Комплексное использование технологий Smart Grid в тяговых сетях железных дорог

Цель – разработка методики моделирования систем электроснабжения железных дорог, оснащенных комплексом устройств, реализованных с использованием технологий интеллектуальных сетей (Smart Grid). Исследования проведены с помощью программного комплекса Fazonord, предназначенного для моделирования режимов систем электроснабжения железных дорог в фазных координатах. Расчетная модель реализована для системы электроснабжения двухпутного участка с пятью тяговыми подстанциями. Полученные результаты показали, что надежное и качественное электроснабжение тяги поездов и нетяговых потребителей может быть реализовано на основе комплексного использования активных элементов Smart Grid, таких как преобразователь числа фаз, активный кондиционер гармоник, управляемый источник реактивной мощности и установка распределенной генерации. На основе компьютерного моделирования установлено, что при отсутствии источников реактивной мощности наблюдаются заметные колебания напряжений на шинах 10 кВ нетягового потребителя, несимметрия приближается к пределу нормально допустимых значений; отключение активного фильтра приводит к повышению суммарного коэффициента гармоник напряжений до 16%; при наличии всего комплекса активных устройств достигается высокое качество электроэнергии; преобразователь числа фаз отличается робастностью и имеет невысокую чувствительность к погрешностям задания параметров; отклонения напряжений, вызванные ограниченным диапазоном изменения реактивной мощности в источнике реактивной мощности, носят кратковременный характер и не превышают приемлемых для практики величин. Таким образом, на базе технологий Smart Grid может быть реализовано подключение установок распределенной генерации непосредственно в тяговую сеть с применением устройства преобразования числа фаз, сформированного по обращенной схеме Штейнмеца. Устранение гармонических искажений, создаваемых выпрямительными электровозами, осуществляется посредством активного кондиционера высших гармоник. Для поддержания уровней напряжения может быть использован управляемый источник реактивной мощности.

1. Добрынин Е.В., Ефремова И.А. Управление объектами системы тягового электроснабжения в концепции цифровой железной дороги // Наука и образование транспорту. 2018. № 1. С. 237–240.

2. Huang Xie G.H., Kong W.Z., Li Q.H. Study on Smart Grid and key technology system to promote the development of distributed generation // IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies. 2012. https://doi.org/10.1109/ISGT-Asia.2012.6303265

3. Buchholz B.M., Styczynski Z. Smart Grids – fundamentals and technologies in electricity networks. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2014. 396 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-45120-1

4. Nejad M.F., Saberian A.M., Hizam H., Radzi M.A.M., Ab Kadir M.Z.A. Application of smart power grid in developing countries // IEEE 7th International Power Engineering and Optimization Conference. 2013. https://doi.org/10.1109/PEOCO.2013.6564586

5. Agüero J.R. Applications of Smart Grid technologies on power distribution systems // IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies. 2012. https://doi.org/10.1109/ISGT.2012.6175536

6. Wang Jun, Huang Alex Q., Sung Woongje, Liu Yu, Baliga B.J. Smart Grid technologies // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2009. Vol. 3. Issue 2. P. 16–23. [Электронный ресурс]. URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5075791 (14.05.2020).

7. Suslov K.V., Stepanov V.S., Solonina N.N. Smart Grid: effect of high harmonics on electricity consumers in distribution networks // IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (Brugge, 2–6 September 2013). Brugge: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2013. P. 841–845.

8. Третьяков Е.А. Исследование компонент интеллектуальной системы электроснабжения нетяговых потребителей // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: материалы науч.-практ. конф., посвященной Дню российской науки (г. Омск, 7 февраля 2014 г.). Омск: Изд-во ОмГУПС, 2014. С. 76–83.

9. Третьяков Е.А. Мультиагентное управление распределением электрической энергии в системе электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог // Наука и образование в XXI веке: теория, практика, инновации: сб. науч. тр. по матер. Междунар. науч.- практ. конф.: в 4 ч. (г. Москва, 2 июня 2014 г.). М.: АРКонсалт, 2014. С. 45–48.

10. Третьяков Е.А. Повышение экономичности и пропускной способности системы электроснабжения за счет управления режимами и внедрения современного оборудования и материалов // Современные тенденции развития образования, науки и технологий. VIII Междунар. (заочная) науч.-практ. конф. (г. Белгород, 30 сентября 2015 г.). Белгород, № 3-1. С. 139–142.

11. Третьяков Е.А. Регулирование параметров режима в системе электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог // Омский научный вестник. Серия: Общество. История. Современность. 2015. № 2. С. 155–159.

12. Третьяков Е.А. Эффективность накопителей электроэнергии в распределительных сетях железных дорог // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность: матер. VIII Всерос. науч.-техн. конф. (г. Омск, 12–14 ноября 2013 г.). Омск, 2013. № 2. С. 347–349.

13. Третьяков Е.А., Малышева Н.Н. Моделирование установившихся режимов системы электроснабжения нетяговых потребителей // Совершенствование электромеханических преобразователей энергии: межвуз. тематический сб. науч. тр. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2010. С. 54–60.

14. Валияхметова В.К., Николаев В.Л., Власова В.А. Повышение надежности электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог // Современные инновации в науке, образовании и технике: сб. науч. тр. по матер. VIII Междунар. науч.-практ. конф. (г. Москва, 15–16 апреля 2018 г.). М.: Изд-во «Проблемы науки», 2018. С. 27–29.

15. Шеломенцев А.О., Косяков А.А. Совершенствование организации проектирования систем электроснабжения нетяговых потребителей железнодорожного транспорта и распределительных сетей общего пользования // Инновационный транспорт. 2012. № 5. С. 15–19.

16. Дробов А.В., Галушко В.Н., Алферов А.А., Алферова Т.В. Определение энергетической эффективности электрооборудования нетяговых железнодорожных потребителей с помощью имитационного моделирования при проектировании // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2017. № 2. С. 95–105.

17. Мухарямов Р.И., Добрынин Е.В., Окладов С.А. Автоматизация контроля текущего состояния системы электроснабжения нетяговых потребителей железнодорожного транспорта // Наука и образование транспорту. 2015. № 1. С. 136–138.

18. Ожиганов Н.В. Повышение качества электроэнергии для ЖАТ // Автоматика, связь, информатика. 2012. № 1. С. 22–26.

19. Авилов В.Д., Третьяков Е.А., Краузе А.В. Управление качеством электроэнергии в распределительных сетях железнодорожного транспорта // Омский научный вестник. Серия: Электротехника. Энергетика. 2013. № 1. С. 183–187.

20. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Черепанов А.В. Управление качеством электроэнергии в системах тягового электроснабжения на основе технологий интеллектуальных сетей // Известия Транссиба. 2014. № 3. С. 65–75.

21. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2005. 273 с.

22. Zakaryukin V., Kryukov A., Cherepanov A. Intelligent traction power supply system // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport EMMFT 2017. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2017. Vol. 692. P. 91–99. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70987-1_10

23. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование систем электроснабжения с трехфазно-однофазными преобразователями // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 5. С. 122–133. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-5-122-133

24. Ермоленко А.В., Ермоленко Д.В. Перспективы применения современных устройств активной фильтрации для нормализации качества электрической энергии в системе электрической тяги переменного тока // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2009. № 5. С. 7–12.

25. Bakkabulindi G., Hesamzadeh M.R., Amelin M., Da Silva I.P., Lugujjo E. A heuristic model for planning of single wire earth return power distribution // IASTED Power and Energy Systems and Applications: systems: Proceedings of International Conference (Pittsburgh, 7–9 November). Pittsburgh, 2011. P. 215–222.