NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT TS. LÊ MẠNH VIỆT Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo tổng quát hoá ý nghĩa, yêu cầu và đặc điểm của mô hình mô phỏng, thông qua nó các mối liên quan thực tế giữa các đại lượng vật lý - cơ học - điện từ có thể đánh giá tổng quát dựa trên kỹ thuật và kinh tế của cung cấp năng lương điện khí hoá đường sắt. Bài báo còn thiết lập mô hình mô phỏng khá đầy đủ và toàn diện cho một phân đoạn trong hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt. Summary: The article has generalised the meaming, requirement and specification of the simulation model, through which the actual relations between physical – mechanical - electrical quantities can be generally evaluated in terms of the technique and economy of the railway electrification’s power supply. The article also sets up fairy comprehendsive simulation model for a section of a raiway transportation power supply system. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Nước ta đã bắt đầu xây dựng các dự án giao thông điện đô thị, nó gồm mêtrô, trôlêybus và sắp tới là giao thông điện khí hoá đường dài. Như bất cứ một quốc gia tiên tiến nào, theo qui luật phát triển, vấn đề thiết kế và sau đó là vận hành hiệu quả hệ thống cung cấp điện giao thông sẽ phải đặt ra. Ở các nước tiên tiến vấn đề trên đã được nhiên cứu và áp dụng cho những bài toán cụ thể và rất đa dạng với rất nhiều mức độ chính xác khác nhau. Nhằm tiến tới việc thiết kế hiện đại, quản lý và khai thác vận hành tối ưu hệ thống điện khí hoá giao thông đặc thù Việt Nam tương lai, bài báo này mở đầu cho những nghiên cứu liên quan tới mục đích trên. Nội dung là phân tích, xây dựng để đưa ra mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho một phân đoạn trong hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt. CT 2 II. NỘI DUNG 1. Khái quát về mô hình mô phỏng hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt Hệ thống điện quốc gia có các đường dây truyền tải điện năng tới các trạm điện kéo (110 hoặc 220 kV, riêng giao thông đô thị 6,10 kV). Các trạm điện kéo biến đổi điện năng theo loại dòng điện (một chiều hoặc xoay chiều tần số 50 Hz hay 16 2/3 Hz) và mức điện áp (25 kV với xoay chiều, 3 kV hay 750 V, 500 V với một chiều) để cung cấp cho đoàn tàu chạy điện. Từ trạm điện kéo theo đường dây của mạng tiếp xúc và qua cần tiếp điện (hay ray dẫn điện thứ 3) dòng điện sẽ đến các động cơ điện kéo (thông qua bộ biến đổi nếu động cơ xoay chiều) sau đó trở về trạm điện kéo qua đường ray hoặc dây tiếp xúc. Công suất các động cơ điện kéo từ 40, 50 đến hàng 100 kw và tốc độ đoàn tàu từ 80, 90 đến gần 200 km/giờ tuỳ loại hình giao thông. Hình 1 dẫn ra sơ đồ cung cấp điện đoạn đường sắt điện khí hóa 25kV xoay chiều điển hình D©y tiÕp xóc Ray ®−êng s¾t Ga B Tr¹m §K II TruyÒn t¶i L−íi ®iÖn §§K Ga A §M§ Tr¹m §K I 27,5 kB 380 B 10 kB 27,5 kB CC2D 110 kB A B C 22 19 20 1921 22 23 18 7 8 8 9 5 b a C 6 4 11 12 13 3 4 4 10 15 16 17 CC2D 14 a b C 14 14 6 4 11 12 13 3 2 1 10 15 14 Hình 1. Cung cấp điện đoạn đường sắt điện khí hóa Trong sơ đồ gồm : 1- Đường dây vào điện áp cung cấp cao áp 110kV, 2- Thiết bị phân phối 110 kV , CT 2 3- Máy biến thế hạ áp 110/27,5 kV, 4 và 5- Thiết bị phân phối 27,5kv 7, 8 và 9- Đường dây mạng điện kéo tương ứng với các pha a,b và c, 10- Dây cung cấp cho phụ tải riêng, 11 và 13- Dây cung cấp cho phụ tải không điện kéo 14- Đường dây 2 dây trên không và ray, 6- Máy biến thế cho nhu cầu riêng, 15 và 16- Máy biến thế và đường dây cung cấp cho tự động và điều khiển xa (tín hiệu chạy tàu ), 17- Dao cách ly, 18, 20 và 22– Khu đoạn lưới dây tiếp xúc 19- Khoảng cách không khí (cách ly hai khu đoạn dây tiếp xúc), 21- Tấm trung tính trong khoảng cách không khí, 23- Cần tiếp điện của đầu máy, ĐĐK- Đường dây cao áp cung cấp cho thiết bị tự động điều khiển đóng đường tự động, CC2D- Hệ thống 2 dây trời và ray, A,B và C –Các pha của đường dây cao áp, a,b và c– Các pha của máy biến thế. ĐMĐ- Đầu máy điện Hệ thống cung cấp điện kéo là rất phức tạp, nó không những chứa nhiều hệ thống nhỏ mà các hệ thống nhỏ ấy còn tương tác với nhau. Việc tính toán thiết kế và vận hành toàn hệ thống dựa theo việc lựa chọn các thông số thiết bị hoặc các chế độ làm việc cho phép đối với từng khu đoạn đường sắt sẽ càng phức tạp khi chúng được xác định không bởi các giá trị riêng mà là tất cả các quá trình thay đổi theo thời gian và không gian (do chuyển động các đoàn tàu). Tổng thể các nhân tố không thể liệt kê khi giải bài toán thực tế, song thường phải đưa ra một vài giả thiết hạn chế nào đó. Trước đây vì các giả thiết hạn chế quá nhiều nên kết quả nhận được nằm trong độ chính xác thấp. Việc sử dụng mô hình mô phỏng cho hệ thống cung cấp điện kéo với kỹ thuật và công nghệ mới hiện nay đã cho những đáp án càng ngày càng chính xác. Những nghiên cứu về lĩnh vực này là không có điểm dừng để kết quả càng ngày càng tốt hơn. Phần lớn các thông số kinh tế cơ bản của hệ thống cấp điện giao thông đều là hàm của các phụ tải ngẫu nhiên của thiết bị cung cấp điện mà nguyên nhân do hoạt động của đoàn tàu tạo ra. Vì vậy các chỉ tiêu và khả năng làm việc của hầu hết các thiết bị phụ thuộc không chỉ vào các chế độ cực trị riêng mà phụ thuộc vào đặc tính thay đổi phụ tải của chúng. Mô hình mô phỏng tốt cần phải đưa vào đầy đủ các khả năng có thể sảy ra của hệ thống, các tương quan, ràng buộc, khoảng giới hạn, các thông số, các chế độ gần như thực tế vốn có của nó. Đó là bài toán, mô hình phức tạp. 2. Cấu trúc mô hình mô phỏng các thông tin và thiết bị cho hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt Dựa theo các mối quan hệ của các đại lượng vật lý - cơ học - điện từ và kinh tế trong hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt, có thể đưa ra sơ đồ (hình vẽ 2) tương đối đầy đủ tương đương cho nó. Trong sơ đồ này gồm 3 loại khối chức năng cơ bản sau: CT 2 Hình 2. Cấu trúc mô hình mô phỏng hệ thống cung cấp điện Giao thông đường sắt a. Các khối dữ liệu nguồn: chứa thông số cơ học và đặc tính đoàn tàu (1), chứa số liệu về khí hậu (2), chứa thông số thiết bị hệ thống cung cấp điện (3), chứa thông số chỉ tiêu giá thành (4), chứa thông số chuẩn và định mức (5), chứa thông số dạng đầu máy, trọng lượng đoàn tàu (7), chứa dữ liệu về địa hình (8), chứa số liệu về tổ chức chạy tàu (9), chứa thông số chỉ tiêu giá thành (4). b. Các khối lưu trữ số liệu trung gian gồm: chứa các kết quả tính toán điện kéo (10), chứa các đồ thị chuyển động đoàn tàu (11) c. Các khối thiết lập và tính toán: khối tính toán lực kéo (12), thiết lập và tính toán các sơ đồ tức thời (13), thiết lập biểu đồ tính toán chuyển động (14), tính toán già hoá cách điện các cuộn dây biến áp (15), tính toán nhiệt độ mặt tiếp xúc p - n của các van chỉnh lưu (16), tính toán tổn hao năng lượng trong lưới điện kéo (17), tính toán các chỉ tiêu chất lượng năng lượng điện (18), tính toán, xác định công suất của máy biến áp (20), tính toán, xác định công suất của các bộ chỉnh lưu (21), xác định tiết diện dây dẫn của lưới tiếp xúc (22), xác định các chỉ tiêu hiệu quả kinh tế (23). d. Khối kiểm tra gồm: kiểm tra sự đốt nóng của các dây dẫn trong lưới tiếp xúc (9), kiểm tra các định mức kỹ thật trên cơ sở các chức năng của nó (24). e. Khối điều khiển: khối điều khiển thiết kế (6). Để thực hiện được mô hình lý thuyết đầy đủ như trên là hết sức phức tạp. Dưới đây sẽ nghiên cứu hệ thống mô phỏng thực tế, cụ thể hơn và dễ khả thi trong điều kiện khoa học công nghệ hiện nay. 3. Sơ đồ tổng hợp mô phỏng hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt và phân tích hoạt động của nó ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ )( )( )( tI tT tT td ba cl CT 2 Hình 3. Sơ đồ tổng hợp mô hình mô phỏng hệ thống cung cấp điện Giao thông đường sắt Để thực hiện mô phỏng hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt có thể xây dựng sơ đồ tổng hợp (hình 3), nó gồm các khối chức năng sau: Khối phản ánh trạng thái lưới điện bên ngoài (cao áp nguồn) HTĐBN, khối phản ánh trạng thái của các trạm điện kéo (k = 1,2,3) TRAMk, khối phản ánh trạng thái của lưới điện tiếp xúc LTXUC, khối tự động tính toán dòng điện của các đầu máy theo thời gian hệ thống AI(t), khối tự động thiết lập toạ độ của các đầu máy AS(t), khối phân bố các đoàn tàu trên đồ thị chuyển động PBĐTAU, khối xử lý thông tin trạng thái của lưới tiếp xúc XLLTX, khối tính toán tự động điện áp trên các tuyến đường (các fider k = 1, 2, 3, 4) ATĐGk. Về nhiệm vụ có thể tách thành 2 nhóm: nhóm khối cung cấp điện gồm HTĐBN, TRAMk, LTXUC và nhóm khối phụ tải là PBĐTAU, AS(t), AI(t), ATĐGk. Các khối có thể vừa xử lý vừa nhận dữ liệu đầu vào, đó là: HTĐBN, TRAMk, PBĐTAU, AS(t). Các dữ liệu đầu vào gồm các tín hiệu: Xbng – thông tin về điện áp nguồn lưới điện bên ngoài đưa vào HTĐBN, Xtrk – thông tin về tải không điện kéo và nhiệt độ môi trường đưa vào TRAMk, Xđt – thông tin về phụ tải, không gian hoạt động của nó, phân bố các ga, điểm dừng tàu, khoảng cách ngắn nhất giữa hai đoàn tàu và mật độ xác suất suất hiện của chúng, thông tin này đưa vào PBĐTAU, Xi,t – thông tin về dòng điện đoàn tàu và lý trình của nó (chứa quãng đường đi được), chúng được đưa vào khối thiết lập toạ độ AS(t) và sau đó vào AI(t). Khi cần tính toán chính xác ảnh hưởng của điện áp lưới tới hoạt động của đoàn tàu, thì trong tín hiệu Xi,t sẽ chứa cả các dữ liệu về bình đồ và hình dáng đường sắt. Các khối chỉ xử lý vào ra là: ATĐGk, LTXUC, XLLTX.Trong mô hình giá trị ban đầu của lưới tiếp xúc Uso đưa vào khối AS(t) Để thực hiện mô phỏng còn có các lệnh điều khiển, mà nó được lập trình theo trình tự của quá trình. Có 4 lệnh chính với các chức năng sẽ phân tích sau đây. Lệnh g1(t) điều khiển tổ hợp A S(t), AI(t) xắp xếp một cách trật tự các thông tin về phụ tải vào không gian và thời gian tương ứng. Trong đó thông số cơ bản nhất là toạ độ Ij(t) và dòng điện Sj(t) của các đoàn tàu tại từng thời điểm. Quá trình trên được thể hiện ở đường nối không liên tục từ khối AS(t) về khối PBĐTAU trên sơ đồ. Lệnh g(2) là điều kiện để truyền tín hiệu trên tuyến đường tương ứng ATĐGk (1, 2, 3) mà ở đó có đoàn tàu hoạt động và những thông tin được truyền là dòng điện của các đầu máy (nó đi vào tổ hợp lưới tiếp xúc LTXUC). Đồng thời đi vào lưới tiếp xúc LTXUC còn có điện áp các thanh cái của các trạm điện kéo Utrk (1, 2, 3), mà điện áp này lấy từ đầu ra của các khối trạm điện kéo TRAMk. Đầu ra của khối LTXUC có 2 thông tin, nó gồm sự phân bố tải dòng điện giữa các trạm Itxk (cũng là dòng ở lưới tiếp xúc k) và phân bố điện áp dọc theo chiều dài lưới Utxk. Khối XLLTX sẽ sử dụng tín hiệu vào Utxk để tính toán, xử lý mọi thông tin trên toàn thể các lưới tiếp xúc và cho ra các thông tin tại thời điểm đó (Ultx) khi có lệnh điều khiển g(3). Lệnh g(4) cho phép đưa các thông tin về dòng điện và toạ độ của nó (nơi có đoàn tàu hoạt động) từ đầu ra của khối XLLTX về tổ hợp AI(t). Để thực hiện được việc này trong khối XLLTX phải tính toán từng lưới tiếp xúc có đoàn tàu với điện áp lưới lúc đó. Khối TRAMk, có các thông tin ra gồm: tải (điện áp, dòng điện) của các cuộn dây biến áp và van chỉnh lưu Uba(t), Iba(t), Icl(t), độ quá nhiệt của biến áp so với môi trường Tba(t), nhiệt độ tiếp xúc mặt p - n của van chỉnh lưu Tcl(t), chúng là hàm thời gian cho từng trạm kéo. Để thực hiện nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ tổng hợp trên, cần lập các thuật toán, chuơng trình tính toán, các bài toán xử lý số liệu, xây dựng các đồ thị theo lý thuyết về sức kéo, cung cấp điện, vật liệu, điện tử, khí cụ, nhiệt, kinh tế… cho từng khối theo các yêu cầu, số liệu vào ra, thông số điều khiển Những vấn đề này có thể tìm thấy trong nhiều tài liệu chuyên môn về giao thông điện (tài liệu 1, 2 và 3 trong tham khảo). Tác giả xin dành cho các nhà nghiên cứu về các lĩnh vực ấy hoặc xin đề cập ở những bài báo hoặc tài liệu sau này. CT 2 III. KẾT LUẬN Sử dụng mô hình mô phỏng khi thiết kế và vận hành hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt đáp ứng được yêu cầu cần thiết cho nền giao thông điện hiện đại. Mô hình phải thể hiện được đầy đủ các mối quan hệ toán học cho các đại lượng vật lý - cơ học - điện từ - kinh tế trong cả không gian và thời gian về hoạt động của các đoàn tàu, các tương tác qua lại của phụ tải với lưới điện kéo (chứa biến áp, chỉnh lưu, mạng tiếp xúc điện). Vì vậy nhờ nó có thể tính toán thực tế tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn hay kiểm tra các thông số thiết bị điện trong hệ thống mà nó mô phỏng. Tài liệu tham khảo [1]. M.A. Clepxôpva. Akađema. Axnôvưi êlêctricheccôvơ transprta., Matcơva 2006. [2]. M.A.Clepxôpva. Êlêctrỗnabơzenhie êlêctricheccôvơ transprta MÊI 2001. [3]. Barơđuxcơ Blep. Côntrôn, upravlenhie i điagnôctrika xixchem triagôvơvơ êlêctrỗnabơzenhia na axnôve vưchitlichennôi checkhơnhiki. Ircutxơc 2006. [4]. Turan Gonen. Electric Power Transmission System Engineering. New York, 1998. [5]. Lê Mạnh Việt, Trần Hồng Mạnh. Ứng dụng công nghệ vi xử lí, vi tính để tự động điều chỉnh nâng cao chất lượng nguồn điện cung cấp cho đoàn tàu. Tạp chí GTVT 11/1996♦ . đoạn trong hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt. CT 2 II. NỘI DUNG 1. Khái quát về mô hình mô phỏng hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt Hệ thống điện quốc gia có các đường dây. hợp mô phỏng hệ thống cung cấp điện giao thông đường sắt và phân tích hoạt động của nó ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ )( )( )( tI tT tT td ba cl CT 2 Hình 3. Sơ đồ tổng hợp mô hình mô phỏng hệ thống cung cấp điện. NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT TS. LÊ MẠNH VIỆT Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo tổng quát hoá