Система информационного обеспечения и анализа потерь электрической энергии на тягу поездов

Основной особенностью энергетической политики железнодорожного транспорта, его железных дорог, является всемерное топливо-энергосбережение с одновременным повышением эффективности потребления этих ресурсов. В Программе энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998;2000, 2005 годах /1/ определена целенаправленная политика по экономии и сбережению топлива и энергии. Так, по сети дорог планируется снижение удельного расхода электрической энергии на тягу поездов с 127,2 в 1999 году до 122,7 кВт-ч/104 ткм брутто в 2005 году.

В соответствии с Программой энергосбережения на одно из ведущих мест выдвигаются вопросы внедрения комплекса энергосберегающих мероприятий. Важнейшей составляющей этого комплекса являются мероприятия по снижению удельного расхода и технологических потерь на передачу электрической энергии в сетях.

Расчетные значения технологических потерь электрической энергии от границы балансовой принадлежности (как правило, высокая сторона тяговых трансформаторов) до токоприемника электроподвижного состава для конкретных участков железных дорог являются, как правило, стабильной величиной: на участках тяговой сети постоянного тока — до (8 — 10), переменного — (3 — 5) %.

В настоящее время на железных дорогах Российской Федерации сложилась неблагоприятная ситуация с потерями электрической энергии. По результатам работы 1999 года относительный небаланс приема электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и потребления по счетчикам электроподвижного состава (в дальнейшем «небаланс») по сети дорог составил 13,9%. При более детальном рассмотрении по дорогам наблюдаются как заниженные значения, так и чрезмерно высокие. В 1999 г. «небаланс» изменялся в широком диапазоне от 5,4 до 21,6%. Если же просмотреть динамику потерь с месячным интервалом, то диапазон изменения относительного небаланса существенно расширяется — от 2,1 до 27,9%.

Разницу между «небалансом» и технологическими потерями принято называть коммерческими потерями /2, 3/. В составляющую коммерческих потерь на тягу поездов входит вполне определенный расход электроэнергии (неучтенный отбор электроэнергии от контактной сети, погрешность от приближенного учета электрической энергии по установленной мощности на отопление пассажирских вагонов в пути следования и отстое и прочее), поэтому широко распространенный термин «условные потери» далее не применяется, как не отражающий сути явления, и заменен термином «небаланс».

Значительное расхождение «небаланса» и расчетных технологических потерь говорит о неудовлетворительном техническом и организационном состоянии систем учета электрической энергии на тяговых подстанциях и электроподвижном составе железной дороги.

Отчетные значения «небаланса» в системе тягового электроснабжения железной дороги не являются информативным параметром повышенных потерь электрической энергии на отдельных участках системы электроснабжения железной дороги. Поэтому железным дорогам необходимо иметь комплексную систему научных, технических и организационных мероприятий, позволяющей управлять снижением «небаланса» электрической энергии в системе тягового электроснабжения. Система должна решать следующие вопросы: выявлять на железной дороге участки с повышенными потерямивыполнять оценку эффективности внедрения выбранных мероприятий по снижению «небаланса» на участках дорогиобеспечивать экономическую заинтересованность в снижении «небаланса» соответствующие отделения железных дорог.

Режимы работы системы тягового электроснабжения характеризуются неравномерной загрузкой смежных тяговых подстанций, уравнительными токами в межподстанционных фидерных зонах, достигающих значений нормальных эксплуатационных. В результате наблюдаются повышенные значения потерь напряжения и мощности в тяговой сети, что снижает технико-экономические показатели системы тягового электроснабжения.

Указанные недостатки режима работы системы тягового электроснабжения усиливаются несовершенством учета электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и электроподвижного состава. До настоящего времени на ряде тяговых подстанций коммерческий учет ведется индукционными счетчиками электрической энергии, которые поверяются и предназначены для работы в линейных электрических цепях. Условия эксплуатации неадекватны поверочным и характеризуются несимметрией напряжения, несинусоидальностыо токов и малыми нагрузками. Наблюдаются эксплуатационные режимы, при которых не учитывается возврат электрической энергии из контактной сети в систему внешнего электроснабжения. Имеются целый ряд недостатков и у измерительных систем учета электроэнергии на электроподвижного составе.

Представляемая работа непосредственно связана с экономией электрической энергии на железной дороге посредством разработки и внедрения комплекса организационно-технических мероприятий по снижению потерь и платы за электроэнергию на тягу поездов.

Целью диссертационной работы является создание научно обоснованных методов исследования удельного расхода и «небаланса» электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и электроподвижного состава. Для достижения этой цели в диссертационной работе рассмотрен и решен следующий комплекс экспериментальных и теоретических задач: разработан способ и программное обеспечение расчета «небаланса» и удельного расхода электрической энергии на тягу поездов в границах участков железной дорогиразработан комплекс организационно-технических мероприятий по внедрению системы контроля «небаланса» и удельного расхода электрической энергии на тягу поездовисследованы составляющие «небаланса» электрической энергии на участках железных дорог постоянного и переменного тока.

Методы исследования. Поставленные в работе цели достигаются на основе экспериментальных исследований на действующих участках железных дорог, теоретических исследований, вычислительных экспериментов.

В основу теоретических исследований положены методы расчета установившихся процессов в линейных электрических цепях, элементы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна, основные положения, выносимые на защиту. В диссертационной работе впервые комплексно решен ряд задач, позволяющих снизить «небаланс» электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и электроподвижного состава, путем выявления участков железной дороги с повышенным «небалансом» и внедрения мероприятий по его снижению. При этом решены следующие задачи: создана система контроля «небаланса» электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и электроподвижного состава позволяющая выделить участки железной дороги с повышенными потерямитеоретически или экспериментально определены границы изменения составляющих «небаланса» электрической энергии на тягу поездов на участках дорог постоянного и переменного токаразработан метод контроля удельного расхода электрической энергии на тягу поездов в границах участков железной дорогиразработана система анализа «небаланса» электрической энергии на тягу поездов по итогам отчетного периодаразработана система контроля эффективности мероприятий по снижению «небаланса» и удельного расхода электрической энергии на тягу поездов.

Достоверность результатов подтверждена практической реализацией теоретических положений на действующих участках ЗападноСибирской и Красноярской железных дорог, положительными результатами внедрения мероприятий приводящих к снижению «небаланса» и удельного расхода электрической энергии на тягу поездов.

Практическая ценность исследований определяется широким внедрением результатов работы на электрифицированных железных дорогах, состоит в том, что: внедрен комплекс организационно-технических мероприятий и программное обеспечение по выявлению участков электрифицированных железных дорог с повышенным удельным расходом и «небалансом» электрической энергии на тягу поездовразработаны и внедрены по сети железных дорог Российской Федерации инструктивно-методические указания «Организация и контроль учета электрической энергии на тягу поездов на подстанциях постоянного тока" — разработаны и внедрены на Западно-Сибирской и Красноярской железных дорогах инструктивно-методические указания «Расчет небаланса приема электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и потребления по счетчикам электроподвижного состава в границах участков железной дороги" — дана численная оценка веса каждой из составляющих «небаланса» в общем «небалансе» электрической энергии на тягу поездов;

Совокупность указанных разработок по снижению «небаланса» и контролю удельного расхода электрической энергии на тягу поездов на участках электрифицированных железных дорог позволяет получить ощутимый экономический эффект за счет снижения потерь и потребления электрической энергии по вводам тяговых подстанций.

Реализация результатов работы. На основе проведенных исследований разработаны инструктивно-методические указания «Организация и контроль учета электрической энергии на тягу поездов на подстанциях постоянного тока» (в соавторстве, утверждены департаментом электрификации и электроснабжения МПС России) и «Расчет небаланса приема электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и потребления по счетчикам электроподвижного состава в границах участков железной дороги» (в соавторстве, утверждены Зап.-Сиб. ж. д.).

При непосредственном участии автора получены следующие практические результаты по материалам теоретических исследований: определены участки железных дорог с повышенными значениями «небаланса» электрической энергии на тягу поездов на ЗападноСибирской и Красноярской железных дорогахустановлены участки Красноярской железной дороги с повышенным удельным расходом электрической энергии на тягу поездовопределены значения составляющих «небаланса» электрической энергии на тягу поездов для Западно-Сибирской и Красноярской железных дорогпроведена ревизия схем включения расчетных счетчиков электрической энергии, определена погрешность системы учета электрической энергии на тягу поездов индукционными счетчиками на тяговых подстанциях постоянного тока Кузбасского отделения Западно-Сибирской и тяговых подстанциях переменного тока Красноярской железной дорогина локомотивах постоянного тока исследована и определена погрешность учета электрической энергии на тягу поездов, рекуперацию, отопление пассажирских вагонов в пути следования и горячем простое.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены: на межвузовской научно-технической конференции — «Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы» (Омск, Омский государственный университет путей сообщения — 1998 г.) — на региональной научно-практической конференции — «Транссиб 99» (Новосибирск, Сибирский государственный университет путей сообщения — 1999 г.) — на втором международном симпозиуме — «Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте» (Москва, Московский институт инженеров транспорта — 2000 г.) — на научно-технической конференции ученых транспортных вузов, главных инженеров дорог, отделений и линейных предприятий Сибирского и Дальневосточного регионов — «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков» (Чита, Дальневосточный государственный университет путей сообщения — 2000 г.) — на третьей научно-практической конференции — «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Москва, Московский институт инженеров транспорта — 2000 г.).

5.5. Выводы.

1. Экспериментально оценена составляющая «небаланса», обусловленная погрешностью электродинамических приборов учета электрической энергии электроподвижного состава. Определена погрешность учета электрической энергии электродинамическими счетчиками электроподвижного состава в тяговом режиме и в режиме рекуперации. Влияние погрешности учета электрической энергии электродинамическими счетчиками электроподвижного состава на величину «небаланса» составляет 3,2%.

2. Проведена оценка влияния неучета расхода на отопление пассажирских вагонов в пути следования и отстое на «небаланс» электрической энергии на тягу поездов (0,7%). Определено влияние погрешности учета расхода электрической энергии на отопление на «небаланс» (1,0%).

3. Экспериментально определена погрешность учета электрической энергии в горячем простое и оценена составляющая «небаланса» электрической энергии на тягу поездов, обусловленная этой величиной. Недоучет электрической энергии в режиме горячего простоя в границах участков Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги за контрольный месяц составил 1,5%.

4. Определена составляющая «небаланса», вызванная погрешностью учета электрической энергии рекуперации. Расчетное значение составляющей «небаланса» от низкой достоверности учета энергии рекуперации составило 0,5%.

6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СНИЖЕНИЯ КОММЕРЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ «НЕБАЛАНСА».

Оценку экономической эффективности выполним на примере ревизии системы учета электрической энергии и замены индукционных счетчиков электронными на тяговых подстанциях Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги.

Экономическая эффективность настоящей работы определяется снижением платы за принятую по вводам тяговых подстанций энергию за счет повышения достоверности ее учета, а также повышения достоверности учета электрической энергии, отпускаемой посторонним и железнодорожным потребителям.

Снижение принятой по вводам тяговых подстанций электрической энергии может быть достигнуто за счет замены расчетных индукционных счетчиков, имеющих, как правило, положительные погрешности, на электронные.

Повышение достоверности учета отпускаемой энергии обеспечивается также установкой электронных счетчиков на тягу поездов и на фидера посторонних и железнодорожных потребителей.

В соответствии с /142- 145/ оценка эффективности проекта производится с использованием следующих показателей:

— чистый дисконтированный доход (ЧДД) или интегральный эффект (Эинт);

— индекс доходности (ИД) или индекс прибыльности (ИП);

— внутренняя норма доходности (ВНД) или внутренняя норма прибыли (ВНП);

— срок окупаемости (СО).

На стадии технико-экономических исследований мероприятий научно-технического прогресса (НТП) в первую очередь интересует оценка интегрального эффекта. Величина чистого дисконтированного дохода при постоянной норме дисконта определяется по выражению:

Т 1 Т.

ЧДД= I (Р.-З)—= I Э ос (6Л).

1 = 0 Т 1 (1 + Е)1 1 = 0 1 1 где Р (- результаты, достигнутые на 1-ом шаге расчета;

3(- затраты, осуществляемые^ом шаге;

Т — расчетный период;

Е — норма дисконта, 0,1 /143/;

Э (= (Р[ - 31) — эффект, достигаемый на 1-м шаге расчетаа (= ^ - коэффициент дисконтирования.

Проект считается эффективным, если ЧДД положителен.

За 1997 г. 78 тяговых подстанций Кузбасского отделения приняли по вводам 1438,3 млн кВт-ч энергии. Переучет принятой электроэнергии составил 14,2 млн кВт-ч. Погрешность распределенной энергии при этом составила -12,1 млн кВт-ч, а погрешность на тягу поездов соответственно 26,3 млн кВт-ч.

Оценку экономического ущерба проведем при цене 0,128 р./ кВт-ч для нужд электрической тяги.

Переплата за принятую по вводам энергию (без учета тяговых подстанций Беловской дистанции) за 1997 г. на тягу поездов составила соответственно 3360 тыс. р. При этом нетранспортные потребители недоплатили за 1997 г. 2622 тыс. р.

Снижение платы за электроэнергию, принимаемую по вводам тяговых подстанций, можно получить за счет установки электронных счетчиков СЭТЗа-01−01 класса точности 0,5 стоимостью 600 р. за счетчик. Такие же счетчики необходимо установить на фидерах кремниевых выпрямителей, а также фидерах с годовым потреблением энергии свыше 2−5 млн кВт-ч. На тяговых подстанциях Кузбасского отделения для этих целей необходимо на 79 тяговых подстанций 350 счетчиков. С учетом срока службы счетчиков за расчетный период принимаем срок 10 лет.

Экономическая эффективность настоящей работы состоит в снижении коммерческой составляющей «небаланса» электрической энергии на тягу поездов:

Затраты на внедрение НИР складываются из. капитальных вложений (К{) и эксплуатационных расходов (3?):

Капитальные затраты представляют собой договорную стоимость научно-исследовательской работы и продажную цену счетчиков:

Эксплуатационные расходы за расчетный период включают в себя расходы на поверку приборов учета и амортизационные отчисления.

Межповерочный срок работы счетчика составляет 6 лет. За расчетный период необходимо выполнить поверку счетчиков один раз. Стоимость Государственной поверки одного счетчика составляет 240 р. + 20% НДС, т. е. 288 р. (август 2000 г.).

Амортизационные отчисления составляют 3,33% от стоимости счетчика или 20 р. в год при сроке службы 30 лет.

Годовые эксплуатационные затраты равны.

Для приведения разновременных затрат и результатов к одному моменту времени при определении суммарного за расчетный период экономического эффекта (ЧДД) используется коэффициент дисконтирования оц. Индекс доходности (ИД) рассчитывается как отношение суммы приведенных эффектов к величине капиталовложений:

3t=(Kt+3-).

6.2).

К0 = 300 + 210 = 510 тыс. р.

10×350 = 17 080р. 30 t=0 К t •.

6.3).

Если по результатам расчета ИД положителен, то проект эффективен. Результаты расчета ЧДД приведены в табл. 6.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Совокупность изложенных в диссертации научных положений связана с разработкой комплексной системы исследовательских, технических и организационных мероприятий, позволяет управлять снижением «небаланса» электрической энергии в системе тягового электроснабжения. Система позволяет выявлять на железной дороге участки с повышенными потерями, выполнять оценку эффективности внедрения выбранных мероприятий по снижению «небаланса» на участках дороги, обеспечивает экономическую заинтересованность в снижении «небаланса» соответствующие отделения железных дорог.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Проведен анализ «небаланса» и удельного расхода электрической энергии на тягу поездов по сети железных дорог и ЗападноСибирской железной дороге. Анализ показал, что динамика «небаланса» электрической энергии на тягу поездов в течение 1999 г. имеет явно выраженную температурную зависимостьтенденция изменения «небаланса» в границах Западно-Сибирской железной дороги по месяцам года аналогична средним данным по сети железных дорогпо итогам работы в 1999 г. на Западно-Сибирской железной дороге «небаланс» выше сред-несетевого на 2,9%.

2. Вычислительные эксперименты показывают, что суммарные технологические потери в элементах системы тягового электроснабжения должны находиться в диапазоне (5,7 — 9,0) % на полигоне постоянного тока и (3,1 — 8,1) % на полигоне переменного тока. Однако эти потери не соответствуют отчетным значениям. Сравнение расчетных данных с отчетными значениями «небаланса» железных дорог показывает, что они значительно различаются. Эта разница определяется так называемой коммерческой составляющей «небаланса». Для организации системы информационно-управляющего обеспечения эффективности внедрения мероприятий по снижению потерь электрической энергии в тяговой сети необходимо знание не только составляющих технологических потерь, но и оценки составляющих коммерческих потерь.

3. Разработана методика расчета удельного расхода и «небаланса» электрической энергии на тягу поездов в границах участков железной дороги, позволяющая выявлять участки с повышенным удельным расходом и «небалансом» электрической энергии на тягу поездов.

На практике методика реализована в виде автоматизированной системы обработки данных (АСОД) «Небаланс», которая позволяет по данным расхода электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций и электроподвижного состава определять «небаланс» и удельный расход электрической энергии на отдельных участках железной дороги.

Эффективность внедрения АСОД «Небаланс» определяется выявлением участков железной дороги с повышенными значениями потерь электрической энергии и определением причин, вызывающих увеличение потерь.

4. Разработаны организационно-технические мероприятия для внедрения метода расчета «небаланса» и удельного расхода в границах участков железной дороги. Мероприятия включают методику разбиения железной дороги на участки, методику проведения экспериментальных поездок для определения коэффициентов распределения электрической энергии по накладным плечам обслуживания, рекомендации по установке приборов учета на тяговых подстанциях, находящихся на границе разделов участков дороги (НОД).

5. Разработаны методики расчета допустимого расхождения между принятой и распределенной электрической энергией на тяговых подстанциях постоянного тока и ревизии учета электрической энергии на тяговых подстанциях постоянного тока.

6. Проведен анализ существующих схем включения измерительных приборов учета электроэнергии, предложена методика проверки правильности схем включения счетчиков электрической энергии, классификация схем неправильного включения счетчиков.

7. Ревизия учета электрической энергии на тяговых подстанциях Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги и исключение погрешности индукционных приборов учета путем замены их электронными привело к снижению «небаланса» на 2,6%. Экспериментальная оценка погрешности косвенного метода учета электрической энергии на тягу поездов в границах Западно-Сибирской железной дороги показывает, что переход к прямому методу учета позволит снизить небаланс приема электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций и потребления по счетчикам электроподвижного состава на 0,6%.

8. Экспериментально оценена составляющая «небаланса», обусловленная погрешностью электродинамических приборов учета электрической энергии электроподвижного состава. Исключение погрешностей учета электрической энергии на тягу поездов, отопление пассажирских вагонов, горячий простой и рекуперацию позволит снизить «небаланс» в границах Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги на 5,0%.

9. Расчет экономической эффективности, проведенный по итогам снижения коммерческой составляющей «небаланса» по счетчикам тяговых подстанций на Кузбасском отделении Западно-Сибирской железной дороги, показывает, что интегральный экономический эффект за расчетный период, равный 10 годам, составляет более 20 млн р.