На правах рукописи

Буякова Наталья Васильевна

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКОЙ

В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ

СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И ИМИТАЦИОННОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.01 – системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО НИ «Иркутский государственный технический университет» и ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Крюков Андрей Васильевич Алпатов Юрий Никифорович – д.т.н., профессор,

Официальные оппоненты:

ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», заведующий кафедрой «Информатика и прикладная математика»

Суворов Иван Флегонтович – д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет», профессор кафедры «Электроэнергетики и электротехники»

Ведущая организация: Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 130.

Защита диссертации состоится 18 апреля 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул.

Чернышевского, 15, ауд. А-803.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 15 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор И.И. Тихий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение масс поездов и скоростей их движения приводит к росту тяговых нагрузок, сопровождающемуся усложнением электромагнитной обстановки (ЭМО), под которой понимается совокупность электромагнитных процессов в выделенной области пространства. Основными характеристиками этих процессов являются напряженности электрического и магнитного полей (ЭМП). Тяговые сети (ТС) переменного тока магистральных железных дорог могут создавать значительные ЭМП. В ряде случаев, особенно при прохождении дороги по селитебной территории, уровни напряженности этих полей могут превосходить допустимые нормы. Не менее жесткое воздействие на окружающую среду могут оказывать ТС промышленного транспорта. В непрерывно меняющихся эксплуатационных условиях затруднительно получать экспериментальные данные, отвечающие максимальным уровням напряженностей ЭМП, поэтому анализ ЭМО в системах тягового электроснабжения (СТЭ) рекомендуется выполнять на основе математического моделирования. Расчеты ЭМП традиционно проводятся с привлечением численных методов, основанных на первой группе формул Максвелла, конформных преобразованиях, конечных разностях. Практическое применение таких методов требует значительных трудозатрат, связанных со сложной подготовкой исходных данных, а также необходимостью освоения специализированных компьютерных программ.

Значительный вклад в решение проблемы моделирования электроэнергетических систем (ЭЭС) и СТЭ, а также анализа электромагнитной обстановки внесли Аполлонский С.М., Бадер М.П., Бессонов Л.А., Бородулин Б.М., Висящев А.Н., Горский А.Н., Демирчан К.С., Кадомская К.П., Карякин Р.Н., Котельников А.В., Косарев А.Б., Косарев Б.И., Курбацкий В.Г., Мамошин Р.Р., Марквардт Г.Г., Марквардт К.Г., Марский В.Е., Мирошниченко Р.И., Михайлов М.И., Мисриханов М.Ш., Нейман Л.Р., Тер-Оганов Э.В., Шалимов М.Г, Карсон И.Р., Полячек Ф., Блейк Левит Б., Хабигер Э., Шваб А. и их коллеги.

Несмотря на большое число работ, посвященных вопросам анализа ЭМО в системах тягового электроснабжения, остался ряд нерешенных задач, связанных со следующими аспектами:

• учет взаимодействий СТЭ, механической системы движущихся поездов и питающей ЭЭС с возможностью моделирования динамики изменения напряженностей ЭМП;

• учет внешней среды: профиля подстилающей поверхности (выемок, насыпей);

проводящих деталей искусственных сооружений железнодорожного транспорта; подвижного состава; протяженных металлических объектов (трубопроводов, кабельных линий с заземленными оболочками, заземленных тросов).

В диссертационной работе анализ электромагнитной обстановки проводился на основе методов системного анализа, а также технологий имитационного моделирования, предложенных в работах Арбиба М., Бусленко Н.П., Воропая Н.И., Дж. ван Гига, Калашникова В.В., Калмана Р., Квейда Э., Кинга В., Клиланда Д., Коваленко И.Н., Мако Д., Месаровича М., Моисеева Н.Н., Оптнера С.Л., Перегудова Ф.И., Советова Б.Я., Тарасенко Ф.П., Такахары И., Фалба Ф., Шеннона Р., Яковлева С.А. и др.

Задача улучшения электромагнитной обстановки является частью более общей проблемы электромагнитной экологии, решать которую предполагается на основе технологий интеллектуальных электрических сетей – smart grid. Поэтому методы анализа и моделирования ЭМО должны учитывать современные технологии активноадаптивных ЭЭС.

Цель работы состоит в разработке на основе системного подхода методов моделирования и анализа электромагнитной обстановки (ЭМО) в тяговых сетях железных дорог, а также в создании системы управления ЭМО на объектах транспорта. Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать метод моделирования электромагнитных полей в тяговых сетях железных дорог и на этой основе формализовать задачу анализа ЭМО на объектах транспорта;

• предложить методику определения активной плотности потока энергии в окрестностях многопроводной тяговой сети и формализовать задачу определения интенсивности электромагнитного воздействия СТЭ на окружающую среду;

• предложить методику анализа динамики изменения напряженностей электромагнитного поля в СТЭ, вызванной движением поездов;

• разработать методики учета внешней среды: профиля подстилающей поверхности, подвижного состава, деталей искусственных сооружений и других проводящих объектов, влияющих на картину распределения ЭМП в пространстве;

• разработать комплекс технических решений по улучшению ЭМО на объектах железнодорожного транспорта и сформировать систему управления электромагнитной обстановкой в тяговых сетях.

Объект исследований. Система тягового электроснабжения железной дороги переменного тока, активно взаимодействующая с питающей ЭЭС и внешней средой.

Предмет исследований. Электромагнитная обстановка в тяговых сетях, определяемая с учетом взаимодействия СТЭ, ЭЭС и внешней среды.

Исследование ЭМО осуществлялось на основе методов системного анализа с использованием аппарата теории функций многих переменных и алгоритмов решения систем нелинейных уравнений большой размерности. Вычислительные эксперименты проводились на основе разработанного в ИрГУПСе комплекса программ Fazonord, который был модернизирован путем реализации дополнительных модулей для определения напряженностей ЭМП и активной плотности потока энергии в окрестностях многопроводной ТС.

Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Формализована задача анализа электромагнитной обстановки на основе разработанного метода моделирования электромагнитных полей в тяговых сетях железных дорог, отличающегося возможностью учета всех свойств и характеристик сложной СТЭ и питающей ЭЭС.

2. Формализована задача определения интенсивности электромагнитного воздействия СТЭ на окружающую среду, отличительная особенность, которой состоит в использовании оригинальной методики определения активной плотности потока энергии в окрестностях тяговой сети.

3. Предложен новый метод анализа динамики изменения напряженностей ЭМП в СТЭ, вызванной движением поездов, основанный на использовании фазных координат; разработана методика учета внешней среды, отличительная особенность, которой, состоит в моделировании проводящих объектов набором тонких заземленных проводов.

4. Разработано специальное математическое и программное обеспечение для анализа электромагнитной обстановки в системах тягового электроснабжения и формирования управляющих воздействий по ее улучшению.

5. Предложена система управления электромагнитной обстановкой на объектах железнодорожного транспорта, отличающаяся комплексным использованием организационных, режимных и технических мероприятий, направленных на оптимизацию ЭМО.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением с аналитическими расчетами (в сопоставимых случаях), а также с результатами натурных экспериментов на реальных объектах.

Практическая значимость научных результатов диссертации состоит в решении следующих актуальных практических задач, связанных с улучшением электромагнитной обстановки в СТЭ:

• рациональный выбор технических решений по улучшению электромагнитной обстановки на объектах магистральных железных дорог, а также вдоль трасс железных дорог промышленного транспорта;

• управление электромагнитной обстановкой в ЭЭС и системах тягового электроснабжения.

Реализация результатов работы. Результаты компьютерного моделирования реальных СТЭ, практические рекомендации по повышению электромагнитной безопасности переданы в Ангарский филиал ЗАО «Инспекторат Р», ООО "Энергостройконсалт", а также в научно-технический центр «Параметр». Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедрах: «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ИрГУПС, «Электроснабжение и электротехника» ИрГТУ, «Автоматизация и электроснабжение промышленных предприятий» АГТА.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: научно-практической конференции «Безопасность регионов – основа устойчивого развития», Иркутск, 28 сентября-1октября 2009 г.; 15-й международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-15-2009)», Иркутск, 5- октября 2009 г.; межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», Иркутск, 12-15 октября 2009 г.; всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 26- апреля 2010 г.; научно-практической конференции АГТА, Ангарск, 13 мая 2010 г.; 4-й международной научно-практической конференции «Электрификация транспорта» – ТРАНСЭЛЕКТРО-2010, АР Крым, п. Мисхор, 27-30 сентября 2010 г.; IV Всероссийской конференции с международным участием «Винеровские чтения», Иркутск, 9- марта 2011 г.; всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 26-30 апреля 2011 г.; II межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», Иркутск, 17 мая 2011 г.; XVI Байкальской всероссийской конференции с международным участием “Информационные и математические технологии в науке и управлении», Иркутск, 1июля 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе шесть статей в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК. На основании результатов исследований издана одна монография. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 115 наименований и приложения с материалами о внедрении результатов диссертационных исследований.

Общий объем диссертации 143 страниц, в тексте содержится 140 рисунков и 10 таблиц. В приложении приведены акты о внедрении.

Работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего», проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г. Договор № 11.G34.31.0044 от 27.10.2011.

При работе над диссертацией автор пользовался научными консультациями доктора техн. наук, профессора Закарюкина В.П.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований, направленных на создание математических моделей и методов, обеспечивающих реализацию системного подхода к анализу электромагнитной обстановки на магистральных железных дорогах и объектах промышленного транспорта. Сформулированы цель и основные задачи диссертационного исследования, определена научная и практическая ценность работы. Приведено описание содержания диссертации.

Отмечается, что разработанные в ИрГУПСе методы и средства моделирования ЭЭС и СТЭ в фазных координатах позволяют провести при определении режимов одновременные расчеты напряженностей ЭМП, создаваемых тяговыми сетями со сложной структурой, большим числом контактных подвесок и смежных линий электропередачи. При этом анализируемая тяговая сеть рассматривается в неразрывной связи с ЭЭС или СТЭ. Одновременный расчет режима ЭЭС (СТЭ) и создаваемых ЭМП позволяет реализовать новый, системный подход к анализу электромагнитной обстановки. Его отличительной особенностью является возможность моделирования ЭМП с учетом всех свойств и характеристик СТЭ и питающей ЭЭС. Преимущества предлагаемого метода состоят, во-первых, в возможности имитационного моделирования движения поездов в анализируемой СТЭ и определения динамики изменения напряженностей ЭМП во времени, а во-вторых, в корректном учете насыпей, выемок, вагонов и цистерн набором заземленных проводов. Особенности предлагаемой методики представлены на рис.

описана методика анализа электромагнитной обстановки в тяговых сетях железных дорог, основанная на применении разработанных в ИрГУПСе методов и средств определения синусоидальных режимов в фазных координатах.

электроснабжения магистральной железной дороги является нелинейным динамическим объектом, для описания которого может быть использована следующая модель:

где X – n-мерный вектор параметров, характеризующих режим СТЭ; Ф – n-мерная нелинейная вектор-функция; V – m-мерный вектор возмущений; C – l-мерный вектор управлений; S –q-мерный вектор, определяющий структуру СТЭ.

Электромагнитная обстановка определяется с учетом взаимодействия сложных систем, рис. 2, к которым относятся:

• объединенная трехфазно-однофазная ЭЭС и СТЭ, характеризуемая вектором состояния Х;

• железнодорожная магистраль (ЖДМ), формирующая материальный поток перевозимых грузов M (t ) ;

(ВС), в рамках задачи анализа ЭМО характеризуемая металлическими конструкциями, оказывающими влияние на ЭМП; к ним можно, в частности, отнести металлически вагоны и цистерны, местоположение которых на станционных путях зависит от вектора M (t ) ; предлагаемая методика анализа ЭМО базируется на моделировании металлических конструкций, а также особенностей профиля подстилающей поверхности наборами тонких заземленных проводов с координатами, входящими в вектор K ( p ) (t ), в общем случае зависящий от времени.

Указанные системы активно взаимодействуют друг с другом. Например, материальный поток M (t ) определяет тяговые нагрузки Pi (t ) + jQi (t ), а уровни напряжений в тяговой сети СТЭ влияют на скорости движения, изменяя тем самым интенсивность потока M (t ).

Сложность описанных систем, включающих счетные множества элементов, а также разнообразные, зачастую плохо формализуемые связи между ними, приводит к необходимости использования для исследования ЭМО методов системного анализа.

Проведение системных исследований электромагнитной обстановки базируется на следующих принципах.

Принцип приоритета конечной цели предполагает, что моделирование и управление направлено на решение задачи улучшения электромагнитной обстановки.

При этом используются ограничительные критерии следующего вида:

где H = H MAX [I(t ),K ( P ) (t ),K ], E = E MAX [U(t ),K ( P ) (t ), K ] – векторы максимумов амплитудных значений напряженности магнитного и электрического полей в контролируемых точках пространства, окружающего ТС; I(t ) – вектор токов в проводах ТС, зависящий от времени t; U(t ) – вектор напряжений в узловых точках ТС; K ( P ) (t ) – вектор декартовых координат, отвечающих точкам расположения проводов ТС, а также проводов, имитирующих проводящие объекты; K – вектор декартовых координат, отвечающих точкам наблюдения; З – затраты на реализацию мероприятий по улучшению ЭМО.

Принцип единства предполагает рассмотрение ЭМО как целостный результат взаимодействия процессов в отдельных подсистемах: ЭЭС, СТЭ, ЖДМ (рис. 2). Напряженности ЭМП определяются параметрами режима объединенной трехфазнооднофазной ЭЭС и СТЭ, которые в свою очередь зависят от текущей структуры сети, электропотребления стационарными потребителями и тяговых нагрузок, определяемых размерами движения поездов.

Разработанные в ИрГУПСе методы моделирования режимов ЭЭС и СТЭ в фазных координатах основаны на представлении линий электропередачи и трансформаторов в виде статических многопроводных элементов (СМЭ), что позволяет реализовать принцип модульности. Каждый СМЭ, представляющий отдельный, неделимый модуль, имеет, в общем случае, n входов и выходов и характеризуется комплексной матрицей проводимостей Y SME, размерностью 2n, где n r, r – число проводов, образующих СМЭ.

Принцип связности предполагает учет всех значимых связей между подсистемами, а также влияющих свойств и характеристик внешней среды: наличие неоднородностей рельефа, подземных трубопроводов, подвижного состава. При этом выделяются следующие подсистемы:

– управляющие подразделения в виде регионального диспетчерского управления (РДУ) ЭЭС (системного оператора) и ситуационного центра (СЦ) филиала ОАО «РЖД»;

– объекты инфраструктуры железнодорожной магистрали, совместно с СТЭ обеспечивающие движение поездов (путь, системы сигнализации, централизации, автоблокировки и др.); в результате образуется материальный поток M (t ), определяющий величину тяговых нагрузок и динамику их изменения;

– трехфазная электроэнергетическая система;

– однофазная система тягового электроснабжения.

При анализе ЭМО необходимо учитывать факторы внешней среды, оказывающие влияние на уровень напряженностей ЭМП. К таким факторам можно отнести:

наличие неоднородностей подстилающей поверхности – выемок, насыпей, скосов;

влияние искусственных сооружений ЖД транспорта – мостов, туннелей, галерей; наличие подвижного состава на путях, что особенно актуально при анализе ЭМО на железнодорожных станциях; влияние подземных трубопроводов, проложенных вдоль трассы железнодорожного пути. Учет внешней среды осуществляется на уровне конкретных модулей, в состав которых вводятся заземленные провода, имитирующие, с необходимой степенью дискретности, неровности подстилающей поверхности, детали искусственных сооружений, поверхности металлических вагонов и цистерн.

Принцип иерархичности предполагает учет иерархии подсистем. На верхнем уровне можно позиционировать модели ЭЭС и СТЭ, на нижнем – модели стационарных потребителей ЭЭС и тяговых нагрузок СТЭ.

Принцип функциональности состоит в том, что каждая подсистема характеризуется структурой и функциями. Структура ЭЭС и СТЭ определяется их схемами, дискретно изменяющимися во времени, вследствии проведения оперативных переключений по командам, поступающим из РДУ и СЦ. Для формального описания порядка соединения СМЭ могут использоваться обобщенные матрицы инциденций M S (t k ). При этом на основании моделей СМЭ в виде матриц Y SME формируется модель сети Инфраструктура ЖДМ преобразует информационные потоки в виде, например, графиков движения, в материальный поток M (t ) перемещения грузов по железнодорожной магистрали, характеризуемой планом и профилем пути. График движения определяет пространственные координаты каждого поезда; типы локомотивов; координаты раздельных пунктов и времени стоянок. ЭЭС преобразует информацию, например, в виде хронологических графиков нагрузки потребителей P k (t ) + jQk (t ), в энергетические потоки P ij (t ) + jQij (t ) различной интенсивности. В рамках сформулированного системного исследования, СТЭ можно рассматривать как преобразователь материального и информационного потоков в поток электромагнитной энергии, определяющий электромагнитную обстановку, характеризующуюся напряженностями ЭМП в контролируемых точках пространства.

Принцип развития предполагает возможность учета развития системы. В задаче анализа ЭМО этот принцип реализуется на основе универсальности методики, позволяющей рассматривать тяговую сеть любой конструкции, например, СТЭ повышенного напряжения, практическое использование которых планируется в среднесрочной перспективе.

Принцип децентрализации реализуется при выборе методов и средств управления электромагнитной обстановкой. Технология улучшения ЭМО базируется на сочетании в принимаемых решениях централизации (например, оптимизация графиков движения) и децентрализации (например, использование экранирующих проводов на конкретных участках тяговой сети).

Принцип неопределенности в задаче системного анализа ЭМО реализуется путем рассмотрения не только детерминированных, но и случайных графиков движения поездов. Случайный график формируются путем определения числа и масс поездов на основе статистического моделирования. Другой эффективный способ учета неопределенности состоит в применении методов интервального анализа, принципиальная возможность использования которых в задачах анализа режимов ЭЭС и СТЭ, а, следовательно, и в задачах анализа ЭМО, показана в исследованиях, выполненных в ИрГУПСе.

В работе предложена методика проведения системного анализа ЭМО, включающая следующие этапы:

1. Выявление входных и выходных воздействий. В рамках рассматриваемой задачи анализа ЭМО к входным воздействиям можно отнести: управляющие воздействия C(t ), поступающие из РДУ и СЦ; материальный поток поездов M (t ), определяющий тяговые нагрузки в режиме тяги PTk (t ) jQTk (t ) и рекуперации PPk (t ) jQPk (t ) ;

потоки активной и реактивной мощности, поступающие в тяговую сеть со стороны питающей электроэнергетической системы PGk (t ) + jQGk (t ).

Выходными параметрами являются значения напряженностей H (t, x, y ), E (t, x, y ) и активной плотности потоков электромагнитной энергии 0 (t, x, y ), вычисленные в контрольных точках пространства, окружающего ТС.

2. Декомпозиция, т.е. выделение подсистем и определение их функций.

В дополнении к представленному на рис. 2 порядку взаимодействия подсистем, следует отметить наличие информационных потоков, в конечном итоге определяющих параметры вектора X, определяющего ЭМО, а также состояние внешней среды на ЖД станциях в виде подвижного состава, находящегося в рассматриваемый момент времени на станционных путях.

3. Анализ основных процессов и взаимодействия с внешней средой. Материальный поток M (t ) определяется в зависимости от конкретных условий детерминированным или случайным графиками движения поездов. Тяговые нагрузки являются однофазными и резко переменными, что требует применения для совместного моделирования режимов ЭЭС и СТЭ фазных координат. Стационарные нагрузки ЭЭС и нетяговых потребителей ЖД транспорта изменяются, как правило, со значительно меньшей интенсивностью. Взаимодействие с внешней средой реализуется путем учета проводящих объектов, которые оказывают влияние на характер распределения ЭМП в пространстве.

4. Формирование представлений о системе как совокупности модулей. Применяя кортежное определение, можно записать где {A} – совокупность элементов СТЭ и ЭСС; { } – совокупность связей между элементами; – функции элементов. Для автоматизированных СТЭ и ЭЭС современного типа агрегат {A} можно представить в виде где {A (t ) } – технические средства; {A ( I ) } – информационные средства; {A ( ) } – прочие элементы.

5. Выявление элементов и связей, важных для целей анализа ЭМО. СТЭ активно взаимодействует с ЭЭС, ЖДМ, что необходимо учитывать при создании математической модели для анализа ЭМО. Тогда можно записать где {A (1) } – соответствует элементам ЭЭС, которые необходимо учитывать в математической модели объединенной системы; {A (2 ) } – совокупность элементов СТЭ; {A (3 ) } – элементы ВС, учет которых необходим для адекватного описания процессов изменения ЭМО. Степень полноты представления ЭЭС зависит от условий конкретного объекта, для которого осуществляется анализ ЭМО. Следует отметить необходимость редукции модели ЭЭС на основе использования методов эквивалентирования внешней сети, разработанных в ИрГУПСе.

Символьное описание процессов в СТЭ может быть представлено так:

При этом процесс S tt – есть некоторое правило перехода от ситуации со значением времени t0 к ситуации со значением t > t0 через все его промежуточные дискретные значения. Процессу S tt будет соответствовать отображение множеств Изучение процессов S tt возможно двумя методами: на основе пассивных и активных экспериментов; с помощью компьютерного моделирования.

Первый подход имеет ограниченное применение, ввиду значительных материальных затрат на проведение и обработку результатов измерений и практическую неосуществимость активных экспериментов в реальной СТЭ.

6. Разработка математической модели. Формальное описание модели СТЭ может быть представлено в виде где Х – вектор, характеризующий свойства системы, меняющиеся во времени; B – вектор входных параметров; А – вектор, характеризующий свойства системы неизменные во времени; его образуют структурные параметры, относящиеся, в частности, к подстанциям, контактной сети и ЛЭП; – правило определения параметров Х. В вектор В входят мощности тяговых и нетяговых нагрузок и структурные параметры, отвечающие модели ТС, вариация которой происходит при движении поездов.

Динамический характер моделируемого объекта обусловливает изменение напряженностей электрического E и магнитного H полей во времени и для объективной оценки электромагнитной обстановки требуется получение зависимостей E = E( x, y,t ) и H = H ( x, y,t ). Ввиду значительной сложности, а также недостаточной информационной обеспеченности СТЭ практическое использование модели (1) в настоящее время затруднительно и при моделировании применяют имитационные методы, позволяющие осуществить переход от динамической модели (1) к набору статических схем. Для этого интервал моделирования TM разбивается на малые промежутки t, внутри которых параметры X, S, C и V считаются неизменными. На каждом интервале t осуществляется решение нелинейной системы уравнений, описывающей стационарный режим схемы, отвечающей моменту времени t k :

где Xk,Sk,Ck,Vk – значения векторов X,S,C, V для k-ой мгновенной схемы.

После определения режима k-й схемы может быть выполнен расчет напряженностей электромагнитного поля, создаваемого любой из многопроводных тяговых сетей или линий электропередачи, входящих в состав моделируемой системы в заданных контрольных точках H MAX [X,K,K ( p ) ]; E MAX [X,K,K ( p ) ]. По результатам расчета напряженностей ЭМП можно найти активную плотность потока электромагнитной мощности 0, определяющую уровень воздействия ТС на окружающую среду.

Описываемая методика реализована в программном комплексе FazonordКачество. При этом напряженности электромагнитного поля могут быть определены как для отдельного режима, так и для их совокупности, на основе которой может быть получена динамика изменения напряженностей ЭМП во времени H MAX (t ), 7. Разработка методов управления ЭМО. Возможные методы улучшения ЭМО проанализированы ниже. На основе их классификации с использованием принципа децентрализации предложена система управления ЭМО.

8. Реализация разработанных методов и технологий управления ЭМО. Предлагаемые в диссертации методики анализа и технологии улучшения ЭМО реализованы при решении следующих практических задач:

– уточнение инструкций по технике безопасности при проведении инспекций железнодорожных нефтеналивных цистерн, находящихся в зонах влияния тяговых сетей напряжением 25 кВ; количественная оценка дополнительных погрешностей, вносимых электромагнитными полями ТС на приборы, применяемые при инспекции ЖД цистерн (ЗАО «Инспекторат Р»);

– выработка технических рекомендаций по снижению влияния электромагнитных полей на работу электротехнического оборудования (НТЦ «Параметр»);

– для учета электромагнитного влияния линии продольного электроснабжения от станции Улаг до станции Эльга при проектировании системы электроснабжения разреза «Эльгинский», Саха Якутия (ООО "Энергостройконсалт").

В заключительной части главы выполнена проверка адекватности моделирования ЭМП на основе сопоставления с экспериментальными замерами, а также с результатами аналитических расчетов. Проведенный анализ показал, что экспериментальные данные и результаты моделирования различаются не более, чем на 2 %. Расхождение с аналитическими расчетами в сопоставимых случаях не превышает 1,5 %.

Во второй главе на основе имитационного моделирования проведен анализ электромагнитной обстановки в электротяговых сетях. Изучалось влияние на ЭМО следующих факторов:

– конструктивное исполнение СТЭ (рассматривались традиционные СТЭ 25 и 2х25 кВ, а также СТЭ новых типов 94, 50, 2х50 и 50+100 кВ);

– профиль поперечного сечения железной дороги (наличие насыпей, выемок, скосов);

– прохождение трассы железной дороги внутри искусственных сооружений (мостов, галерей, транспортных туннелей).

На рис. 3…5, в качестве примера, показаны результаты сравнительного моделирования ЭМП для части описанных выше СТЭ. На рис. 6 представлены зависимости H MAX = H MAX (t ), полученные для реальной СТЭ одной из железных дорог Байкальского региона.

Рис. 3. Максимумы амплитудных значе- Рис. 4. Максимумы амплитудных значений ний напряженности электрического поля напряженности магнитного поля на высоте Рис. 5. Активная плотность потока электромагнитной энергии на высоте 1,8 м Анализ представленных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

наибольшая напряженность электрического поля создается СТЭ 50 кВ; при этом уровень E может превышать нормативные значения; ввиду экранирующего действия питающих проводов, автотрансформаторные СТЭ высокого напряжения создают меньшие ЭМП и плотности электромагнитной энергии, чем традиционная СТЭ 25 кВ; характер распределения энергии в пространстве для СТЭ 25 и 50 кВ практически совпадает. Учет факторов внешней среды (насыпей, выемок, скосов) осуществлялся путем имитации особенностей рельефа наборами тонких заземленных проводов. Традиционно для решения этой задачи использовались сложные методы, основанные, например, на конформных преобразованиях или векторных потенциалах. На основе предлагаемой методики возможно существенное упрощение задачи и сведение ее к решению системы нелинейных уравнений (2). Результаты моделирования ЭМП с учетом факторов внешней среды: насыпей, выемок, скосов приведены на рис. 7, из которых следует, что учет рассмотренных выше неоднородностей рельефа приводит к некоторому снижению уровня напряженности электрического поля. Наибольшее снижение имеет место, когда железная дорога проходит в выемке.

Металлические конструкции искусственных сооружений ЖД транспорта (тоннелей, мостов, галерей) существенно изменяют картину распределения напряженностей ЭМП в пространстве1. Результаты моделирования ЭМП в искусственных сооружениях железнодорожного транспорта представлены на рис. 8.

В третьей главе с помощью имитационного моделирования проведен анализ электромагнитной обстановки в условиях железнодорожных станций, на которых имеется большое количество путей и контактных подвесок, что существенно усложняет картину распределения ЭМП. Кроме Рис. 7. Максимумы амплитудных значений напрятого, на характер распредележенности электрического поля на высоте 1,8 м ния ЭМП в пространстве значительное влияние оказывают металлические вагоны и цистерны, которые могут длительное время находиться на станционных путях. Еще один фактор, усложняющий задачу моделирования ЭМП на железнодорожных станциях, состоит в наличии подземных металлических трубопроводов, также влияющих на распределение ЭМП. Для учета подвижного состава и трубопроводов применяется описанная выше методика, основанная на использовании наборов заземленных проводов. Отличие состоит в разной степени дискретизации, определяемой расстоянием между этими проводами.

Следует также отметить, что трубопроводы малого сечения могут замещаться одним проводом, а для массивных труб Рис. 8. Максимумы амплитудных значений напряженследует применять набор ности магнитного поля на высоте 1,8 м проводников, что позволяет учитывать эффекты близости. На рис. 9…11, в качестве примера, представлены Для моделирования металлических конструкций искусственных сооружений используется тот же прием, основанный на имитации проводящих объектов наборами тонких заземленных проводов.

результаты моделирования магнитного поля, создаваемого тяговой сетью железнодорожной станции с восемью контактными подвесками.

Представленные результаты позволяют сделать следующие выводы: моделирование динамики изменения поля позволяет получить наиболее полную картину электромагнитной обстановки на железнодорожных станциях; наличие подвижного состава и пассажирских платформ существенно изменяет картину распределения напряженностей ЭМП в пространстве, по сравнению с ситуацией, когда эти элементы не учитываются.

Кроме того, в заключительной части главы, на основе моделирования проведен анализ влияния на ЭМО подземных трубопроводов, проложенных вдоль трассы железной дороги. Показано, что они повышают напряженность магнитного поля в локальных областях пространства.

Рис. 9. Распределение уровней H MAX по горизонтальной оси Рис. 10. Влияние подвижного состава на уровень напряженности магнитного поля Рис. 11. Динамика изменения напряженности магнитного поля В четвертой главе описана предлагаемая система управления электромагнитной обстановкой на объектах железнодорожного транспорта. Ввиду относительно низкого напряжения в применяемых тяговых сетях 25кВ и 2х25 кВ задача управления ЭМО может быть сформулирована с использованием ограничительного критерия по напряженности магнитного поля:

Мероприятия по улучшению ЭМО разделяются на две группы: технические и режимные. К техническим мероприятиям можно отнести:

• применение отсасывающих трансформаторов (ОТ) с обратным проводом и без него;

• монтаж усиливающих и экранирующих проводов (ЭУП);

• применение пассивных экранов, устанавливаемых на пассажирских платформах;

•применение автотрансформаторных СТЭ.

К режимным мероприятиям относятся:

• оптимизация графиков движения и режимов ведения поездов по критерию улучшения ЭМО2;

• применение систем автоведения поездов с алгоритмами, включающими блоки, направленные на снижение пиковых нагрузок.

Алгоритм работы системы управления электромагнитной обстановкой в СТЭ железных дорог переменного тока показан на рис. 12.

Результаты моделирования, направленного на определение технической эффективности описанных выше мероприятий по управлению ЭМО, позволили сделать следующие выводы:

– наличие экранирующих проводов приводит к снижению напряженностей электрического и магнитного полей; монтаж ЭУП приводит к небольшому росту напряженности электрического поля и снижению H MAX. Учитывая, что напряженность электрического поля при монтаже ЭУП возрастает примерно на 5 %, а H MAX снижается на 52 %, можно рекомендовать ЭУП как эффективное средство улучшения ЭМО в электротяговых сетях;

– включение ОТ в разрыв рельсовых нитей приводит к возрастанию напряженности магнитного повышенных токов. Использование обратного провода для подключения ОТ приводит к существенному снижению магнитного поля ввиду его близкого расположения к контактной подвеске;

Практическое применение этих технологий управления возможно в перспективе, когда будут в полной мере задействованы механизмы штрафных санкций за ухудшение условий электромагнитной безопасности.

– применение пассивных экранов может быть эффективным средством улучшения условий электромагнитной безопасности на пассажирских платформах ЖД станций;

– оптимизация графика движения поездов по критерию max H H ДОП может использоваться в перспективе как эффективное средство управления ЭМО.

В заключении приведены основные результаты проведенных исследований:

1. Формализована задача анализа электромагнитной обстановки на объектах железнодорожного транспорта на основе разработанного метода моделирования электромагнитных полей в тяговых сетях, отличающегося возможностью учета всех свойств и характеристик сложной СТЭ и питающей ЭЭС; с помощью предложенной в диссертации методики определения активной плотности потока энергии в окрестностях многопроводной тяговой сети формализована задача определения интенсивности электромагнитного воздействия СТЭ на окружающую среду.

2. Детализированы принципы и предложена методика анализа электромагнитной обстановки в СТЭ железных дорог.

3. Разработано специальное математическое и программное обеспечение для анализа электромагнитной обстановки в системах тягового электроснабжения магистральных железных дорог (а также дорог промышленного транспорта) и формирования управляющих воздействий по ее улучшению.

4. Реализован новый подход к анализу электромагнитной обстановки на объектах железных дорог и промышленного транспорта, отличающийся возможностью моделирования электромагнитных полей с учетом свойств, характеристик и особенностей режимов системы тягового электроснабжения и питающей электроэнергетической системы.

5. Предложен оригинальный метод анализа динамики изменения напряженностей ЭМП в СТЭ, вызванной движением поездов, основанный на использовании фазных координат.

6. Разработаны методики учета факторов внешней среды, влияющих на картину распределения ЭМП в пространстве, отличительная особенность которых состоит в моделировании проводящих объектов набором тонких заземленных проводов.

7. На основе имитационного моделирования СТЭ 25, 2х25 и 94 кВ сделаны следующие выводы: уровни напряженности электрического поля не превышают допустимое значение 5 кВ/м для всех проанализированных ТС; напряженность магнитного поля превосходит допустимый уровень в 16 А/м, определяемый гигиеническим нормативом ГН 2.1.8/2.2.4. 2262-07, только в непосредственной близости от трассы железной дороги, что может иметь место на железнодорожных станциях и остановочных пунктах; наибольшие ЭМП создаются тяговой сетью широко распространенной СТЭ 25 кВ.

Для СТЭ повышенного напряжения сформулировано следующее заключение:

наибольшая напряженность электрического поля создается СТЭ 50 кВ; при этом уровень E может превышать нормативные значения; ввиду экранирующего действия питающих проводов автотрансформаторные СТЭ высокого напряжения создают меньшие ЭМП и плотности электромагнитной мощности, чем традиционная СТЭ 25 кВ.

8. Показано, что неоднородности рельефа (насыпи, выемки, скосы) приводят к некоторому снижению уровня напряженности электрического поля. Наибольшее снижение имеет место, когда железная дорога проходит в выемке. Результаты моделирования ЭМП в искусственных сооружениях ЖД транспорта дают возможность сделать вывод о неоднозначном влиянии этих сооружений на уровень ЭМП. Так, например, напряженности электромагнитного поля в тоннеле, в галерее и на мосту с ездой понизу значительно меньше, чем на открытом пространстве. Это связано с экранирующим действием металлических конструкций этих сооружений. Напряженности ЭМП на мосту с ездой поверху незначительно превышают аналогичные показатели для открытого пространства.

9. Установлено, что наиболее информативную картину электромагнитной обстановки в СТЭ можно получить на основе анализа динамики изменения напряженностей ЭМП. Результаты моделирования ЭМП, создаваемых тяговыми сетями реальных участков железных дорог, показывают нестационарный характер изменения напряженностей поля; такие изменения оказывают большее биологическое влияние и этот факт необходимо учитывать при решении вопросов электромагнитной безопасности.

10. Показано, что наличие подвижного состава и пассажирских платформ существенно изменяет картину распределения напряженностей ЭМП в пространстве по сравнению с ситуацией, когда эти элементы не учитываются. При этом из-за наличия подвижного состава плотность электромагнитной энергии на пассажирских платформах и неблагоприятное воздействие ЭМП на организм человека существенно уменьшаются. Установлено, что подземные трубопроводы, проложенные вдоль трассы железной дороги, повышают напряженность магнитного поля в локальной области пространства, расположенной над ним. Данный факт необходимо учитывать при анализе электромагнитной обстановки на объектах железнодорожного транспорта и разработке мероприятий по ее улучшению.

11. Разработана система управления электромагнитной обстановкой на объектах железнодорожного транспорта. Проанализированы методы управления ЭМО на объектах ЖД транспорта. На основе компьютерного моделирования определена техническая эффективность предложенных методов.

12. Полученные в ходе диссертационных исследований результаты компьютерного моделирования реальных СТЭ, практические рекомендации по повышению электромагнитной безопасности переданы в Ангарский филиал ЗАО «Инспекторат Р», ООО "Энергостройконсалт", а также в научно-технический центр «Параметр».

Материалы диссертации используются при проведении учебных занятий на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Иркутского государственного университета путей сообщения, на кафедре «Электроснабжение и электротехника»

научно-исследовательского Иркутского государственного технического университета, на кафедре «Автоматизация и электроснабжения промышленных предприятий»

Ангарской государственной технической академии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах – в изданиях, рекомендованных ВАК: