PL229681B1 - System do aktywnej regulacji obciążenia zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej i sposób aktywnej regulacji obciążenia zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej - Google Patents

Abstract

System do aktywnej regulacji obciążenia zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej, wyposażonej w rozdzielnię prądu zmiennego MVAC, połączoną zespołami prostownikowymi z rozdzielnią prądu stałego 3KVDC. Zespoły prostownikowe (131) są włączane do zasilania lub wyłączane od zasilania poprzez wyłączniki (135) od strony rozdzielni (134) prądu zmiennego MVAC.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób aktywnej regulacji obciążeń zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej i system aktywnej regulacji obciążeń zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej.

Opracowano dotychczas różnego rodzaju rozwiązania dotyczące sposobów obsługi obciążeń podstacji trakcyjnych.

Amerykańskie zgłoszenie patentowe US20030230994A1 ujawnia sposób monitorowania i regulacji mocy oraz energii konsumowanej przez system transportowy z elektrycznymi pojazdami szynowymi, w którym mierzy się chwilową moc i/lub energię pobieraną z zewnętrznej sieci zasilającej przez podstacje zasilające i, jeśli przekraczają one ustalony poziom, wysyła się jednemu lub więcej pojazdom sygnał do chwilowego zredukowania mocy i/lub prędkości obrotu napędu elektrycznego.

Europejskie zgłoszenie patentowe EP997340A1 ujawnia sposób sterowania dystrybucją energii w sieci kolei elektrycznej, w którym centrum sterowania odbiera informacje nt. wymogów mocy dla każdej lokomotywy w obrębie sieci kolejowej i transmituje odpowiedź do danej lokomotywy wskazując maksymalną ilość dostępnej mocy, obliczoną w zależności od parametrów operacyjnych tej sieci.

Celowym byłoby opracowanie systemu i sposobu zasilania linii kolejowych, które pozwoliłyby na ograniczenie zużycia energii elektrycznej na liniach kolejowych, na których wstępują przerwy w ruchu pociągów, zwłaszcza w zakresie ograniczenia strat jałowych transformatorów.

Przedmiotem wynalazku jest system do aktywnej regulacji obciążenia zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej wyposażonej w rozdzielnię prądu zmiennego MVAC połączoną zespołami prostownikowymi z rozdzielnią prądu stałego 3KVDC, charakteryzujący się tym, że zespoły prostownikowe są włączane do zasilania lub wyłączane od zasilania poprzez wyłączniki od strony rozdzielni prądu zmiennego MVAC.

Korzystnie, system zawiera: co najmniej jeden miernik do pomiaru aktualnego poziomu prądu obciążenia (Idc) dla co najmniej jednego zespołu prostownikowego; oraz wyspecjalizowany system nadzoru połączony linią sygnałową z co najmniej jednym miernikiem i wyposażony w moduł decyzyjny wyposażony w komparator aktualnego poziomu prądu obciążenia (Idc) z górną wartością progową (Ih) i dolną wartością progową (Il), przy czym wyjście modułu decyzyjnego jest połączone linią sygnałową z co najmniej jednym wyłącznikiem.

Przedmiotem wynalazku jest ponadto sposób aktywnej regulacji obciążenia zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej wyposażonej w rozdzielnię prądu zmiennego MVAC połączoną zespołami prostownikowymi z rozdzielnią prądu stałego 3KVDC, charakteryzujący się tym, że zespoły prostownikowe włącza się do zasilania lub wyłącza się od zasilania poprzez wyłączniki od strony rozdzielni prądu zmiennego MVAC.

Korzystnie, ogranicza się zakres zmienności poziomu prądu obciążenia (Idc)) dla zespołów prostownikowych do zakresu pomiędzy górną wartością progową (Ih) i dolną wartością progową (Il) tak, że: w przypadku, gdy określona wartość prądu obciążenia (Idc) wykracza ponad górną wartość progową (Ih), włącza się jeden z zespołów prostownikowych zwiększając liczbę aktywnych zespołów prostownikowych; a w przypadku, gdy określona wartość prądu obciążenia (Idc) spada poniżej dolnej wartości progowej (Il), wyłącza się jeden z zespołów prostownikowych zmniejszając liczbę aktywnych zespołów prostownikowych.

Korzystnie, określa się wartość aktualnego poziomu prądu obciążenia (Idc) dokonując pomiaru wartości prądu obciążenia (Idc) za pomocą mierników przyłączonych do zespołów prostownikowych.

Korzystnie, określa się wartość prognozowanego poziomu prądu obciążenia (Idc) w oparciu o mierzone wartości prądu obciążenia (Idc) na danej podstacji trakcyjnej (PT).

Korzystnie, przy prognozowaniu poziomu prądu obciążenia (Idc) wykorzystuje się dane z elektrycznych pojazdów szynowych lub dane z rozkładów jazdy elektrycznych pojazdów szynowych.

Korzystnie, przy prognozowaniu poziomu prądu obciążenia (Idc) wykorzystuje się sztuczne sieci neuronowe.

Korzystnie, dostosowuje się liczbę zespołów prostownikowych na wyposażeniu podstacji trakcyjnej (PT) do prognozowanego poziomu prądu obciążenia.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia znany przykładowy schemat zasilania linii kolejowej.

Fig. 2 przedstawia przebieg obciążenia podstacji trakcyjnej dla schematu zasilania z Fig. 1.

Fig. 3 przedstawia uporządkowany przebieg obciążenia dla przebiegu z Fig. 2.

PL 229 681 B1

Fig. 4 przedstawia schemat przykładu wykonania obwodu głównego.

Fig. 5 przedstawia ogólny schemat systemu zasilania linii kolejowej według wynalazku.

Fig. 6 przedstawia zakres zmienności obciążenia zespołu prostownikowego dla rozwiązania według wynalazku.

Fig. 7 przedstawia uporządkowany przebieg obciążenia dla przebiegu z Fig. 6.

Fig. 1 przedstawia schemat zasilania linii kolejowej znany ze stanu techniki. Lokomotywy elektryczne są pojazdami nieautonomicznymi, dla których energia niezbędna do zasilania silników napędowych dostarczana jest z zewnątrz. W przypadku trakcji elektrycznej prądu stałego (3 kV DC) ważnym elementem systemu zasilania są podstacje trakcyjne (PT) 130. Są to obiekty wyposażone m.in. w urządzenia przetwórcze - zespoły prostownikowe (ZP) 131 - dostosowujące napięcie przemienne systemu energetyki zawodowej (SEZ) 110 do wymagań elektrycznych pojazdów szynowych (takich jak lokomotywy czy elektryczne zespoły trakcyjne). Na Fig. 1 przedstawiony jest schemat ogólny zasilania toru szlakowego z podstacji trakcyjnych 130 3kVDC. Obciążenie prądowe podstacji 130 wynika z ruchu pociągów elektrycznych w obszarze ich zasilania. Specyficzną cechą tego obciążenia jest jego duża zmienność w czasie. Kolejowe podstacje trakcyjne 130 prądu stałego 3kVDC są zlokalizowane wzdłuż zelektryfikowanych linii kolejowych w odległościach zwykle od 15 do 25 km między sobą. Podstawowe wyposażenie podstacji trakcyjnych 130 stanowią zespoły prostownikowe 131 (zespół prostownikowy stanowi transformator i prostownik diodowy) przetwarzające energię elektryczną prądu przemiennego dostarczaną z krajowego systemu elektroenergetycznego na energię elektryczną prądu stałego o parametrach wymaganych przez tabor trakcyjny. Podstacje trakcyjne 130 od strony napięcia stałego połączone są ze sobą równolegle poprzez sieć trakcyjną jezdną (górną) i sieć trakcyjną powrotną (dolną), którą stanowią szyny kolejowe. Ilość zespołów prostownikowych dla każdej podstacji trakcyjnej 130 dobierana jest na stałe w taki sposób, aby ich moc uwzględniała wszystkie potrzeby pociągów elektrycznych poruszających się w obszarze zasilania wspomnianej wyżej podstacji. W obecnych systemach nie ma możliwości bieżącej regulacji obciążenia poszczególnych zespołów prostownikowych i zależy ono od skali ruchu pociągów elektrycznych na danej linii.

Fig. 2 przedstawia przykładowy przebieg obciążenia podstacji trakcyjnej (lub zespołów prostownikowych) w funkcji czasu dla schematu zasilania z Fig. 1. Ze względu na nierównomierność obciążenia trakcyjnego (w skali doby, roku, czy dziesięcioleci) zespoły prostownikowe dobierane są (ich ilość i moc) ze znacznym przewymiarowaniem. Ze względu na występujące odległości pomiędzy podstacjami trakcyjnymi 130, pomimo ich równoległego połączenia, charakter zmienności obciążenia zespołów prostownikowych związany jest z ruchem pociągów elektrycznych przede wszystkim w obszarze zasilania poszczególnych podstacji. Obciążenie to zależy od skali ruchu pociągów elektrycznych na danej linii.

Fig. 3 przedstawia przykładowy uporządkowany przebieg obciążenia podstacji trakcyjnych 130 dla przypadku przedstawionego na Fig. 2, uwidaczniający pełny zakres jego zmienności. Pożądanym byłoby wyeliminowanie, lub co najmniej ograniczenie, stref A i C, jak również zawężenie wartości prądów w strefie B.

Fig. 4 przedstawia schematycznie przykład wykonania obwodu głównego podstacji trakcyjnej 130 według wynalazku. Obwód wyposażony jest w kilka zespołów prostownikowych 131 zawierających prostownik diodowy 132 i transformator 133. Zespół prostownikowy 131 łączy rozdzielnię prądu stałego DC 136 połączoną z trakcyjną siecią kolejową 3kV oraz rozdzielnię prądu zmiennego AC 134 połączoną z siecią MVAC (przykładowo 15kV). Taki zespół prostownikowy 131 jest rozłączny - przykładowo, dzięki zastosowaniu wyłącznika prądu przemiennego 135 przystosowanego do włączania i wyłączania dopływu prądu do danego zespołu prostownikowego 131, w zależności od podanego sygnału sterującego doprowadzanego linią sygnałową 152 do wyłącznika 135 z wyspecjalizowanego systemu nadzoru (WSN) 150.

W rozwiązaniu według wynalazku steruje się załączaniem lub wyłączaniem zespołów prostownikowych 131 (od strony średniego napięcia prądu przemiennego MVAC) w taki sposób, aby prąd obciążenia znajdował się w obszarze ustalonym za pomocą zadanych wartości progowych. Załączanie i wyłączanie zespołów prostownikowych 131 jest realizowane poprzez wyspecjalizowany system nadzoru 150 przykładowo poprzez załączanie zespołów prostownikowych 131 (strony pierwotne transformatorów prostownikowych) do szyn rozdzielni napięcia przemiennego średniego napięcia (MVAC) poprzez wyłączniki 135. Rolą systemu nadzoru 150 jest takie załączanie lub wyłączanie zespołów prostownikowych 131, aby jednocześnie zapewnić ciągłą dostawę energii do elektrycznych pojazdów szynowych

PL 229 681 B1 poruszających się w obszarze zasilania sieci trakcyjnej danego odcinka linii kolejowej (obszaru zasilania), przy jednoczesnym wyrównywaniu obciążeń zespołów prostownikowych 131 na poszczególnych podstacjach trakcyjnych 130.

W sposobie według wynalazku ustala się dozwolone wartości progowe Ih (górną) i Il (dolną) poziomu prądu obciążenia Idc, a następnie mierzy się całkowity aktualny poziom prądu obciążenia Idc na rozdzielni prądu stałego 136 lub prądy obciążenia Idc na poszczególnych zespołach prostownikowych. W przypadku, gdy zmierzony prąd obciążenia Idc wykracza ponad górną wartość progową Ih, załącza się co najmniej jeden zespół prostownikowy 131, zwiększając liczbę aktywnych zespołów prostownikowych 131, a tym samym prowadząc do obniżenia prądu obciążenia Idc poniżej górnej wartości progowej Ih. Z kolei w przypadku, gdy określony prąd obciążenia Idc spada poniżej dolnej wartości progowej Il, wyłącza się co najmniej jeden zespół prostownikowy 131, zmniejszając liczbę aktywnych zespołów prostownikowych 131, a tym samym prowadząc do podwyższenia prądu obciążenia Idc ponad poziom dolnej wartości progowej Il.

Określanie poziomu prądu obciążenia Idc może obejmować pomiar wartości prądu obciążenia Idc za pomocą jednego lub więcej mierników 137 umieszczonych przy zespołach prostownikowych 131, z których sygnały pomiarowe przesyłane są do wyspecjalizowanego systemu nadzoru za pośrednictwem linii sygnałowych 151. Oznacza to, że włączanie i wyłączanie zespołów prostownikowych 131 odbywa się na podstawie fizycznych pomiarów obciążeń występujących w danej chwili. Określanie poziomu prądu obciążenia Idc może obejmować również prognozowanie prądu obciążenia Idc na danej podstacji trakcyjnej 130. Oznacza to, że włączanie i wyłączanie zespołów prostownikowych może się odbywać również na podstawie przewidywanych wartości obciążenia, zanim faktycznie ono wystąpi. Przy prognozowaniu poziomu prądu obciążenia Idc można wykorzystać dane z elektrycznych pojazdów szynowych. Dzięki temu, pojazdy mogą dostarczać precyzyjnych danych na temat wartości obciążenia, jakiemu zostaną poddane podstacje trakcyjne 130. Takimi danymi mogą być na przykład masy pociągów, typy lokomotyw (charakterystyki trakcyjne) czy odległości międzyprzystankowe. Podobnie, przy prognozowaniu poziomu prądu obciążenia Idc można wykorzystać dane z rozkładów jazdy elektrycznych pojazdów szynowych i odchylenia od tych rozkładów jazdy. Do analizowania danych mogą być wykorzystane przykładowo sztuczne sieci neuronowe. Zespoły prostownikowe 131 mogą mieć konstrukcję modułową (transformator - prostownik diodowy) wysuwną pozwalającą na łatwą wymianę lub zmianę ich liczby wynikającą przykładowo ze zmiany skali ruchu pociągów elektrycznych na danej linii.

Taki układ i sposób regulacji pozwala na aktywny rozdział prądów obciążeń trakcyjnych pomiędzy zespoły prostownikowe i w efekcie eliminację konieczności stosowania przewymiarowanych (pod względem parametrów pracy) zespołów prostownikowych 131 w podstacjach trakcyjnych 130. Zakres zmian prądu obciążenia zostaje zawężony do wymaganych wartości, co pozwala na określenie dogodnych, sprecyzowanych parametrów zespołów prostowników. To z kolei bezpośrednio przekłada się na możliwość obniżenia kosztów wykonania i zasilania poszczególnych podstacji, a także obniżenie kosztów i poziomu trudności ich eksploatacji, serwisowania oraz modernizacji.

Fig. 5 przedstawia ogólny schemat systemu zasilania linii kolejowej z podstacji trakcyjnych 130 według wynalazku z zastosowaniem wyspecjalizowanego systemu nadzoru 150.

W porównaniu ze znanym systemem z Fig. 1, system według wynalazku zawiera wyspecjalizowany system nadzoru 150, będący przykładem systemu aktywnej regulacji obciążeń kolejowych podstacji trakcyjnych, połączony z poszczególnymi podstacjami trakcyjnymi 130. Wyspecjalizowany system nadzoru może operować na danych wejściowych 153, zawierających przykładowo dane na temat tras na obsługiwanym obszarze, dane pojazdów, rozkłady jazdy, ustalone wartości progowe Ih i Il itd. Ponadto, system 150 może wykorzystywać informacje o stanie chwilowym 156 układu trakcyjnego, przykładowo dane z układów monitorujących systemu zasilania i stanu pojazdów, dostarczanych z mierników 137 linią sygnałową 151. Dane te są analizowane w bloku 154, a wyniki tej analizy są przesyłane do modułu decyzyjnego 155. Moduł decyzyjny 155 może odpowiadać za dobór ustawień układu zasilania na potrzeby obliczone w trakcie analiz i generować sygnały sterujące, przesyłane liniami sygnałowymi 152 dalej do podstacji trakcyjnych 130. Moduł decyzyjny 155 jest wyposażony co najmniej w komparator aktualnego poziomu prądu obciążenia (Idc) z górną wartością progową (Ih) i dolną wartością progową (Il).

Stosując rozwiązanie według wynalazku, można zagęścić lokalizację podstacji trakcyjnych w stosunku do aktualnych standardów. Pierwotną odległość s pomiędzy podstacjami można podzielić na n odcinków, umieszczając pomiędzy poszczególnymi odcinkami podstacje od PT1 do PT(n+1) w odległoPL 229 681 B1 ści od siebie s-s/n. Pozwoliłoby to na efektywniejszą współpracę podstacji trakcyjnych w zakresie rozdziału obciążeń pochodzących od elektrycznych pojazdów szynowych znajdujących się w obszarze ich zasilania.

Część działań może być dla przyśpieszenia podejmowana nie w centrali, ale przez urządzenia rozmieszczone w terenie, lub nawet w samych elementach (przykładowo sterownikach PLC) systemu aktywnej regulacji obciążeń kolejowych podstacji. Podstacje trakcyjne mogą być (przy zachowaniu określonych wymagań) zasilane z systemu energetyki rozproszonej.

Fig. 6 przedstawia zakres zmienności obciążenia zespołu prostownikowego 131 dla rozwiązania według wynalazku. Widoczne jest ograniczenie zakresu zmienności obciążeń (prądów) trakcyjnych pomiędzy ustalonymi wartościami progowymi Ih, II.

Fig. 7 przedstawia uporządkowany przebieg obciążenia dla przebiegu z Fig. 6. W stosunku do wykresu z Fig. 3 zostały wyeliminowane skrajne strefy A i C zakresu przebiegu obciążenia na poszczególnych zespołach prostownikowych 131, a zakres zmienności obciążeń trakcyjnych w strefie B został ograniczony.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku, przebieg uporządkowanego obciążenia dla zadanych odcinków czasu może przyjmować formę linii w znacznym stopniu zbliżonej do prostej równoległej do osi odciętych. Z tego powodu moce instalowanych zespołów prostownikowych w podstacjach trakcyjnych nie muszą być dobierane ze znacznym przewymiarowaniem.

Dzięki zastosowaniu sposobu i systemu regulacji według wynalazku możliwe jest ograniczenie strat biegu jałowego.

Przykładowo, pewne zespoły prostownikowe mogą być włączone tylko wtedy, gdy będzie istniało na to zapotrzebowanie wynikające z ruchu pociągów elektrycznych. Znamionowanie zespołów prostownikowych nie będzie musiało uwzględniać możliwości pojawiania się przeciążeń (długotrwałych, krótkotrwałych) wymagających zaniżania ich parametrów znamionowych (mocowych).

Proponowane rozwiązanie przyczynia się do ograniczenia zużycia energii elektrycznej - w zakresie ograniczenia strat jałowych transformatorów - zwłaszcza na liniach kolejowych, na których występują przerwy w ruchu pociągów. Ograniczenie zużycia energii powoduje ograniczenie kosztów, co zwiększa konkurencyjność trakcji elektrycznej na rynku transportowym. Ograniczeniu ulega również emisja CO2. Ponadto, zagęszczona lokalizacja podstacji trakcyjnych pozwala na ich miniaturyzację, ograniczenie zakresu występowania prądów błądzących, ograniczenie rezystancji pętli zwarciowych po stronnie sieci trakcyjnej, ograniczenie spadków napięć w sieci trakcyjnej, czy ograniczenie pól magnetycznych od sieci trakcyjnej.

Zespoły prostownikowe mogą mieć możliwość zasilania z systemu energetyki rozproszonej (przy zachowaniu ustalonych wymagań jakościowych dotyczących dostarczanej energii).

Ilość zainstalowanych zespołów prostownikowych na podstacjach trakcyjnych, dzięki zaproponowanej konstrukcji modułowej, może być dostosowywana do aktualnej skali przewozów

Claims (10)

1. System do aktywnej regulacji obciążenia zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej wyposażonej w rozdzielnię prądu zmiennego MVAC połączoną zespołami prostownikowymi z rozdzielnią prądu stałego 3KVDC, znamienny tym, że zespoły prostownikowe (131) są włączane do zasilania lub wyłączane od zasilania poprzez wyłączniki (135) od strony rozdzielni (134) prądu zmiennego MVAC.

2. System według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera:

- co najmniej jeden miernik (137) do pomiaru aktualnego poziomu prądu obciążenia (Idc) dla co najmniej jednego zespołu prostownikowego (131); oraz

- wyspecjalizowany system nadzoru (150) połączony linią sygnałową (151) z co najmniej jednym miernikiem (137) i wyposażony w moduł decyzyjny (155) wyposażony w komparator aktualnego poziomu prądu obciążenia (Idc) z górną wartością progową (Ih) i dolną wartością progową (Il), przy czym wyjście modułu decyzyjnego (155) jest połączone linią sygnałową (152) z co najmniej jednym wyłącznikiem (135).

3. Sposób aktywnej regulacji obciążenia zespołów prostownikowych kolejowej podstacji trakcyjnej wyposażonej w rozdzielnię prądu zmiennego MVAC połączoną zespołami prostownikowymi z rozdzielnią prądu stałego 3KVDC, znamienny tym, że zespoły prostownikowe (131)

PL 229 681 B1 włącza się do zasilania lub wyłącza się od zasilania poprzez wyłączniki (135) od strony rozdzielni (134) prądu zmiennego MVAC.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że ogranicza się zakres zmienności poziomu prądu obciążenia (Idc) dla zespołów prostownikowych (131) do zakresu pomiędzy górną wartością progową (Ih) i dolną wartością progową (Il) tak, że:

- w przypadku, gdy określona wartość prądu obciążenia (Idc) wykracza ponad górną wartość progową (Ih), włącza się jeden z zespołów prostownikowych (131) zwiększając liczbę aktywnych zespołów prostownikowych (131);

- a w przypadku, gdy określona wartość prądu obciążenia (Idc) spada poniżej dolnej wartości progowej (Il), wyłącza się jeden z zespołów prostownikowych (131) zmniejszając liczbę aktywnych zespołów prostownikowych (131).

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że określa się wartość aktualnego poziomu prądu obciążenia (Idc) dokonując pomiaru wartości prądu obciążenia (Idc) za pomocą mierników (137) przyłączonych do zespołów prostownikowych (131).

6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że określa się wartość prognozowanego poziomu prądu obciążenia (Idc)) w oparciu o mierzone wartości prądu obciążenia (Idc) na danej podstacji trakcyjnej (PT).

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przy prognozowaniu poziomu prądu obciążenia (Idc) wykorzystuje się dane z elektrycznych pojazdów szynowych.

8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przy prognozowaniu poziomu prądu obciążenia (Idc) wykorzystuje się dane z rozkładów jazdy elektrycznych pojazdów szynowych.

9. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przy prognozowaniu poziomu prądu obciążenia (Idc) wykorzystuje się sztuczne sieci neuronowe.

10. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że dostosowuje się liczbę zespołów prostownikowych (131) na wyposażeniu podstacji trakcyjnej (PT) do prognozowanego poziomu prądu obciążenia.