Система оперативного выбора источника электропитания для устройств автоматики на электрифицированных железных дорогах

Устройства автоматики на железнодорожном транспорте являются важным звеном в обеспечении безопасности движения поездов. От их работы также во многом зависят экономические показатели железнодорожного транспорта. В устройствах автоматики на железнодорожном транспорте применяется широкий спектр электротехнического оборудования: электроприводы различных типов, полупроводниковые выпрямители, преобразователи частоты, релейная и электронная аппаратура, что определяет разнообразие требований к электропитанию и качеству получаемой электроэнергии. Устройства автоматики являются нетяговыми железнодорожными электропотребителями первой категории и, поэтому, их электроснабжение должно осуществляться не менее чем от двух независимых источников электроэнергии. Для электроснабжения устройств автоматики в условиях электрифицированного железнодорожного транспорта применяется специальная система электроснабжения, обеспечивающая получение электроэнергии от двух разных тяговых подстанций.

Система электроснабжения устройств автоматики на электрифицированном железнодорожном транспорте представляет собой сложную электротехническую систему, в которой должно обеспечиваться бесперебойное и качественное электропитание всего спектра применяемого оборудования. Параметры электроэнергии и показатели ее качества (ПКЭ) в этой электротехнической системе изменяются с течением времени, что обусловлено множеством факторов, главным из которых является работа-тяговых потребителей. Наличие в такой системе двух независимых источников электроэнергии предполагает оперативный выбор источника, обеспечивающего в текущий момент более высокое качество электроэнергии. В настоящее время задача оперативного выбора источника электропитания в такой постановке решена недостаточно полно и, в большинстве случаев, сведена к выбору источника, напряжение которого находится в заданных пределах. Вместе с тем, для электротехнического оборудования, входящего в состав устройств автоматики, не менее важны и другие параметры электроэнергии. О необходимости решения данной задачи свидетельствуют и периодические отказы устройств автоматики связанные с электропитанием. Таким образом, разработка системы оперативного выбора источника электропитания на основе комплексной оценки качества электроэнергии является актуальной.

Результатом бурного развития, микропроцессорной техники, программного обеспечения, средств связи является все более расширяющийся спектр доступного оборудования, позволяющего осуществлять измерение множества параметров питающего напряжения и контроль большинства ПКЭ, причем обеспечивающего непрерывность этого процесса. Однако, несмотря на широкие возможности, и большой потенциал нового оборудования, основное применение оно находит только как средство мониторинга, а не как средство эффективного управления электропитанием в системах электроснабжения. Одной из причин этого является отсутствие методов оценки качества электроэнергии по совокупности измеряемых параметров, на основе которых можно было бы осуществлять оперативный выбор источника электропитания, причем с учетом требований и особенностей потребителей и условий, в которых осуществляется электроснабжение.

В определение качества электроэнергии, данном в ГОСТ 23 875–88, говорится о степени соответствия параметров установленным значениям, при этом способ определения такой оценки не упоминается. Само официальное определение качества электроэнергии не учитывает возможности специфических требований предъявляемых электроприемниками к ее параметрам. Согласно определению качества электроэнергии, данному в [2], под ним следует понимать «.совокупность ее параметров (свойств), обусловливающих пригодность электроэнергии удовлетворять определенные потребности электроприемников в соответствии с их назначением». Такое определение синтезировано на основе терминологии введенной ГОСТ 15 467–79. Упоминание электроприемников в определении качества электроэнергии указывает на субъективность, этого понятия, так как характеристики электроприемников, а соответственно и их требования к различным параметрам электроэнергии, могут быть разными. Особенно этот вопрос актуален для электросетей предприятий, в частности ОАО «РЖД», где электроснабжение осуществляется при разнообразном сочетании условий и потребителей, а взаимодействие между службой энергоснабжения и другими службами не только на основе ГОСТ 13 109–97, но и на основе ряда отраслевых стандартов.

С учетом сказанного, задача оперативного выбора источника электропитания на основе комплексной оценки качества электроэнергии представляется, когнитивной, плохо поддающейся решению традиционными аналитическими методами. По мнению автора, она может быть решена с применением методов и теорий, относящихся к области искусственного интеллекта, как средства решения сложных, плохо формализуемых задач. В качестве теоретического базиса для решения данной задачи в диссертационной работе предлагается использовать теорию нечетких множеств, нечеткую логику и теорию искусственных нейронных сетей.

Значительный вклад в решение проблем связанных с развитием систем электроснабжения нетяговых потребителей железнодорожного транспорта, в том числе и устройств автоматики, внесли ученые В. Г. Аввакумов, В. Д. Авилов, М. П. Бадер, A. JI. Быкадоров, JI. А. Герман, Б. Е. Дынькин, Р. И. Караев, Е. И. Кордюков, К. Г. Марквардт, Г. Г. Марквардт, Г. П. Маслов, В. Т. Черемисин, М. Г. Шалимов, А. К. Шидловский и др.

Теоретические и практические вопросы теории нечетких множеств и нечеткой логики, а также теории искусственных нейронных сетей сформулированы и рассмотрены в работах таких ученых, как Д. Дюбуа, JI. А. Заде, А. Коф-ман, А. В. Леоненков, М. Сугэно, Е. Мамдани, С. Д. Штовба, В. МакКаллок, Д. Хебб, Ф. Розенблатт, Д. Кован, С. Гроссберг, Д. Руммельхарт, В. Вапник, А. И. Галушкин, А. Н. Горбань и др.

Целью работы является совершенствование системы электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог за счет разработки и применения системы оперативного выбора источника электроэнергии на основе комплексной оценки ее качества.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи: проанализировать систему электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог и определить номенклатуру параметров для оценки качества электроэнергиисформулировать комплексный критерий, позволяющий оценивать качество электроэнергии по совокупности ее параметровразработать методы оценки и контроля качества электроэнергии при оперативном выборе источника в системе электроснабжения устройств автоматики электрифицированного железнодорожного транспортаразработать рекомендации и технические решения для построения систем оперативного выбора источника электропитания на основе комплексной оценки качества электроэнергииоценить экономическую эффективность применения систем оперативного выбора источника электропитания на основе комплексной оценки качества электроэнергии в системе электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог.

При выполнении работы использовались методы математического анализа и математической статистики, положения теории нечетких множеств и теории искусственных нейронных сетей. Параметры моделей электротехнических устройств уточнялись на основе законов теоретической электротехники. Для имитационного моделирования и обработки экспериментальных данных применялась система компьютерной математики Matlab и ее расширение Simu-link. Специальное программное обеспечение для проведения экспериментов разработано в интегрированной среде разработки приложений Borland С++ Builder.

Научная новизна работы заключается в следующем: составлена имитационная модель системы электроснабжения устройств автоматики железной дороги электрифицированной на постоянном токе, позволяющая выбрать номенклатуру параметров для оценки качества электроэнергии с целью последующего принятия решения о выборе источникапредложен комплексный показатель качества электроэнергии, позволяющий принимать решения об оперативном выборе источника электропитанияпредложен метод комплексной оценки, позволяющий, на основе системы нечеткого вывода, оценивать качество электроэнергии при выборе источника электропитания в системе электроснабжения устройств автоматики железной дороги, электрифицированной на постоянном токеразработана нейросетевая модель комплексной оценки и контроля качества электроэнергии, получаемой потребителями в системе электроснабжения устройств автоматики железной дороги, электрифицированной на постоянном токе.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. В ходе экспериментальных исследований, при оперативном выборе источника электропитания, расхождение комплексных оценок качества электроэнергии выполненных на основе разработанных методов не превысило 10%. Практическая ценность диссертации заключается в следующем: разработанная имитационная модель позволяет оценить влияние процесса выпрямления тока на тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог на качество электроэнергии, получаемой устройствами автоматикипредложенные методы комплексной оценки и контроля качества электроэнергии позволяют оценивать качество электроэнергии по совокупности параметров и показателей, и, на основании этой оценки, осуществлять оперативный выбор источника электропитания устройств автоматики на электрифицированном железнодорожном транспортеполученные структурные технические и алгоритмические решения позволяют организовать систему мониторинга и оперативного выбора источника электропитания устройств автоматики электрифицированных железных дорог.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2030 года», Стратегическими направлениями научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года. Исследования представленные в настоящей работе выполнены в рамках госбюджетной НИР «Совершенствование процессов технического обслуживания железнодорожных устройств автоматики на основе микропроцессорных систем технической диагностики» ГБ 184 номер государственной регистрации ГР 01.20.01 4 837. Результаты диссертационной работы, представленные в виде «Методики комплексного контроля электропитания нетяговых потребителей первой категории», рекомендованы к применению на Омском отделении Западносибирской железной, о чем имеется соответствующий акт о внедрении.

Основные положения работы представлялись на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на жлезнодорож-ном транспорте» (Омск, 2007), XII научно-практической конференции «Энерго-, ресурсосбережение в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2008), XIV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008), всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (Екатеринбург, 2008), научно-технических семинарах кафедры «Автоматика и телемеханика» ОмГУПСа (Омск, 2005 — 2008).

Положения диссертации и основные результаты исследований опубликованы в девяти научных работах, включающих в себя шесть статей (из них две в изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ) и три патента на полезную модель.

Выводы.

1. Для описания комплекса технических, структурных и алгоритмических решений, направленных на повышение качества электроснабжения устройств автоматики, как нетяговых потребителей первой категории, сформулирована методика комплексного контроля электропитания нетяговых потребителей первой категории.

2. Показана возможность увеличения быстродествия многофункциональных цифровых измерительных устройств используемых для измерения напряжения, частоты и коэффициента одиннадцатой гармонической составляющей за счет применения алгоритма уточнения частоты сигнала по спектру, экспериментально проверено соответствие этого алгоритма требованиям ГОСТ 13 109–97 к точности измерения частоты.

3. В качестве способа контроля достоверности комплексной оценки качества электроэнергии предложено диверсифицировать вычисление КПКЭ с последующим сравнением результатов.

4. Предложена структура распределенной системы оперативного выбора источника электропитания для устройств автоматики, указано место расположения элементов выполняющих комплексную оценку качества электроэнергии в рамках этой структуры, предложены технические решения по реализации системы.

5. Выполнена экспериментальная проверка разработанных методов и технических решений, в ходе которой доказано, что рекомендованные принципы оперативного выбора источника электропитания не противоречат существующим в настоящее время, а дополняют их, за счет чего может быть достигнуто повышение качества электроснабжения потребителей.

6. Выполнена оценка экономической эффективности применения системы оперативного выбора источника электропитания для устройств автоматики на железнодорожном транспорте, по результатам которой чистый дисконтированный доход от применение данной системы за 10 лет составил 1 100 000 р., индекс доходности составил 4,88, срок окупаемости 1,7 года.

Заключение

.

1. Составлена имитационная модель системы электроснабжения устройств автоматики железной дороги, электрифицированной на постоянном токе, позволяющая исследовать влияние процесса выпрямления тока на качество получаемой электроэнергии. На основании имитационного моделирования определена номенклатура параметров для оценки качества электроэнергии с целью последующего оперативного выбора источника электропитания.

2. Введено и формализовано с применением аппарата теории нечетких множеств понятие комплексного показателя качества электроэнергии, позволяющее охарактеризовать степень ее пригодности для потребителей.

3. Разработан, с применением нечеткой логики, метод вычисления комплексного показателя качества электроэнергии, на основе которого возможен оперативный выбор источника в системе электроснабжения устройств автоматики электрифицированных железных дорог.

4. Разработан метод, позволяющий с помощью нейросетевой модели прямого распространения вычислять комплексный показатель качества электроэнергии путем аппроксимации экспертных данных и выбирать источник электропитания с наилучшим качеством.

5. Предложены структурные технические и алгоритмические решения по организаций системы оперативного выбора источника электропитания устройств автоматики на электрифицированном железнодорожном транспорте. Обобщение этих решений позволило сформулировать методику комплексного контроля электропитания нетяговых потребителей первой категории.

6. Оценена экономическая эффективность применения системы оперативного выбора источника электропитания для устройств автоматики на электрифицированном железнодорожном транспорте. Рассчитанные показатели экономической эффективности за 10 лет составили: чистый дисконтированный доход — 1 100 000 р., срок окупаемости — 1,7 года, индекс доходности — 4,88.