DOI: https://doi.org/10.15802/etr.v0i12.100706

Balance of feeder powers of DC traction substations based on Fryze’s conception

М.О. Костін, О.Г. Шейкіна

Abstract


The main aim of the paper is theoretical definition of the method and numerical calculation of the components of power balance in the feeders using the new conception based on Fryze’s power theory. The methodology uses the approaches of the “discrete electrical engineering”, theory of random processes and the time records of voltage and current in feeder lines of the DC traction substation. In addition, the probabilistic-spectral method is applied for the recorded data processing. The estimation of components of balance of feeder powers is performed using proposed method. It is show, that the average daily values of Fryze’s reactive power exceed the values of active power over a whole number of days. Therefoure, the variance of reactive power exceeds its rate for the active power in 2…2,5 times. It was proved, that the stochastic voltages and currents are the stationary ergodic processes in the first approximation. The novelty consists in the new conception of electric power balance for feeder electric circuits of the DC traction substations using Fryze’s conception. The method of “discrete electrical engineering” for estimation the components of power balance of feeder circuits with stochastic voltages and currents is investigated. The laws of time variations are determined for the total, active and reactive powers. The obtained analytical expressions of the total power components allow to perform the analysis of electric power balance for feeder lines and, in addition, for all traction substation taking into account the random technological changes of voltages and currents in the feeder lines and substation. It is recommended to predict and estimate the effectiveness of the traction substation operation using the numerical and graphical dependences of the components of feeder powers with the next developing of control algorithms for the energy flow from traction substation to electric rolling stock.


Keywords


: power; feeder line; stochastic process; current; balance; Fryze; voltage; traction substation; discrete electrical engineering.

References


Tonkal V. E., Novoseltsev A. V., Denisiuk S. P., Zhuikov V. Ia., Strelkov V. T., Iatsenko Iu. A. Balans energii v elektricheskikh tsepiakh [The balance of energy in electrical circuits]. Kyiv, Nauk. dumka, 1992. 312 p.

Kostіn M. O., Sheikіna O. G. Neodnoznachnіst vyznachennia poniattia «reaktyvnoi potuzhnostі» v kolakh nesynusoidnykh elektrychnykh velychyn [The ambiguity of the definition of "reactive power" in the chain of non-sinusoidal electrical quantities ]. Gіrnycha elektromekhanіka ta avtomatyka [Mining Electrical and Automation], 2002, issue 69, pp. 3-8.

Akagi H. et al.: Instantaneous power theory and applications to power conditioning, Wiley-IEEE Press, 2007, 379 p, ISBN: 978-0-470-10761-4.

Czarnecki L.: On some misinterpretations of the instantaneous reactive power p-q theory. IEEE Trans. Power Electron, 2004, vol. 19, iss. 3, pp. 828–836.

Herrera R. et al.: Present point of view about the instantaneous reactive power theory. IET Power Electron., 2009, vol. 2, iss. 5, pp. 484-495.

Budeany C. Problem de la presence der puissance’s reactive dans les installation de production et distribution d’energie // Rap. Et discuss. Ssr la puissance reactive, 1929. Pt. 3, pp. 117-218.

Fryses S. Wirk-, Blind- und Scheinleistung in elektrischen stromkreisen min nicghtsinsformigen Verlaf von Strom und Spannung / S. Fryse // Elektrotechn. Z. – 1932 – № 25 – S. 596-599; № 26 – S. 625-627; № 29 – S. 700-702.

Kiselev V. V., Ponomarenko I. S. Vliianie nesinusoidalnosti napriazheniia i toka na pokazaniia elektronnykh schetchikov elektroenergii [Influence of non-sinusoidal voltage and current readings of electronic meters of electric energy ]. Prom. Energetika [Prom. Energetics.], 2004, no. 2, pp. 40-45.

Gurtovtsev A. L. O summarnykh predelnykh i realnykh pogreshnostiakh elektronnykh elektroschetchikov [On the aggregate limit and the actual errors of electronic meters]. Elektrika [Electrics], 2007, no. 7, pp. 16-23.

Denisiuk S. P., Kravtsov V. O. Otsіnka tochnostі vimіriuvannia skladovykh elektroenergіi v sistemakh z peretvoriuvachami elektroenergіi [Evaluation of the accuracy of measurement of electric energy components in the inverter power systems ]. Tekhnіchna elektrodynamіka [Technical electrodynamics], 2008, Ch. 1, pp. 61-66.

Bosii D. O., Sinogіna O. M. Oblіk elektroenergіi suchasnymy elektronnymy lіchilnykamy v umovakh garmonіinykh spotvoren [Metering modern electronic counters in terms of harmonic distortion]. Elektryfіkatsіia transportu [Electrification of transport], 2014, no. 7 , pp. 98-105.

Skriabinskii V. S., Sotnikov D. V., Manusov Iu. B. Osobennosti ucheta energii na tiagovykh zheleznodorozhnykh podstantsiiakh [Features energy metering rail traction substations] . K. : IED, 1978, 28 p. – (Preprint – 170 IED,AN USSR).

Petrov A. V. Neproduktyvnі vtraty elektroenergії v systemі elektropostachannia elektrychnoi tiagi postіinogo strumu Kand, Diss. [Unproductive losses of electricity in sistete power electric traction DC. Kand, Diss]. Dnіpropetrovsk, 2011.

Kostіn M. O. Metody vyznachennia potuzhnostei v sestemakh zі stokhastychnymi elektroenergetychnymy protsesamy [Methods for determining the capacity in electric power systems with stochastic processes]. Tekhnіchna elektrodynamіka [Technical electrodynamics]. Tem. vip. PSE-2006. Chast. 6. Kyiv, 2006, pp. 3-8.

Kostin N. A. Metody opredeleniia sostavliaiushchikh polnoi moshchnosti v sistemakh elektricheskoi tiagi [Methods of determining the components of the total power in the electric traction systems ]. Tekhnіchna elektrodynamіka [Technical electrodynamics], 2010, issue 2, pp. 14-17.

Nіkіtenko A. V., Kostіn M. O. Koreliatsіino-dispersіinii metod vyznachennia skladovykh povnoi potuzhnostі v prystroiakh elektrychnoho transportu [The correlation AV-variance method of determining the components of the total power in the electric transportation devices] . Vіsnyk Dnіpropetrovskoho natsіonalnoho unіversytetu zalіznychnoho transportu іmeni akademika V. Lazariana. Nauka ta progres transportu [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan. Science and Progress transport], 2014, issue 3 (51), pp. 51-64.

Kostin N. A., Sablin O. I. Reaktivnaia moshchnost' v sistemakh elektricheskogo transporta postoiannogo toka [Reactive power systems in electric vehicles DC ]. Visnyk priazovskoho derzhavnoho tehnichnoho universytetu [Bulletin of Azov State Technical University], 2005, issue15, pp. 75-80.

Gonorovskii I. S. Radiotekhnicheskie tsepi i signaly [Radio Circuits and Signals ].Moskva, Sov. radio, 1977. 608 p.

Venttsel' E. S. Teoriia veroiatnostei [Probability theory]. Moskva, Nauka, 1965. 576 p.

Sveshnikov A. A. Prikladnye metody teorii sluchainykh funktsii [Applied methods of the theory of random functions]. Moskva, Nauka, 1968. 463 p.


GOST Style Citations


Баланс энергий в электрических цепях/ В. Е. Тонкаль, А. В. Новосельцев, С. П. Денисюк, В. Я. Жуйков, В. Т. Стрелков, Ю. А. Яценко. – К.: Наук. думка, 1992. – 312 с.

Костін, М. О. Неоднозначність визначення поняття «реактивної потужності» в колах несинусоїдних електричних величин/ М. О. Костін, О. Г. Шейкіна // Гірнича електромеханіка та автоматика, 2002, вип. 69, С. 3-8.

Akagi H. et al.: Instantaneous power theory and applications to power conditioning, Wiley-IEEE Press, 2007, 379 p, ISBN: 978-0-470-10761-4.

Czarnecki L.: On some misinterpretations of the instantaneous reactive power p-q theory. IEEE Trans. Power Electron, 2004, Vol. 19, Iss. 3, pp. 828–836.

Herrera R. et al.: Present point of view about the instantaneous reactive power theory. IET Power Electron., 2009, Vol. 2, Iss. 5, pp. 484-495.

Budeany C. Problem de la presence der puissance’s reactive dans les installation de production et distribution d’energie // Rap. Et discuss. Ssr la puissance reactive, 1929. – Pt. 3- P. 117-218.

Fryses S. Wirk-, Blind- und Scheinleistung in elektrischen stromkreisen min nicghtsinsformigen Verlaf von Strom und Spannung / S. Fryse // Elektrotechn. Z. – 1932 – № 25 – S. 596-599; № 26 – S. 625-627; № 29 – S. 700-702.

Киселев, В. В. Влияние несинусоидальности напряжения и тока на показания электронных счетчиков электроенергии / В. В. Киселев, И. С. Пономаренко // Пром. Енергетика. – 2004. – № 2. – C. 40-45.

Гуртовцев, А. Л. О суммарных предельных и реальных погрешностях электронных электросчетчиков / А. Л. Гуртовцев // Электрика. – 2007. – № 7. – С.16-23.

Денисюк, С. П. Оцінка точності вимірювання складових електроенергії в системах з перетворювачами електроенергії / C. П. Денисюк, В. О. Кравцов // Технічна електродинаміка. Тем. вип. «ПСЕ-2008». – 2008. – Ч. 1. – С. 61-66.

Босий Д. О. Облік електроенергії сучасними електронними лічильниками в умовах гармонійних спотворень / Д. О. Босий, О. М. Синьогіна // Електрифікація транспорту, №7. – 2014. – С. 98-105.

Скрябинский, В. С. Особенности учета энергии на тяговых железнодорожных подстанциях / В. С. Скрябимский, Д. В. Сотников, Ю. Б. Манусов. – К. : ИЭД, 1978. – 28 с. – (Препринт – 170 ИЭД,АН УССР)

Петров, А. В. Непродуктивні втрати електроенергії в системі електропостачання електричної тяги постійного струму: дис….канд. техн. наук: 05.22.09/ Петров Андрій Володимирович; Дніпропетр. нац. ун-т залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. – Дніпропетровськ, 2011. – 226 с. – Бібліогр.: С. 195-210.

Костін, М. О. Методи визначення потужностей в системах зі стохастичними електроенергетичними процесами / М .О. Костін // Технічна електродинаміка. Тем. вип. ПСЕ-2006. Част. 6. Київ, 2006 – С. 3-8.

Костин, Н. А. Методы определения составляющих полной мощности в системах электрической тяги / Н. А. Костин, А. В. Петров // Технічна електродинаміка. Вип. 2, 2010. – С. 14-17.

Нікітенко, А. В. Кореляційно-дисперсійний метод визначення складових повної потужності в пристроях електричного транспорту / А. В. Нікітенко, М. О. Костін // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна. Наука та прогрес транспорту. – Дніпропетровськ, 2014. Вип. 3 (51). – С. 51-64.

Костин, Н. А. Реактивная мощность в системах электрического транспорта постоянного тока / Н. А. Костин, О. И. Саблин // Вісник приазовського державного технічного університету. – 2005. – Вып.15. – С. 75-80.

Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. – М.: Сов. радио, 1977. – 608 с.

Вентцель Е. С. Теория вероятностей [для студ. вузов] / Е. С. Вентцель. – М. : Наука, 1965. – 576 с

Свешников, А. А. Прикладные методы теории случайных функций / А. А. Свешников. – М.: Наука, 1968. – 463 с.