EP2674346B1 - Verfahren und System zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes - Google Patents

Verfahren und System zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes Download PDF

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EP2674346B1
EP2674346B1 EP12171764.9A EP12171764A EP2674346B1 EP 2674346 B1 EP2674346 B1 EP 2674346B1 EP 12171764 A EP12171764 A EP 12171764A EP 2674346 B1 EP2674346 B1 EP 2674346B1
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EP
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power
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field elements
decentralised
route
Prior art date
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Michael Fischer
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Siemens Schweiz AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L7/00—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks
    • B61L7/06—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks using electrical transmission
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L19/00—Arrangements for interlocking between points and signals by means of a single interlocking device, e.g. central control
    • B61L19/06—Interlocking devices having electrical operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/20—Trackside control of safe travel of vehicle or train, e.g. braking curve calculation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L7/00—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks
    • B61L7/06—Remote control of local operating means for points, signals, or track-mounted scotch-blocks using electrical transmission
    • B61L7/08—Circuitry

Definitions

  • the present invention relates to a method and system for providing electrical power to distributed field elements of a railway network.
  • Such decentralized field elements are used in rail transport networks to control the rail vehicles influencing and / or the rolling stock monitoring units and to monitor the functionality and to record and report back process data.
  • As Switzerlandbeeinlende units that give instructions to the driver or even make direct intervention in the vehicle control or directly set a safe track, for example, signals, points, balises, line conductors, track magnets and the like, as well as sensors for detecting process variables of the moving train, such as power consumption, speed and the like.
  • train and track section monitoring units can also be called balises and line conductors, but also axle counters and track circuits.
  • intelligent energy stores IES1 to IES4 are now connected to the energy transport network and the data transport network, so that these intelligent energy storage devices can communicate with the central signal box via the data transport network and thus a power consumption and / or delivery of one in the logic of the central interlocking implemented energy manager can be controlled.
  • the intelligent energy storage units have a local logic module, a regulation of an energy flow and a communication module.
  • WO2008 / 025414A2 describes a system for supplying field elements in a tunnel in which there is a data bus for driving and a power bus for supplying the field elements.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a system and a method for providing the electrical power to decentralized field elements of a railway network, with which a base load covered by means of a basic supply and storage elements can be charged so that they provide the required peak load when needed can.
  • the electrical supply network is then configured with regard to the base load and the storage elements to be used as well as the distinct location of these storage elements and created accordingly.
  • the driving operation is then carried out with this power supply network for the decentralized field elements arranged in the relevant road section.
  • the present invention results in a scaling of the power consumption and, on the basis of the route allocation which can be predicted by means of the timetable, provides a normative tool from which specifically timed and spatially resolved profiles of the electrical power consumption can be derived. These profiles are used to determine the base electric load, the peak load and the capacity and physical location of the energy storage devices. In this way results in a very detailed predictable models / profile of electrical power consumption, which can be provided later according to this model / profile. That's it Power supply network can be interpreted efficiently and according to requirements, whereby a careful handling of resources, such as copper cables, energy storage materials can be achieved.
  • the present invention may be provided to define at least two consumption classes, the first consumption class representing decentralized field elements with low and rather permanent power requirements and the second consumption class representing decentralized field elements having comparatively high, but short-lasting power requirements.
  • Decentralized field elements with low and rather permanent power requirements are, for example, light signals, balises, axle counters, track circuits and their respective control devices (so-called LEU's-Lineside Electronic Equipment).
  • Decentralized field elements with comparatively high but short-lasting power requirements are, for example, the point machines and barrier drives and their respective control devices.
  • the provided power comprises a reserve power which amounts to approximately 20 to 60 percent of the power requirement of the spatially and / or temporally resolved consumption profile.
  • the usable energy stores may be assigned power classes with regard to the amount of energy that can be provided by them.
  • a concordance list can be provided which compares the consumption classes corresponding energy storage suitable performance class.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a section 2 of a railway double lane line.
  • This section of the route additionally has a junction and junction (hereinafter referred to as intersection 4) and a road 6 intersecting the double-track section at a railway crossing BÜ.
  • intersection 4 A total of six axle counters AZ1 to AZ6 are provided for checking the entry and the complete exit of a train from the section.
  • the adjacent driving terms are visually displayed on six signals S1 to S6 and also transmitted without contact by means of six mounted in the track area Beautys B1 to B6.
  • To operate the intersection 4 four switches W1 to W4 are provided.
  • a first deviating road F1 provides for the entrance of the train at axle counter AZ1 and the exit at axle counter AZ5.
  • a second route F2 deviating from the basic route provides access to the train at axle counter AZ6 and the exit at axle counter AZ2.
  • a third carriageway F3 deviating from the basic carriageway provides access to the train at axle counter AZ2 and the exit at axle counter AZ5.
  • a fourth carriageway deviating from the basic carriageway F4 provides for the entrance of the train at axle counter AZ1 and the exit at axle counter AZ6.
  • the four aforementioned roads F1 to F4 can of course also be traveled in the opposite direction.
  • the power bus EB For configuring the power bus EB, it is particularly advantageous to know which electrical powers are to be provided by the power bus EB at which time. Especially in remote areas can be determined in this way, whether certain locally available power sources can be tapped or additional, but usually expensive measures to provide more electrical power required.
  • the decentralized field elements to define two consumption classes EK1 and EK2, wherein the first consumption class EK1 decentralized field elements with low and rather permanent power requirements, such as the axle counter AZ1 to AZ6, the balises B1 to B6 and represents the signals S1 to S6 and the second consumption class EK2 decentralized field elements with comparatively high, but short-lasting power requirements, such as the level crossing BÜ and the points W1 to W4 represented.
  • the first consumption class EK1 decentralized field elements with low and rather permanent power requirements such as the axle counter AZ1 to AZ6
  • the balises B1 to B6 represents the signals S1 to S6
  • the second consumption class EK2 decentralized field elements with comparatively high, but short-lasting power requirements, such as the level crossing BÜ and the points W1 to W4 represented.
  • the energy class EK1 can therefore a mean permanent power consumption of 50 watts, ie seen over a whole day an amount of energy of 1.2 kWh, and the energy class EK2 a short-term power requirement of 6 kW for a period of one minute maximum, ie an energy requirement of 0.06 kWh each.
  • this section results in an average power consumption of 900 watts, which corresponds to a daily amount of energy of 21.6 kWh. For example, such power could already be provided (without consideration of line losses) by a 10 amp HW line 220VAC with appropriate reserve.
  • the energy storage ES2 is essentially assigned to the supply of the switches W1 to W4, in particular also their point heaters, the same power bus side.
  • an amount of energy of about 3.2 kWh would be considered sufficient, which in the above metric of the car batteries would correspond to four batteries.
  • the energy required to charge the energy store ES2 can also be taken in total with a generous reserve from the line 8 (220VAC, 10A) already applied to the power bus EB.
  • the energy storage ES2 is merely to be dimensioned so that it can provide a kind of short-circuit power of 6kW for a period of one minute in terms of the required current flow. At this point, therefore, the coupled use of suitable supercaps paired with batteries is indicated.
  • One option may be the reinforcement of the existing line. Assuming that this line has been brought from a remote interlocking can be another option consist in introducing a second line, in particular from another public supply network. This variant can be considerably cheaper compared to the first variant, because, for example, only a short extension of a line of the public supply network would be to lay.
  • a third variant could, for example, also provide a feed of photovoltaic elements, wind turbines or fuel cells. Also, a power withdrawal from the contact wire can be a valuable option.
  • the removal of the power from the contact wire not shown here is selected. Thanks to the energy storage ES1, the section 2 could even be used for a certain period of time on diesel or steam vehicles if the power supply fails due to the contact wire.
  • the power provided comprises a reserve power, which here amounts to at least approximately 40 percent of the power requirement of the spatially and / or temporally resolved consumption profile.
  • the usable energy storage devices are also assigned power classes with regard to the amount of energy that can be provided by them.
  • the present invention results in a scaling of the power consumption and delivers due to the predicted by means of the timetable route occupancy a normative tool, from which specifically temporally and spatially resolved profiles of the electrical power consumption can be derived.
  • a normative tool from which specifically temporally and spatially resolved profiles of the electrical power consumption can be derived.
  • the basic electric load, the peak load and the capacity and the physical location of the energy storage have been set in the present embodiment.
  • the power supply network can be designed efficiently and according to requirements, thus ensuring that resources, such as copper cables and energy storage materials, are used sparingly.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes.
  • Derartige dezentrale Feldelementen werden in Schienenverkehrsnetzwerken genutzt, um die Schienenfahrzeuge beeinflussende und/oder die Schienenfahrzeuge überwachende Einheiten zu steuern und bezüglich der Funktionalität zu überwachen und um Prozessdaten aufzunehmen und zurück zu melden. Als zugbeeinflussende Einheiten, die also Anweisungen an den Fahrzeugführer geben oder sogar direkt Eingriffe in der Fahrzeugsteuerung vornehmen oder direkt einen sicheren Fahrweg einstellen, können beispielsweise Signale, Weichen, Balisen, Linienleiter, Gleismagnete und dergleichen sowie auch Sensoren zum Erfassen von Prozessgrössen des fahrenden Zuges, wie Leistungsaufnahme, Geschwindigkeit und dergleichen, betrachtet werden. Als Zug- und Gleisabschnitt überwachende Einheiten können ebenfalls Balisen und Linienleiter, aber auch Achszähler und Gleisstromkreise genannt werden.
  • Im Eisenbahnverkehr ist es üblicherweise so, dass diese dezentralen Feldelemente von einem Stellwerk oder einem abgesetzten Stellrechner gesteuert werden. Für den Datentransfer zwischen dem Stellwerk und den Feldelementen im Gleisbereich sind heute in der Regel standardisierte Kupferkabel vorgesehen, für deren klassische Stelldistanzlängen wegen der physikalischen Übertragungsparameter, den Kabelbelägen (RLC), bei 10 km in der Praxis die obere Grenze liegt. Bei gewissen Typen von Feldelementen kann diese obere Limite jedoch auch nur bei maximal 6,5 km liegen.
  • Gemäss der europäischen Patentanmeldung EP 2 301 202 A1 sind zur Behebung dieser Limitierung eine Einrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Überwachung von entlang eines Verkehrsnetzwerks angeordneten dezentralen Feldelementen bekannt, welche folgenden Kernpunkte umfassen:
    1. a) ein übergeordnetes Steuerungssystem, das mit den dezentralen Feldelementen mittels Datentelegrammen Informationen austauscht,
    2. b) ein Datentransportnetzwerk mit einer Anzahl von Netzzugangspunkten, wobei das übergeordnete Steuerungssystem über mindestens einen Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist;
    3. c) Kommunikationseinheiten, die jeweils an einem Netzzugangspunkt angeschlossen sind, wobei:
    4. d) die dezentralen Feldelementen zu Untergruppen mit jeweils eigenem Subnetzwerk zusammengefasst sind; und wobei
    5. e) das Subnetzwerk jeder der Untergruppen an jedem seiner beiden Ende jeweils über eine Kommunikationseinheit und über einem Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetzwerk angekoppelt ist.
  • Auf diese Weise kann für die Ankopplung der dezentralen Feldelementen ein digitales Transportnetzwerk genutzt werden, welches in jeder Weise robust gegen ein einfaches Fehlerereignis ist, dennoch eine sehr geschickte Verwendung von sehr breit in der Bahntechnik eingesetzten Cu-Kabeln, zum Beispiel bisher vorhandenen Stellwerkskabeln, erlaubt und schliesslich auch nur eine vergleichsweise geringe Zahl von Netzzugangspunkten benötigt. Diese Lösung wird beispielsweise unter dem Namen SiNet® von der Siemens Schweiz AG vertrieben.
  • Im Rahmen der Fortbildung dieses Projekts soll nun auch die elektrische Spannungsversorgung von dezentralen Feldelementen zunehmend nicht mehr aus dem Stellwerk heraus geleistet, sondern mit Hilfe des Einsatzes eines vom Stellwerk komplett unabhängigen Spannungsversorgungsnetzes gelöst werden.
  • Hierbei sind gemäss der europäischen Patentanmeldung 11 189 530.6 in dem Spannungsversorgungsnetz auch dezentrale Speicherelemente vorgeschlagen worden, die im Besonderen zur Glättung von Lastspitzen im Netz eingesetzt werden sollen. Diese in der europäischen Patentanmeldung 11 189 530.6 vorgeschlagene Lösung beinhaltet die Funktionalität von Sinkt® gemäss der europäischen Patentanmeldung EP 2 301 202 A1 hinsichtlich der datentechnisch vorgesehenen Situation mit einem neuen Energieversorgungskonzept. Alle Element-Controller der dezentralen Feldelemente sind nun an einem gemeinsamen Energietransportnetz angeschlossen. Die Einspeisung von elektrischer Energie erfolgt nun nicht mehr ausschliesslich aus dem zentralen Stellwerk, sondern erfolgt auch über extern Spannungsversorgungen, die aber sonst wie keinerlei Bezug mehr zu der datentechnischen Behandlung der Element-Controller haben. An geeigneten Positionen des Energietransportnetzes sind nun intelligente Energiespeicher IES1 bis IES4 an dem Energietransportnetz und dem Datentransportnetz angeschlossen, so dass diese intelligenten Energiespeicher datentechnisch über das Datentransportnetz mit dem zentralen Stellwerk kommunizieren können und somit eine Leistungsaufnahme und/oder -abgabe von einem in der Logik des zentralen Stellwerks implementierten Energiemanager kontrolliert erfolgen kann. Die intelligenten Energiespeicher verfügen dabei neben einer Ladeeinrichtung mit Umrichter und dem eigentlichen Energiespeicher über ein lokales Logikmodul, eine Regelung eines Energieflusses sowie ein Kommunikationsmodul.
  • Gemäss diesem neuen Konzept gehen einem Stellwerkrechner für die gleichen dezentralen Feldelemente dann nur noch vier Kabeladern für die elektrische Energie und bis zu vier Kabeladern für die Kommunikation heraus. Dabei ist der Stellwerkrechner ebenfalls über einen Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetz angeschlossen.
  • Auf diese Weise ergibt sich eine hinsichtlich der verwendeten dezentralen Feldelemente und der intelligenten Energiespeicher eine skalierbare Situation im Gleisbereich. Dabei können auch skalierbare Leitungsmodelle und skalierbare Energiespeicher eingesetzt werden. Als Energiespeicher können dabei auch mechanische Schwungradspeicher und Super-Kondensatoren eingesetzt werden. Diese Lösung zeigt daher auch den Nutzen dieses Konzepts der dezentral verteilt angeordneten Energiespeicher im Energietransportnetz auf, sodass die Auslegung des Energietransportnetzes den Beitrag der Energiespeicher dahingehend nutzen kann, dass die Leitungsadern des Netzwerks nur für eine vorbestimmbare Basisleistung ausgelegt werden müssen.
  • Wie aus dieser Lösung nachvollziehbar, benötigen dabei besonders Weichen- und Schrankenantriebe kurzfristig relativ grosse Leistungen, deren Bereitstellung unter Zuhilfenahme der Speicherelement so erzielt werden soll, dass die über das Netz bereitgestellte Leistung eine gewisse Grundlast dauerhaft bereitstellt, die ausreichend ist, um die Speicherelemente periodisch wieder zur Bereitstellung der Spitzenlast aufladen zu können. Die Auslegung der Kapazität der Speicherelemente sowie der Kapazität des die Grundlast bereitstellenden Netzes sind jedoch recht komplex, da hierzu derzeit keinerlei verlässliche Planungsgrundlagen existieren.
  • Das vorstehend genannte Problem wurde bisher noch nicht gelöst, weil das Konzept des vom Stellwerk entkoppelten Spannungsversorgungsnetzwerks bisher im Bahnbereich noch nicht umgesetzt worden ist und einen regelrechten Paradigmenwechsel darstellt, weil viele dezentrale Feldelemente nun nicht mehr durch die direkte Überwachung der elektrischen Leistungsaufnahme aus dem Stellwerk her überwacht werden können.
  • In der WO2008/025414A2 wird ein System zur Versorgung von Feldelementen in einem Tunnel beschrieben, bei dem es einen Datenbus zur Ansteuerung und einen Speisebus zur Versorgung der Feldelemente gibt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes anzugeben, mit denen im Wege einer Grundversorgung eine Grundlast abgedeckt und Speicherelemente so aufgeladen werden können, dass diese die erforderliche Spitzenlast im Bedarfsfall bereitstellen können.
  • Bezüglich des Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes gelöst, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden:
    1. a) Zuordnen der Leistungsaufnahme der dezentralen Feldelemente zu vorbestimmten Verbrauchsklassen;
    2. b) Aufsummieren der in einem Streckenabschnitt des Eisenbahnnetzwerks angeordneten dezentralen Feldelemente hinsichtlich ihrer den Verbrauchsklassen zugeordneten Leistungsaufnahme für die Einstellung einer ersten fahrplangemässen Fahrstrasse, wobei von einer eingestellten Grundfahrstrasse ausgegangen wird,
    3. c) Wiederholen des Schrittes b) für eine Anzahl von fahrplangemässen Fahrstrassen für ein vorbestimmtes Zeitintervall, wobei für die n-te Fahrstrasse die zuvor eingestellte (n-1)-te Fahrstrasse als Grundfahrstrasse verwendet wird;
    4. d) Ermitteln eines für das betrachtete Zeitintervall räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils;
    5. e) entsprechend dem räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils die Zuordnung einer Grundleistung in einem dem Streckenabschnitt zugeordneten Energieversorgungsnetzwerk sowie die Zuordnung von aufladbaren Speicherelementen zu diesem Streckenabschnitt, wobei die Grundleistung und die Leistung der Speicherelemente ausgelegt sind, mindestens einen Leistungsbedarf des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils in der geforderten zeitlichen und/oder räumlichen Granularität bereitzustellen.
  • Bezüglich des Systems wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch ein System zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes gelöst, welches die folgenden Komponenten umfasst:
    1. a) Mittel zum Zuordnen der Leistungsaufnahme der dezentralen Feldelemente zu vorbestimmten Verbrauchsklassen;
    2. b) Mittel zum Aufsummieren der in einem Streckenabschnitt des Eisenbahnnetzwerks angeordneten dezentralen Feldelemente hinsichtlich ihrer den Verbrauchsklassen zugeordneten Leistungsaufnahme für die Einstellung einer ersten fahrplangemässen Fahrstrasse, wobei von einer eingestellten Grundfahrstrasse ausgegangen wird,
    3. c) Mittel zum Wiederholen des Schrittes b) für eine Anzahl von fahrplangemässen Fahrstrassen für ein vorbestimmtes Zeitintervall, wobei für die n-te Fahrstrasse die zuvor eingestellte (n-1)-te Fahrstrasse als Grundfahrstrasse verwendet wird;
    4. d) Mittel zum Ermitteln eines für das betrachtete Zeitintervall räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils;
    5. e) ein dem Streckenabschnitt zugeordnetes Energieversorungsnetzwerk, bei dem entsprechend dem räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils die Zuordnung einer Grundleistung sowie die Zuordnung von aufladbaren Speicherelementen so vorgenommen ist, dass die Grundleistung und die Leistung der Speicherelemente zusammen ausgelegt sind, mindestens den Leistungsbedarf des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils in der geforderten zeitlichen und/oder räumlichen Granularität bereitzustellen.
  • Auf diese Weise ergibt sich eine vorausschauende skalierte Prognose der Leistungsaufnahme von elektrischen Feldelementen aufgrund der mittels des Fahrplans prognostizierbaren Belegung des Gleiskörpers. Zunächst wird dabei einmal bestimmt, welche Anzahl von Leistungsverbrauchern (Signallampen, Weichenantriebe, Schrankenantriebe, Achszählpunkte, Gleisstromkreise, Balisen, Linienleiter und dergleichen) mit welchen Leistungsklassen im Gleisnetz angeordnet sind. Dabei wird auch die exakte Lage der Feldelemente bestimmt und diese bestimmten Fahrstrassen zugeordnet.
  • Anhand des Fahrplans kann nun ganz exakt bestimmt werden, welche Züge den jeweiligen Streckenabschnitt unter Benutzung vorbestimmter Fahrstrassen benutzen werden. Bei der Projektierung der Fahrstrassen kann dann auch genau bestimmt werden, welche Feldelemente bei einem Wechsel von einer n-ten Fahrstrasse zur (n+1)-ten Fahrstrasse aktiviert werden müssen und welche Feldelemente innerhalb des Streckenabschnitts (Blockabschnitt) unabhängig von der jeweils eingestellten Fahrstrasse periodisch oder dauerhaft betrieben werden müssen. Im Rahmen dieser Projektierung wird den einzelnen dezentralen Feldelementen eine normierte Energie-/Leistungsaufnahme(klasse) zugeordnet, sodass für einen Streckenabschnitt die bereitzustellende Energie/Leistung im Rahmen dieser Projektierung zeitlich und räumlich aufgelöst relativ genau bestimmt werden kann.
  • Mittels dieser Projektierungsdaten wird dann das elektrische Versorgungsnetz hinsichtlich der Grundlast und der einzusetzenden Speicherelemente sowie des distinkten Ortes dieser Speicherelemente projektiert und entsprechend erstellt. Der Fahrbetrieb wird anschliessend mit diesem Spannungsversorgungsnetzwerk für die in dem betreffenden Streckenabschnitt angeordneten dezentralen Feldelemente durchgeführt.
  • Die vorliegende Erfindung führt daher im Ergebnis zu einer Skalierung der Leistungsaufnahme und liefert aufgrund der mittels des Fahrplans prognostizierbaren Streckenbelegung ein normatives Werkzeug, aus dem gezielt zeitlich und räumlich aufgelöste Profile der elektrischen Leistungsaufnahme ableitbar sind. Mit Hilfe dieser Profile werden die elektrische Grundlast, die Spitzenlast sowie die Kapazität und der physische Ort der Energiespeicher festgelegt. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr detailliert vorausplanbares Models/Profil der elektrischen Leistungsaufnahme, welche später entsprechend dieses Modells/Profils bereitgestellt werden kann. Damit ist das Leistungsversorgungsnetzwerk effizient und anforderungsgerecht auslegbar, wodurch ein schonender Umgang mit Ressourcen, wie Kupferkabeln, Energiespeichermaterialien erreicht werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, mindestens zwei Verbrauchsklassen zu definieren, wobei die erste Verbrauchsklasse dezentralen Feldelemente mit niedrigem und eher permanenten Leistungsbedarf repräsentiert und die zweite Verbrauchsklasse dezentrale Feldelemente mit vergleichsweise hohem, aber kurz andauernden Leistungsbedarf repräsentiert. Dezentrale Feldelemente mit niedrigem und eher permanentem Leistungsbedarf sind zum Beispiel Lichtsignale, Balisen, Achszähler, Gleisstromkreise und ihre jeweiligen Steuerungseinrichtungen (sogenannte LEU's-Lineside Electronic Equipment). Dezentrale Feldelemente mit vergleichsweise hohem, aber nur kurz andauerndem Leistungsbedarf sind zum Beispiel die Weichenantriebe und Barrierenantriebe und ihre jeweiligen Steuerungseinrichtungen.
  • Im Besonderen durch Verspätungen oder durch Sonderereignisse, wie z.B. grosse Messen, Konzerte oder Sportveranstaltungen, kann eine temporäre Abweichung des ermittelten räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils auftreten. Um diesen Mehrbedarf gegebenenfalls mit den vorhandenen Mitteln auffangen zu können, kann es vorgesehen sein, dass die bereitgestellte Leistung eine Reserveleistung umfasst, die etwa 20 bis 60 Prozent des Leistungsbedarfs des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils beträgt. Damit wird der Fall temporärer Abweichungen vom Verbrauchsprofil in der Regel zu beherrschen sein. Sollte die bereitstellbare Energiemenge allerdings vom tatsächlichen Bedarf überstiegen werden, könnte beispielsweise die Reserveleistung eines angrenzenden Streckenabschnitts oder eine weitere Energiequelle, wie z.B. eine Leitung des öffentlichen Netzes oder der Fahrdraht, temporär angezapft werden.
  • Zur Erleichterung der Projektierung kann es vorgesehen sein, dass die einsetzbaren Energiespeicher hinsichtlich der durch sie zur Verfügung stellbaren Energiemenge Leistungsklassen zugeordnet sein können. In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltung kann eine Konkordanzliste vorgesehen sein, die den Verbrauchsklassen entsprechende Energiespeicher geeigneter Leistungsklasse gegenüberstellt. Auf diese Weise ergibt sich eine Projektierbarkeit quasi nach dem System eines Baukastens, die so auch vorzugsweise programmierbar ist, wodurch ein projektiertes Layout beispielsweise mit einer entsprechenden Software automatisch erstellbar wäre. Allfällige Anpassungen könnten dann von Hand in diesem Layout projektiert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Ansicht eines Streckenabschnitts mit einer Doppelspurstrecke mit Abzweigungsstelle; und
    Figur 2
    eine tabellarische Ansicht der in diesem Streckenabschnitt angeordneten dezentralen Feldelemente mit ihren zugehörigen Stell- und Sicherungseinrichtungen.
  • Die Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Streckenabschnitts 2 einer Eisenbahndoppelspurlinie. Dieser Streckenabschnitt weist zusätzlich eine Abzweig- und Einmündungsstelle (nachfolgend Kreuzungsstelle 4 genannt) auf und eine die Doppelspurstrecke an einem Bahnübergang BÜ kreuzende Strasse 6 auf. Zur Kontrolle der Ein- und vollständigen Ausfahrt eines Zuges aus dem Streckenabschnitt sind insgesamt sechs Achszähler AZ1 bis AZ6 vorgesehen. Die jeweils anliegenden Fahrbegriffe werden an sechs Signalen S1 bis S6 optisch angezeigt und auch mittels sechs im Gleisbereich montierten Balisen B1 bis B6 berührungslos übertragen. Zur Bedienung der Kreuzungsstelle 4 sind vier Weichen W1 bis W4 vorgesehen.
  • In der Grundstellung für diesen Streckenabschnitt 2 bestehen zwei nicht-abgelenkte Grundfahrstrassen, d.h. Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ1 und Ausfahrt bei Achszähler AZ3 und umgekehrt sowie Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ4 und Ausfahrt bei Achszähler AZ2 und umgekehrt. Eine erste davon abweichende Fahrstrasse F1 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ1 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ5 vor. Eine zweite von der Grundfahrstrasse abweichende Fahrstrasse F2 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ6 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ2 vor. Eine dritte von der Grundfahrstrasse abweichende Fahrstrasse F3 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ2 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ5 vor. Eine vierte von der Grundfahrstrasse abweichende Fahrstrasse F4 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ1 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ6 vor. Die vier vorstehend genannten Fahrstrassen F1 bis F4 können dabei selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung befahren werden.
  • Zur elektrischen Spannungsversorgung sämtlicher dezentraler Feldelemente, worunter im vorliegenden Text die zugsichernde und zugbeeinflussende Einheit sowie deren Elementkontroller verstanden wird, erfolgt mittels eines Energiebusses EB. An diesen Energiebus EB sind sämtliche dezentrale Feldelemente angeschlossen.
  • Zur Projektierung des Energiebusses EB ist es besonders vorteilhaft zu wissen, welche elektrischen Leistungen zu welcher Zeit von dem Energiebus EB bereitzustellen sind. Besonders in entlegenen Gegenden kann auf diese Weise bestimmt werden, ob gewisse lokal vorhandene Spannungsversorgungsquellen angezapft werden können oder ob zusätzliche, aber in Regel teure Massnahmen zur Bereitstellung von mehr elektrischer Leistung erforderlich sind.
  • Aus diesem Grund ist es zunächst in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, für die dezentralen Feldelemente zwei Verbrauchsklassen EK1 und EK2 zu definieren, wobei die erste Verbrauchsklasse EK1 dezentralen Feldelemente mit niedrigem und eher permanenten Leistungsbedarf, wie z.B. die Achszähler AZ1 bis AZ6, die Balisen B1 bis B6 und die Signale S1 bis S6 repräsentiert und die zweite Verbrauchsklasse EK2 dezentrale Feldelemente mit vergleichsweise hohem, aber kurz andauernden Leistungsbedarf, wie z.B. den Bahnübergang BÜ und die Weichen W1 bis W4, repräsentiert. Der Energieklasse EK1 kann daher eine mittlere permanente Leistungsaufnahme von 50 Watt, d.h. über ein ganzen Tag gesehen eine Energiemenge von 1,2 kWh, und der Energieklasse EK2 ein kurzzeitiger Leistungsbedarf von 6 kW für eine Zeitdauer von jeweils maximal einer Minute, also ein Energiebedarf von jeweils 0,06 kWh, zugeordnet werden.
  • Unter der Annahme, dass die Achszähler AZ1 bis AZ6, die Balisen B1 bis B6 und die Signale S1 bis S6 permanent eingeschaltet sind, ergibt sich so für diesen Streckenabschnitt eine durchschnittliche Leistungsaufnahme von 900 Watt, was einer täglichen Energiemenge von 21,6 kWh entspricht. Eine derartige Leistung könnte beispielsweise (ohne Berücksichtigung von Leitungsverlusten) bereits durch eine mit 10 Ampere abgesicherte Leitung 8 mit 220 VAC mit entsprechender Reserve bereitgestellt werden.
  • Unter der Annahme folgender Streckenbelegung lässt sich dann auch die Leistungsaufnahme der dezentralen Feldelemente mit der Energieklasse EK2 abschätzen:
    • Es verkehren von 5 Uhr bis 24 Uhr vier Züge stündlich auf jeder der beiden Grundfahrstrassen. Zusätzlich verkehrt in dieser Zeit pro Stunde je ein Zug auf der Fahrstrasse F1 und auf der Fahrstrasse F2. Die Fahrstrassen F3 und F4 werden im Regelbetrieb nicht genutzt. Dies bedeutet, dass der Bahnübergang BÜ in 19 Stunden pro Stunde 10-mal geschlossen und wieder geöffnet wird, was insgesamt über den Zeitraum der 19 Stunden einer Energiemenge von 22,8 kWh entspricht. Zusätzlich laufen die beiden Weichen W2 und W3 pro Stunde zweimal um, was ingesamt über den Zeitraum von 19 Stunden einer Energiemenge von 2,28 kWh entspricht. Damit benötigen die dezentralen Feldelemente mit der zweiten Energieklasse EK2 pro Tag eine Energiemenge von 25,08 kWh.
  • Diese Energiemenge kann mit der oben bereits genannten Leitung 8 (220VAC, 10A) nicht zusätzlich zu der für die dezentralen Feldelemente der ersten Energieklasse EK1 benötigten Energiemenge von 21,6 kWh bereitgestellt werden. Unter der Annahme, dass die beiden Schrankenantriebe des Bahnübergangs BÜ parallel laufen, kann aus einer derartigen Leitung keine Leistung von 12 kW entnommen werden. Aus diesem Grund kommt daher den beiden bereits eingezeichneten Energiespeichern ES1 und ES2 eine besondere Bedeutung zu. Diese sind nun so zu dimensionieren, dass der Energiespeicher ES1 im Wesentlichen zur Speisung des Bahnübergangs BÜ diesem auch Energiebus-seitig zugeordnet ist. Er ist daher so zu dimensionieren, dass er täglich eine Energiemenge von etwa 32 kWh (wegen der Reserve) übernehmen kann, was etwa der Energiemenge von vierzig Autobatterien (80 Ah, 12 VDC) für PKW entspricht. Der Energiespeicher ES2 ist im Wesentlichen zur Speisung der Weichen W1 bis W4, insbesondere auch ihrer Weichenheizungen, denselben Energiebus-seitig zugeordnet. Hier würde eine Energiemenge von etwa 3,2 kWh als ausreichend erachtet, was in der vorstehenden Metrik der Autobatterien vier Batterien entsprechen würde.
  • Aus diesem Grunde kann hier entschieden werden, dass die zum Aufladen des Energiespeichers ES2 erforderliche Energie insgesamt auch noch mit einer grosszügigen Reserve aus der bereits an dem Energiebus EB anliegenden Leitung 8 (220VAC, 10A) entnommen werden kann. Der Energiespeicher ES2 ist lediglich so zu dimensionieren, dass er quasi eine Art Kurzschlussleistung von 6kW für die Dauer einer Minute hinsichtlich des hierfür erforderlichen Stromflusses bereitstellen kann. An dieser Stelle ist daher der gekoppelte Einsatz von geeigneten Supercaps gepaart mit Batterien angezeigt.
  • Für den Energiespeicher ES1 ist daher zu prüfen, woher die benötigte Energiemenge von 32 kWh täglich stammen kann. Eine Option kann die Verstärkung der bestehenden Leitung sein. Unter der Annahme, dass diese Leitung aus einem entfernten Stellwerk herangeführt worden ist, kann eine weitere Option darin bestehen, eine zweite Leitung, insbesondere aus einem anderen öffentlichen Versorgungsnetz, heranzuführen. Diese Variante kann gegenüber der ersten Variante erheblich preiswerter sein, weil beispielsweise nur eine kurze Verlängerung einer Leitung des öffentlichen Versorgungsnetzes zu legen wäre. Eine dritte Variante könnte beispielsweise auch eine Speisung aus Photovoltaikelementen, Windturbinen oder Brennstoffzellen vorsehen. Auch eine Leistungsentnahme aus dem Fahrdraht kann eine valuable Option sein.
  • Unter der Annahme, dass sich in der Nähe des Energiespeichers ES1 weder Versorgungslinien des öffentlichen Netzes noch Photovoltaik- und Windturbinenanlagen befinden, wird vorliegend die Entnahme der Leistung aus dem hier nicht weiter dargestellten Fahrdraht gewählt. Dank des Energiespeichers ES1 könnte der Streckenabschnitt 2 sogar eine gewisse Zeit lang mit Diesel- oder Dampffahrzeugen befahren werden, falls es zu einem Ausfall der Spannungsversorgung aus dem Fahrdraht kommen sollte.
  • Wie vorstehend bereits erläutert, umfasst die bereitgestellte Leistung eine Reserveleistung, die hier mindestens rund 40 Prozent des Leistungsbedarfs des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils beträgt. Zur Erleichterung des Auffindens eines geeigneten Energiespeichers sind zudem die einsetzbaren Energiespeicher hinsichtlich der durch sie zur Verfügung stellbaren Energiemenge Leistungsklassen zugeordnet.
  • Die vorliegende Erfindung führt daher im Ergebnis zu einer Skalierung der Leistungsaufnahme und liefert aufgrund der mittels des Fahrplans prognostizierbaren Streckenbelegung ein normatives Werkzeug, aus dem gezielt zeitlich und räumlich aufgelöste Profile der elektrischen Leistungsaufnahme ableitbar sind. Mit Hilfe dieser Profile sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrische Grundlast, die Spitzenlast sowie die Kapazität und der physische Ort der Energiespeicher festgelegt worden. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr detailliert vorausplanbares Modells/Profil der elektrischen Leistungsaufnahme, welche später entsprechend dieses Models/Profils bereitgestellt werden kann. Damit ist das Leistungsversorgungsnetzwerk effizient und anforderungsgerecht auslegbar, wodurch ein schonender Umgang mit Ressourcen, wie Kupferkabeln, Energiespeichermaterialien, erreicht wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen (AZ1 bis AZ6, BÜ, B1 bis B6, S1 bis S6, W1 bis W4) eines Eisenbahnnetzwerkes bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden:
    a) Zuordnen der Leistungsaufnahme der dezentralen Feldelemente (AZ1 bis AZ6, BÜ, B1 bis B6, S1 bis S6, W1 bis W4) zu vorbestimmten Verbrauchsklassen (EK1, EK2);
    b) Aufsummieren der in einem Streckenabschnitt (2) des Eisenbahnnetzwerks angeordneten dezentralen Feldelemente (AZ1 bis AZ6, BÜ, B1 bis B6, S1 bis S6, W1 bis W4) hinsichtlich ihrer den Verbrauchsklassen zugeordneten Leistungsaufnahme für die Einstellung einer ersten fahrplangemässen Fahrstrasse, wobei von einer eingestellten Grundfahrstrasse ausgegangen wird,
    c) Wiederholen des Schrittes b) für eine Anzahl von fahrplangemässen Fahrstrassen (F1 bis F4) für ein vorbestimmtes Zeitintervall, wobei für die n-te Fahrstrasse die zuvor eingestellte (n-1)-te Fahrstrasse als Grundfahrstrasse verwendet wird;
    d) Ermitteln eines für das betrachtete Zeitintervall räumlich und zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils;
    e) entsprechend dem räumlich und zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils die Wahl einer Grundleistung in einem dem Streckenabschnitt (2) zugeordneten
    Energieversorgungsnetzwerk (EB) sowie die Wahl der Anordnung von aufladbaren Speicherelementen (ES1, ES2), wobei die Grundleistung und die Leistung der Speicherelemente (ES1, ES2) ausgelegt sind, mindestens einen Leistungsbedarf des räumlich und zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils in der geforderten zeitlichen und/oder räumlichen Granularität bereitzustellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens zwei Verbrauchsklassen (EK1, EK2) definiert werden, wobei die erste Verbrauchsklasse (EK1) dezentrale Feldelemente (AZ1 bis AZ6, B1 bis B6, S1 bis S6) mit niedrigem und eher permanenten Leistungsbedarf repräsentiert und die zweite Verbrauchsklasse (EK2) dezentrale Feldelemente (BÜ, W1 bis W4) mit vergleichsweise hohem, aber kurz andauernden Leistungsbedarf repräsentiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die bereitgestellte Leistung eine Reserveleistung umfasst, die etwa 20 bis 60 Prozent des Leistungsbedarfs des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einsetzbaren Energiespeicher (ES1, ES2) hinsichtlich der durch sie zur Verfügung stellbaren Energiemenge Leistungsklassen zugeordnet sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Konkardanzliste vorgesehen ist, die den Verbrauchsklassen entsprechende Energiespeicher (ES1, ES2) geeigneter Leistungsklasse gegenüberstellt.
  6. System zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen (AZ1 bis AZ6, BÜ, B1 bis B6, S1 bis S6, W1 bis W4) eines Eisenbahnnetzwerkes welches die folgenden Komponenten umfasst:
    a) Mittel zum Zuordnen der Leistungsaufnahme der dezentralen Feldelemente (AZ1 bis AZ6, BÜ, B1 bis B6, S1 bis S6, W1 bis W4) zu vorbestimmten Verbrauchsklassen (EK1, EK2);
    b) Mittel zum Aufsummieren der in einem Streckenabschnitt (2) des Eisenbahnnetzwerks angeordneten dezentralen Feldelemente (AZ1 bis AZ6, BÜ, B1 bis B6, S1 bis S6, W1 bis W4) hinsichtlich ihrer den Verbrauchsklassen (EK1, EK2) zugeordneten Leistungsaufnahme für die Einstellung einer ersten fahrplangemässen Fahrstrasse, wobei von einer eingestellten Grundfahrstrasse ausgegangen wird,
    c) Mittel zum Wiederholen des Schrittes b) für eine Anzahl von fahrplangemässen Fahrstrassen (F1 bis F4) für ein vorbestimmtes Zeitintervall, wobei für die n-te Fahrstrasse die zuvor eingestellte (n-1)-te Fahrstrasse als Grundfahrstrasse verwendet wird;
    d) Mittel zum Ermitteln eines für das betrachtete Zeitintervall räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils;
    e) ein dem Streckenabschnitt (2) zugeordnetes Energieversorungsnetzwerk (EB), bei dem entsprechend dem räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils die Wahl einer Grundleistung sowie die Wahl der Anordnung von aufladbaren Speicherelementen (ES1, ES2) so vorgenommen ist, dass die Grundleistung und die Leistung der Speicherelemente (ES1, ES2) zusammen ausgelegt sind, mindestens den Leistungsbedarf des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils in der geforderten zeitlichen und räumlichen Granularität bereitzustellen.
  7. System nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens zwei Verbrauchsklassen (EK1, EK2) definiert werden, wobei die erste Verbrauchsklasse (EK1) dezentrale Feldelemente (AZ1 bis AZ6, B1 bis B6, S1 bis S6) mit niedrigem und eher permanenten Leistungsbedarf repräsentiert und die zweite Verbrauchsklasse dezentrale Feldelemente (BÜ, W1 bis W4) mit vergleichsweise hohem, aber kurz andauernden Leistungsbedarf repräsentiert.
  8. System nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die bereitgestellte Leistung eine Reserveleistung umfasst, die etwa 20 bis 60 Prozent des Leistungsbedarfs des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils beträgt.
  9. System nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die einsetzbaren Energiespeicher (ES1, ES2) hinsichtlich der durch sie zur Verfügung stellbaren Energiemenge Leistungsklassen zugeordnet sind.
  10. System nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Konkardanzliste vorgesehen ist, die den Verbrauchsklassen entsprechende Energiespeicher geeigneter Leistungsklasse gegenüberstellt.
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