Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 52981 10.20295/2223-9987-2022-3-24-38 Общетехнические задачи и пути их решения GENERAL TECHNICAL PROBLEMS AND SOLUTION APPROACH Общетехнические задачи и пути их решения Model for Joint Operation of Traction and External Power Supply System Модель совместной работы системы тягового и внешнего электроснабжения Агунов Александр Викторович Agunov Aleksandr Viktorovich alexagunov@mail.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Бурков Анатолий Трофимович Burkov Anatoliy Trofimovich

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Иванов Михаил Александрович Ivanov Mihail Aleksandrovich m-a-ivanov@yandex.ru Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation 22 09 2022 22 09 2022 2022 3 24 38 20 09 2022 https://atjournal.ru/en/nauka/article/52981/view

Цель: Повысить точность учета влияния внешних питающих сетей на работу систем тягового электроснабжения переменного тока промышленной частоты. В статье показано, что существующие математические модели совместной работы тягового и внешнего электроснабжения обладают значительными ограничениями. Эти ограничения почти исключают возможность их практического использования. В то же время при проектировании новой электрификации требуется выбирать наиболее эффективную схему внешнего электроснабжения. При эксплуатации существующих электрифицированных участков возникает необходимость оценить величину уравнительного тока при ремонтах в сетях внешнего электроснабжения и принять решение об изменении схемы питания и секционирования. Для решения этих задач требуется соответствующая модель. Методы: Анализ существующих математических моделей и компьютерных программ для совместного расчета сетей тягового и внешнего электроснабжения. Разработка моделей трехфазных PU-генераторов на базе источника ЭДС за индуктивным сопротивлением, моделей трехфазных и однофазных нагрузок. Результаты: В статье представлено описание математической модели, предназначенной для исследования совместной работы систем тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ и питающих энергосистем 110–750 кВ. Рассмотрены принципы построения модели трехфазных и однофазных PU-генераторов на базе источника ЭДС за индуктивным сопротивлением, также трехфазных и однофазных нагрузок. На основе приведенных математических выражений разработана компьютерная модель, позволяющая анализировать совместную работу трехфазных сетей внешнего электроснабжения и однофазных тяговых сетей. Модель реализована в программном пакете MATLAB-Simulink. С помощью этой компьютерной модели проанализировано влияние перетоков мощности по сети 110–330 кВ ПАО «Карелэнерго» и ПАО «ФСК ЕЭС» на уравнительные токи в тяговой сети участка Княжая — Идель Октябрьской железной дороги. Практическая значимость: Повышение надежности работы систем тягового электроснабжения за счет точного расчета уравнительных токов. Снижение потерь энергии в тяговой сети за счет выбора оптимальной схемы питания тяговой сети.

Purpose: To improve record accuracy of external power supply network influence on the operation of traction power supply systems of industrial frequency AC. The article shows that existing mathematical models of traction and external power supply joint operation have sounding limitations. These limitations almost exclude the possibility of their practical use. At the same time, when projecting a new electrification, it is required to choose the most efficient external power supply scheme. At the exploitation of existing electrified sections, the necessity arises to assess equalizing current value during repairs in external power supply networks and to adopt a decision on changing power supply and sectioning schemes. Corresponding model is required to solve these tasks. Methods: Analysis of existing mathematical models and computer programs for joint calculation for traction and external power supply networks. Development of three-phase PU-generator models on the basis of EMF source behind an inductive resistance, development of three-phase and single-phase load models. Results: The article presents a description of a mathematical model implied to study the joint operation of 25 kV AC traction power supply systems and 110-750 kV power supply systems. The principles of building the model of three-phase and single-phase PU-generators on EMF source basis behind inductive resistance as well as the models of three-phase and single-phase loads are considered. Based on the given mathematical expressions, a computer model has been developed that allows analyzing the joint operation of three-phase external power supply networks and single-phase traction ones. The model is implemented in MATLAB-Simulink software package. Using this computer model, the influence of power flows through 110–330 kV network of Karelenergo and “FSK EAS” Public Companies on equalizing currents in the traction network of Knyazhaya — Idel section of Oktyabrskaya railway was analyzed. Practical importance: The reliability raise for traction power supply system operation at the expense of precise calculation of equalizing currents. Energy loss reduction in a traction network in account of traction network optimal power supply scheme choice.

 Тяговое электроснабжение двухстороннее питание уравнительный ток поток мощности расчет режимов PU-генератор Traction power supply two-way power supply equalizing current power flow power flow calculation PU-generator

Чернов Ю. А. Электроснабжение железных дорог: учеб. пособие / Ю. А. Чернов. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. - 406 с. Chernov Yu. A. Elektrosnabzhenie zheleznyh dorog: ucheb. posobie / Yu. A. Chernov. - M.: FGBOU «Uchebno-metodicheskiy centr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte», 2016. - 406 s. EN 50388 Railway Applications - Power supply and rolling stock - Technical criteria for the coordination between power supply (substation) and rolling stock to achieve interoperability. CENELEC, 03.2012 EN 50388 Railway Applications - Power supply and rolling stock - Technical criteria for the coordination between power supply (substation) and rolling stock to achieve interoperability. CENELEC, 03.2012 Liao Y. Discussion on the Design of Power Supply and Distribution System for Hefei-Nanjing Railway / Y. Liao // Building Electricity. - 2008. - Vol. 9. - Pp. 20-25. Liao Y. Discussion on the Design of Power Supply and Distribution System for Hefei-Nanjing Railway / Y. Liao // Building Electricity. - 2008. - Vol. 9. - Pp. 20-25. Brenna M. Electrical Railway Transportation Systems / M. Brenna, F. Foiadelli, D. Zaninelli // IEEE Press. - Piscataway, 2018. Brenna M. Electrical Railway Transportation Systems / M. Brenna, F. Foiadelli, D. Zaninelli // IEEE Press. - Piscataway, 2018. Караев Р. И. Электрические сети и энергосистемы: учебник для вузов ж.-д. транспорта / Р. И. Караев, С. Д. Волобринский, И. Н. Ковалев. - 3 изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1988. - 326 с. Karaev R. I. Elektricheskie seti i energosistemy: uchebnik dlya vuzov zh.-d. transporta / R. I. Karaev, S. D. Volobrinskiy, I. N. Kovalev. - 3 izd., pererab. i dop. - M.: Transport, 1988. - 326 s. Варенцов В. М. Учет энергии на подстанциях переменного тока при протекании по контактной сети транзитных токов / В. М. Варенцов, А. И. Бурьяноватый, М. А. Иванов // Вестник ВНИИЖТ. - 2017. - Т. 76. - № 5. - С. 294-300. - DOI: http://dx.doi.org/10.21780/2223-9731-2017-75-5-294-300. Varencov V. M. Uchet energii na podstanciyah peremennogo toka pri protekanii po kontaktnoy seti tranzitnyh tokov / V. M. Varencov, A. I. Bur'yanovatyy, M. A. Ivanov // Vestnik VNIIZhT. - 2017. - T. 76. - № 5. - S. 294-300. - DOI: http://dx.doi.org/10.21780/2223-9731-2017-75-5-294-300. Косарев А. Б. Методика расчета токораспределения в тяговых сетях переменного тока. / А. Б. Косарев, Б. И. Косарев // Вестник ВНИИЖТ. - 2017. - Т. 76. - № 6. - С. 329-335. - DOI: http://dx.doi.org/10.21780/2223-9731-2017-75-6-329-335. Kosarev A. B. Metodika rascheta tokoraspredeleniya v tyagovyh setyah peremennogo toka. / A. B. Kosarev, B. I. Kosarev // Vestnik VNIIZhT. - 2017. - T. 76. - № 6. - S. 329-335. - DOI: http://dx.doi.org/10.21780/2223-9731-2017-75-6-329-335. Жарков Ю. И. Учет схем питания тяговых подстанций при расчетах коротких замыканий в тяговой сети переменного тока / Ю. И. Жарков, Н. А. Попова, Е. П. Фигурнов // Вестник ВНИИЖТ. - 2019. - Т. 78. - № 1. - С. 10-18. - DOI: http://dx.doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-1-10-18. Zharkov Yu. I. Uchet shem pitaniya tyagovyh podstanciy pri raschetah korotkih zamykaniy v tyagovoy seti peremennogo toka / Yu. I. Zharkov, N. A. Popova, E. P. Figurnov // Vestnik VNIIZhT. - 2019. - T. 78. - № 1. - S. 10-18. - DOI: http://dx.doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-1-10-18. Расчет токов короткого замыкания в тяговой сети с двухсторонним питанием / Л. А. Герман, А. С. Серебряков, А. Б. Лоскутов и др. // Электричество. - 2019. - № 5. - С. 19-23. - DOI: http://dx.doi.org/10.24160/0013-5380-2019-5-19-23. Raschet tokov korotkogo zamykaniya v tyagovoy seti s dvuhstoronnim pitaniem / L. A. German, A. S. Serebryakov, A. B. Loskutov i dr. // Elektrichestvo. - 2019. - № 5. - S. 19-23. - DOI: http://dx.doi.org/10.24160/0013-5380-2019-5-19-23. Закарюкин В. П. Моделирование режимов систем электроснабжения железных дорог: монография / В. П. Закарюкин, А. В. Крюков. - Иркутск: ИрГУПС, 2014. - 164 с. Zakaryukin V. P. Modelirovanie rezhimov sistem elektrosnabzheniya zheleznyh dorog: monografiya / V. P. Zakaryukin, A. V. Kryukov. - Irkutsk: IrGUPS, 2014. - 164 s. Закарюкин В. П. Моделирование систем внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока / В. П. Закарюкин, А. В. Крюков, Д. П. Вторушин. - Иркутск: ИрГУПС, 2013. - 160 с. Zakaryukin V. P. Modelirovanie sistem vneshnego elektrosnabzheniya zheleznyh dorog peremennogo toka / V. P. Zakaryukin, A. V. Kryukov, D. P. Vtorushin. - Irkutsk: IrGUPS, 2013. - 160 s. Меркурьев Г. В. Устойчивость энергосистем. Книга 1 / Г. В. Меркурьев, Ю. М. Шарагин, Г. А. Мелешкин. - СПб.: ЦПКЭ, 2006. - 368 с. Merkur'ev G. V. Ustoychivost' energosistem. Kniga 1 / G. V. Merkur'ev, Yu. M. Sharagin, G. A. Meleshkin. - SPb.: CPKE, 2006. - 368 s. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2021615190 Российская Федерация. Программа расчета систем тягового электроснабжения переменного тока с учетом изменяющегося напряжения на тяговой нагрузке / М. А. Иванов, А. Т. Бурков, А. В. Агунов, Д. А. Соколов; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I». - № 2021614252; заявл. 29.03.2021; опубл. 05.04.2021. - 1 с. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registracii programmy dlya EVM 2021615190 Rossiyskaya Federaciya. Programma rascheta sistem tyagovogo elektrosnabzheniya peremennogo toka s uchetom izmenyayuschegosya napryazheniya na tyagovoy nagruzke / M. A. Ivanov, A. T. Burkov, A. V. Agunov, D. A. Sokolov; zayavitel' i pravoobladatel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Peterburgskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya Imperatora Aleksandra I». - № 2021614252; zayavl. 29.03.2021; opubl. 05.04.2021. - 1 s. Схема и Программа перспективного развития электроэнергетики Республики Карелия на период до 2024 г. Утверждена распоряжением главы Республики Карелия А. О. Парфенчикова от 31.07.2020 г. № 475-р. Shema i Programma perspektivnogo razvitiya elektroenergetiki Respubliki Kareliya na period do 2024 g. Utverzhdena rasporyazheniem glavy Respubliki Kareliya A. O. Parfenchikova ot 31.07.2020 g. № 475-r. Результаты контрольных замеров потокораспределения, нагрузок и напряжений в электрических сетях ПАО «МРСК Северо-Запада». - https://www.mrsksevzap.ru/infodisclosure/2standartdisclosure/18results/. Rezul'taty kontrol'nyh zamerov potokoraspredeleniya, nagruzok i napryazheniy v elektricheskih setyah PAO «MRSK Severo-Zapada». - https://www.mrsksevzap.ru/infodisclosure/2standartdisclosure/18results/. Справочник по проектированию электроэнергетических сетей / Под ред. Д. Л. Файбисовича. - 3 изд., перераб. и доп. - М.: НЦ ЭНАС, 2012. - 376 с. Spravochnik po proektirovaniyu elektroenergeticheskih setey / Pod red. D. L. Faybisovicha. - 3 izd., pererab. i dop. - M.: NC ENAS, 2012. - 376 s.