Residual life estimation of batteries in DC power systems of traction substations

Full Text

Введение

Аккумуляторные батареи на основе различных химических источников тока играют значительную роль в области повышения надежности работы электроэнергетических систем, систем электроснабжения, транспорта и т.д. [1–3].

Определение остаточной емкости аккумуляторов необходимо для прогнозирования работоспособности аккумуляторных батарей и проведения своевременного технического обслуживания, обеспечивающего надежность систем оперативного постоянного тока (СОПТ) тяговых подстанций. Техническое обслуживание аккумуляторных батарей помимо регламентных испытаний включает и ряд других работ, например, доливку электролита, замену элементов, изменение настроек зарядных устройств и др. [4–6].

Химические источники тока в процессе эксплуатации и хранения подвержены процессам деградации емкости, которые связаны с протекающими в них электрохимическими процессами и зависят от ряда эксплуатационных факторов [7–9]. Среди последних выделяют температуру окружающей среды, глубину разряда, среднюю степень заряженности, ток заряда и разряда, количество циклов заряда-разряда, срок хранения и продолжительность эксплуатации аккумуляторов.

В процессе эксплуатации тяговых подстанций требуется решение задачи минимизации эксплуатационных расходов с сохранением заданного уровня надежности. На уровень эксплуатационных расходов аккумуляторных батарей, состоящих из свинцово-кислотных аккумуляторов и входящих в СОПТ тяговых подстанций, оказывают влияние показатели надежности элементов, режим работы батареи, трудоемкость и стоимость технического обслуживания в течение жизненного цикла, квалификация привлекаемого для технического облуживания оперативно-ремонтного персонала и др. [10–13].

В настоящее время СОПТ тяговых подстанций не оснащены системами мониторинга и диагностики аккумуляторных батарей (АКБ), позволяющих прогнозировать текущее состояние всех элементов и давать прогноз остаточного ресурса. Оценка параметров АКБ выполняется в ходе плановых работ по техническому обслуживанию.

В то же время тенденция развития СОПТ подстанций показывает повышение степени интеграции с системами мониторинга и диагностики АКБ, направленное на повышение надежности СОПТ в целом и сокращение эксплуатационных расходов, связанных с контролем над режимами работы, профилактическими испытаниями и измерениями.

Учитывая роль СОПТ в обеспечении надежности тяговых подстанций, а также место АКБ при обеспечении бесперебойного питания оперативных цепей, решение задач в области разработки систем мониторинга технического состояния и остаточного ресурса является актуальным.

Подходы к оценке остаточного ресурса аккумуляторов

Деградация емкости аккумуляторов в течение эксплуатации зависит от их параметров и эксплуатационных факторов, воздействие которых носит случайный характер. Решение задачи по определению остаточной емкости аккумуляторов в заданный момент времени основано на использовании регистрируемых показателей и их статистической оценке.

Учет процессов деградации емкости аккумуляторов позволяет повысить качество проектирования СОПТ. Одним из основных параметров является емкость аккумуляторных батарей, определяющая стоимость проекта СОПТ подстанции. При определении емкости аккумуляторных батарей на тяговых подстанциях исходят из планируемых графиков нагрузки и характеристик аккумуляторов, позволяющих определить минимальное напряжение по окончании разряда. Значение минимального напряжения определяется разрядной характеристикой и зависит от времени и тока разряда, а также остаточной емкости аккумуляторов. В процессе эксплуатации емкость аккумуляторов снижается. Указанное обстоятельство не нашло отражение в методике определения емкости аккумуляторной батареи в СОПТ тяговых и трансформаторных подстанций, содержащейся в ГОСТ Р 58408-2019 «Сети электрические собственных нужд и оперативного тока железнодорожных тяговых подстанций, трансформаторных подстанций и линейных устройств системы тягового электроснабжения. Технические требования, правила проектирования, методы электрических расчетов». Повышение надежности может быть обеспечено за счет повышения емкости АКБ относительно расчетной, что приведет к увеличению капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Для исключения роста указанных расходов и обеспечения надежности АКБ в СОПТ тяговых подстанций предлагается использовать системы мониторинга технического состояния, целью применения которых является выявление элементов с пониженной остаточной емкостью для их своевременной замены.

Существует несколько подходов к оценке остаточной емкости, которые зависят от специфики условий работы аккумуляторных батарей.

При эксплуатации аккумуляторных батарей, работающих в циклическом режиме (для возобновляемых источников энергии, электротранспорта, мероприятий по управлению спросом и др.) решают задачу снижения стоимости жизненного цикла с учетом необходимости реализации режимов заряда и разряда. Целевой функцией при решении данной задачи выступает функция стоимости АКБ, учитывающая экономические эффекты от поставки электроэнергии в режиме разряда, и расходы, связанные с деградацией АКБ [14]. Деградация АКБ учитывается путем подсчета количества циклов заряд-разряд и сравнивается с нормативной циклируемостью. Стоимость деградации аккумуляторных батарей электротранспорта за час работы может определяться на основе расчета количества электричества, например, как это предложено в [14]:

${С}_h^{b,d}=\frac{C_{b,cap}\cdot P_h^{ev}\cdot \Delta h}{E_{cap}^{ev}\cdot l_c\left(Do{D}_h^b\right)\cdot {\eta }_b^2}$, (1)

где C_{b, cap} – капитальные затраты на приобретение батареи, зависящие от емкости; $P_h^{ev}$ – мощность батареи электромобиля при часовом разряде; Δh – интервал времени; $E_{cap}^{ev}$ – емкость аккумуляторной батареи; $Do{D}_h^b$ – глубина разряда батареи за час; l_c – количество циклов заряд-разряд батареи в зависимости от глубины разряда; ${\eta }_b^{}$ – коэффициент полезного действия батареи.

Указанный подход основан на соотношении пропускной способности АКБ за заданный интервал времени к пропускной способности в течение жизненного цикла батареи. Способ позволяет определять стоимостную оценку работы АКБ за указанный временной интервал с учетом уровня разрядной мощности и глубины разряда батареи. Методология расчета стоимости деградации основана на оценке исчерпания ресурса аккумулятора при циклическом старении. Вследствие того, что мощность и глубина разряда аккумуляторов являются случайными величинами, стоимость деградации является переменной величиной и может быть использована для экономической оценки применения батареи в режимах разряда и заряда, в том числе в условиях выбора быстрой и медленной зарядки, а также при разряде на электрическую сеть в рамках реализации мероприятий по управлению спросом на электроэнергию и мощность.

Рассмотренный выше подход не учитывает процессов календарного старения и соответствующей деградации емкости аккумуляторов. На деградацию емкости при календарном старении основное влияние оказывают: температура окружающей среды, время хранения, степень заряженности. Конец жизненного цикла аккумуляторов в зависимости от параметров и характеристик, как правило, соответствует снижению остаточной емкости более чем на 20%.

Одновременно деградацию емкости дополнительно оценивают по скорости роста внутреннего сопротивления аккумуляторов. Снижение емкости в течение заданного промежутка времени в зависимости от температуры T и степени заряженности определяется по заводским характеристикам или на основе ряда экспериментов, позволяющих обобщить результаты с помощью нелинейных аппроксимирующих функций. На примере испытаний аккумуляторных батарей в [15] предложена аппроксимирующая функция снижения емкости следующего вида для литий-железофосфатных аккумуляторов при календарном старении:

$\Delta C_{fade}\left(T,t,SoC\right)=a_1{e}^{b_{1}T}{e}^{b_{2}SoC}{t}^{\left(-b_3{T}^{c3}-b_{4}So{C}^{c_4}+b_5\right)}+a_2$, (2)

где a₁, a₂, b₁, …, b₅, c₃, c₄ – эмпирические коэффициенты.

Исследования изменений остаточной емкости аккумуляторов, в том числе, приведенные в [14, 15], содержат результаты, которые позволяют выделить две основные составляющие деградации аккумуляторов – циклическую, связанную с процессами заряда и разряда, и календарную, определяющую зависимость остаточной емкости от продолжительности и условий хранения.

Условия эксплуатации аккумуляторов определяют факторы, влияющие на деградацию емкости. При рассмотрении условий работы аккумуляторных батарей тягового подвижного состава следует выделить эпизоды, в которых аккумуляторная батарея находится в режимах постоянного подзаряда или разряда, и эпизоды ожидания работы, которые аналогичны условиям хранения. В первом случае деградация определяется с учетом циклируемости и мощности заряда и разряда, во втором – временем и условиями хранения. Условия эксплуатации аккумуляторных батарей в СОПТ тяговых подстанций отличаются от условий для тягового подвижного состава тем, что для первых практически отсутствует режим ожидания или хранения (без работы батареи).

В общем случае назначение систем накопления электроэнергии с химическими источниками тока определяет условия работы аккумуляторных батарей, в которых могут присутствовать факторы, связанные с циклическим и календарным старением.

Оценка режимов работы аккумуляторных батарей в системах оперативного постоянного тока

Построение систем мониторинга технического состояния аккумуляторов на тяговом подвижном составе и стационарных объектах железнодорожного транспорта выполняется с учетом циклического и календарного старения на основе параметров и характеристик используемых типов аккумуляторов. Основным отличием в режимах работы стационарных АКБ от бортовых является отсутствие у первых режимов, связанных с отключением от нагрузки и зарядно-подзарядных устройств. Например, на тяговых подстанциях аккумуляторные батареи находятся в режиме постоянного подзаряда и выводятся из работы при необходимости только на время проведения технического обслуживания или замены элементов. На ТПС аккумуляторы могут в течение длительного времени находиться в режиме саморазряда, продолжительность указанного времени зависит от технического обслуживания и режимов работы.

Эксплуатация аккумуляторных батарей на подстанциях характеризуется относительно невысоким уровнем коэффициента использования, соответствующим режиму разряда. Результаты регистрации напряжения и тока для одной из аккумуляторных батарей подстанций, расположенных в Северо-Кавказском федеральном округе, выполненные в течение года, показывают, что количество отключений батарей невелико, а продолжительность отключенного состояния составляет, как правило, менее 5% в течение года (Рис. 1).

 

Рис. 1. График среднего напряжения на элемент и тока батареи по данным регистрации в системе оперативного постоянного тока в течение года

Fig. 1. Mean cell voltage and battery current curve based on data recorded in the DC power system over a year

 

Деградация емкости аккумуляторов при календарном старении связана с процессами саморазряда при хранении или в режиме ожидания, когда батарея не подключена к источнику и нагрузке. При циклическом старении деградацию емкости оценивают по фактическому количеству электричества с учетом нормированной цикличности, а также напряжения глубокого разряда элементов и кратности тока разряда. В обоих случаях при оценке календарной и циклической деградации емкости учитывается температура окружающей среды.

Статистическая оценка режимов работы аккумуляторной батареи в СОПТ подстанции позволяет оценить продолжительность воздействия указанных факторов и их значимость на деградацию емкости элементов [16].

Данные, полученные при регистрации, позволяют выделить режимы работы по соответствующим условиям:

• саморазряд: отключение АКБ, сопровождающееся отсутствием тока и напряжения;
• режимы заряда/разряда: токи с положительной/отрицательной полярностью;
• глубокий разряд: снижение уровня напряжения батареи до уровня, соответствующего минимальному напряжению на один элемент и количеству элементов батареи;
• разряд токами, кратными C₁: превышение током номинального уровня.

Температура регистрируется для всех режимов, как при календарной, так и при циклической деградации емкости.

Обработка полученных данных за год работы АКБ (2022 г., измерения по получасовым интервалам), позволяет определить частоты наблюдений по интервалам и построить гистограммы распределения плотности вероятности тока заряда/разряда. При рассмотрении распределения проявляется преобладание режима постоянного подзаряда (диапазон значений 0–1 А, для которого вероятность превышает 90%), при этом токи разряда фиксируются в узком диапазоне от -1 до 0 А с вероятностью 7,5% (Рис. 2). В течение рассматриваемого года эксплуатации для батареи не зафиксированы токи, достигающие номинального (880 А).

 

Рис. 2. График плотности вероятности для полного диапазона (a) и его части (b) токов аккумуляторной батареи

Fig. 2. Probability density plot for the full range of battery currents (a) and its part (b)

 

Режим саморазряда, контролируемый по признакам отсутствия тока и напряжения при отключении батареи, позволяет оценить продолжительность времени в течение всего года. По результатам регистрации напряжения построены графики плотности вероятности для всего диапазона наблюдения напряжения и признака отсутствия напряжения П батареи (Рис. 3). За один год продолжительность режима саморазряда составила 13,2 дня, доля которого за год эксплуатации составляет 3,62%. Среднее на элемент минимальное напряжение в режиме разряда зафиксировано в диапазоне 1,92–1,97 В, указанный режим соответствует максимальному разряду за год эксплуатации, доля которого за год эксплуатации составляет менее 0,1%. Указанную оценку продолжительности наблюдения минимального напряжения допустимо принять для оценки потенциальной продолжительности режима глубокого разряда батареи в течение года эксплуатации.

 

Рис. 3. Графики плотности вероятности напряжения (a) и признака отсутствия напряжения батареи (b)

Fig. 3. Probability density plot for voltage (a) and the absence of battery voltage (b)

 

Температура окружающей среды для свинцово-кислотных аккумуляторов оказывает влияние на скорость саморазряда, а также при температурах, как правило, превышающих 20°C, на срок службы батареи (срок службы сокращается примерно в два раза при повышении температуры на каждые 10°C).

В зависимости от условий местности, расположения батарей на подстанциях и характеристик систем вентиляции и кондиционирования воздуха температура в помещениях АКБ может значительно отличаться. Для рассматриваемого случая продолжительность наблюдения температуры выше 20°C составляет 46,3% от суммарного времени эксплуатации за год.

Приведенные статистические характеристики позволяют выделить наиболее значимые факторы, оказывающие влияние на остаточный ресурс и срок службы аккумуляторных батарей:

1. режим постоянного подзаряда и режим разряда;
2. температура;
3. саморазряд.

Такие факторы, как глубокий разряд и разряд токами, равными или кратно превышающими номинальный, не являются продолжительными либо отсутствуют по условиям эксплуатации, соответственно. Приведенные выше факторы в большей степени имеют отношение к циклическому старению, поскольку в условиях эксплуатации режимы саморазряда АКБ на подстанциях являются относительно кратковременными (в рассматриваемом случае менее 4%).

Цифровые двойники физических объектов позволяют прогнозировать их техническое состояние на основе показателей работы. Определение остаточного ресурса и срока службы АКБ подстанций для систем мониторинга технического состояния предлагается выполнять на основе цифровых двойников, модели которых учитывают указанные выше факторы, а также данные регистрации показателей работы АКБ в СОПТ подстанций.

Диагностические данные, получаемые в ходе технического обслуживания (емкость при контрольном разряде, напряжение разомкнутой цепи, внутреннее сопротивление, импеданс, плотность электролита и др.), могут быть использованы для уточнения результатов работы цифровых двойников АКБ при оценке срока службы, остаточной емкости и технического состояния. Поэлементное измерение напряжения позволяет оценить отклонение напряжений элементов от среднего значения по батарее (допускается отклонение до 1,5% от среднего напряжения¹) и выявить аккумуляторы со сниженным значением остаточной емкости. Указанные измерения могут быть проведены не только для режима разомкнутой цепи, но и в режимах заряда и разряда. Аналогичным образом определяются значения внутреннего сопротивления и отклонения сопротивлений элементов от среднего значения по группе, что позволяет выявить элементы с повышенным или со сниженным сопротивлением (на примере двух аккумуляторных батарей указанные величины приведены на Рис. 5). К недостаткам оценки остаточного ресурса АКБ по диагностическим данным относятся относительно большие трудозатраты и периодичность проведения измерений (для открытых аккумуляторов периодичность ТР – 1 раз в год, М – 1 раз в 8 лет, для закрытых – может быть увеличена по рекомендациям изготовителя).

 

Рис. 4. Графики температуры (a) и ее плотности вероятности (b)

Fig. 4. Temperature graphs (a) and its probability density plots (b)

 

Рис. 5. Графики напряжение – внутреннее сопротивление для первой (a) и второй (b) аккумуляторной батарей

Fig. 5. Voltage–internal resistance graphs for the first (a) and second (b) batteries

 

Построение цифрового двойника аккумуляторной батареи тяговой подстанции направлено на решение следующих основных задач:

1. оценка технического состояния, остаточного ресурса и прогнозирование срока службы;
2. обеспечение контроля показателей теплового режима;
3. оптимизация заряда батареи;
4. балансировка аккумуляторов;
5. выявление дефектов и неисправных элементов в батарее.

Модель цифрового двойника для определения остаточного ресурса аккумуляторной батареи

Перспектива решения вышеприведенных задач для аккумуляторных батарей различного назначения во всем мире связана с разработкой и совершенствованием цифровых двойников объектов. Областями применения цифровых двойников выступают системы управления, защиты и мониторинга технического состояния (Battery Management System (BMS)), а также регулирования режимов работы, входящие в автоматизированные системы управления перспективных высокоавтоматизированных тяговых подстанций и систем тягового электроснабжения [17].

$\left\{\begin{array}{l}{\mathrm{C}}_{ост}=\frac{{\mathrm{Q}}_{норм}-{\mathrm{Q}}_{\mathrm{t}}}{{\mathrm{Q}}_{норм}}{\mathrm{C}}_{ном}\text{;}\\ {\mathrm{Q}}_{\text{норм}}=2\cdot {\mathrm{C}}_{ном}\cdot \mathrm{n}\text{;}\\ {\mathrm{Q}}_t=\sum _1^5{\mathrm{Q}}_{\text{р}\mathrm{i}}\text{;}\\ {\mathrm{Q}}_{\text{р}1}=\sum _{\mathrm{j}}^{}{\mathrm{I}}_{\text{р}\mathrm{j}}\Delta {\mathrm{t}}_{\mathrm{j}}+\sum _{\mathrm{j}}^{}{\mathrm{I}}_{з\mathrm{j}}\Delta {\mathrm{t}}_{\mathrm{j}}\text{;}\\ при{\mathrm{U}}_{\mathrm{j}}<{\mathrm{U}}_{\text{min}}\left(\mathrm{f}\left({\mathrm{I}}_{р\mathrm{j}},{\mathrm{T}}_{\mathrm{j}}\right)\right)\text{:\hspace{0.33em}}{\mathrm{Q}}_{\text{p}2}={\mathrm{Q}}_{\text{норм}}\sum _{\mathrm{j}}\frac{{\mathrm{t}}_{\text{гл\hspace{0.33em}}\mathrm{j}}}{{\mathrm{t}}_{\text{норм}}},\\ \forall {\mathrm{t}}_{\text{гл\hspace{0.33em}}\mathrm{j}}\to {\mathrm{U}}_{\mathrm{j}}\text{;}\\ {\mathrm{Q}}_{\mathrm{p}3}={\mathrm{Q}}_{\text{норм}}\sum _{\mathrm{j}}\left(\left(1-\frac{{\mathrm{T}}_{\text{норм}}}{{\mathrm{T}}_{\mathrm{j}}}\right)\frac{\Delta {\mathrm{t}}_{\mathrm{j}}}{{\mathrm{t}}_{\text{норм}}}\right)\text{;}\\ приI_{р\mathrm{j}}>{\mathrm{k}}_{кр}{I}_{ном}\text{:\hspace{0.33em}}{\mathrm{Q}}_{\mathrm{p}4}=\sum _{\mathrm{j}}\left(\frac{{\mathrm{I}}_{р\mathrm{j}}\cdot \Delta {\mathrm{t}}_{\mathrm{j}}}{{\mathrm{Q}}_{\text{норм}}}{\mathrm{C}}_{ном}\right)\text{;}\\ Q_{\mathrm{p}5}=\sum _i\mathrm{g}\left(t_{сам\mathrm{j}},T_{\mathrm{j}}\right)\text{;}\\ {\mathrm{n}}_{\text{ост}}=\frac{{С}_{\text{ост}}}{{С}_{\text{ном}}}\text{,}\end{array}\right.$(3)

где Q_норм – нормированная пропускная способность батареи, А·ч; Q_t – определенное по результатам измерений количество электричества, соответствующее моменту времени t, А·ч; С_ном – номинальная емкость батареи, А·ч; n – нормированное количество циклов заряда/разряда, цикл; Q_р1–Q_р5 – количество электричества, зарегистрированное в режимах заряда/разряда, глубокого разряда, разряда с токами, кратными номинальному, саморазряда соответственно, А·ч; I_рj и I_зj – токи в режимах разряда и заряда соответственно, А; Δt_j – интервал времени регистрации токов в режимах заряда и разряда; U_min = f(I_рj, T_рj) – функция минимального напряжения в зависимости от тока разряда и температуры, определяемая изготовителем, В; t_норм – нормированное время эксплуатации батареи, заявленное изготовителем, ч; T_j и T_норм – фактическая температура окружающей среды и нормированная температура соответственно, °C; k_кр – коэффициент кратности по току, о.е.; g(t_{сам j}, T_j) – функция саморазряда в зависимости от продолжительности режима и температуры окружающей среды, А·ч; С_ост и n_ост – остаточные емкость и количество циклов заряда/разряда соответственно, А·ч и цикл.

Построение цифрового двойника для определения остаточного ресурса аккумуляторной батареи тяговой подстанции связано с рядом технических решений и выполняется на основе математической модели, учитывающей циклическую и календарную деградацию. Математическая модель учитывает основные ресурсные характеристики, приводимые изготовителями свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Для рассмотренных результатов регистрации показателей работы свинцово-кислотной батареи в СОПТ подстанции (см. рис. 2–4) расчетное снижение остаточной емкости составило 1,86%, при этом 0,20% израсходованного ресурса связано с циклическим старением (режимами заряда/разряда), а 1,66% – с влиянием температуры, превышающей в определенные моменты времени нормированную (20°С). За год наблюдений отмечается относительно небольшая потеря емкости батареи, что обусловлено отсутствием режимов глубокого разряда, в которых напряжение снижается до уровня 1,8 В, токами батареи, не превышающими номинальный ток аккумуляторов, небольшой продолжительностью нахождения батареи в режимах саморазряда и сравнительно небольшим отклонением температуры окружающей среды в помещениях от нормированной (средняя температура в указанные периоды составила менее 23°С).

Экспериментальная оценка остаточной емкости

Верификация полученных результатов выполняется инструментальными способами оценки остаточной емкости, среди которых одним из наиболее точных и распространенных является контрольный разряд аккумуляторов. Для экспериментальной оценки выбран один элемент батареи с усредненными характеристиками. По результатам заряда и последующего разряда, выполненного с помощью активатора электрохимических источников питания типа AEAC-12М, построены графики токов и напряжений с дискретностью одна секунда (рис. 6). На первом этапе для достижения аккумулятором полной степени заряженности выполнен заряд до достижения напряжения 2,3 В, на втором этапе блоком электронной нагрузки выполнен разряд постоянным током 25 А (продолжительность разряда составила один день одиннадцать часов) до снижения напряжения до 1,8 В. Емкость при разряде составила 879,5 А·ч. Для приведения емкости к нормированной температуре используется следующее выражение:

${С}_{{20}^{\mathrm{o}}\mathrm{C}}=\frac{{С}_{изм}}{1+\lambda \left(T-20\right)}$, (4)

где λ – поправочный коэффициент, для испытаний продолжительностью более одного часа равный 0,006 (для испытаний менее одного часа – равный 0,01).

 

Рис. 6. Графики тока и напряжения при заряде (a) и разряде (b) свинцово-кислотного аккумулятора емкостью 880 А·ч

Fig. 6. Current and voltage during charging (a) and discharging (b) of an 880 Ah lead-acid battery

 

Приведенная с помощью (4) емкость составляет 858,89 А·ч или 97,6% от номинальной емкости.

Тестирование батареи с использованием оборудования CONBAT позволило получить остаточную емкость всей батареи на уровне 795 А·ч или 90,3%, при этом выявлен разброс характеристик аккумуляторов, в частности напряжения в конце разряда на отдельных элементах, которые ограничили емкость батареи.

С помощью инструментальных способов оценки остаточной емкости отдельные элементы показали снижение емкости на 2,4% (до уровня 97,6% от номинальной), при оценке для всей батареи снижение емкости составило 9,7% (до уровня 90,3%).

Сравнение полученных результатов

При оценке полученных результатов необходимо учитывать потерю ресурса в предыдущие два года эксплуатации. При допущении о том, что условия эксплуатации предыдущих лет для АКБ были аналогичны, расчетный остаточный ресурс через три года эксплуатации составил около 100 – 1,86×3 = 94,4%. Указанное расчетное значение приводится для АКБ из 104 последовательно соединенных элементов, для которых наблюдается разброс характеристик. Оцениваемая в данном случае погрешность предложенного подхода составляет около 94,4 – 90,3 = 4,6 %. Для отдельно выбранного элемента 94,4 – 97,6 = –3,3%. Выше было отмечено, что систематически (при проведении испытаний в ходе технического обслуживания) расчетное значение должно корректироваться, поскольку цифровой двойник оперирует измеряемыми BMS показателями. В связи с этим погрешность расчетов можно признать допустимой.

Предложенная математическая модель цифрового двойника для оценки остаточного ресурса АКБ тяговой подстанции позволяет сформировать алгоритм и программное обеспечение для его использования в системах мониторинга технического состояния высокоавтоматизированных тяговых подстанций, как это показано в [18, 19].

Заключение

К преимуществам предложенного подхода при построении систем контроля и управления аккумуляторными батареями тяговых подстанций, реализующими функцию мониторинга технического состояния, следует отнести оценку остаточного ресурса в режиме реального времени, оперативное выявление факторов, оказывающих влияние на деградацию (например, повышенной температуры в помещении), прогнозирование остаточного срока службы и продолжительности работы в режимах разряда с заданным профилем нагрузки. Как показывает сравнение результатов расчетов, выполненных на основе предложенной модели цифрового двойника батареи и контрольного разряда, погрешность предложенного способа определения остаточной емкости составляет менее 5%.

Реализация предложенного подхода возможна при реализации как поэлементного контроля, так и для контроля всей аккумуляторной батареи. Предложенная модель цифрового двойника строится с учетом заводских параметров и характеристик аккумуляторов и может найти применение в системах оперативного постоянного тока тяговых подстанций.

Перспектива дальнейших исследований связана с учетом разброса характеристик аккумуляторов, построением системы мониторинга технического состояния оборудования тяговой подстанции и совершенствованием методики определения емкости аккумуляторных батарей тяговых подстанций с учетом процессов календарной и циклической деградации.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

 

¹ Правила содержания тяговых подстанций, трансформаторных подстанций и линейных устройств системы тягового электроснабжения. Текст непосредственный. М.: ОАО «РЖД». – 2016.

About the authors

Elena I. Bakanova

Omsk State Transport University

Author for correspondence.
Email: bakanovaei@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-1468-9368
SPIN-code: 4075-5430

postgraduate student

Russian Federation, Omsk

Maxim S. Morozkin

Omsk State Transport University

Email: morozkinms@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-9732-4767

engineer

Russian Federation, Omsk

Vladislav L. Nezevak

Omsk State Transport University

Email: ostu_ietpss_articles@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1205-1994
SPIN-code: 8626-0883

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Department of Electric Power Supply of Railway Transport

Russian Federation, Omsk

References

Supplementary files