ENERGETICKÉ POŽADAVKY NA GRAFIKON VLAKOVÉ DOPRAVY Jindřich SADIL Konviktská 20, 110 00 Praha1, Czech Republic, sadil@fd.cvut.cz Abstrakt: České dráhy, a.s. (ČD) uzavírají s regionálními rozvodnými společnostmi prostřednictvím Správy železniční energetiky (SŽE) smlouvy o odběru elektrické energie pro trakci. V rámci těchto smluv se stanovuje tzv. rezervovaná kapacita vedení. Tato práce se zabývá Severomoravským regionem, tj. oblastí, která místně spadá pod Severomoravskou energetiku, a.s. (SME). Pro trakci je zde použita stejnosměrná soustava napájení 3 kv a je tu celkem 16 napájecích stanic, z toho 7 je připojeno na hladinu vvn a 9 na hladinu vn. Tato práce rozebírá stávající stav a navrhuje jeho možná zlepšení již ve fázi přípravy grafikonu vlakové dopravy (GVD). Je zde ukázáno na konkrétním případě GVD pro rok 2005, jak by se dala snížit hodnota odebíraného výkonu ve špičkových časech při minimálním pohybu s časovou polohou některých vlaků. Klíčová slova: Trakce, Grafikon, Rezervovaná kapacita vedení 1. Úvod České dráhy, a.s. (ČD) uzavírají s regionálními rozvodnými společnostmi prostřednictvím Správy železniční energetiky (SŽE), budoucí dceřiné společnosti ČD, smlouvy o odběru elektrické energie pro trakci. V rámci těchto smluv se stanovuje tzv. rezervovaná kapacita vedení. Rezervovaná kapacita je hodnota maximálního odebíraného výkonu (kw), který se odběratel zaručí odebírat a měří se na místech odběru prostřednictvím práce (kwh) vykonané za 15 minut. Někdy se v této souvislosti používá též pojmu čtvrthodinové maximum. Rezervovaná kapacita se sjednává na rok dopředu a je možné dojednat měsíční dokup rezervované kapacity ke smluvené roční hodnotě. Tato práce se zabývá Severomoravským regionem, tj. oblastí, která místně spadá pod Severomoravskou energetiku, a.s. (SME). Tato oblast odpovídá bývalému kraji Severní Morava a Slezsko. Pro trakci je zde použita stejnosměrná soustava napájení 3 kv a je tu celkem 16 napájecích stanic, z toho 7 je připojeno na hladinu vvn (110, 220 a 400 kv) a 9 je připojeno na hladinu vn (22 a 35 kv). Napěťová hladina, na kterou je napájecí stanice připojena, je rozhodující pro sjednávání rezervované kapacity vedení a pro placení sankčních poplatků za její nedodržení. SŽE totiž sjednává rezervovanou kapacitu za celou napěťovou hladinu dohromady, ne pro jednotlivé napájecí stanice zvlášť. Síť napájecích stanic je přitom rozmístěna tak, že se sebou často sousedí napájecí stanice různých napěťových hladin. V reálném provozu v současné době dochází k překračování smluvených hodnot rezervované kapacity vedení ze strany ČD. Tato skutečnost se zjistí zpětně, protože probíhá měření odebírané energie, přepočtené každých 15 minut na výkon. Tato práce rozebírá stávající stav a navrhuje jeho možná zlepšení jak ve fázi přípravy grafikonu vlakové dopravy (GVD), tak v reálném provozu v reálném čase. 2. Elektrický výkon odebíraný při jízdě vlaku Jak je uvedeno v [1], odebíraný měrný výkon hnacího vozidla, které jede konstantní rychlostí po rovné trati se sklonem 0 se stanoví jako: Chyba! Objekty nemohou být vytvořeny úpravami kódů polí., (1) k t [kw/t]... Potřebný měrný (hmotný) trakční výkon hnacích vozidel
a, b, c [-]... Bezrozměrné konstanty dané tabulkami pro jednotlivé typy hnacích vozidel v [km/h]... Konstantní rychlost vlaku Různé stavy vlaku s příslušnými odběry pro účely této práce udává následující tabulka: Stav vlaku Rozjezd Jízda konstantní rychlostí (maximální rychlostí vlaku) Brzdění 0 Stání ve stanici 0 Uvažovaný odběr [kw] Maximální výkon hnacího vozidla k t.m, tedy měrný výkon z rovnice (1) vynásobený hmotností vlaku Tab.1: Odběry výkonu (kw) pro různé stavy vlaků 3. Analýza současného systému odběrů výkonu pro trakci Rozlišuji dva úhly pohledu na systém odběrů trakčního výkonu: 3.1 Ve fázi přípravy grafikonu vlakové dopravy (GVD) Ve fázi přípravy GVD se v současné době odběry trakčního výkonu neuvažují jako možný faktor, který by mohl ovlivnit polohu vlaku. Důvodem je, že ostatní faktory, které mají vliv na časovou polohu vlaku jsou důležitější (veřejná objednávka, provozní hlediska, mezinárodní smlouvy, atd.). Nicméně kdyby všechny ostatní požadavky byly splněny a ještě zbývala určitá volnost v poloze vlaku (v řádu několika málo minut), bylo by možné vzít v úvahu i hledisko rovnoměrnějších odběrů trakčního výkonu. Systém vzniku jízdního řádu je znázorněn na následujícím schématu [2]: Obchodní zástupce Požadavky na konkrétní vlaky (krajské úřady) CEV (IS Centrální Evidence Vlaků) SENA (IS SEstavy NÁkresného jízdního řádu) Obchodní zástupce Nákresný jízdní řád Poslání požadavků do oblastních středisek SENA (Praha, Plzeň, Olomouc) Konstrukce požadavku. Koordinace polohy konkrétního vlaku s ostatními vlaky. Možné ale v současnosti nerealizované zanesení požadavků na rovnoměrnější odběry trakčního výkonu. Návrh zaslán zpět obchodnímu zástupci ke schválení. Schéma č. 1: Systém vzniku jízdního řádu v ČR 3.2 V reálném čase při provozu vlaků V reálném provozu vlaků neexistuje v současné době možnost, jak zabránit překračování hodnot smluvené rezervované kapacity vedení. Skutečnost, že došlo k překročení smluvené hodnoty, se zjistí zpětně, byť již po pár minutách. Poté se za každý měsíc s překročenou hodnotou rezervované kapacity zaplatí příslušná pokuta dodavateli elektřiny.
Systém odběrů trakční energie je znázorněn na následujícím schématu: Schéma č. 2: Systém odběrů trakční energie 4. Možnosti zlepšení stávajícího stavu 4.1 Ve fázi přípravy GVD Ve fázi přípravy GVD by bylo možné v případě splnění všech požadavků na polohu vlaku zahrnout i energetický požadavek na zrovnoměrnění čtvrthodinových trakčních odběrů. V rámci této práce byl v programu MS Excel sestaven sešit, který pro různé druhy osobních vlaků počítá jejich odběry trakčního výkonu. Jde o úsek Hranice na Moravě - Prosenice, který je součástí 2. národního koridoru a jde o nejzatíženější úsek v ČR. V práci je zahrnuto 108 vlaků osobní přepravy a pro každý vlak se vypočítává odběr trakčního výkonu z napájecí stanice Prosenice, a to každou půlminutu během dne. Celkem se tedy jedná o tabulku 108 x 2880, která je velmi řídká. Do sešitu lze zadat různé parametry pro osobní vlaky i rychlíky, jako je hmotnost lokomotivy, hmotnost vagonů, počet vagonů, výkon lokomotivy, maximální rychlost vlaku, nebo vzdálenost sledovaného úseku. V sešitu je založen také list, který obsahuje čistě číselná data odběrů určená na export do datového souboru odbery.dat pro další zpracování. Dále byl pro účely této práce sestaven program v programovacím jazyce C++, který načte data o odběrech trakčního výkonu ze souboru odbery.dat, který vznikne exportem tabulky 108 x 2880 z programu MS Excel. Program data zpracuje a zjistí, ve které čtvrthodině během dne nastává maximální odběr. Poté začne měnit časovou polohu vlaku, který hraje v příslušné čtvrthodině významnou roli. Posouvání probíhá jak v čase zpět, tak v čase dopředu, protože nelze obecně předem říci, který směr posouvání bude pro celkové zrovnoměrnění čtvrthodinových odběrů trakčního výkonu výhodnější. Posouvání probíhá u každého vlaku maximálně o 15 minut, aby nedošlo k "převrácení GVD naruby". Program vždy nakonec přepočítá čtvrthodinové odběry a oznámí, o kolik půlminut posunul ten který vlak a jaké to přineslo snížení nejvyšší očekávané hodnoty čtvrthodinového odběru. Průběžné výpočty i výsledky vypíše do souboru vysledky.dat. V programu lze nastavit následující parametry: Počet vlaků za den Počet úprav, které se mají provést za účelem zrovnoměrnění odběrů (počet "zarovnání špiček") 4.2 V reálném čase za provozu vlaků Lze vyvinout systém, který by na všech napájecích stanicích měřil odebíraný výkon častěji (např. po minutě) a sčítal hodnoty výkonu všech napájecích stanic příslušné napěťové hladiny. Systém by včas zjistil, že se v příslušné čtvrthodině schyluje k překročení sjednané hodnoty rezervované kapacity vedení pro danou napěťovou hladinu a vyslal by povel k vypnutí vypínače některé z napájecích stanic té napěťové hladiny, u které se schyluje k překročení limitu. Výpadek této napájecí stanice by zajistily sousední napájecí stanice na druhé napěťové hladině.
Má dosavadní práce se soustředila na jednání se zaměstnanci SŽE. Výsledkem bylo poslání dat za oblast SME za rok 2003. Data obsahovala odebírané činné výkony všech 16-ti napájecích stanic Severní Moravy každých 15 minut v roce. Dále byla uvedena hodnota sjednané rezervované kapacity vedení na rok 2004 pro oblast SME pro obě napěťové hladiny. Po zpracování dat bylo zjištěno, že pokud by odběry elektřiny pro trakci byly v roce 2004 stejné jako v roce 2003, tak by se při sjednaných hodnotách pro rok 2004 na pokutách v roce 2005 zaplatilo asi 2,5 milionu Kč (za oblast Severní Moravy). V takových hodnotách by se tedy pohybovala úspora za oblast Severní Moravy po zavedení systému pro omezení překračování sjednaných hodnot. Dále jsem zjistil že by k překročení smluvených hodnot došlo celkem pouze 16-krát, a to v pěti dnech, stačilo by tedy pouhých 16 zásahů ročně. Navíc při zkoumání všech 16-ti překročení sjednaných hodnot rezervované kapacity byla tato hodnota překračována jen na jedné napěťové hladině a na druhé napěťové hladině byla naopak hodnota hluboko pod limitem. Napájecí stanice jsou přitom dobře prostřídány, tak, že za napájecí stanice jedné hladiny mohou zaskakovat napájecí stanice druhé hladiny. Nedošlo by tak k žádnému omezení provozu. Vylepšený původní systém je znázorněn na následujícím obrázku: Schéma č. 3: Vylepšený systém odběrů trakčního výkonu za provozu 5. Konkrétní řešená situace a výsledky Jedná se o případ řešení situace ve fázi přípravy GVD. Za příklad pro tuto práci sloužil GVD 2004/2005 [3], ze kterého byly zjištěny a uvažovány časové polohy všech vlaků osobní přepravy v úseku Prosenice - Hranice na Moravě ve všední den (pátek). Parametry (které se dají snadno změnit podle potřeby) byly uvažovány následovně:
Parametr Jednotky Osobní vlak Rychlík Úpravy Hmotnost lokomotivy t 90 100 xxx Hmotnost vagonu t 70 75 xxx Počet vagonů t 3 8 xxx Výkon lokomotivy kw 2000 3000 xxx Maximální rychlost vlaku m/s 110 120 xxx Počet uvažovaných vlaků - xxx xxx 105 Vzdálenost úseku km xxx xxx 21 Počet úprav maxim - xxx xxx 5 Tab.2: Uvažované parametry řešené situace Výsledkem bylo snížení původního maximálního čtvrthodinového odběru z 41.401 kw na 39579 kw. Posunutí jednotlivých vlaků udává následující tabulka: Vlak č. Identifikace vlaku O kolik minut byl posunut a kam 10 R 200 Silesia (Krakow - Praha) 9,5 doleva (na ose času) 11 R 423 Cassovia (Praha - Košice) 8 doleva 26 R 600 (Č. Těšín - Praha) 0,5 doleva 28 Os 3333 (Nezamyslice - Hranice na Moravě) 2 doleva 76 Ex 531 Moravan (Brno - Bohumín) 1 doleva 77 EC 106 Praha (Warszawa - Praha) 9,5 doleva 78 EC 130 Polonia (Budapest - Warszawa) 3,5 doleva Tab.2: Nutná výsledná časová posunutí vlaků 6. Další práce Další práce by měla směřovat např. k upřednostňování posunutí méně důležitých vlaků, zavádění taktové dopravy a k dalším vlastnostem, které by program přiblížily reálnému pojetí železniční dopravy v současné době. Literatura [1] Drábek, J.: Dynamika a energetika elektrické trakce. Alfa, Bratislava, 1987. [2] Harák M.: Co to je, když se řekne...sena. Železničář, 2001, číslo 30 [3] České dráhy: Jízdní řád ČD 2004/2005