора режимов проведения измерений ПКЭ с
учетом специфических особенностей системы электроснабжения железных дорог
переменного тока. Показано, что измерения ПКЭ необходимо проводить для пяти
режимов работы системы тягового электроснабжения: три режима – без возврата
электроэнергии из тяговой сети (схемы консольного, встречно-кольцевого и узлового питания), два режима – при возможном возврате электроэнергии из тяговой
сети при двухстороннем питании (от протекания уравнительных токов без рекуперации и возврата электроэнергии при наличии рекуперации).
Предложен алгоритм оценки ПКЭ на участках железных дорог переменного
тока, позволяющий проводить анализ ПКЭ с учетом режимов работы имеющихся в
системе тягового электроснабжения технических средств по улучшению ПКЭ.
Основываясь на предложенных методиках, исследовано состояние качества
электроэнергии на шинах высшего напряжения и районной нагрузки на электрифицированных участках Красноярской, Северной, Забайкальской, Южно-Уральской
железных дорог переменного тока.
Установлено, что на рассмотренных участках показатели качества электрической энергии по коэффициенту искажения синусоидальности формы кривой напряжения на стороне высшего напряжения находятся в диапазоне от 0,64
до 7,37 %, на шинах районной обмотки тяговых подстанций – от 3,26 до 6,18 %
7
для 10 кВ и от 2,5 до 13,02 % для 35 кВ, а по коэффициенту несимметрии
напряжения по обратной последовательности на шинах высшего напряжения –
в диапазоне от 0,34 до 1,78 %, на шинах районной обмотки – от 1,44 до 5,94 %.
Исследования ПКЭ на дорогах переменного тока на стороне высокого
напряжения (110 – 220 кВ) показали, что диапазон изменения коэффициента
отклонения напряжения варьировался в диапазоне от 2,0 до 11,81 %, а на 17 из
28 проверенных тяговых подстанций отклонение напряжения превышало нормативные параметры, установленные ГОСТ 13109-97, причем у 14 из них
наблюдалось увеличение относительного времени превышения нормально допустимого значения этого показателя более чем на 50 % времени измерений, а в
некоторых случаях оно составляло 100 %.
Приведены результаты исследований потерь электроэнергии в межподстанционных зонах (МПЗ) на исследуемом участке. В зависимости от схем
питания МПЗ и количества пар поездов в сутки потери электроэнергии находятся в диапазоне от 46,3 до 742,9 тыс. кВт·ч в год.
При анализе влияния схем питания МПЗ на качество электроэнергии в электроэнергетической системе исследуемого участка рассматривались следующие схемы: консольная, встречно-кольцевая и
узлового питания. По результатам проведенного анализа
(рис. 2) и с учетом уровня потерь электроэнергии в межподстанционных зонах выбраны рациональные схемы питания участков.
Рассматривалось влияние на ПКЭ возврата электроРис. 2. Влияние схем питания МПЗ на kU
энергии в энергосистему. При
на шинах ТП «М»
максимальном возврате электроэнергии в энергосистему от перетоков без рекуперации на рассматриваемом участке коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения и несимметрии
напряжения на шинах высшего напряжения тяговых подстанций улучшались в
среднем на 40 % и, соответственно, на 26,11 % относительно этих же коэффициентов при максимальных размерах движения поездов.
8
Для улучшения показателей работы системы тягового электроснабжения
участка Красноярской железной дороги на основании оценки расчетных и экспериментальных исследований (проведенных по предложенным методикам)
рекомендовано: включить ФКУ – 2250 квар на посту секционирования рассматриваемой МПЗ; включить компенсирующие установки на двух тяговых
подстанциях; для снижения потерь электрической энергии в тяговой сети на
трех тяговых подстанциях повысить напряжение на шинах 27,5 кВ; на двух
МПЗ перейти на встречно-кольцевую схему питания.
В третьей главе разработана методика прогнозирования значений показателей качества электрической энергии при изменении тяговой и нетяговой
нагрузок в различных узлах электроэнергетической системы.
Выбран метод и разработан алгоритм прогнозирования ПКЭ с использованием имитационного моделирования электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, с возможностью учета стационарной нагрузки, питающейся как от тяговых подстанций переменного тока, так и от высоковольтных линий электроэнергетической системы, и корреляционнорегрессионного анализа. Метод позволяет определять токи и напряжения как в
системах тягового, так и внешнего электроснабжения, производить прогнозирование степени влияния несимметрии и несинусоидальности нагрузки на ПКЭ
в различных узлах энергосистемы и строить математические зависимости изменения рассматриваемых показателей от различных факторов.
Прогнозирование показателей ПКЭ при планировании и управлении является аналитической стадией, необходимой для научного обоснования перспективных планов по оптимизации потребления энергоресурсов. В основу
прогнозирования положены принципы комплексности и системности, реализуемые представлением результатов прогнозов в виде определенной системы моделей, с подтверждением прогноза методами и критериями надежности.
Надежность моделей устанавливается на основании статистических критериев
проверки действенности выдвинутых гипотез – стандартизованной ошибки аппроксимации, дисперсионного F-критерия Фишера, статистического t-критерия
Стьюдента и др.
Применяемое имитационное моделирование основано на методе симметричных составляющих и фазных координат с использованием методов выделения
и итерационных процедур. Из сложной трехфазной системы выделяются несимметричные части (участки тяговой сети – межподстанционные зоны), которые
9
представляют собой однофазные системы. В результате этих преобразований получается симметричная трехфазная часть системы и ряд однофазных систем. Выделенные части, в зависимости от числа полученных полюсов, образуют двух- и
четырехполюсники. Разделение электроэнергетической системы на трехфазный
многополюсник, включающий в себя генераторы, тяговые и понижающие трансформаторы, автотрансформаторы, высоковольтные линии и неограниченное количество двух- и четырехполюсников (тяговая нагрузка в МПЗ с различными схемами питания), позволяет анализировать сложную систему по составным частям.
В первом приближении, пренебрегая выделенными частями, элементы трехфазного многополюсника принимаются пофазно симметричными, поэтому расчет электрических величин этого многополюсника проводится на одну фазу методом узловых потенциалов в матрично-топологической форме.
Составляются диагональные матрицы сопротивлений прямой последовательности для каждой гармоники  Z  , узловая матрица соединений [А] размером (pq), матрицы источников тока  J&  размером (1p) и матрицы источников ЭДС  E&  размером (1p).
Z   diag Z 1, Z 2 , ... , Z p  .
(1)
Далее методом узловых потенциалов в матрично-топологической форме
определяются потенциалы V&1 полюсов многополюсника относительно нулевой
точки источника питания на основной частоте:  G1    Z1  ;
1


 Y1    A  G1   A T ;
&  G  E& ; V
&   Y 1 J& .
I&


A
J


1
1
1
1
1

 
 
 1
 1
Для расчета токов в четырехполюснике также используется метод узловых потенциалов. Можно рассчитать напряжения U&1b и токи I&1b ветвей, используя матричT
но-топологические соотношения:  U&1b    A V&1  ; I&1b   G1   U&1b    E&1   J&
1
.
Расчет двух- и четырехполюсников выполняется при соответствующих значениях напряжения холостого хода на зажимах многополюсника. Полученные результаты используются во второй итерации системы внешнего электроснабжения
и расчет продолжается до тех пор, пока приращение напряжения не будет меньше
заданного значения.
Расчет токов и напряжений производится отдельно на каждой гармонике.
В общем случае значение тока в j-м источнике тока k-й межподстанционной зоны задается гармоническим рядом:

10

i kj 
n

 =1


2 I kj sin   t +  1kj   kj  ,
(2)
где   номер гармоники;  – угловая частота переменного тока, рад/с.
На высших гармониках так же, как и на основной частоте, аргументы источников тока первоначально неизвестны. Для их определения используется
соотношение:


arg J&k    arg J&
1k 
  1k   k  ,
(3)
где 1k  угол сдвига между током и его первой гармоникой в k -й фидерной зоне,
j-м источнике тока;  kj  то же между током и его -й гармоникой.
При известных модулях и аргументах источников тока высших гармоник
вычисляется распределение токов и напряжений в ветвях.
По предложенному методу в каждом узле рассматриваемого участка определяются действующие значения напряжений и токов прямой и обратной последовательностей в каждой ветви и, соответственно, для каждого потребителя, что
позволяет исследовать влияние параметров и режимов работы систем внешнего и
тягового электроснабжения на качество электрической энергии в различных точках систем электроснабжения.
В узлах электроэнергетической системы, содержащей электротяговую
нагрузку, выделяются составляющие искажений ПКЭ, которые обусловлены суммой искажений ПКЭ со стороны всех тяговых подстанций и потребителей, присоединенных к системам тягового и внешнего электроснабжения, затем в этих узлах
определяются численные значения рассматриваемого ПКЭ. Выявляется степень
участия системы внешнего электроснабжения с учетом влияния соседних тяговых
подстанций и потребителя в формировании общего искажения рассматриваемого
показателя в конкретном узле.
Прогнозирование ПКЭ с помощью предложенного метода дает возможность оценить изменение ПКЭ на шинах тяговых подстанций и в различных узлах
электроэнергетической системы от влияния различных факторов (тяговой и нетяговой нагрузки, перетоков мощности по тяговой сети и линий электропередач
внешнего электроснабжения и т. д.).
В четвертой главе выполнен прогноз показателей качества электрической
энергии на действующем участке электрифицированной железной дороги переменного тока по предложенному методу.
11
Проведено имитационное моделирование участка Красноярской железной
дороги и дана оценка изменения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной последовательности и искажения синусоидальности кривой напряжения на
шинах высшего напряжения и шинах районной нагрузки тяговых подстанций при
различных значениях тягового тока ЭПС во всех межподстанционных зонах исследуемого участка при принятых в реальных условиях схемах питаниях, а также
и при изменении этих коэффициентов у самих потребителей.
Выявлена динамика изменения коэффициента несимметрии напряжения по
обратной последовательности k 2U на шинах высшего напряжения и шинах районной нагрузки тяговых подстанций рассматриваемого участка при изменении токов
фидеров тяговых подстанций в диапазоне от 50 до 300 А (рис. 3 и 4).
4
Предельно допустимое
значение
ТП Кр
%
ТП Т
3
ТП К
2
ТП А
k2U
Нормально допустимое
значение
1
ТП М
0
50
100
150
200
А
250
300
IФКС
Рис. 3. Динамика изменения коэффициента несимметрии напряжения по обратной
последовательности на шинах высшего напряжения тяговых подстанций
Рис. 4. Динамика изменения коэффициента несимметрии напряжения по обратной
последовательности на шинах районной обмотки тяговых подстанций
12
Из приведенных данных (см. рис. 3 и 4) видно, что при равномерной загрузке межподстанционных зон коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности повышается с увеличением тока нагрузки.
Зависимость коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах высшего напряжения и районной нагрузки от изменения токов фидеров контактной сети тяговых подстанций изображена на рис. 5.
9
12
%
Фаза B
6
kU
3
Фаза C
Фаза B
Предельно допустимое
значение
50
100
Фаза C
6
kU
Нормально допустимое
значение
0
Фаза А
Предельно допустимое
%
значение
9
Фаза А
150
200
IФКС
А
250
300
Нормально допустимое
значение
3
0
50
100
150
200
А
250
300
IФКС
а
б
Рис. 5. Динамика изменения коэффициента искажения
синусоидальности кривой напряжения на шинах ТП «М»:
высшего напряжения (а) и районной обмотки (б)
Для составления сетевой карты качества электрической энергии на основании полученных данных (см. рис. 3 – 5) определены математические модели
прогнозирования (таблица), позволяющие выполнять расчет коэффициентов
несимметрии напряжения по обратной последовательности и искажения синусоидальности кривой напряжения в диапазоне токов фидеров контактной сети
тяговых подстанций от 50 до 300 А.
Математические модели прогнозирования ПКЭ на шинах ТП «М»
Точка определения
ПКЭ
Математическая модель
1
2
ТП «М» шины ВН
k2U = -1·10 I
ТП «М» шины
районной обмотки
ТП «М» шины ВН
-6 2
0,071
0,9978
k2U = -91·10-7I2ФКС +0,013 IФКС - 0,145
0,069
0,9789
kUA = 2·10-5I2ФКС +0,00148 IФКС +0,21
0,084
0,9988
kUB = 4·10-5I2ФКС + 0,0055IФКС - 0,191
0,041
0,9912
ФКС
+0,0115 IФКС - 0,3461
Расчетное значение
ошибка
коэффициент
аппроксикорреляции
мации
3
4
13
Окончание таблицы
1
ТП «М» шины ВН
ТП «М» шины
районной обмотки
2
3
4
+ 0,0064IФКС + 0,113
0,042
0,9615
kUA = 1·10-5I2ФКС +0,0289 IФКС + 0,2268
0,084
0,9987
kUB = 3·10-5I2ФКС + 0,0176IФКС + 0,3906
0,089
0,9962
kUC =4·10-5I2ФКС + 0,0223IФКС - 0,2665
0,092
0,9885
-5 2
kUC = 4·10 I
ФКС
Для остальных тяговых подстанций аналогично описанному методу
определены математические модели, надежность и адекватность которых установлена на основании ранее приведенных статистических критериев проверки
действенности выдвинутых гипотез.
С использованием полученных математических моделей определены
токи фидеров контактной сети, при которых искомые коэффициенты на шинах тяговых подстанций достигают нормально и предельно допустимых значений, установленных стандартом, а также получены рассматриваемые коэффициенты для данных условий.
Аналогично можно получать математические модели прогнозируемых ПКЭ
в различных точках электроэнергетической системы при известных параметрах
этих коэффициентов у потребителей, подключенных как к системе внешнего
электроснабжения, так и к шинам районной нагрузки.
В соответствии с анализом полученных прогнозных показателей определена степень влияния тяговой и нетяговой нагрузки на ухудшение коэффициентов искажения синусоидальности кривой напряжения (от тяговой нагрузки – до
69,2 %, от районной – до 8,4 %, а от системы внешнего электроснабжения (с
учетом влияния соседних тяговых подстанций) – до 39,3 %).
В пятой главе проведено сравнение экспериментальных и расчетных
значений ПКЭ и описана методика составления сетевой карты показателей качества электрической энергии. Приведена сетевая карта показателей качества
исследуемого участка «М – Ч» Красноярской железной дороги с указанием
прогноза ПКЭ.
Сравнение экспериментальных и расчетных данных позволяет сделать вывод о достаточной достоверности предложенной методики расчета ПКЭ. Расхождение теоретических результатов и экспериментальных данных по исследуемым коэффициентам на шинах 110 кВ и на шинах районной обмотки не превышает 10 %.
14
Результаты исследования состояния, анализа и прогноза ПКЭ позволили
разработать сетевую карту качества электрической энергии, которая включает в
себя информационную карту участка и карту рекомендаций и прогноза ПКЭ
(рис. 6). В карте рекомендаций и прогноза представлены возможные мероприятия по снижению затрат электроэнергии на тягу поездов и улучшению ПКЭ отдельно по каждой зоне и тяговой подстанции, а также прогнозные показатели качества при принятых технических и организационных решениях.
Рис. 6. Алгоритм формирования карт качества электрической энергии
С учетом экспериментальных и теоретических исследований выполнено
прогнозирование ПКЭ при внедрении предложенных технических решений (применение фильтрокомпенсирующих устройств, рациональных схем питания межподстанционных зон, регулировка напряжения на шинах 27,5 кВ). Сравнение экспериментальных данных с прогнозируемыми показало, что ПКЭ улучшаются до
25 %, а потери электрической энергии на исследуемом участке снижаются на
1214 тыс. кВт·ч в год.
Внедрение предложенной системы мониторинга ПКЭ на действующем
участке электрифицированной железной дороги позволило получить экономический эффект в 0,9 млн р., в том числе снижение потерь электрической энергии – 692,4 тыс. р., включение ФКУ мощностью 2250 квар – 141,6 тыс. р. При
этом чистый дисконтированный доход для расчетного периода (пять лет) составляет 3,1 млн р. и срок окупаемости – менее двух лет. Кроме того, в случае
15
изменений в действующем законодательстве и введения штрафных санкций за
ухудшение ПКЭ на данном участке размер штрафных санкций может составить
13,5 млн р. в год, а реализация предложенных технических решений по улучшению
ПКЭ предполагает их снижение на 4 млн р. в год.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработана система мониторинга показателей качества электрической
энергии, включающая в себя три структурных элемента: состояние – сбор фактического материала на участке электрифицированной железной дороги, проведение
натурных исследований показателей качества электрической энергии; анализ –
определение научно обоснованных технических решений по приведению ПКЭ к
нормированным величинам; прогнозирование – информация о перспективах развития объекта с учетом воздействия на конкретный показатель качества электрической энергии различных процессов и факторов, а также принятых технических решений.
2. Усовершенствована методика измерения ПКЭ на магистральных электрифицированных железных дорогах переменного тока, позволяющая более полно учесть первичную информацию о факторах, влияющих на качество электроэнергии, с учетом специфических особенностей электроснабжения железных дорог. Показано, что измерения ПКЭ необходимо проводить до пяти режимов работы системы тягового электроснабжения: три режима – без возврата электроэнергии из тяговой сети (схемы консольного, встречно-кольцевого и узлового питания), два режима – при возможном возврате электроэнергии из тяговой сети при
двухстороннем питании (от протекания уравнительных токов без рекуперации и
возврате электроэнергии при наличии рекуперации).
3. Предложен алгоритм оценки состояния ПКЭ, позволяющий более полно
проводить анализ с учетом имеющихся технических средств системы тягового электроснабжения по улучшению ПКЭ и выявления виновников их ухудшения, определения путей решения приведения ПКЭ к нормам, установленным ГОСТ 13109-97.
4. Разработана методика прогнозирования ПКЭ, позволяющая определить
значения исследуемых показателей при различных режимах работы систем тягового и нетягового электроснабжения, при которых коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения и несимметрии напряжения по
обратной последовательности на шинах тяговых подстанций достигают нормально и предельно допустимых значений, установленных стандартом, а
16
также степень влияния тяговой и нетяговой нагрузки на коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения.
5. Создана методика формирования сетевой (дорожной) карты качества
электроэнергии электрифицированных железных дорог переменного тока, которая
включает в себя характеристику исследуемого участка, состояние исследуемых
показателей с учетом специфических особенностей электрифицированных дорог
переменного тока, рекомендации по возможному снижению платы за электроэнергию на тягу поездов, а также прогнозные показатели качества при принятых
технических и организационных решениях.
6. Внедрение предложенной системы мониторинга ПКЭ на действующем
участке электрифицированной железной дороги позволило получить экономический эффект в 0,9 млн р., в том числе снижение потерь электрической энергии – 692,4 тыс. р., включение ФКУ мощностью 2250 квар – 141,6 тыс. р. При
этом чистый дисконтированный доход для расчетного периода (пять лет) составляет 3,1 млн р. и срок окупаемости – менее двух лет. Кроме того, в случае
изменений в действующем законодательстве и введения штрафных санкций за
ухудшение ПКЭ на данном участке размер штрафных санкций может составить
13,5 млн р. в год, а реализация предложенных технических решений по улучшению
ПКЭ предполагает их снижение на 4 млн р. в год.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. М а с л о в Г. П. Повышение качества электрической энергии за счет
применения новых технических средств / Г. П. М а с л о в, А. Н. Л а р и н // Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других
электромеханических преобразователей: Материалы науч.-практ. конф. / Омский
гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2003. С. 325 – 331.
2. К а ш т а н о в А. Л. Экспериментальные исследования потребления активной и реактивной энергии по вводам 27,5 и 35 кВ тяговой подстанции Курагино
Абаканской дистанции электроснабжения Красноярской железной дороги /
А. Л. К а ш т а н о в, А. Н. Л а р и н // Ресурсосберегающие технологии в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги: Материалы науч.практ. конф./ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. С. 169 – 173.
3. Оценка размеров штрафных санкций за ухудшение качества электроэнергии в системе тягового электроснабжения переменного тока / А. Н. Л а
р и н, М. М. Н и к и ф о р о в и др. // Молодые ученые – транспорту: Тру17
ды VI межвуз. конф. / Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург, 2005.
С. 44 – 46.
4. Л а р и н А. Н. Методика составления сетевой карты качества электрической
энергии / А. Н. Л а р и н // Материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием /
Красноярск: Гротеск, 2005. Т. 1. С. 131– 136.
5. К а ш т а н о в А. Л. Экспериментальные исследования перетоков
мощности на участке Таксимо – Окусикан Восточно-Сибирской железной дороги / А. Л. К а ш т а н о в, А. Н. Л а р и н // Межвуз. сб. трудов молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирский автодорожный ин-т. Омск, 2006. Вып. 3.
Ч. 1. С. 199 – 203.
6. Л а р и н А. Н. Показатели качества электроэнергии на электрифицированных железных дорогах / А. Н. Л а р и н // Сб. науч. ст. аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. С. 46 – 50.
7. Л а р и н А. Н. Сетевая карта качества электрической энергии / А. Н. Л ар и н // Ресурсосберегающие технологии на предприятиях Западно-Сибирской
железной дороги: Материалы науч.-практ. конф./ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006, С. 180 – 183.
8. Л а р и н А. Н. Контроль показателей качества электроэнергии на электрифицированных железных дорогах переменного тока / А. Н. Л а р и н //Омский
научный вестник /Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2006. № 6 (41), С. 92 – 95.
9. Л а р и н А. Н. Контроль и прогнозирование показателей качества электрической энергии на электрифицированных железных дорогах переменного тока / А. Н. Л а р и н // Известия Самарского научного центра Российской академии
наук. Самара, 2007. С. 111 – 115.
10. Л а р и н А. Н. Методика прогнозирования влияния несимметричной
нагрузки на искажения ПКЭ на магистральном участке электрифицированной
железной дороги / А. Н. Л а р и н //Транспорт Урала. Екатеринбург. 2007. № 4.
С. 90 – 94.
Типография ОмГУПСа. 2008. Тираж 100 экз. Заказ
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
18
.