Способ имитационного моделирования в реальном времени совместной работы электроэнергетических систем, систем тягового электроснабжения и электровозов
Владельцы патента RU 2647352:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II" МГУПС (МИИТ) (RU)
Изобретение относится к моделированию процессов в системе тягового электроснабжения. Способ имитационного моделирования в реальном времени совместной работы электроэнергетических систем, систем тягового электроснабжения и электровозов заключается в следующем. Совместно используют четыре взаимодействующие подсистемы в виде персонального компьютера, вычислительной платформы реального времени, микроконтроллера управления объектом, системы отображения и модульно-измерительной системы обработки сигналов. Используют группы единиц электрического транспорта в количестве более двух, при этом каждая единица электрического транспорта представлена отдельным программно-аппаратным блоком. Технический результат изобретения заключается в повышении точности представления единицы электрического транспорта, перемещающейся по реальному профилю и обрабатывания всех алгоритмов управления процессами. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к электроэнергетике, электротехнике, информационным технологиям и может быть использовано для моделирования движения поездов на магистральных и пригородных железных дорогах, промышленного транспорта, метрополитенов и городского транспорта. Необходимость построения программно-аппаратного комплекса имитационного моделирования в реальном времени совместной работы электроэнергетических систем, систем тягового электроснабжения, а также электровозов и электропоездов определяется тем, что при создании или модернизации любых электрических транспортных систем большое значение имеет правильный выбор всех элементов системы тягового электроснабжения и режимов движения поездов. Для решения этих задач необходимо в системах электроснабжения различного уровня учитывать движение множества перемещающихся нагрузок в виде электрического транспорта и при этом исследовать не только механические процессы движения электрического транспорта, но и электромагнитные процессы взаимодействия электрического транспорта с системой тягового электроснабжения и электроэнергетической системой, а также взаимное их электромагнитное влияние друг на друга.
Для правильного выбора режимов движения (тяга, выбег, рекуперация) также необходимо знать положение всех поездов на участке и особенности их взаимодействия с системой тягового электроснабжения.
«Уровень техники»
За прототип взят существующий в настоящее время вычислительный комплекс реального времени, имеющийся на кафедре «Электропоезда и локомотивы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II» (л-1). Этот вычислительный комплекс реального времени (Фиг. 1) образован тремя подсистемами, взаимодействующими между собой по каналам аналогового и цифрового ввода/вывода, а также по сетевым каналам стандарта TCP/IP. Верхний уровень выполняет моделирование электромагнитных процессов и состоит из персонального компьютера ПК и вычислительной платформы реального времени ВПРВ. В прототипе ВПРВ реализована на базе системы RT-lab канадской фирмы Opal-RT. ВПРВ оборудована устройствами сопряжения с объектом (УСО-1), включающими многоканальные аналогово-цифровые (АЦП-1) и цифроаналоговые (ЦАП-1) преобразователи, а также устройства цифрового ввода (ЦВВ-1) и цифрового вывода (ЦВЫВ-1). Программа расчёта составляется в ПК. В прототипе программа расчёта составляется в среде программного пакета Matlab/Simulink.
К УСО-1 подключается аппаратная часть комплекса в виде микроконтроллера МК, имитирующего внешнюю систему управления объектом. В прототипе МК реализован на базе промышленного микроконтроллера CompactRIO фирмы National Instruments. К третьему уровню относится система отображения и обработки сигналов, включающая в себя дисплей и модульную измерительную систему ИС. В прототипе ИС реализована на базе промышленного компьютера PXI фирмы National Instruments. Таким образом, в состав программно-аппаратного комплекса входит четыре различных типа вычислительных машин.
На ВПРВ сохраняются модели системы первичного и тягового электроснабжения. К модели тяговой сети подключены модели двух электровозов, работающих в режиме тяги и рекуперативного торможения. Система управления электровозами с реализацией реально действующих на сегодняшний момент внутренних алгоритмов их работы, выполнена на МК и ИС.
Недостатком прототипа является отсутствие перемещения электровозов, ограниченное их число в две единицы, ограниченная длина участка обращения (одна межподстанционная зона), неполный учёт всех особенностей работы системы управления электропоездов, заключающийся, например, в реализации только двигателей постоянного тока, отсутствие контроля буксования и езды юзом и т.д. Реализация множества единиц электровозов и увеличение длины участка обращения потребует существенного повышения вычислительной мощности ВПРВ, однако даже это не позволит максимально точно производить моделирование в силу погрешностей численной реализации алгоритмов управления электромагнитными, электромеханическими и механическими процессами в каждом электровозе.
С этой целью следует модернизировать вычислительный комплекс реального времени (л-1), дополнив его блоками, моделирующими электромагнитные, электромеханические и механические процессы в каждой единице электрического транспорта. Количество таких блоков должно соответствовать количеству единиц электрического транспорта, которые могут одновременно находиться на участке обращения в соответствие с пропускной способностью этого участка. Эти блоки должны содержать модели движения единицы электрического транспорта по профилю реального участка и реальными блоками, моделирующими процессы, происходящие в каждой единице электрического транспорта при её движении по расчётному участку.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом заявляемого объекта является максимально точное представление единицы электрического транспорта, перемещающейся по реальному профилю, и отработкой всех алгоритмов управления электромагнитными, электромеханическими и механическими процессами, реализуемыми с помощью реальных физических микроконтроллеров, используемых в электрическом транспорте в настоящее время. Единая модель систем электроснабжения различного уровня с учётом движения множества перемещающихся нагрузок по участку обращения в виде электрического транспорта, механических процессов движения электрического транспорта, электромагнитных процессов взаимодействия электрического транспорта с системой тягового электроснабжения и электроэнергетической системой, а также взаимного их электромагнитного влияния друг на друга позволят максимально точно вести расчёты и исследования силовых элементов системы тягового электроснабжения и обеспечить корректный выбор их параметров, а также осуществлять качественный выбор режимов движения поездов.
Для достижения вышеуказанного технического результата предложен способ имитационного моделирования в реальном времени совместной работы электроэнергетических систем, систем тягового электроснабжения и электровозов, заключающийся в совместном использовании четырёх взаимодействующих подсистем в виде персонального компьютера, вычислительной платформы реального времени, микроконтроллера управления объектом и системы отображения и модульно-измерительной системы обработки сигналов, отличающийся тем, что в нём предусмотрено использование группы единиц электрического транспорта в количестве более двух, при этом каждая единица электрического транспорта представлена отдельным программно-аппаратным блоком.
Согласно заявленному способу количество блоков единиц электрического транспорта выбирают равным количеству одновременно находящихся на участке обращения в соответствие с пропускной способностью этого участка единиц электрического транспорта.
Согласно заявленному способу блоки единиц электрического транспорта снабжают моделями процессов движения единицы электрического транспорта по профилю расчётного участка, электромагнитных, электромеханических и механических процессов.
«Краткое описание чертежей»
На Фиг. 1 представлен вычислительный комплекс реального времени согласно прототипу.
На Фиг. 2 представлен модернизированный вычислительный комплекс реального времени согласно настоящему изобретению.
«Осуществление изобретения»
Заявляемый способ иллюстрируется чертежом на Фиг. 2. В новом варианте вычислительного комплекса реального времени модели единицы электрического транспорта (ЕЭТ) выполнены в виде отдельных вычислительных блоков БМЕЭТ, которые соединены с моделью тяговой сети через каналы УСО-1. БМЕЭТ содержат процессоры, моделирующие в реальном времени все электромагнитные и электромеханические процессы, происходящие в силовой электрической схеме ЕЭТ и тяговых электродвигателях, а также механические процессы движения по участку.
Вычислительное устройство, имитирующее работу БМЕЭТ, выполняется на базе материнской платы (МП) персонального компьютера (Фиг. 2), дополненной графическим процессором, работающим в режиме высокопроизводительных вычислений (ГП), что повышает быстродействие вычислительной системы БМЕЭТ более чем на порядок. Кроме того, к МП подключаются два устройства связи с объектом - УСО-2 для связи с ВПРВ и УСО-3 для связи с микроконтроллером (МК), реализующим функции управления ЕЭТ. УСО-2 и УСО-3 выполняются в такой же комплектации, как и УСО-1.
Для решения задач управления каждый БМЕЭТ должен быть оборудован своим микроконтроллером (МК), содержащим помимо процессорной расчётной части (МПР) и ещё своё устройство связи с объектом УСО-4 (ответная часть для УСО-3) в такой же комплектации, как и УСО-1.
Таким образом, в БМЕЭТ реализуется виртуальная замкнутая микропроцессорная система моделирования и автоматического управления, содержащая управляющее устройство, реализованное на базе МПР, исполнительное устройство и объект управления на базе МП и ГП. В качестве исполнительного устройства используются модели тягового трансформатора и силового полупроводникового преобразователя, а в качестве объекта управления - модели тяговых электродвигателей ЕЭТ.
Реализация модернизированного вычислительного комплекса реального времени может быть выполнена на базе следующих компонентов:
- ВПРВ на базе системы RT-lab фирмы Opal-RT;
- МК на базе промышленного микроконтроллера CompactRIO фирмы National Instruments;
- ИС на базе промышленного компьютера РХ1фирмы National Instruments;
- МП любого типа с шиной PCI-Express 16х для установки ГП, встроенной графикой, сетевой картой, интерфейсом USB 2.0 и выше;
- ГП на базе графической карты NVidia TitanX или специализированных вычислительных систем NVidia Tesla K20, K40, K80;
- МПР на базе микроконтроллера 1986ВЕ94Т;
- УСО-1,2,3,4 (АЦП, ЦАП, ЦВВ, ЦВЫВ) на базе LTR-крейта LTR EU-8 с платами расширения LTR-41, LTR-42, LTR-27, LTR-34.
Источники информации
1. Савоськин А.Н., Чучин А.А., Болдин Д.И., Телегин М.В. Исследование электромагнитных процессов в электрической железной дороге переменного тока на базе вычислительного комплекса реального времени // Вестник ВЭл-НИИ. - 2011. т. 1 (61). - С. 23-38.
1. Способ имитационного моделирования в реальном времени совместной работы электроэнергетических систем, систем тягового электроснабжения и электровозов, заключающийся в совместном использовании четырех взаимодействующих подсистем в виде персонального компьютера, вычислительной платформы реального времени, микроконтроллера управления объектом и системы отображения и модульно-измерительной системы обработки сигналов, отличающийся тем, что в нем предусмотрено использование группы единиц электрического транспорта в количестве более двух, при этом каждая единица электрического транспорта представлена отдельным программно-аппаратным блоком.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество блоков единиц электрического транспорта выбирают равным количеству одновременно находящихся на участке обращения в соответствии с пропускной способностью этого участка единиц электрического транспорта.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что блоки единиц электрического транспорта снабжают моделями процессов движения единицы электрического транспорта по профилю расчетного участка, электромагнитных, электромеханических и механических процессов.
