RU2267410C1

RU2267410C1 - Method to determine process power losses in ac traction system

Info

Publication number: RU2267410C1
Application number: RU2004118637/11A
Authority: RU
Inventors: Михаил Даниилович Рабинович (RU); Михаил Даниилович Рабинович; Николай Александрович Петров (RU); Николай Александрович Петров; Александр Владимирович Кузнецов (RU); Александр Владимирович Кузнецов; Владимир Владимирович Кузнецов (RU); Владимир Владимирович Кузнецов; Борис Данилович Никифоров (RU); Борис Данилович Никифоров; ненкова Елена Львовна Емель (RU); Елена Львовна Емельяненкова
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Отраслевой центр внедрения новой техники и технологий"
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-10

Abstract

FIELD: railway transport; power supply of railway vehicles.

SUBSTANCE: in chosen section of ac traction system currents and voltages are synchronously measured on each feeder of contact system of each traction substation and on electric locomotives, and measured parameters are recorded at rate from 0.1 to 1 minute. Then power consumptions in traction substations and in electric locomotives are calculated and recorded at the same rate. Power consumption values, thus found on traction substations and on electric locomotives, are transmitted to data acquisition and processing device by means of which power consumed at traction substations within the limits of chosen track section and in electric locomotives moving over this section are calculated. Power losses in traction system of chosen track section are determined as difference between power consumption in traction substations and in electric locomotives.

EFFECT: increased accuracy in determination of power losses.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электрифицированного железнодорожного транспорта, конкретно, к системе тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 27,5 кВ.The invention relates to the field of electrified railway transport, in particular, to a traction power supply system of single-phase alternating current voltage of 27.5 kV.

Поскольку в электропотреблении электрифицированного железнодорожного транспорта около 80% приходится на электрическую тягу, весьма важным является создание энергооптимальных режимов вождения поездов. В этой связи, целесообразно создать систему контроля и учета электропотребления на тягу поездов, сопрягаемую с границами обращения электроподвижного состава. Такая система должна учитывать расход электроэнергии по плечам электропитания тяговых подстанций. Суммирование этих расходов по всем тяговым подстанциям в границах плеч обращения ЭПС позволит получать реальный расход электроэнергии в контактной сети и согласовать его с расходами, регистрируемыми на локомотивах, работающих на этом же плече обращения. В тарифах на железнодорожные перевозки составляющая оплаты электроэнергии при действующих тарифах на электроэнергию достигает 10-15%. Вопросам экономии электроэнергии на транспорте уделяется большое внимание. Одной из составляющих потребляемой электроэнергии являются технологические потери электроэнергии в тяговой сети, включающей в себя питающие фидера на тяговых подстанциях, контактную сеть на перегонах и станциях и рельсовую сеть. Особенность тяговой сети является непрерывно меняющиеся ее параметры, связанные с перемещением электровозов, ведущих поезда на участке обращения. Это переменные во времени сопротивление контактной и рельсовой сетей, переменное сопротивление электрической цепи самих электровозов и т.д. Выделить их общих потерь электроэнергии долю, относящуюся именно к тяговой сети, представляет чрезвычайно сложную инженерную задачу. Эта задача приобрела большую значимость при переходе на рыночные отношения при оплате за электроэнергию, когда каждый участник перевозочного процесса должен оплачивать ту часть электроэнергии, которая относиться непосредственно к конкретному участнику в перевозочном процессе за выполненную работу.Since about 80% of electric energy consumed by electrified railway transport is traction, it is very important to create energy-optimal train driving modes. In this regard, it is advisable to create a system for monitoring and accounting for power consumption for train traction, mating with the boundaries of circulation of electric rolling stock. Such a system should take into account the energy consumption on the shoulders of the power supply of traction substations. The summation of these costs for all traction substations within the boundaries of the ESL arms will allow you to get the actual energy consumption in the contact network and coordinate it with the costs recorded on locomotives operating on the same arm. In the tariffs for rail transportation, the component of the payment for electricity under current tariffs for electricity reaches 10-15%. The issues of energy saving in transport are given great attention. One of the components of the consumed electricity is the technological loss of electricity in the traction network, which includes supply feeders in traction substations, a contact network in stages and stations, and a rail network. A feature of the traction network is its continuously changing parameters associated with the movement of electric locomotives leading trains on the circulation site. These are the time-variable resistance of the contact and rail networks, the variable resistance of the electric circuit of the electric locomotives themselves, etc. Highlighting their total energy loss share, which relates specifically to the traction network, is an extremely difficult engineering task. This task gained great importance in the transition to a market economy when paying for electricity, when each participant in the transportation process must pay for that part of the electricity that relates directly to a particular participant in the transportation process for the work performed.

Существующие в настоящее время способы определения технологических потерь в тяговой сети не совершенны, обладают низкой точностыви достоверностью, поскольку практически не использовались для коммерческих расчетов за потребленную электроэнергию. Известен метод расчета потерь в тяговой сети для различных схем электроснабжения (см. Р.Н. Корякин. Тяговые сети переменного тока изд. «Транспорт», 1964 г., стр. 52-55). В этом методе нагрузка тяговой сети (электровоз) принята фиксированной величиной, размещаемой в определенных точках межпод станционной зоны или равномерно распределенной по ней. Этот метод очень неточен и позволяет проводить только качественный анализ величин потерь.Currently existing methods for determining technological losses in the traction network are not perfect, they have low accuracy and reliability, since they were practically not used for commercial calculations for the consumed electricity. There is a known method for calculating losses in the traction network for various power supply schemes (see RN Koryakin. AC traction networks, ed. Transport, 1964, pp. 52-55). In this method, the load of the traction network (electric locomotive) is assumed to be a fixed value, placed at certain points of the intersection of the station zone or evenly distributed over it. This method is very inaccurate and allows only a qualitative analysis of losses.

Наиболее близким является способ определения технологических потерь электрической энергии в тяговой сети однофазного переменного тока, заключающийся в измерении тока и напряжения в фидере контактной сети на тяговой подстанции и определении потерь с помощью счетчика электрической энергии (потерь), например, типа Ф 440П. (См. В.П.Кручинин, А.Л.Быкадоров, В.Т.Даманский Опыт эксплуатации счетчиков.потерь., «Режимы работы, автоматическое управление и техническая диагностика систем электроснабжения железных дорог.» Труды, Межвузовский тематический сборник, выпуск 171, стр. 45-48. г. Ростов-на-Дону, 1983 г.). Этот метод также обладает низкой точностью учета потерь, поскольку используются счетчики потерь с классом точности 4,0%, регистрируемые потери включают в себя потери электроэнергии в электровозе. Полученные величины потерь не могут быть использованы для коммерческих расчетов.The closest is a method for determining technological losses of electric energy in a traction network of a single-phase alternating current, which consists in measuring the current and voltage in the feeder of the contact network at a traction substation and determining losses using an electric energy meter (losses), for example, type Ф 440П. (See V.P. Kruchinin, A.L. Bykadorov, V.T. Damansky. Operating experience of meters. Losses., “Operating modes, automatic control and technical diagnostics of railway power supply systems.” Transactions, Interuniversity thematic collection, issue 171 , pp. 45-48. Rostov-on-Don, 1983). This method also has low accuracy of loss accounting, since loss counters with an accuracy class of 4.0% are used, the recorded losses include losses of electricity in an electric locomotive. The resulting loss values cannot be used for commercial calculations.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения потерь в тяговой сети на заданном участке тяговой сети переменного тока, минимизаций этих потерь, обеспечении возможности использования получаемых величин технологических потерь при коммерческих расчетах за электроэнергию.The technical result of the invention consists in increasing the accuracy of determining losses in the traction network at a given section of the traction AC network, minimizing these losses, making it possible to use the obtained values of technological losses in commercial payments for electricity.

Технический результат достигается тем, что в способе определения технологических потерь электроэнергии на участке тяговой сети переменного тока, заключающемся в измерениях тока и напряжения на тяговых подстанциях и электровозах, измерения тока и напряжения на каждой тяговой подстанции осуществляются синхронно на каждом фидере контактной сети и на электровозе и регистрируют измеренные параметры с периодичностью от 0,1 до 1 минуты, вычисляют расходы электроэнергии на тяговых подстанциях и электровозах, регистрируют их с той же периодичностью, передают вычисленные значения расхода электроэнергии на тяговых подстанциях и на электровозах на устройство сбора и обработки данных, посредством которого рассчитывают электроэнергию, потребленную на тяговых подстанциях, в пределах выбранного участка, и на электровозах за период прохождения ими этого участка, а технологические потери электроэнергии в тяговой сети выбранного участка определяют как разность между значениями расхода электроэнергии на тяговых подстанциях и на электровозах.The technical result is achieved by the fact that in the method for determining technological losses of electricity in the area of the traction AC network, which consists in measuring current and voltage at traction substations and electric locomotives, measurements of current and voltage at each traction substation are carried out synchronously on each feeder of the contact network and on the electric locomotive and register the measured parameters with a frequency of 0.1 to 1 minute, calculate the energy consumption at traction substations and electric locomotives, register them with the same period b, transmit the calculated values of the electric power consumption at the traction substations and at the electric locomotives to the data collection and processing device, by means of which the electric energy consumed at the traction substations, within the selected section, and at the electric locomotives for the period of passage of this section by them are calculated, and the technological energy losses in the traction network of the selected section is defined as the difference between the values of electric power consumption at traction substations and at electric locomotives.

Получаемые при этом величины потерь относятся только к тяговой сети, из них исключены потери в электровозах. Они учитывают реальное состояние тяговой сети, техническое состояние рельсовой сети, реальные режимы ведения поезда электровозом, вплоть до учета климатических воздействий окружающей среды (дождь, снег, попутный или встречный ветер и др.).The resulting loss values apply only to the traction network, excluding losses in electric locomotives. They take into account the real state of the traction network, the technical condition of the rail network, the real modes of the train running by an electric locomotive, up to taking into account the climatic effects of the environment (rain, snow, tailwind or headwind, etc.).

Синхронизация по времени измерений на тяговых подстанциях и электровозах позволяет осуществить привязку получаемых данных к координате пути, а, следовательно, оперативно выявлять конкретные участки с повышенными потерями в элементах тяговой сети.Time synchronization of measurements at traction substations and electric locomotives allows the data to be linked to the coordinate of the path, and, therefore, to quickly identify specific areas with increased losses in the elements of the traction network.

Сравнение заявленного способа определения технологических потерь электроэнергии в тяговой сети переменного тока с известными техническими решениями показывает, что учет электрической энергии одновременно на фидерах тяговых подстанций и электровозах, согласование по классу точности средств измерений, согласование времени измерений и время регистрации получаемых величин, вычисление потерь электроэнергии непосредственно в тяговой сети и выработка управляющих воздействий для изменений режимов работы на тяговых подстанциях и электровозах, ни в области электроснабжения железных дорог, ни в других областях техники ранее не использовались.A comparison of the claimed method for determining technological losses of electric energy in an alternating current traction network with known technical solutions shows that accounting for electric energy simultaneously at feeders of traction substations and electric locomotives, matching the accuracy of measuring instruments, matching the measurement time and recording time of the obtained values, calculating the electric energy losses directly in the traction network and the development of control actions for changing operating modes at traction substations and electric carts, or in the field of power supply rail, or in other areas of technology not previously used.

Вновь введенные операции предложенного способа, описанные выше, проявляют новые свойства - позволяют получить объективные данные о результатах проведенных измерений, определить реальные величины потерь только в тяговой сети без учета потерь в электровозах, обеспечивают минимизацию величин потерь в тяговой сети.The newly introduced operations of the proposed method described above exhibit new properties - they allow obtaining objective data on the results of measurements, determining the actual values of losses only in the traction network without taking into account losses in electric locomotives, and ensure minimization of the losses in the traction network.

Сущность предложенного способа определения технологических потерь электроэнергии в тяговой сети переменного тока поясним на примере его реализации.The essence of the proposed method for determining the technological losses of electricity in the traction network of alternating current is explained on the example of its implementation.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для одной тяговой подстанции (для упрощения схемы приведен один фидер контактной сети) и одного электровоза. На тяговой подстанции 1 к тяговому трансформатору 2 подключено распределительное устройство 3 напряжением 27,5 кВ, через выключатель 4 одна из фаз соединяется с контактной сетью. Трансформаторы тока 5 и напряжения 6 через соответствующие датчики тока 7 и напряжения 8 подключены к блоку 9 регистрации электроэнергии, выходы которого соединены с процессором 10. Блоки 7,8,9 и 10 составляют информационно-измерительный комплекс тяговой сети (ИИК ТС) 11. К контактной сети 12 токоприемником подключается электровоз 13, двигающийся по рельсам 14. На электровозе 13 установлены датчики тока 15 и напряжения 16, подключенные к бортовому блоку регистрации электрической энергии 17, выходы которого соединены с бортовым процессором 18. Процессоры 10 и 18 линиями связи 19 и 20 соединены с ЭВМ (главным процессором) 21. На тяговой подстанции имеется блок 22 регулирования напряжения.Figure 1 shows a block diagram of a device for one traction substation (to simplify the circuit shows one feeder contact network) and one electric locomotive. At the traction substation 1, a switchgear 3 of 27.5 kV voltage is connected to the traction transformer 2, through a switch 4 one of the phases is connected to the contact network. Current transformers 5 and voltage 6 through the corresponding current sensors 7 and voltage 8 are connected to the electric power registration unit 9, the outputs of which are connected to the processor 10. Blocks 7,8,9 and 10 comprise the information-measuring complex of the traction network (IIC TS) 11. K of the contact network 12 by a current collector, an electric locomotive 13 is connected, moving along the rails 14. A current locomotive 15 and voltage 16 are connected to the electric locomotive 13 and connected to the on-board electric energy recording unit 17, the outputs of which are connected to the on-board processor 18. Processors 10 and 18, the communication lines 19 and 20 are connected to a computer (main processor) 21. At the traction substation there is a voltage regulation unit 22.

На фиг.2 приведена схема однопутного участка электрифицированной железной дороги. Тяговые подстанции 1 группами получают электроэнергию от энероснабжающих АО-Энерго 23 и 24. В контактной сети 12 для разделения фаз имеются нейтральные вставки 25. На графиках приведены характерные зависимости расхода электроэнергии соответственно для тяговых подстанций 26 (Ртс) и электровоза 27 (Рэпс).Figure 2 shows a diagram of a single-track section of an electrified railway. Traction substations in 1 groups receive electricity from energy supplying AO-Energo 23 and 24. In the contact network 12 there are neutral inserts 25 for phase separation. The graphs show the characteristic dependences of the energy consumption for traction substations 26 (Rts) and electric locomotive 27 (Reps), respectively.

Система работает следующим образом. В тяговом режиме электровоз потребляет из контактной сети 12 необходимое для движения поезда количество электроэнергии, которое вычисляется в блоке 17 на основании текущих параметров тока и напряжения, поступающих с датчиков 15 и 16. В качестве блока 17 используется блок вычисления потребленной электроэнергии бортового «Регистратора параметров движения и автоведения» (РПДА). На тяговой подстанции 1 аналогично вычисляется расход электроэнергии в блоке 9 по данным, поступающим от датчиков 7 и 8. В качестве блока 9 используется блок коммерческого и технического учета электроэнергии (С1-С6) Комплекса ПТК «Черный ящик», производства Научно-технического центра «ГОСАН» г.Москва. В этом блоке имеется возможность независимой регистрации расходов электроэнергии по 6 каналам (4 фидера контактной сети для двухпутного участка железной дороги, фидер питания крупной станции и фидер питания локомотивного депо). Комплект внесен в Реестр средств измерений и разрешен для учета расхода электроэнергии Россстандартом. Класс точности обеих систем при измерении тока, напряжения и электроэнергии - 0,5. В процессорах 9 и 17, соответственно на тяговой подстанции и электровозе по специальным программам осуществляется преобразование и дальнейшая передача данных о расходах электроэнергии по каналам связи 19 и 20 в ЭВМ (главный процессор) 21. Поскольку движение электровоза в тяговом режиме представляет собой быстроменяющийся процесс (высокая скорость движения, изменение тока и напряжения в тяговой сети, изменение электрического сопротивления тяговой сети и др.) для повышения точности была выбрана дискретность регистрации величин от 0,1 до 1 минуты, что обеспечивается приведенными выше техническими средствами как на тяговых подстанциях, так и на электровозах. Единая система контроля астрономического времени обеспечивает синхронные измерения и регистрацию всех регистрируемых параметров. Отличительной особенностью можно считать дополнительно возникающую возможность синхронизации получаемых данных, которая возникает при проезде электровозом нейтральной вставки 25 в контактной сети, когда на электровозе в обязательном порядке отключается тяговый ток и кратковременно пропадает напряжение «контактный провод - рельс» (см. кривую 27 на фиг.2). Следовательно, при проезде нейтральной вставки на электровозе регистрируется «нулевой» расход электроэнергии. Время проезда нейтральных, вставок согласуется по времени с расходом электроэнергии на тяговых подстанциях. Благодаря этому можно определять реальные технологические потери в тяговой сети для каждой межподстанционной зоны (между смежными нейтральными вставками). Можно определять потери на любом наперед заданном участке тяговой сети от нескольких километров до полного плеча обращения электровозов, составляющего несколько сотен километров. Причем это достигается достаточно просто за счет арифметических действий сложения соответствующих расходов на подстанциях и электровозе и последующего вычитания из первого второго. Причем получаются только потери в тяговой сети, исключая потери в электровозах, чего нельзя было сделать ранее известными способами. Наличие нескольких электровозов на участке определения потерь принципиально ничего не меняет. Добавляется только операция суммирования расходов всеми электровозами.The system operates as follows. In the traction mode, the electric locomotive consumes from the contact network 12 the amount of electric energy necessary for the train to move, which is calculated in block 17 based on the current parameters of the current and voltage coming from the sensors 15 and 16. As the block 17, the on-board electric unit for calculating the consumed electric energy of the motion parameters recorder is used and Automotive Science ”(RPDA). At the traction substation 1, the power consumption in block 9 is similarly calculated according to the data received from the sensors 7 and 8. As block 9, the block of commercial and technical electricity metering (C1-C6) of the PTK “Black Box” complex, produced by the Scientific and Technical Center “ GOSAN "Moscow. In this block, it is possible to independently register power consumption through 6 channels (4 contact network feeders for a double-track railway section, a large station power feeder and a locomotive depot power feeder). The kit is included in the Register of measuring instruments and is allowed for metering of electricity consumption by Rossstandart. The accuracy class of both systems when measuring current, voltage and electricity is 0.5. In processors 9 and 17, respectively, at a traction substation and an electric locomotive, special programs are used to convert and further transmit data on energy consumption through communication channels 19 and 20 to a computer (main processor) 21. Since the movement of an electric locomotive in traction mode is a rapidly changing process (high movement speed, change in current and voltage in the traction network, change in electrical resistance of the traction network, etc.) to increase the accuracy, discreteness of registration of values from 0.1 to 1 min was chosen s, which is ensured by the above technical means as in traction substations and on the locomotives. A single astronomical time control system provides synchronous measurements and registration of all recorded parameters. A distinctive feature is the additional possibility of synchronizing the received data, which occurs when an electric locomotive passes neutral insert 25 in the contact network, when the traction current is disconnected on the electric locomotive and the contact wire – rail voltage disappears for a short time (see curve 27 in FIG. 2). Therefore, when a neutral insert passes through, an “zero” power consumption is recorded on an electric locomotive. The travel time of the neutral inserts is consistent in time with the energy consumption at traction substations. Due to this, it is possible to determine the real technological losses in the traction network for each inter-substation zone (between adjacent neutral inserts). It is possible to determine losses at any predetermined section of the traction network from several kilometers to the full arm of electric locomotives, amounting to several hundred kilometers. Moreover, this is achieved quite simply due to arithmetic operations of adding up the corresponding costs at substations and an electric locomotive and subsequent subtraction from the first second. Moreover, only losses in the traction network are obtained, excluding losses in electric locomotives, which could not be done by previously known methods. The presence of several electric locomotives in the loss determination section does not fundamentally change anything. Only the operation of adding expenses by all electric locomotives is added.

Предложенный способ позволит вести практический анализ потерь по всей длине тяговой сети, выявлять участки с повышенными потерями и принимать технические решения по их снижению, например, установка дополнительных электрических соединителей на контактной сети, увеличение ее сечения и т.д. Кроме того, возможно в режиме реального времени вырабатывать управляющие воздействия для системы тягового электроснабжения. В частности при выявлении на некоторых зонах повышенных потерь применять регулирование напряжения на фидерах контактной сети. Проводя сравнение потерь при текущем режиме ведения электровоза и сравнения их с потерями при энергооптимальном (статистически проверенном режиме или специальной режимной картой) режиме ведения поезда, вырабатывать управляющие команды, передавать их и реализовать на электровозе, например, путем изменения режимов работы мотор-вентиляторов, тяговых двигателей и других. Появляется реальная возможность оценить в киловатт-часах, а следовательно, и в рублях сколько стоит ограничение скорости движения поездов при нарушении технического состояния пути, сколько стоит движение при желтых или зеленых сигналах светофорах на пути следования поезда. Знание конкретной стоимости таких «препятствий» при рыночных условиях перевозочного процесса позволит предъявлять претензии к конкретным виновникам увеличения стоимости железнодорожных перевозок.The proposed method will allow to conduct a practical analysis of losses along the entire length of the traction network, to identify areas with increased losses and make technical decisions to reduce them, for example, installing additional electrical connectors on the contact network, increasing its cross section, etc. In addition, it is possible in real time to develop control actions for the traction power supply system. In particular, in case of detection of increased losses in some areas, apply voltage regulation on the feeders of the contact network. Comparing losses in the current mode of conducting an electric locomotive and comparing them with losses in an energy-optimal (statistically verified mode or special mode map) mode of conducting a train, generate control commands, transmit them and implement them on an electric locomotive, for example, by changing the operating modes of motor fans, traction engines and others. There is a real opportunity to estimate in kilowatt hours, and therefore in rubles, how much does it cost to limit the speed of trains in violation of the technical condition of the track, how much it costs when yellow or green traffic lights are on the way of the train. Knowing the specific cost of such “obstacles” under the market conditions of the transportation process will make it possible to make claims against the specific culprits of the increase in the cost of rail transportation.

Все это в совокупности и обеспечивает решение поставленной задачи.All this in aggregate and provides a solution to the problem.

Claims

A method for determining technological losses of electricity in a section of an alternating current traction network, consisting in measurements for a selected section of current and voltage in traction substations and electric locomotives, characterized in that the current and voltage measurements are carried out synchronously on each feeder of the contact network of each traction substation and in electric locomotives and register measured parameters with a frequency of 0.1 to 1 min, calculate the energy consumption at traction substations and at electric locomotives and register them with the same frequency y, transmit the calculated values of the electric power consumption at the traction substations and at the electric locomotives to the data collection and processing device, by means of which the electric energy consumed at the traction substations within the selected section and at the electric locomotives during their passage through this section are calculated, and the technological energy losses in the traction the networks of the selected section are defined as the difference between the values of the electric power consumption at traction substations and at electric locomotives.