Korekcja błędu trakcyjnego licznika energii elektrycznej

Materiały X Konferencji Naukowej SP 2014
Krzysztof PACHOLSKI, Bartosz DOMINIKOWSKI
Politechnika Łódzka
Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej
KOREKCJA BŁĘDU TRAKCYJNEGO LICZNIKA ENERGII ELEKTRYCZNEJ
W referacie przestawiono sposób korekcji błędu liczników energii elektrycznej przeznaczonych do
montażu na pokładzie pojazdów trakcyjnych szynowych i kołowych. Sposób ten polega na
odpowiednim doborze współczynnika wzmocnienia toru prądowego licznika.
THE CORRECTION OF ERROR TRACTION WATT-HOUR METER
The paper presents the way of correction error of watt-hour meters installed on the board rolling stock traction
and wheel traction vehicle. This method based on appropriate of selection amplification coefficient the meter
current circuit.
1. WSTĘP
Ze względów ekonomicznych energia pobierana przez lokomotywy elektryczne, zestawy trakcyjne,
tramwaje i trolejbusy rozliczna jest coraz częściej na podstawie wskazań liczników zamontowanych
na ich pokładzie. Od dokładności wyznaczania wartości tej energii przez licznik uzależnione są koszty
rozliczania tej energii pomiędzy użytkownikami pojazdów trakcyjnych i jej wytwórcą.
Napięcie trakcyjnych linii zasilających ma niewielki zakres zmian w stosunku do wartości
znamionowej. Natomiast prąd płynący w pokładowym układzie zasilającym pojazd trakcyjny ma
wartość uzależnioną od rodzaju ruchu z jakim porusza się ten pojazd [1, 2, 5]. Z tego względu
w trakcie eksploatacji pojazdu trakcyjnego zmiany wartość niskonapięciowego sygnału wyjściowego
toru prądowego licznika obejmują praktycznie cały zakres napięcia wejściowego przetwornika
analogowo-cyfrowego (A/C) tego toru.
Niezależnie od rozdzielczości przetwornika A/C zastosowanego w torze prądowym błąd
wyznaczania energii elektrycznej przez licznik ma wartość odwrotnie proporcjonalną do wartości
sygnału wejściowego tego przetwornika [4]. Dlatego stała przetwarzania części niskonapięciowej toru
prądowego licznika energii powinna mieć zmienianą wartość odpowiednio do wartości prądu
zasilającego pojazdy trakcyjne tak, aby na wejściu przetwornika A/C tego toru występował sygnał
o wartości zbliżonej do górnej granicy zakresu napięcia wejściowego tego przetwornika. Sposób
wyznaczania takiej wartości napięcia wejściowego przetwornika A/C toru prądowego licznika za
pomocą korektora rozmytego wyjaśniono w dalszej części referatu.
2. KOREKCJA STAŁEJ PRZETWARZANIA TORU PRĄDOWEGO LICZNIKA
Strukturę trakcyjnych liczników energii elektrycznej odwzorować można za pomocą schematu
blokowego przedstawiony na rys. 1 [6]. Na wejściu toru napięciowego licznika występuje przetwornik
HV/LV obniżający napięcie trakcyjnej linii zasilającej do wartości należącej do zakresu przetwarzania
toru napięciowego bloku mikroprocesorowego bloku niskonapięciowego oraz przetwornik I/LV
zamieniający wartość chwilową prądu zasilającego układ elektryczny pojazdu na sygnał napięciowy
o wartości należącej do zakresu przetwarzania toru prądowego tego bloku. Blok mikroprocesorowy
LV licznika wyznacza najczęściej wartości mocy i energii czynnej pobieranej i oddawanej do sieci
przez pojazd trakcyjnej w trakcie jego eksploatacji. W celu pomiaru mocy i energii pobieranej przez
układ elektryczny tego pojazdu, tzn. przez układ napędowy, obwody pomocnicze oraz grzewcze, oba
2
Krzysztof Pacholski, Bartosz Dominikowski
______________________________________________________________________________________
ww. przetworniki muszą być zainstalowane w pobliżu bieguna dodatniego pokładowego obwodu
zasilającego pojazdu.
HV
DC
A/C U
HV/LV
AU  const
HV
μP
LV
I/LV
A/C I
AI  var
Rys. 1. Struktura trakcyjnego licznika energii elektrycznej
Fig. 1. Structure of a rail traction watt-hour meter
Konstrukcje produkowanych obecnie trakcyjnych liczników energii elektrycznej [3, 5, 7, 9] nie
pozwalają na zmianę stałych przetwarzania obu torów wejściowych w trakcie eksploatacji tych
przyrządów. Dlatego proponowany przez autorów referatu sposób zwiększenia dokładności ww.
liczników stosować można w trakcie projektowania niskonapięciowego bloku mikroprocesorowego
liczników trakcyjnych.
Na wstępie referatu sygnalizowano, że korekcja błędu pomiaru energii elektrycznej licznikiem
trakcyjnym realizowana będzie przez zmianę stałej przetwarzania części niskonapięciowej LV toru
prądowego licznika – rys. 1. Zmiana stałej przetwarzania części niskonapięciowej toru prądowego
licznika, przy ustalonej wartości prądu zasilającego układ elektryczny pojazdu trakcyjnego, nie
nastręcza większych problemów. Wartość współczynnika wzmocnienia wzmacniacza różnicowego za
pośrednictwem, którego napięcie na boczniku włączonym szeregowo do obwodu zasilającego pojazd,
przekazywane jest do wejścia przetwornika A/CI toru prądowego licznika ustalana jest na podstawie
wartości prądu płynącego przez bocznik.
Problemu optymalnego, ze względu na dokładność wyznaczania energii elektrycznej, doboru stałej
przetwarzania toru prądowego licznika np. przy jednoczesnych zmianach prędkości pojazdu i wartości
prądu zasilającego ten pojazd nie można rozwiązać w sposób oparty na logice tradycyjnej
dwustanowej. Doskonałym narzędziem za pomocą, którego wyznaczyć można współczynnik
wzmocnienia AI toru prądowego licznika trakcyjnego (rys. 1) przy zmianach dwu i więcej
wielkościach decydujących o tym parametrze jest programowy korektor rozmyty realizowany przez
mikroprocesor licznika. Korektor ten ma strukturę rozmytego systemu wnioskowania z bazą reguł
Mamdaniego typu minimum - rys. 2 [8, 10].
Baza reguł
X
Blok
rozmywania
Blok
wnioskowania
Blok
wyostrzania
AI
Rys. 2. Schemat blokowy korektora rozmytego (X, AI oznaczają wektor wejściowy i sygnał wyjściowy
korektora – rys. 1) [8]
Fig. 2. Scheme block of fuzzy controller (X, AI means respectively the input vector and output signal of
the controller – Fig. 1) [8]
Korekcja błędu trakcyjnego licznika energii elektrycznej
3
______________________________________________________________________________________
Pełen opis wszystkich reguł korekcji wzmocnienia części niskonapięciowej toru prądowego
licznika wykracza poza ramy niniejszej pracy. Dlatego do wyjaśnienia działania korektora
wykorzystano przypadek idealnego rozruchu, w którym jego zmienne wejściowe: prędkość v i prąd I
zasilający pojazdu narastają liniowo od zera i wzmocnienie w chwili początkowej, gdy v  0 i
I  0 ma wartość maksymalną. W takim przypadku zadaniem korektora jest początkowe zwiększenie
wzmocnienia toru prądowego licznika do wartości maksymalnej i następnie w miarę wzrostu
prędkości z uwzględnieniem przyrostu prądu zasilającego pojazd zmniejszanie monotoniczne
wzmocnienia do wartości, przy której na wejściu przetwornika A/C toru prądowego występuje
napięcie o wartości zbliżonej np. do połowy zakresu napięcia wejściowego tego przetwornika.
W trakcie realizacji przedstawionego zadania działanie korektora odwzorować można za pomocą
trójwymiarowej hiperpłaszczyzny zgodnie, z którą zmienia się wartość wzmocnienia tak, aby uzyskać
ww. wymaganą wartość, przy wzroście wartości prędkości i prądu zasilającego pojazdu (rys. 3).
Hiperpłaszczyznę przedstawioną na rys. 3 wyznaczono w trakcie badań symulacyjnych w środowisku
Matlab-Simulink przy założeniu, że prąd i jego pochodna przyjmują odpowiednio wartości 0..180A
1A/s i pojazd porusza się z przyspieszeniem 2,5 m/s2 przy wzroście prędkości od 0 do 180 km/h. Na
rys. 3 wzmocnienie toru prądowego licznika AI odwzorowano w jednostkach względnych w stosunku
do wzmocnienia maksymalnego tego toru.
Rys. 3. Hiperpłaszczyzna odwzorowująca działanie korektora
Fig. 3. Hyperplane which mapping the work of the collector
W trakcie działania korektora zgodnie z algorytmem określonym kształtem hiperpłaszczyzny
z rys. 3 napięcie na wejściu przetwornika A/C toru prądowego licznika ma przebieg przedstawiony na
rys. 4. Przy wyznaczaniu tego przebiegu przyjęto, że maksymalne napięcie wejściowe przetwornika
ma wartość 5 V.
napięcie wejściowe
przetwornika A/C I [V]
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
czas [min]
Rys. 4. Uzyskany w trakcie symulacji przebieg napięcia wejściowego przetwornika A/C toru prądowego licznika
Fig. 4. Obtained during the simulation waveform of the input A / D converter of the meter current circuit
Przebieg przedstawiony na rys. 4. sugeruje, że połowa zakresu napięcia wejściowego przetwornika
A/C toru prądowego jest optymalną wartością tego napięcia w trakcie pracy licznika z korektorem
4
Krzysztof Pacholski, Bartosz Dominikowski
______________________________________________________________________________________
rozmytym wzmocnienia tego toru. Ze względu na przebieg sygnału wejściowego, przy większym
dopuszczalnym napięciu wejściowym, przetwornik A/C toru prądowego licznika może być
przesterowany w początkowej fazie pracy korektora przy dużych wartościach pochodnej prądu
zasilającego oraz dużej wartości przyspieszenia pojazdu Wniosek ten ma istotne znaczenie przy
doborze rozdzielczości i zakresu przetwornika A/C zastosowanego w torze prądowym licznika.
Dobierając ten przetwornik należy również pamiętać, że w układzie zasilającym pojazd trakcyjny
energia elektryczna przepływać może dwukierunkowo. W trakcie rozpędzania i jazdy energia
pobierana jest z sieci trakcyjnej, a podczas hamowania następuje zwrot energii do sieci.
3. PODSUMOWANIE
W pracy opisano sposób nadążnej zmiany współczynnika wzmocnienia toru prądowego
trakcyjnego licznika energii elektrycznej. Celem zmiany wartości tego parametru wzmacniacza jest
optymalne, ze względu na dokładność wyznaczania wartości energii elektrycznej, wykorzystanie
zakresu napięcia wejściowego przetwornika A/C ww. toru.
Do uzyskania odpowiedniej wartości współczynnika wzmocnienia toru prądowego licznika
zastosowano korektor rozmyty z bazą reguł wnioskowania Mamdaniego typu minimum, w którą
wyposażone jest środowisko symulacyjne Matlab-Simulink.
Z badań symulacyjnych wnika, że połowa zakresu napięcia wejściowego przetwornika A/C toru
prądowego jest optymalną wartością tego napięcia w trakcie pracy licznika z korektorem rozmytym
wzmocnienia tego toru.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
1.
Biliński J., Buta S., Gmurczyk E., Kaska J.: Nowoczesny asynchroniczny napęd z hamowaniem
odzyskowym produkcji MEDCOM do zmodernizowanych elektrycznych zespołów trakcyjnych
serii EN57AKŁ, Technika Transportu Szynowego, Nr 4/2012.
Biliński J., Frydrysiak R., Gmurczyk E.: Modernizacja systemu napędu elektrycznego zespołu
trakcyjnego EN57 z zastosowaniem silników asynchronicznych, Technika Transportu
Szynowego, Nr 12/2008.
Gabella F.: Railway Current & Voltage Transducers Traction Catalogue LEM, LEM SA
Publication, 2008.
Kester W.: Przetworniki A/C I C/A. Teoria i praktyka. Wydawnictwo BTC, Legionowo 2012.
Maghsound I., Ghassmei A., Farshad S., Fazel S.: Current Balancing, Reactive Power and
Harmonic Compensation Using a Traction Power Conditioner on Electrified Railway System,
IEEE EEM 2009 Belgium, 2013.
Pacholski K., Dominikowski B.: Electricity meters used In the rail traction, AD ALTA Journal of
Interdisciplinary Research ISSUE 1, 2011.
Pająk R., Moneta P., Bednarkiewicz T.: Dokumentacja Techniczno Ruchowa Licznie energii
elektrycznej prądu stałego 3kV LE 3000plus, Nota katalogowa PKP Elester S. A., Łódź 2011.
Rutkowski L.: Metody i techniki sztucznej inteligencji, PWN Warszawa, 2009.
Van der Spiegel B.: Railway Energy Measuring, Managing and Billing, IEEE, Belgia 04/2009.
Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych i logiki rozmytej w automatyce. Ćwiczenia
laboratoryjne z wykorzystaniem programu Matlab-Simulink. Praca zbiorowa pod red. Rojka R.
Wydawnictwo Politechniki Opolskiej, Opole 2000.