Математическое моделирование процесса управления электропотреблением крупного железнодорожного узла

Управление электропотреблением объектов тяговой и нетяговой энергетики является одним из путей повышения энергетической эффективности на железнодорожном транспорте. В статье приведена методика управления электропотреблением крупного железнодорожного узла путем изменения режима работы нетяговых потребителей электроэнергии.

Экспериментальные исследования методов прогнозирования и алгоритмов выбора электроприемников потребителей-регуляторов позволили выбрать соответствующие методы, которые дают минимальную погрешность в эксплуатационных условиях. Т.е. на верхнем уровне контура управления режимом электропотребления учитываются требования по учету электроэнергии, а на нижнем - реальные характеристики потребителей – регуляторов.

Целью математического моделирования процессов прогнозирования и оценки ущерба является установление ограничений по электропотреблению для выбранных потребителей – регуляторов.

В качестве потребителей-регуляторов были выбраны вагоноремонтное депо дирекции по обслуживанию пассажиров (ВРД-15) и ремонтное локомотивное депо ст. Саратов 2 (ТЧр-16). Для выполнения необходимых расчетов, было проведено энергетическое обследование данных предприятий.

Система электроснабжения ВРД-15, находясь в рабочем состоянии, потребляет значительное количество электроэнергии.

В таблице 1 представлен анализ отклонения фактического расхода от планового в 2015 году. Из таблицы видно, что превышение фактического расхода над планируемым расходом в 2015 году не наблюдается. Самое большое отклонение фактического расхода от планируемого было  в июне и составило - 33 %.

В целом, из таблицы видно, что потребление электроэнергии носит в основном выраженный сезонный характер: в зимний период потребление электроэнергии возрастает по сравнению с летним периодом.

Таблица 1

Анализ расхода электроэнергии по ВРД - 15 за 2015 год

Период	Производственный расход за 2015 год, (тыс. кВт час)		Отклонение фактического расхода от планового, (%)
	Плановый	Фактический
январь	903	732,93	- 19
февраль	770	725,21	- 6
март	664	614,74	- 7,5
апрель	550	490,3	- 11
май	500	431	- 14
июнь	500	334,82	- 33
июль	364	385,91	6
август	417	362,87	- 13
сентябрь	450	429,74	- 4,5
октябрь	585	545,35	- 7
ноябрь	660	632,9	- 4
декабрь	650	640,04	- 1,5
Итого:	7013	6325,81	- 10

В итоге в 2015 году суммарный фактический расход электроэнергии составил 6325,81 тыс. кВт×ч, а планируемый расход электроэнергии – 7013 тыс. кВт×ч, превышение планируемого расхода над фактическим по ВРД -15 составило –687,19 тыс. кВт×ч (10 %).

Суммарная установленная мощность электрооборудования ВРД-15 составляет 5636,36 кВт.

Аналогичным образом был проведен анализ электропотребления ТЧр-16. Отмечено, что превышение фактического расхода над планируемым расходом в 2015 году не наблюдается. Самое большое отклонение фактического расхода от планируемого было  в сентябре и составило 24,3 %. Потребление электроэнергии на предприятии, как и на ВРД-15, носит в основном выраженный сезонный характер: в зимний период потребление электроэнергии возрастает по сравнению с летним периодом.

В итоге в 2015 году суммарный фактический расход электроэнергии составил 4130,231 тыс. кВт×ч, а планируемый расход электроэнергии – 4501,56 тыс. кВт×ч, превышение планируемого расхода над фактическим по ВРД -15 составило –371,329 тыс. кВт×ч (8,25 %).

Доля ВРД-15 в суммарном электропотреблении Саратовского узла составляет, в среднем, около 10,54 % в месяц.

ОАО «Саратовэнерго» питает 3 тяговые подстанции с суммарным электропотреблением около 15 млн.кВт*ч в месяц.

Поэтому, в суммарном электропотреблении всех тяговых подстанций, доля ВРД-15 в среднем составит 3,5 % .

Для ТЧр-16 эти параметры составят 6,89% и 2,3% соответственно.

Рассмотрим случай, когда вырос объем перевозок, и выросло электропотребление всего узла, т.е. возникла угроза перерасхода электроэнергии.

Для расчета ограничений по электропотреблению представим исходные данные в табличном виде (табл. 2,3.),обозначив р₁,р₂, р₃^*, р₄^*-минимальные и максимальные мощности оборудования в рабочее и нерабочее время.

Таблица 2

Параметры потребителей-регуляторов

ПР	Pуст, кВт	Электропотр. кВт ч		р1, кВт	р2, кВт	р3*, кВт	р4*, кВт	Ущерб, руб/ч	Раб. время, ч	Нераб. время, ч
		На 20 день	План
ВРД-15	5636,36	488 620	907 000	1127,27	4509,09	281,81	1127,27	25750	56	184
ТЧр-16	4453,2	312 015	478 940	1169	3563,01	179,7	1169	28612	56	184

Таблица 3

Параметры электропотребления Саратовского узла    

Месяц	Электропотр.  за 20 суток, кВт*ч	Электропо-требление на тягу поездов+остальные потребители (на 20 сутки)	По договору	По договору тяга+сторонние	Прогноз, кВт*ч	Прогноз, тяга+остальные потребители	DW, кВт*ч	DW, %	Тариф, руб./кВт*ч	Штраф, Руб.
январь	3636773,3	2836138,3	4 901 182	3515242	5 455 160	4254207,5	553 978	11, 3	2,36	5115432,85

  

Для решения поставленной задачи воспользуемся алгоритмом математического моделирования процессов прогнозирования и оценки ущерба [1].

На рис. 1 изображено графическое представление методики расчета.

Рис. 1 Графическое представление методики расчета

Для фиксированных номеров  решается оптимизационная задача:

где

где η - коэффициент ущерба.

Причем всегда имеют место неравенства 

Произведем необходимые расчеты для t_k=20, T=30 суток:

Рассчитаем величину С:

Рассчитаем величину d:

Для ВРД-15:

Решением задачи будет:

Если 

x₁^*= 1227,27 кВт

x₂^*= 281,81 кВт

Т.е. для минимизации ущерба железной дороги необходимо поддерживать мощность электроприемников ВРД-15:

1. В рабочее время (56 часов) – 1227,27 кВт

2. В нерабочее время (184 часа)- 281,81 кВт

Для ТЧр-16:

Рассчитаем величину С:

Рассчитаем величину d:

Решением задачи будет:

Если 

x₁^*= 1163 кВт

x₂^*= 179,7 кВт

Т.е. для минимизации ущерба железной дороги необходимо поддерживать мощность электроприемников ТЧР-16:

1.В рабочее время (56 часов) – 1163 кВт

2.В нерабочее время (184 часа)- 179,7 кВт

При использовании дополнительных потребителей-регуляторов подобного типа, величина регулирования электропотребления возрастает. Число потребителей - регуляторов увеличивается в крупных железнодорожных узлах.

Таким образом, электропотребление ВЧД-15, ТЧР-16 за тридцать суток месяца составит:

После проведения управляющих воздействий глубина снижения электропотребления по сравнению с договорным составит 5,12%.

Литература

1. Мухамбетов С.Б., Рыхлов В.С. Алгоритм оптимизации электропотребления объектами железнодорожного транспорта/ Интеллектуальный потенциал высшей школы – железнодорожному транспорту/Межвузовский Сб. науч. статей, Саратов 2006.