Автоматизация диспетчерского управления электроснабжением железнодорожного транспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Сиромаха, Валерий Николаевич

• Сиромаха, Валерий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сиромаха, Валерий Николаевич

Введение.

1. Анализ существующих методов и технических решений автоматизации работы энергодиспетчера.

2. Анализ задач диспетчерского управления электроснабжением железных дорог.

2.1. Классификация оперативных действий энергодиспетчера дистанции электроснабжения.

2.2. Классификация оперативных действий диспетчера

ЦЭДП.

2.3. Классификация оперативных действий оперативного дежурного по департаменту ЦЭ ОАО «РЖД».

Анализ задач оперативного управления ЭЧЦ.

3. Моделирование оперативной работы энергодиспетчера.

3.1. Математическая модель процедуры «согласования» энергодиспетчером работ в СЭН.

3.2. Математические модель процедуры "прием и обработка заявок" в системе электроснабжения.

3.3. Математическая модель процедуры "пуск заявок в работу".

3.4. Исследования и анализ временных параметров оперативной деятельности энергодиспетчера.

4. Передача информации в системе управления объектами электроснабжения.

4.1. Структура технических средств.

4.2. Форматы и протоколы передачи данных.

4.3. Оценка временных параметров.

4.4. Оценка пропускной способности каналов передачи ТУ-ТС.

5. Автоматизация оперативной работы энергодиспетчера.

5.1 Разработка методики составления типовых заявок.

5.2 Рациональные критерии при формировании типовых заявок для работ на контактной сети.

6. Техническая реализация автоматизированных рабочих места энергодиспетчеров в системе управления электроснабжением железных дорог.

6.1. Техническая реализация автоматизированного рабочего места энергодиспетчера ЦЭДП.

6.2. Техническая реализация автоматизированного рабочего места участкового энерго диспетчера (АРМ ЭЧЦ).

6.3. Реализации основных функций программного обеспечения АРМ

7. Технико-экономическое обоснование работ по созданию ЦЭДП.

7.1. Расчет экономической эффективности от внедрения АРМ ЭЧЦ для одного энергодиспетчерского круга дороги.

7.2. Расчет экономической эффективности от внедрения АРМ центрального энергодиспетчера дороги.

7.3. Определение годового экономического эффекта и срока окупаемости

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация диспетчерского управления электроснабжением железнодорожного транспорта»

Железнодорожный транспорт в нашей стране осуществляет основную долю как грузовых, так и пассажирских перевозок. Электрические железные дороги осуществляют в РФ свыше 84% всех перевозок, и их роль постоянно возрастает [1]. Система электроснабжения является наиболее капиталоемкой, технически сложной, эксплуатируемой в тяжелых условиях. Постоянно производится обновление оборудования. Ежегодно заменяется 650 км контактного провода, 500 км дефектного несущего троса, 14500 опор контактной сети, переводится контактной подвески на новые опоры более 20000 шт., производится модернизация подвески контактной сети на большие нагрузки и скорости движения поездов, строятся и обновляются тяговые подстанции и посты секционирования, вводятся новые системы телемеханики и автоматики. Это, в свою очередь, приводит к увеличению количества и продолжительности «окон» в движении поездов в любое время суток, в том числе и в «ночные смены»; увеличение количества одновременно работающих комплексов, бригад различных подрядных организаций в реализации работ по реконструкции железнодорожного хозяйства. Поскольку все работы на железных дорогах реализуются на основе принципов строгой централизации диспетчерских структур различных уровней. В хозяйстве электроснабжения оперативное руководство работами осуществляется через энергодиспетчерскую структуру [19, 20, 21].

Центральный энергодиспетчерский пункт (ЦЭДП) является вторым уровнем диспетчерского управления системой электроснабжения в пределах одной железной дороги. ЦЭДП железных дорог в свою очередь могут быть объединены в главный энергодиспетчерский пункт (ГЭДП) в пределах всей сети железных дорог.

ЦЭДП связан со всеми региональными ЭЧЦ каналами связи, по которым поступает следующая информация:

• положение коммутационных аппаратов;

• результаты телеизмерений параметров функционирования системы электроснабжения в контрольных точках;

• оперативная информация о ходе выполнения работ по техническому обслуживанию устройств в системе электроснабжения, производимых под руководством энергодиспетчера ЭЧЦ.

Энергодиспетчер ЦЭДП также может осуществлять оперативный контроль и управление действиями энергодиспетчера ЭЧЦ, Несмотря на наличие технической возможности подачи команд непосредственно с ЦЭДП, подачу команд на переключение объектов выполняет только участковый энергодиспетчер. Это связано с требованиями документов, определяющих порядок выполнения оперативных переключений в системе электроснабжения железных дорог.

Энергодиспетчерский круг — это участок протяженностью, как правило,

150-180 км, оперативное руководство на котором осуществляется одним энергодиспетчером. Управляемые и контролируемые диспетчером объекты, в том числе масляные выключатели, разъединители, трансформаторы, сосредоточены на контролируемых пунктах (КП). КП включает комплекс технологического оборудования, являющегося объектом контроля и телеуправления. Средства контроля и управления КП могут формировать управляющие воздействия самостоятельно, без вмешательства диспетчера, вызывая переключения объектов управления. В состав КП входят тяговые подстанции, посты секционирования, станции и др. Как правило, диспетчерский круг включает до 15 крупных КП (тяговых подстанций, постов секционирования, станций стыкования и т.п.), а также различное количество КП с меньшим объемом информации (станций с группами разъединителей контактной сети). Суммарное количество КП в составе круга обычно не превышает 50. Количество управляемых объектов на КП колеблется в широких пределах: от 4-6 до 40-50, на некоторых КП число объектов управления достигает 80. Число контролируемых объектов может составлять от 5 до 120. В число объектов телесигнализации на КП входят 5 быстродействующие автоматические выключатели, время переключения которых составляет доли секунды, способные самостоятельно переключаться под действием аппаратуры автоматики и защиты, и сравнительно медленно действующие аппараты (время переключения 3-5 с), управляемые вручную (разъединители контактной сети и продольных высоковольтных линий). При различных автоматических переключениях на подстанциях или постах секционирования может одновременно измениться положение нескольких аппаратов, расположенных на одном или нескольких КП.

Передача сообщений в телемеханических системах должны осуществляться с учетом следующих требований:

• Обеспечение высокой достоверности передачи в сложных условиях эксплуатации, в частности в условиях высокого уровня помех в каналах связи.

• Передаваемые сигналы должны быть надежно защищены от необнаруживаемых ошибок, от неправильного приема кодовых форматов вследствие ошибок синхронизации, от потерь сообщений и возникновения ложных сообщений, в том числе их трансформации;

• Обеспечение минимального времени передачи.

Оснащение энергодиспетчера автоматизированным рабочим местом

АРМ ЭЧЦ) позволяет избежать большого количества рутинных действий

ЭЧЦ по оперативному управлению и документированию различных видов его производственной деятельности. Анализ показывает, что осуществление обеспечения даже одного вида работ в системе энергоснабжения с момента принятия на неё заявки и до восстановления схемы после завершения работы представляется многоэтапным с разделением по времени на значительные промежутки (до нескольких суток). Работа на КС, ЭЧЭ, BJI СЦБ, ДПР сопровождаются, как правило, большим количеством переключений электротехнического оборудования, выполняемого как средствами ТМ, так и дистанционного (РУ) управления ими. При работах на контактной сети необходимо осуществлять закрытие движения ЭПС на выделяемых участках 6 железной дороги, где производятся работы. Выполняются-; эти действия» другими оперативными структурами железной дороги (ДНЦ, ДС) [24]. Участвуют в обеспечении работ в хозяйстве ЭЧ также оперативные подразделения; дистанций: ШЧ; Эффективность: использования-АРМ ЭЧЦ в основном проявляется в том, как подготовлена его база данных для оперативной работы ЭЧЦ.

Одним из методов автоматизации! обеспечения производства* работ на контактной; сети является, использование: метода типовых, заявок. Использование метода типовых заявок позволяет:

Снизить трудозатраты энергодиспетчера на выполнение переключений для подготовки?. рабочего места? и восстановления рабочей схемы электроснабжения-:

• Снизить трудозатраты; энергодиспетчера на; оформление, оперативной документации, необходимой для производства работ;

• Снизить вероятность ошибок диспетчера, как, при выборе вариантов переключений, так и при производстве переключений.

Несмотря* на наличие на- сети дорог АРМ ЭЧЦ обеспечивающих программную реализацию указанного метода, он не используется в должной мере, ©дна из причин — трудности при подготовке типовых заявок. Для упрощения: подготовки. типовых заявок необходима разработка универсальной методики.

Актуальность темы. Увеличение объемов, работ по реконструкции и ремонту оборудования системы, электроснабжения железнодорожного транспорта вызывает увеличение нагрузки на энергодиспетчера, и как следствие повышает вероятность ошибочных действий. Особенно это актуально для, последних лет, в связи с дефицитом квалифицированных кадров. Современные компьютеров, позволяют реализовать новые технологии работы энергодиспетчера, обеспечивающие повышение: производительности труда энергодиспетчера и безопасности работ по эксплуатации системы электроснабжения железнодорожного транспорта. 7

Разработка новых технологий должна базироваться на исследованиях работы энергодиспетчера, в том числе статистическими методами и математическом моделировании.

Главная тенденция при создании новых систем управления — значительное расширение функциональности. Большинство эксплуатируемые на дорогах системы телемеханики не отвечают современным требованиям. Большое количество сбоев и ошибок при передаче команд телеуправления и сообщений телесигнализации не позволяет эффективно использовать новые технологии работы энергодиспетчера. Необходим переход на новые, более защищенные, протоколы передачи информации. В условиях ограниченного финансирования, и сворачивания инвестиционных программ становиться актуальна модернизация действующих систем телемеханики. Необходимо, создание и интеграция в единую систему управления подсистем поддержки и контроля действий энергодиспетчера, диагностики оборудования. Это позволит осуществлять эффективное управление режимами работы системы, перейти к обслуживанию по состоянию.

Цель работы. Исследование работы энергодиспетчера в современных условиях и разработка новых технических решений для автоматизации энергодиспетчерского управления электроснабжением электрифицированных железных дорог.

Постановка задачи. В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследований: а) произвести анализ структуры и задач энергодиспетчерского управления, исследовать оперативную работы энергодиспетчера дистанции электроснабжения в совремённых условиях; б) выполнить математическое моделирование основных производственных функций энергодиспетчера дистанции электроснабжения для выбора основных направлений автоматизации; в) предложить новые принципы реализации системы телемеханики для повышения эффективности оперативного руководства технологическими 8 процессами в системе электроснабжения; г) разработать технологическое обеспечение работы энергодиспетчера с использованием автоматизированного рабочего места; е) разработать структурные решения и аппаратное и программное обеспечение автоматизированных рабочих мест энергодиспетчера центрального энергодиспетчерского пункта дороги и дистанции электроснабжения.

Объект и методы исследования. В работе в качестве объектов исследования выбраны энергодиспетчерские круги Московской, Октябрьской, Северной, Куйбышевской железных дорог. Теоретические исследования базируются на основных положениях и методах математической статистики, математического моделирования, теории передачи информации, теоретических основ электротехники. Научная новизна

1. Произведен статистический анализ основных функций энергодиспетчера, осуществляющего оперативное управление работами в системе электроснабжения электрических железных дорог.

2. Разработаны математические модели информационных процессов оперативного управления системы электроснабжения электрических железных дорог, позволяющие оценить временные параметры для новых технологий оперативного управления электроснабжением.

3. Предложена методика формирования типовых заявок для работ на контактной сети.

4. Сформулированы критерии рациональной конфигурации типовых заявок для работ на контактной сети, учитывающие способы выделения участков контактной сети на секции.

5. Предложены принципы модернизация системы телемеханики с передачей команд телеуправления и сообщений телесигнализации в цифровых протоколах по существующим тональным каналам связи, а диагностической информации и телеизмерений с использованием сетей 9

ОАО «РЖД».

6. Предложена концепция динамического щита телесигнализации.

Практическая ценность. Повышение производительности труда энергодиспетчеров и обеспечение безопасных условий производства ремонтных, аварийно-восстановительных работ в системе электроснабжения электрических железных дорог за счёт использования компьютерных технологий как в действиях энергодиспетчера, связанных с переключением аппаратуры, контролем её состояния, а также при документировании различных процедур его оперативной работы.

Реализация результатов работы. По результатам проведенных исследований разработано программное и аппаратное обеспечение ЦЭДП и автоматизированного рабочего места энергодиспетчера АРМ ЭЧЦ. Программное обеспечение передано в ОФАП. По сети дорог РФ внедрено 7 АРМ ЦЭДП дороги, в состав которых входит более 150 АРМ ЭЧЦ. Программное и аппаратное АРМ ЭЧЦ вошло в состав диспетчерского полукомплекта системы телемеханики МСТ-95, выпускаемой заводом МЭЗ ОАО РЖД. Изготовлено и поставлено на дороги более 100 комплектов телемеханики. Разработана методика составления типовых заявок. Типовые заявки, составленные по представленной методике, используются на дистанциях электроснабжения Куйбышевской, Московской, Восточно -Сибирской железных дорог. Документы, подтверждающие реализацию результатов работы, представлены в приложении 4.

Апробация работы. Научные работы соискателя были представлены и получили одобрение на 6 научных конференциях и симпозиумах, в том числе международного уровня:

- 1-3 Международном симпозиуме ElTrans, «Электрификация и развитие ж.д. транспорта России. Традиции, современность, перспективы»,

С-Петербург, 2003г., 2005г., 2007г.;

Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», М., МИИТ, 2007 г.;

- Всероссийская научно-практическая конференция «Электрификация-75», М., 2004 г.;

- Научно-практическая конференция «Энергосбережение в городском хозяйстве», М.2008;

Публикации. По материалам диссертации на сегодняшний день опубликовано 9 печатных работ, в том числе: 6 докладов в сборниках научных конференций и симпозиумов, 3 статьи в научно-технических журналах, в том числе две журнале из списка, рекомендованного ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из главы, посвященной обзору и анализу существующих методов, технических решений по автоматизации энергодиспетчерского управления и шести глав основного содержания работы, заключения, трех приложений и списка литературы. Работа общим объемом 199 страниц содержит 150 страниц основного машинописного текста, 55 рисунков, 26 таблиц, в перечне использованных источников 40 наименований.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И РЕШЕНИЙ

Железнодорожный транспорт в нашей стране осуществляет основную долю как грузовых, так и пассажирских перевозок.

Тенденции имеют возрастание как тех, так и других. Это приводит к необходимости постоянной заботы об обновлении, реконструкции всего хозяйства железных дорог. В ходе повседневной эксплуатации техника изнашивается, и это, в свою очередь приводит к необходимости ее замены, но уже на новых современных технологических решениях. Электрические железные дороги осуществляют в РФ свыше 84% всех перевозок, и их роль постоянно возрастает [1]. Система электроснабжения является наиболее капиталоемкой, технически сложной, эксплуатируемой в тяжелых условиях. Постоянно производится обновление оборудования. Ежегодно заменяется 650 км контактного провода, 500 км дефектного несущего троса, 14500 опор контактной сети, переводится контактной подвески на новые опоры более 20000 шт., производится модернизация подвески контактной сети на большие нагрузки и скорости движения поездов, строятся и обновляются тяговые подстанции и посты секционирования, вводятся новые системы телемеханики и автоматики. Это, в. свою очередь, приводит к увеличению количества и продолжительности «окон» в движении поездов в любое время суток, в том числе и в «ночные смены»; увеличение количества одновременно работающих комплексов, бригад различных подрядных организаций в реализации работ по реконструкции железнодорожного хозяйства. Поскольку все работы на железных дорогах реализуются на основе принципов строгой централизации — диспетчерских структур различных уровней. В хозяйстве электроснабжения оперативное руководство работами осуществляется через энергодиспетчерскую структуру [19, 20, 21].

Для диспетчерского управления электроснабжением, как звена централизации, с начала электрификации железных дорог средств автоматизации управление осуществлялось по телефонам, селекторной связи.

12

Это позволило осуществить централизацию, однако, эффективность её была невысокой.

В конце 50-х годов прошлого века, к моменту начала массовой электрификации железных дорог, стали появляться комплексы телемеханики, позволяющие осуществить как функции телеуправления по электроснабжению объектов хозяйства, так и телесигнализацию положения объектов и на новых технологических решениях с использованием полупроводников [2, 3, 8, 9].

Первые телемеханические системы на электрифицированных железных дорогах БСТ-59, БТР-60 позволили реализовать принцип современных протоколов команд ТУ и ТС. Тем самым у диспетчеров впервые появились технические средства, позволяющие централизованно осуществлять функции переключения оборудования при оперативном управлении системой электроснабжения. У истоков этих разработок стояли ученые ВНИИЖТа -Н.Д.Сухопрудский, В.Я.Овласюк.

С 1964 года стала внедряться массово ^ на сети железных дорог телемеханика ЭСТ-62, в которых утвердились проверенные предыдущим поколением протокол команд и извещений [2]; в ней были использованы самые передовые технологии производства электронной аппаратуры, в том числе печатный монтаж и принцип модульного исполнения основных функциональных блоков. Удачные технические решения, простота обслуживания, явились причиной широкого распространения ее на электрифицированных железных дорогах, а также на электрифицированном городском транспорте. Производителем этой техники и последующих ее поколений, является Московский Электромеханический Завод (МЭЗ) ЦЭ МПС.

По мере наработки опыта эксплуатации телемеханики, изменения полупроводниковой технологии, возрастающих требований по надежности компонентов элементной базы, привело к созданию в 1972 году телемеханики следующего поколения - «Лисна» [3]. В ее основе имели место

13 полупроводниковые кремниевые структуры, герконовые электромагнитные реле. В системе частично был изменен протокол команд ТУ, введена функция телеизмерений, регистрации аварийных отключений фидерных выключателей, изменено формирование щита телесигнализации, заложен мозаичный принцип. Он позволил адаптировать,конфигурацию мнемоники к изменения в схемных решениях системы электроснабжения:

На основе элементной базы- «Лисна» - модулей «Сейма» были разработаны как- комплексы устройств автоматики тяговых подстанций, а также аппаратура1 ЧДК, позволяющих осуществить связь участковых телемеханических структур с движением поездов. Это привело впервые к созданию1 центрального энергодиспетчерского пункта дороги с передачей информации по тональным каналам связи. Этот этап развития автоматизации оперативного управления системой электроснабжения (СЭН) был основан на развитии систем телемеханики, реализованных на аппаратных решениях для

ТУ, ТС, ТИ. На сети железных дорог имеется1 4 поколения- таких ТМ, отличающихся функциональными возможностями, элементной базой. К ним относятся: БСТ-59 и БТР-61, ЭСТ-62, Лисна, MGT-95.

Попытки реализовать телемеханику на микромодулях выполненных по гибридной технологии было реализовано в системе телемеханики МРК-85, однако из-за малой помехоустойчивости и трудоемкости реализации схемотехнических решений, широкого распространения она не получила.

Последняя из этих модификаций МСТ-95 [12] обладает весьма высокими техническими показателями, реализована на современной элементной базе, микропроцессорной технологии, на основе микросхем повышенной помехоустойчивости серии К561.

Развитие автоматизации оперативного управления осуществляется также в.области автоматизацию оперативной работы энергодиспетчера [5, 10, 23].

Еще ранее, в- МИИТе, под руководством Г.Г.Марквардта, предложен комплекс работ по физическому моделированию участков, получивший название «расчетный стол энергодиспетчера». Для постоянного тока он был

14 реализован Н.Н.Привезенцевым [4]. Он обеспечивал расчет «мгновенных» схем [6] при различном сочетании поездной нагрузки на фидерной зоне и имеет цель оказать помощь ЭЧЦ в оперативной работе при выявлении способов организации пропуска тяжеловесных поездов. Использовался также для расчетов в вынужденных режимах.

Автоматизация оперативной работы энергодиспетчера невозможна без исследования его работы. В работах Е.Е.Бакеева, [5] был выполнен анализ оперативной работы энергодиспетчера. Однако эти работы были выполнены более 20 лет назад, потому необходим анализ работы энергодиспетчера дистанции электроснабжения в современных условиях, с использованием более свежих статистических данных. В работе О.В. Грибачева (МИИТ) [23] рассмотрены вопросы организации конкретных мероприятий деятельности энергодиспетчера по оперативному руководству системы электроснабжения, в.том числе обеспечение безопасных условий производства работ на уровне дистанции электроснабжения. Однако в. ней нет анализа работы энергодиспетчеров более высокого уровня управления: центрального энергодиспетчерского пункта (ЦЭДП), оперативного дежурного по департаменту «Электрификации и электроснабжения».

Анализ работы диспетчера может выполняться с использованием математических методов [26, 27, 28]. Е.Е. Бакеев [5] использовал для анализа работы энергодиспетчера методы теории массового обслуживания, позже для математического моделирования работы энергодиспетчера дистанции электроснабжения им был использован исследования логических схем информационных процессов [28]. Метод позволяет оценить временные характеристики процесса. Он позволяет произвести анализ деятельности ЭЧЦ по элементарным операциям, что является его главным достоинством. Поэтому представляется целесообразным более углубленное исследование оперативной работы энергодиспетчера с использованием данного метода, особенно в части оперативной работы диспетчера по обслуживанию заявок.

Комплекс технических средств автоматики и телемеханики является

15 неотъемлемой частью процесса оперативного управления системой электроснабжения железнодорожного транспорта. Большинство эксплуатируемых сегодня систем не поддерживают требуемого уровня-функциональности и морально устарели. Развитие средств вычислительной техники позволяет внести ряд корректировок в сформировавшуюся, структуру системы, управления энергодиспетчерским кругом. Формировать управляющие воздействия (команды телеуправления ТУ) может не только диспетчером, но и компьютер [13, 14, 15, 16]. Значительно возрастает «интеллектуальность» контролируемого- пункта. Это позволяет децентрализовать процесс управления; что особенно1 важно для. быстропротекающих процессов: Процесс передачи информации между ДП и КП, требующий определенных затрат времени, становится? адаптируемыми, к конкретной ситуации; что способствует повышению оперативности управления.

В; 90-е годы на электрифицированных железных дорогах стали широко внедряться- новые системьг телемеханики. Система телемеханики МСТ-95, по мере внедрения^, имела несколько' модификаций, в каждой из последующих был заложен ряд новых принципиальных решений.

Использование в каналообразующей аппаратуре программируемых фильтров на основе сигнальных процессоров: Разработаны универсальные передатчики и- приемники каналов, работающие на любом из 19 выделенных каналов связи и перепрограммируемые на любой из каналов.посредством блока БКД.

Другой отличительной особенностью ТМ МСТ-95 является многофункциональное использование тракта ТС для-использования в нем ТИ.

Формирование информации ТИ осуществляется не только на импульсах и паузах в пределах одной-серии ТС, но также осуществляется коммутация.со счетом количества серий ТС и возможностью передачи в каждой^ из серий двух ТИ. Компьютерная технология* внедрена также в ТМ' МСТ-95 применительно к стойкам контролируемых пунктов. Разработана модификация этой телемеханики, где в качестве аппаратуры КП используется

16 подсистема TMS («Лоза») [17]. В ее состав входят программные блоки с контроллерами, один из которых является ведущим модулем (TMSM), а от него управляется несколько ведомых модулей (TMSS). В модуле TMSS обрабатывается минимальная информация ТУ и ТС. Набором количества модулей TMSS можно обеспечить необходимый объем ТУ и ТС для контролируемого пункта.

Применяемые в МСТ-95 [10] протоколы передачи данных используют кодоимпульсное кодирование, со спорадической передачей команд телеуправления (ТУ) и циклической передачей телесигнализации (ТС). Основными недостатками применяемых протоколов является низкая степень защиты передаваемой информации, а также отсутствие возможности наращивания содержания и объема передаваемой информации. Для расширения функциональности системы телемеханики необходим переход на современные цифровые протоколы и форматы передачи данных [37]. Однако, низкая скорость передачи в существующих каналах связи (не более 30 б од) не позволяет передавать большие объемы информации.

Для энергодиспетчерских кругов, обслуживающих сетевые электрические районы дистанций электроснабжения с 2004 года на сети ж.д. РФ стала внедряться программная телемеханика АТСР [13], разработки МИИТа. В ней программные протоколы модулируются на высокочастотные каналы и передача их осуществляется посредством радиостанции на УКВ диапазоне. Но для управления системой тягового электроснабжения использование данной системы нецелесообразно ввиду нестабильности радиосвязи, особенно в сложных метеорологических условиях.

Были предложены новые комплексы телемеханики — АСТМУ [15, 18], разработки НИИФА. Эта аппаратура принципиально отличается от ранее выпускаемой телемеханики, применением цифровых протоколов передачи данных и использованием микроконтроллеров в оборудовании контролируемых пунктов. Она имеет большую емкость по ТУ и ТС, позволяет передавать диагностическую информацию о работе силового

17 оборудования. Внедрение указанной аппаратуры было затруднено используемыми принципами организации системы связи. Модемы, использующие весь диапазон тональных частот, не позволяли работать совместно с ранее установленными стойками телемеханики, это не позволяло выполнить последовательную замену аппаратуры контролируемых пунктов. Работа в более широком частотном диапазоне привела к уменьшению помехозащищенности, в результате имели место многочисленные повторы запросов информации от контролируемых пунктов, и как следствие, значительное ухудшение временных параметров системы АСТМУ. За основу протоколов передачи данных был выбран ModBus, не рекомендованный международным электротехническим комитетом (МЭК) к использованию в системах телемеханики [36].

Основным сдерживающим фактором при расширении функциональности систем управления устройствами электроснабжения являются низко скоростные каналы связи, которые не обеспечивают передачу значительно возросших объемов информации. В системе телемеханики АМТ, разработанной специалистами МЭЗ ОАО РЖД используются высокоскоростные сети передачи данных и протоколы TCP/IP [29]. В настоящее время она находится в опытной эксплуатации на ЭЧ-8 Московской железной дороги. Использование такого подхода вызывает трудности при подключении контролируемых пунктов, удаленных от точек подключения к сети. Действующие отраслевые документы [39] не предусматривают применение протоколов TCP/IP для телеуправления. Необходимо также изменение структуры обслуживания, поскольку обслуживанием сети в настоящее время занимаются дорожные вычислительные центры.

Таким образом, нужна такая структура системы телемеханики, которая обеспечит использование существующих каналов связи телемеханики, обеспечит повышение уровня защиты передаваемой информации и расширение функциональности. При этом желательно иметь возможность постепенной модернизации действующих систем.

Практика работы ЭЧЦ показывает, что резкое повышение производительности труда при работе с заявками достигается лишь в, том случае, когда энергодиспетчер принимает способ работы с ними, основанный на заранее подготовленном массиве данных, охватывающий все (или в большей части все) возможные заявки конкретного круга ЭЧЦ. Известно, что энергодиспетчер манипулирует конечным числом заявок, охватывающих все категории работ по условиям техники безопасности. Такой метод получил название — метод диспетчерских карт типовых заявок.

В.В.Ивановым (ДИИТ) был предложен метод работы энергодиспетчеров-с заранее заготовленным массивом заявок учитывающий конфигурацию диспетчерского круга [5]. Использование метода типовых заявок позволяет:

• Снизить трудозатраты энергодиспетчера на выполнение переключений для' подготовки рабочего места- и восстановления рабочей схемы электроснабжения;

• Снизить трудозатраты энергодиспетчера на оформление оперативной документации, необходимой для производства работ;

• Снизить, вероятность, ошибок диспетчера, как при выборе вариантов переключений, так и при производстве переключений*.

Если сравнивать процедуры документирования действий ЭЧЦ традиционным- способом на бумажных носителях с использованием оперативного журнала, суточной ведомости [19, 22] с аналогичными действиями с использование АРМ ЭЧЦ, то в АРМе создаются специализированные «окна» на фрагменты деятельности ЭЧЦ по обеспечению работ. В них необходимо заполнять текстом содержимое окна». Часть текста носит характер заполнения строчек типовых форм, утверждённых ЦЭЮАОРЖД [19], и перенесённых в АРМ, при бумажных носителях эти формы оформляются штампами-печатями и проставляются оттиском их в оперативную документацию. Несмотря на наличие на сети дорог АРМ ЭЧЦ обеспечивающих программную реализацию указанного метода, он не используется в должной мере. Одна из причин — трудности при

19 подготовке типовых заявок. Для упрощения подготовки типовых заявок необходима разработка универсальной методики.

Повышению эффективности управления системой электроснабжения способствует создание центральных энергодиспетчерских пунктов в составе ЕДЦУ дороги. Работы по созданию ЦЭДП дорог начали проводиться в180-е годы. В работах участвовали специалисты РИИЖТа под руководством Ю.А.Жаркова [40]. Передача телесигнализации осуществлялась с использованием тональных каналов связи телемеханики. Малая скорость передачи данных в каналах связи телемеханики позволяет обеспечить только передачу телесигнализации. Использование для, передачи информации корпоративной, сети [25] может обеспечить получение на ЦЭДП не только телесигнализации, но и всей информации об оперативной работе участковых энергодиспетчеров. Наличие в службе электроснабжения- информации о системе электроснабжения всей дороги в реальном режиме времени-позволяет повысить оперативность принятия решений в штатных, и? что особенно важно; в аварийных режимах работы системы. Даст возможности' контроля, обеспечивающие повышение уровня технологической дисциплины, работ по эксплуатации.

ЦЭДП должен обеспечить реализацию следующих функций:

• координация- оперативного управления эксплуатацией электроэнергетического' хозяйства железной- дороги совместно с диспетчерами дистанций электроснабжения и поездными диспетчерами;

• оперативной1 сигнализация о состоянии устройств электроснабжения и сигнализации о повреждениях на них, а в перспективе и для управления устройствами электроснабжения'из единого центра управления;

• обобщение оперативной информации; о состоянии устройств электроснабжения и передача ее на более высокий уровень управления (служба Электрификации, главный энергодиспетчерский пункт);

• обработки оперативно-технологической информации (прием заявок на производство работ с кругов, передачи информации об их согласовании и организации работ по планированию и предоставлению «окон»).

Использование компьютерных технологий для автоматизации оперативной работы энергодиспетчера дистанции электроснабжения на отечественных железных дорогах началось в 80-е годы, с появлением отечественных компьютеров серии «СМ». Малая вычислительная- мощность данных компьютеров не позволяла реализовать сложных задач. Не было возможности реализовать удобный интерфейс. Низкая, надежность! аппаратуры приводила к постоянным сбоям, что недопустимо для оперативного управления. Первые АРМ ЭЧЦ были внедрены на Северной железной дороге специалистами ДИИТа. Только с появлением мощных персональных компьютеров данные работы получили практическую ценность. В настоящее время происходит широкое внедрение*АРМ, ЭЧЦ по сети дорог РФ: Основные требования к функциям АРМ'ЭЧЦ:

• Индикация положения телеуправляемых и ручных объектов, их нормального и текущего' состояния, возможность установки нормального-состояния' и квитирования сигналов этих объектов энергодиспетчером, слежения за системой электроснабжения;

• Автоматизация обеспечения производства работ, в том числе программное управление схемой электроснабжения, автоматизированный ввод и регистрация циркулярного приказа автоматизированное ведение разделов суточной ведомости;

• Контроль условий безопасности производства работ;

• Автоматизированная регистрация и автоматический контроль неисправного оборудования с запретом посылки команд управления;

•- Выдача оперативною информации по заявкам, каталогу событий, электрооборудованию по запросу энергодиспетчера на дисплей и печать.

В' состав АРМ- ЭЧЦ должен входить устройство, обеспечивающее связь компьютера с контролируемыми пунктами системы телемеханики.

Первые попытки реализации адаптеров связи на базе аппаратных решений не имели успеха ввиду низкой надежности реализованных устройств. Более успешными были реализации устройств- сопряжения программными методами с использованием ЭВМ и специализированных устройств ввода-вывода информации. С появлением микропроцессорных контроллеров [7] были выполнены успешные разработки и организация производства адаптеров связи «Кристалл» в промышленных масштабах. Данные адаптеры использовались в комплекте с первыми АРМ» ЭЧЦ, в том числе на Северной и Московской дорогах. С появлением однокристальных микроконтроллеров специалистами НПП «Автоматика-Сервис» были разработаны-надежные и-компактные устройства — адаптеры связи: Топаз-98 , Топаз 2001 [16], выпуск которых был освоен заводом* МЭЗ. В'указанных адаптерах отсутствуют фильтры каналов связи: их функции выполняет каналообразующая аппаратура. С появлением цифровых сигнальных процессоров* появилась возможность реализации^ в адаптере связи цифровой обработки сигналов в линии, связи. Это- позволяет реализовать новую структуру диспетчерского полукомплекта аппаратуры телемеханики: При, установке АРМ ЭЧЦ на круги; оборудованные системами телемеханики-«МСТ-95», «Лисна», адаптер связи должен обеспечить реализацию следующих функций:

• Фильтрацию и демодуляцию сигналов» в линии связи телесигнализации;

• Дешифрацию и* проверку на достоверность сообщений телесигнализации для временной и частотной подсистем телемеханики;

Анализ состояния объектов телесигнализации и передачу в компьютер сообщений при изменении положения, объектов телесигнализации;

• Модуляцию и фильтрацию сигналов в линии связи телеуправления;

• Формирование холостых и командных серий телеуправления! для временной и частотной подсистем.

Главная тенденция при создании новых систем управления

22 значительное расширение функциональности. Кроме реализованных в существующих системах функций телеуправления и телесигнализации необходимо значительное увеличение объемов телеизмерений, создание и интеграция в единую систему управления подсистем диагностики, защит и автоматики, электронного документооборота, поддержки и контроля действий энергодиспетчера. Такой подход позволяет осуществлять непрерывный мониторинг как состояния системы электроснабжения в целом, так и ее отдельных составляющих. Это в свою очередь позволяет осуществлять эффективное управление режимами работы системы по критериям максимальной надежности и снижения потерь электроэнергии, обеспечивает переход от планового технического обслуживания [32, 33] к обслуживанию по состоянию оборудования тяговых подстанций и контактной сети [34].

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Сиромаха, Валерий Николаевич

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная диссертационная работа была выполнена с целью исследования работы энергодиспетчера в современных условиях и разработки новых технических решений для автоматизации энергодиспетчерского управления электроснабжением электрифицированных железных дорог.

В первой главе представлен обзор методов и технических решений по автоматизации энергодиспетчерского управления. Обеспечение безопасных условий работ проводимых по хозяйству электроснабжения в значительной мере ложиться на энергодиспетчера, потому нужен анализ работы энергодиспетчеров различных уровней управления в современных условиях, с использованием более свежих статистических данных. Исследование оперативной работы энергодиспетчера с использованием метода моделирования информационных процессов позволило оценить временные параметры его работы и определить основные направления автоматизации.

Во второй главе выполнен анализ задач диспетчерского управления электроснабжением железнодорожного транспорта, дана классификация оперативных действий энергодиспетчеров различных уровней управления.

Выполнен количественный анализ обслуженных заявок и согласований на работы для энергодиспетчерского круга дистанции электроснабжения.

Выявлена связь между количеством предоставленных окон для работы на контактной сети и общим количеством обслуженных заявок за сутки.

Суточная нагрузка диспетчера распределяется неравномерно, поэтому для оценки загруженности диспетчера следует использовать не средние, а максимальные значения. Выявлена связь между общим количеством обслуженных заявок за месяц работы энергодиспетчерского круга и максимальным количеством предоставленных окон для работ на контактной сети за сутки. Это позволяет оценить максимальную загрузку диспетчера при наличии информации об общем количестве обслуженных заявок. Основным направлением автоматизации работ энергодиспетчера должна быть

160 оперативная деятельность, связанная с организацией работ по заявкам.

В третьей главе представлены результаты математического моделирования плановых работ по текущему содержанию и ремонту, занимающих наибольшее время оперативной работы ЭЧЦ. Плановые работы включают следующие процедуры: «согласование» работ; «прием и обработка» заявок на работы; «обеспечение» работ. Использован метод исследования логических схем информационных процессов, который позволяет оценить временные характеристики процесса. Обобщенная логическая схема модели информационного процесса приема и обработки заявок включает прием массива заявок на предстоящую рабочую смену, обработку сформированного массива, документирование. Выполнено моделирование процедур «согласование работ» и «принятие заявок» для двух энергодиспетчерских кругов Куйбышевской железной дороги. Полученные результаты для обоих кругов показывают существенное сокращение времени процесса при использовании АРМ ЭЧЦ. Сравнение расчетных данных с эксперементальными хронометражами подтвердило адекватность модели процесса.

В четвертой главе рассмотрены методы передачи информации в системе управления объектами электроснабжения, предложена новая структура системы телемеханики, форматы и протоколы передачи данных.

Предлагается выделить функции телеуправления и телесигнализации в отдельную подсистему и осуществлять передачу сообщений телесигнализации и команд телеуправления с использованием цифровых протоколов. Предлагаемый к использованию формат передачи сообщений отвечает требованиям стандарта МЭК для передачи телесигнализации. Для повышения класса достоверности при передаче команд телеуправления предлагается двукратная передача команды, с последующей проверкой каждой из команд и их сравнением. Это обеспечивает вероятность необнаруживаемой ошибки, соответствующую требованиям стандарта.

Выполненные расчеты показывают, что использование цифровых протоколов

161 не ухудшает временных параметров- системы, телемеханики. Предлагаемая; структура системы: телемеханики для; управления электроснабжением железных дорог, позволяет решить проблемы расширения; функциональности эксплуатируемых систем, используя существующие каналы связи ОАО РЖД, и соответствует требованиям отраслевых документов.

В пятой/ главе представлена методика составления типовых заявок для работ на контактной сети и выбор рациональных критериев; при* формировании типовых заявок - работ на контактной* сети. Формирование: типовых заявок начинается с; работ на контактной сети без сопутствующих линий (BJ1 СЦБ, ПЭ). Первоначально выбираются заявки, выделяющие'зоны; работ по категории* со снятием напряжения: Анализируя схему питания и секционирования, выделяем элементарные секции, на которые может быть разделена, контактная; сеть. Кроме переключений; для формирования типовой заявки на рассматриваемую перегонную секцию КС необходимо осуществить закрытие движения; ЭПС. В работе представлены методики; составления^ типовых заявок для других секций; в том числе: перегонный участок на два пути одновременно; для одного пути перегонного участка и главного пути станции, главного пути: станции, в парке станции, боковых путей станции, на секционных изоляторах. Типовые заявки;.составленные по представленной методике; используются? на дистанциях, электроснабжения Куйбышевской^ Московской; Восточно■ -Сибирской железных дорог.

В; шестой- главе представлена техническая; реализация центрального энергодиспетческого пункта и автоматизированного рабочего места энерго диспетчера;, в том числе аппаратного и; программного' обеспечения. ЦЭДП связан? со всеми региональными ЭЧЦ через дорожную сеть передачи данных. Функции реализованного5 программного обеспечения1; АРМ/ энергодиспетчера ЦЭДП:

• Координация? оперативного управления. эксплуатацией электроэнергетического хозяйства железной дороги совместно с диспетчерами дистанций электроснабжения и поездными диспетчерами;

• Оперативная сигнализация о состоянии устройств электроснабжения и сигнализации о повреждениях на них;

• Обработка оперативно-технологической информации (прием заявок на производство работ с кругов, передачи информации об их согласовании и организации работ по планированию и предоставлению «окон»).

Аппаратное обеспечение рабочего места участкового энердиспетчера обеспечивает возможность горячего резервирования. Предложены основные принципы реализации динамического щита телесигнализации. Функции реализованного программного обеспечения АРМ ЭЧЦ:

• Индикация положения телеуправляемых и ручных объектов, их нормального и текущего состояния, возможностью квитирования;

• Автоматизация обеспечения производства работ, в том числе программное управление схемой электроснабжения, автоматизированное ведение разделов суточной ведомости;

• Контроль условий безопасности производства работ;

• Выдача оперативной информации по заявкам, каталогу событий, электрооборудованию по запросу энергодиспетчера.

В седьмой главе рассмотрен технико-экомический экономический эффект от внедрения ЦЭДП дороги. Расчет, выполненный с использованием статистических показателей работы хозяйства электроснабжения, позволяет оценить годовой экономический эффект от внедрения одного Центрального энергодиспетчерского пункта, в размере 7,8 млн. руб. Срок окупаемости ЦЭДП при плановой стоимости Ц=19,2 млн.руб. и годовым экономическим эффектом от внедрения ЦЭДП П=7,8 млн.руб. составит 2,5 года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сиромаха, Валерий Николаевич, 2009 год

1. Анализ работы хозяйства электрификации и электроснабжения в 2007 году. ЦЭ ОАО «РЖД», М.: 2008, 120с.

2. Т.Е. Хейфиц, Б.А. Лаговнер, А.Б. Либеров, А.Д. Эпштейн. Телеуправление устройствами энергоснабжения на электрифицированных железных дорогах. «Транспорт», М.: 1966, -215с.

3. Е.Е. Бакеев, Г.М. Корсаков, В .Я. Овласюк, Н.Д. Сухопрудский; под ред. Н.Д. Сухопрудского. Система телемеханики «Лисна» для электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1979, 215с.

4. Н.Н. Привезенцев. Разработка метода оперативных расчетов и исследование способов их автоматизации для электрических железных дорог постоянного тока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: 1968, 18с.

5. В.В.Иванов, Е.Е. Бакеев. Оперативное управление участком энергоснабжения электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт. 1986. - 133с.

6. К.Г. Марквардт. Энергоснабжение электрических железных дорог. 4-е изд. М.: Транспорт. 1982. 420с.

7. Н.Д. Сухопрудский. Электрификатору железных дорог о микропроцессорах. М.: Транспорт. 1988. — 208с.

8. Указания по монтажу, наладке и эксплуатации системы телеуправления «Лисна»/МПС СССР, М.: Транспорт, 1977, 104с.

9. В.Е. Носовский, B.C. Попов. Техническое обслуживание электронных систем телемеханики ЭСТ-62 и «Лисна» М.: Транспорт, 1982. - 224с.

10. Ю.И.Жарков, В.Я. Овласюк, Н.Г.Сергеев, Н.Д. Сухопрудский, А.С.Шилов; под ред. Н.Д. Сухопрудского. Автоматизация систем электроснабжения. — М.: Транспорт, 1990. — 359с.

11. С.А. Бирюков. Цифровые устройства на МОП интегральных микросхемах. 2-е изд. - М.: Радио и связь. 1996. - 192с.

12. Система телемеханики МСТ-95. Техническое описание. ФГУП МЭЗ МПС РФ. М.: Радио и связь. 1995. 45с.

13. Аппаратура телемеханики сетевых районов АТСР. Руководство по эксплуатации. МИИТ, ФГУП МЭЗ МПС РФ. М.: 2002. 33с.

14. Аппаратура микропроцессорной телемеханики АМТ-01. Руководство по эксплуатации. МИИТ, ФГУП МЭЗ МПС РФ, М.: 2003. 34с.

15. Инструкция по эксплуатации АСТМУ энергодиспетчерского круга. Руководство энергодиспетчера. 1 СР. 151.111.ДЗ. НИИФА. С-Петербург. 2000.-20с.

16. АРМ энергодиспетчера. Руководство пользователя. HI 111 «Автоматика Сервис» Днепропетровск, 2004: - 82с.

17. Аппаратура телемеханики контролируемого пункта. Технические требования. ФГУП МЭЗ, 2002 34с.

18. Инструкция по эксплуатации АСТМУ энерго диспетчерского круга. Руководство телемеханика. 1 СР. 151.111.Д2. НИИФА, С-Петербург. 2000. 22с.

19. Инструкция энерго диспетчеру дистанции электроснабжения железных дорог. Департамент электрификации и электроснабжения МПС РФ. — М.: «Трансиздат» 1999.-32с.

20. Н.В.Смирнов. И.В. Дунин-Барковский. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. Изд. «Наука» М.: 1965,-511с.

21. Э.К. Лецкий. Модели и методы расчета временноых характеристик систем сбора и обработки данных. — М.: МИИТ. 1994. — 40с.

22. Э.К. Лецкий, З.А.Крепкая, И.В.Маркова и др.; под ред. Э.К.Лецкого. Проектирование информационных систем на железнодорожном транспорте. М.: Маршрут. 2003. - 408с.

23. В.В.Виноградов, В.К.Котов, В.Н.Нуприк. Волоконно-оптические линии связи. М.: ИПК «Желдориздат». 2002. - 278с.

24. В.П: Герасимов, А.П.Кондаков, А.В.Мизинцев, А.В.Сухоруков. Цифровые-терминалы, для систем электроснабжения железных дорог. Железные дороги мира. 2007, №Г, с.48-58.

25. И.О. Набойченко; Б.А. Аржанников, Б.С. Сергеев. Электроснабжение устройств и систем автоматики, телемеханики и связи. Железнодорожный транспорт. 2004, №6, с.30-35.

26. Инструкция по» текущему обслуживанию» и ремонту оборудования тяговых подстанций электрифицированных железных дорог. (ЦЭ-936); М.: Трансиздат. 2003.

27. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868). М.: Трансиздат. 2002.- 184с.

28. Методика бальной оценки состояния контактной сети. МПС РФ. М.: 2002. -20с.

29. Система передачи информации для автоматизированной системы хозяйства электроснабжения железных дорог (СПИ АСУ-Э). Технические требования (от 20.01.2004).

30. ГОСТ Р МЭК 870-5-101-2001. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи.

31. К.Г. Митюшкин. Телеконтроль и телеуправление в энергосистемах . -М.:Энергоатомиздат. 1990- с.288.

32. Устройство сопряжения персонального компьютера с системами телемеханики «Топаз-2000». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Hi ill «Автоматика-Сервис». Днепропетровск. 2000. -12с.

33. Система передачи информации для автоматизированной системы хозяйства электроснабжения железных дорог (СПИ АСУ-Э). Технические требования. 2004 17с.

34. Е.Е. Бакеев Система оперативного управления работой устройств электроснабжения участка железной дороги и пути ее совершенствования. Вестник ВНИИЖТ. 2003, №5, с. 24-26.