Analýza dat trolejbusového provozu Ústí nad Labem
Bakalářská práce
Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika
Studijní obor: 2612R011 – Elektronické informační a řídicí systémy
Autor práce: Mikuláš Tschunko Vedoucí práce: Ing. Miroslav Novák, Ph.D.
Liberec 2016
Data analysis of trolleybus traffic Ústí nad Labem
Bachelor thesis
Study programme: B2612 – Electrical Engineering and Informatics
Study branch: 2612R011 – Electronic Information and Control Systems
Author: Mikuláš Tschunko
Supervisor: Ing. Miroslav Novák, Ph.D.
Liberec 2016
Prohl6Seni
Byl jsem sezn6men s tim, ie na mou bakaldlskou prdci se pln€ raa-
huje z6kon i. l2l /2000 Sb.. o privu autorskdm, zejm6na 5 60 - ikolni
dflo.
Beru na v6domf,le Technick6 univezita v Liberci(TUL) nezasahuje do mfch autorskfch prdv ulitim md bakalCisk6 prdce pro vnitlni pottebu
TUL.
UiiJi-li baka16iskou prdci nebo poskytnu-li licenci kjejimu vyuiittjsem
si v6dom povinnosti informovat o tdto skuteenosti TUI-; v tomto pli-
pad€ md TUL prdvo ode mne poiadovat rihradu n6klad0, kter6 vyna- lolila na vywolenl dila, ai do jejich skutetn€ vfie.
BakalSlskou prSci jsem vypracoval samostatnd s pouiitim uveden6 literatury a na z5kladE konzultacl s vedouclm md bakaldlsk6 priice a konzultantem.
Soueasnd destnC prohlaiuji, ie tiStEnC veze pr6ce se shoduje s elek- tronickou vez[, vloienou do lS STAG.
o",u^, 4b 5 20411
Podeis,
nilJ_--
PODĚKOVÁNÍ
Tímto bych rád poděkoval vedoucímu práce za poskytnuté konzultace během tvorby této bakalářské práce, které mi velmi pomohly, a také zaměstnancům Dopravního podniku města Ústí nad Labem, za poskytované informace a zajištění exkurze do měnírny.
Abstrakt
Tato bakalářská práce se zabývá trolejbusovou dopravou v severočeském městě Ústí nad Labem. Hlavním úkolem je zmapování energetické bilance mezi měnírnou a trolejbusem. Seznamuje také s trolejbusovým provozem ve městě a strukturou měnírny v ulici Kočkovská na sídlišti Stříbrníky, kde se odehrává stěžejní část práce. Jsou zde popsány analyzátory SMD 114 a ARTIQ 144 od firmy KMB Systems, které jsou instalovány na této měnírně. Součástí práce je také tvorba aplikace pro automatické vyhodnocování dat z výše zmíněných analyzátorů v prostředí MATLAB od firmy MathWorks. Je zde také pomocí náhradního schématu vypočtena přibližná hodnota energetické bilance přenosové soustavy měnírna, trakční vedení a trolejbus. Bakalářská práce je členěna na čtyři části. Tematicky tato bakalářská práce kombinuje několik oborů mechatroniky, mezi něž patří programování, informační, silnoproudá a slaboproudá elektrotechnika, a také dopravní technika. Očekává se možná aplikace výsledků bakalářské práce pro Dopravní podnik města Ústí nad Labem.
Klíčová slova
Elektrická trakce, trolejbus, energetická bilance, měnírna, elektroměr, rekuperace, náhradní obvod trakčního vedení, obvodová rovnice, analyzátory, hodiny reálného času
Abstract
This bachelor thesis deals with trolleybus transportation in the city of Ústí nad Labem in the Northern Bohemia. The main task is a evaluating of an energy balance between a converting station and trolleybuses. The work also apprizes with the trolleybus traffic system in the city and a structure of the converting station at the Kočkovská Street in the district of Stříbrníky where does the main part of this work take place. The thesis describes power analysers SMD 114 and ARTIQ 144 from the company KMB Systems which are installed at the converting station. This work also includes a programming of an application of an automatic evaluation for data measured by aforementioned analysers in the MATLAB programming environment from the company MathWorks. There are also calculations based on the equivalent circuit of the traction transmission system. The bachelor thesis is divided into four parts and combines several subjects of mechatronics including programming, information technology, high and low-power electrical engineering and also transport technology.
The results of this work should be potentially applied by Transport Company of the city Ústí nad Labem.
Keywords
Electrical traction, trolleybus, energy balance, converting station, electrometer, recuperation, equivalent circuit of a traction lines, circuit equation, analysers, real time clocks
Obsah
Seznam zkratek a symbolů ... 6
Úvod ... 12
1 Seznámení s trolejbusovým provozem... 13
1.1 Měnírna ... 13
1.2 Rekuperace ... 15
1.3 Trolejbusová doprava v Ústí nad Labem ... 16
1.3.1 Historie ... 16
1.3.2 Současnost ... 16
1.3.3 Měnírna Kočkovská ... 20
1.3.4 Výškové profily tras linek v obvodu měnírny Kočkovská ... 23
2 Seznámení s měřicími přístroji ... 24
2.1 Analyzátor ARTIQ 144 ... 24
2.2 Analyzátor SMD 114 ... 26
2.3 Měřicí sonda typu CPCO-2000-77-BP5 ... 28
2.4 Datové soubory ... 28
3 Praktická část ... 31
3.1 Náhradní obvod trolejového vedení ... 31
3.1.1 Parametry obvodu ... 31
3.1.2 Obvodová rovnice ... 33
3.2 Analýza naměřených dat ... 34
3.2.1 Hodiny reálného času ... 34
3.2.2 Korelace ... 36
3.2.3 Trolejbusový provoz dne 10. 4. 2016 od 0:00 do 4:00 ... 37
3.3 Tvorba aplikace pro vyhodnocování dat ... 38
3.3.1 Načtení dat csv souborů ... 39
3.3.2 Korelace ... 40
3.3.3 Vyhledávání názvů zastávek ... 40
3.3.4 Zobrazení do grafu a načtení dat z trolejbusu ... 41
3.3.5 Zobrazení jmen zastávek do grafu ... 42
3.3.6 Výpočet energetické bilance ... 42
3.4 Výsledky aplikace ... 43
3.4.1 Grafické zobrazení ... 43
3.4.2 Tabulka energetické bilance ... 46
4 Závěr ... 47
Seznam použité literatury ... 49
Seznam zkratek a symbolů
A Ampér
AC střídavý proud
ARTIQ typové označení analyzátoru výkonu
ENVIS firemní software pro sběr dat z analyzátorů výkonu h hodina
hod hodina I proud
Ik zkratový proud l délka
μA mikroampér mA miliampér M-bus Meter Bus max maximum
min minuta, minimum MR měnírna
mV milivolt
Nan Not a Number – není číslo NB Napájecí bod
Ω ohm
P činný výkon PF účiník
Pi ztrátový výkon na vnitřním odporu transformátoru Pk ztrátový výkon na přívodním kabelu
Pn napájecí příkon Ptb výkon trolejbusu
PTy ztrátový výkon na tyristoru
Pv ztrátový výkon na trakčním vedení r průměr
R odpor
Ri vnitřní odpor transformátoru Rk odpor přívodního kabelu Rv odpor trakčního vedení
S zdánlivý výkon, průřez
SMD typové označení analyzátoru výkonu smdNo číslo analyzátoru SMD114
U napětí
Uin primární napětí transformátoru na měnírně
Un sekundární napětí transformátoru po šestipulzním usměrnění USB Universal Serial Bus (univerzální sériová sběrnice)
Uout sekundární napětí transformátoru na měnírně kV kilovolt
kW kilowatt kWh kilowatthodina
V volt VA voltampér
W watt Wh watthodina
12
Úvod
Ve větších městech jsou často kromě městské autobusové dopravy, založené na spalování nafty, k vidění nebo svezení také elektrické dopravní prostředky, jako tramvaje či trolejbusy, popřípadě podzemní či nadzemní železniční doprava. Kromě výhod, jako například větší ekologičnosti nebo účinnosti elektrických trakčních motorů, má však tento způsob veřejné dopravy řadu omezení. Pomineme-li ekonomická hlediska a naprostou vázanost vozidel na tratě, jsou zde i jiné aspekty, se kterými je nutno počítat.
Motivací k této práci je zjišťování energetických toků a účinnosti trakčních soustav. Objem přenášené energie a poměr ztrát je užitečné znát pro případ dimenzování při rekonstrukcích a výstavbách nových částí tratí. Je výchozím podkladem pro dimenzování měnírny a trakčních vedení tak, aby na nich nevznikal příliš velký úbytek napětí. Velký vliv zde má hustota provozu, neboť více trolejbusů na trati více zatěžuje trakční měnírnu.
Druhým hlavním cílem je změřit míru rekuperace energie, která vzniká v trolejbusech při jízdě z kopce a při brzdění. Ze změřených dat z ostrého provozu bude určena skutečná a maximálně možná teoretická míra rekuperace. Tyto parametry opět poslouží pro optimalizaci provozu a případné rekonstrukce měnírny.
Tematikou energetické bilance elektrických trakčních soustav se zabývá několik bakalářských, disertačních a jiných prací. Například disertační práce s názvem Energetická bilance v elektrické trakci ze Západočeské univerzity v Plzni z roku 2012[3], bakalářská práce Energeticko-ekonomická bilance trolejbusové dopravy ze stejné univerzity, a také studijní opora Trakční napájecí soustavy z Dopravní fakulty Jana Pernera z roku 2015.[2]
Bakalářská práce je členěna na čtyři části. Obsahem první části je stručné seznámení se s trolejbusovým provozem, jeho historií, současností, počtem provozovaných vozidel, linek atd. Dále následuje popis měnírny Kočkovská a přilehlých napájených úseků trolejbusových tratí, kde se odehrává stěžejní část tématu bakalářské práce.
Další část se zabývá popisem analyzátorů výkonů ARTIQ144 a SMD114, použitých pro měření elektrických veličin, které jsou v této práci dále zpracovávány.
Jsou zde popsány také metody měření elektrického trakčního a napájecího proudu a formát dat, v jakém jsou analyzátory ukládány.
Třetí část se zabývá výpočtem energetické bilance mezi měnírnou a trolejbusem (úbytky napětí na trolejích a ztráty), a také tvorbou aplikace pro automatické vyhodno- cování naměřených dat. V této aplikaci je použito načítání souborů naměřených dat z analyzátorů s příponou .csv a k synchronizaci časových složek dvou souborů dochází pomocí funkce korelace. Důvodem nutnosti synchronizace je časová diference
13 hodinových krystalů způsobená vlivem teploty prostředí a vlastní chyby krystalového rezonátoru.
V práci je čerpáno z odborných zdrojů jak v tištěné, tak i elektronické podobě.
V praktické části je pro programování aplikace použito prostředí MATLAB od společnosti MathWorks.
1 Seznámení s trolejbusovým provozem
Tato část seznamuje s trolejbusovým provozem celkově i ve městě Ústí nad Labem. Je zde popsána topologie měníren i oblast MR3.
1.1 Měnírna
Protože trolejbusové a tramvajové dráhy jsou zpravidla napájeny stejnosměrným napětím 600 V, které není běžně dostupné ve veřejné síti, musí být toto napětí vytvořeno v budovách zvaných měnírny. Tramvajová nebo trolejbusová měnírna odebírá elektrickou energii z třífázové střídavé sítě vysokého napětí 22 kV (případně 6 kV)[1], kterou mění pomocí transformátoru a usměrňovače na stejnosměrný proud, kterým se napájí trakční motory elektrických vozidel. Z měnírny vychází několik větví, které napájí izolované úseky trolejového vedení. Tyto větve lze v případě potřeby (výluka, nebezpečí nehody) vypnout.
Nejstarší měnírny byly elektromechanické, to znamená, že byly vybaveny motorgenerátorickým měničem s třífázovým střídavým motorem spojeným s dynamem, které vyrábělo trakční stejnosměrný proud.[7] Později byly vyvinuty úspornější elektro- mechanické měniče, což byl speciálně upravený synchronní motor se stejnosměrným budicím statorem a třífázovým rotorem připojeným přes kroužky. Současně bylo vinutí rotoru vyvedeno na komutátor s uhlíkovými kartáči, ze kterého vycházel stejnosměrný napájecí proud. Na vinutí rotoru se přiváděl třífázový proud transformovaný na určené trakční napětí, který roztočil motor a pomocí komutátoru byl usměrněný proud přiveden na trolejové vedení.[7]
Od třicátých let 20. století se začaly používat rtuťové usměrňovací výbojky jako čistě elektrické statické měniče, dokonce již s možností pulsní regulace pomocí mřížek v elektronce. O šedesátých let, s nástupem polovodičových prvků, se začínají používat křemíkové usměrňovací diody a tyristory s elektronickým řízením.[7]
Na obrázku dole je vyobrazeno principiální schéma měnírny a jejího připojení na síť vysokého napětí. Měnírna je připojena přes rozpojovač a vypínač do sítě 22 kV.
Toto napětí a proud je měřeno pomocí měřiče ARTIQ144. Primární napětí je transformováno pomocí hlavního transformátoru na napětí 650 V. Ze sekundární strany vychází několik větví, v nichž každá je obdařena třífázovým šestipulzním můstkovým usměrňovačem s křemíkovými diodami nebo tyristory a měřičem SMD114, který měří trakční proud a napětí. Nakonec je tento elektrický proud přiveden pomocí kabelů na úsek trolejového vedení, které pomocí sběrače napájí elektrické vozidlo. Na vozidle bývá umístěn měřič napětí a proudu.
14
Obrázek 1: Principiální schéma měnírny
Obrázek 2: Interiér měnírny Kočkovská s měřicími přístroji
15
1.2 Rekuperace
Rekuperace je proces, při kterém se kinetická energie mění zpětně na elektrickou při tzv. elektrodynamickém brzdění nebo jízdě z kopce. Při rekuperaci pracuje trakční elektromotor jako generátor a zde získaná elektrická energie je vracena zpět do sítě, popřípadě ukládána do zásobníků energie, jako například akumulátory nebo superkapacitory. Výhodou tohoto jevu je značná úspora energie, neboť energii brzdícího vozidla může využít jiné vozidlo pro svůj provoz. Vyplatí se to například na úsecích ležících ve dlouhých stoupáních, kde je potřeba udržovat konstantní rychlost, anebo na tratích, na kterých dochází k častým rozjezdům a brzdění. Pokud je rekuperace vypnuta, energie z elektrodynamické brzdy (trakčního motoru-dynama) je nenávratně mařena v brzdových odpornících na tepelnou.
Nejjednodušší je rekuperace u asynchronního motoru v třífázové střídavé soustavě, neboť při překročení synchronních otáček přechází motor do generátorického režimu a nepotřebuje žádné další regulační součástky. Tento princip je nejrozšířenější u stabilních zařízení jako výtahy nebo eskalátory.[8]
Rekuperace u stejnosměrného systému není principiálně příliš složitá. U stejno- směrných komutátorových motorů je potřeba trakční motor-dynamo nabudit takovým proudem, aby výstupní napětí bylo vyšší, než je hodnota napětí trakční soustavy, aby motor začal energii dodávat. U vozidel s třífázovými motory obstarávají zvýšenou hodnotu napětí pulsní měniče a regulace napětí na troleji se provádí přes brzdový odporník s polovodičovým regulátorem, kde se maří energie, kterou napájecí síť nepřijme.[8] Právě proto při rekuperačním brzdění vznikají na napájecí troleji napěťové špičky.
Nevýhodou rekuperace u stejnosměrné soustavy je to, že měnírny nejsou vybaveny pro zpětný přenos energie na primární stranu, takže rekuperovanou energii musí přijmout jiné vozidlo v napájecím úseku, anebo musí být zmařena v odporníku.
K napájecímu úseku však lze připojit akumulátor nebo superkapacitor pro krátkodobé skladování energie.[8]
Rekuperaci používá v městské dopravě například pražské metro, tramvajová trať do Barrandova nebo ústecké trolejbusy.
16
1.3 Trolejbusová doprava v Ústí nad Labem
Tato část stručně seznamuje s trolejbusovým provozem v Ústí nad Labem, jeho historií, současností, a měnírnou Kočkovská.
1.3.1 Historie
Severočeské město Ústí nad Labem leží na soutoku řek Labe a Bílina a je velkým železničním uzlem. V tomto městě je také provozována elektrická městská hromadná doprava. V roce 1899, dne 1. července zde byla zavedena tramvajová doprava. V roce 1937 měřila celková délka tramvajových tratí skoro 47 kilometrů, což bylo po Praze a Brně třetí nejrozlehlejší tramvajová síť. Tramvajové tratě vedly mimo jiné i do Vaňova, Střekova, Trmic a Telnice. Na konci druhé světové vláky bylo město bombardováno Spojenci, což způsobilo těžké škody mimo jiné i na tramvajové dopravě. Po odstranění největších škod byl provoz obnoven částečně v červnu 1945. I přestože se v poválečném období zdvoukolejňovaly tratě, dělaly přeložky a kupovaly nové tramvaje typu T2, bylo v šedesátých letech kvůli myšlence rozvoje autobusové dopravy rozhodnuto o likvidaci tramvajové dopravy. Dne 1. června 1970 byla zrušena poslední trať, na které se o den později konala nostalgická jízda.
Již před první světovou válkou se uvažovalo o zavedení trolejbusové dopravy v Ústí nad Labem. Plán na její zavedení se ovšem objevil až roku 1969, kdy měl nahradit zrušené tramvaje. Hlavní však byl v té době rozvoj autobusové dopravy, takže tento plán byl smeten ze stolu. K realizaci projektu tak došlo teprve až v roce 1984, kdy se začala stavět trať Všebořice – Centrum – Severní Terasa. Provoz byl zahájen 1. července 1988 v úseku Stříbrníky – centrum – Holoměř. V únoru 1989 byla tato trať dokončena až na Severní Terasu a do Všebořic, kde byla otevřena vozovna, do té doby byly trolejbusy parkovány ve smyčkách. 6. května 1989 byla trať ze Severní Terasy prodloužena po dnešní Bělehradské ulici dolů do centra.
Další rozšiřování probíhalo v devadesátých letech. V roce 1990 byla postavena odbočka ze Stříbrníků do Dobětic, v roce 1992 byly vybudovány dvě tratě do části Krásné Březno, v roce 1993 byla postavena dráha na sídliště Klíše. V letech 1994 a 1995 byla zprovozněna trať z centra do Starých Předlic na západě města, poté dlouhá trať z Krásného Března do Neštěmic a dále Mojžíře na východě.
V roce 2004 byl otevřen krátký úsek z Nových Předlic k hypermarketu Globus.
V roce 2005 byla zprovozněna tříkilometrová trať Beethovenova – Bukov – Severní Terasa. Velkou stavbou z roku 2007 je trať do Střekova, kdy se elektrická trakce opět dostala na druhý břeh Labe po mostě Dr. Edvarda Beneše, kde dříve jezdily tramvaje.
V prosinci 2009 byla zprovozněna trať kolem hlavního nádraží.
1.3.2 Současnost
V současné době, k měsíci červnu, je v provozu 84 trolejbusových vozidel, z čehož nejstarší typ Škoda 14Tr je zastoupen posledním kusem (zbývající čtyři byly před několika lety prodány do Szegedu v Maďarsku), 49 kusů trolejbusů jsou dvoučlánkové Škoda 15Tr, což je nejpočetnější řada v Ústí nad Labem. Dále jsou zde zastoupeny
17 nízkopodlažní trolejbusy ze Škody Ostrov, 21Tr o dvou kusech, 22Tr o třech kusech.
Dodávka 6 nových dvoučlánkových nízkopodlažních vozů 25Tr Irisbus ze Škody Plzeň bylo realizována na sklonku roku 2006. V minulém roce bylo dodáno 10 nových trolejbusů Škoda 27Tr Solaris, nyní probíhá dodávka nových trolejbusů řady 28Tr Solaris, kterých je v současnosti 18 v provozu.
V současnosti je v provozu 13 trolejbusových linek, které jezdí ve špičce v intervalu 15 minut, v sedle 20 – 30 minut. V roce 2014 bylo trolejbusy přepraveno 25 196 osob, což je o 1 303 osob méně, než za rok 2013
Trakční vedení je napájeno z 10 měníren (viz Obrázek 4), z nichž:
MR1 – Bratislavská
MR2 – Bukov (V Podhájí)
MR3 – Kočkov (Kočkovská)
MR4 – Předlice
MR5 – Březno (Krásné Březno)
MR6 – Všebořice
MR7 – Neštěmice
MR8 – Děčínská
MR9 – Nová (Kamenný Vrch)
MR10 – Karla IV. (Novosedlické náměstí)
Obrázek 3: Označení měnírny 3 - Kočkovská
18
Obrázek 4: Plánek trakčního vedení (modře) a měníren (červené body)
19
Obrázek 5: Plánek trakčního vedení s vyznačenými izolovanými úseky – první číslice značí číslo měnírny, druhá úsek a třetí (za desetinnou tečkou) vývod z měnírny
20 1.3.3 Měnírna Kočkovská
Tato bakalářská práce se mimo jiné dotýká i měření elektrických veličin, které probíhá na měnírně Kočkovská pomocí přístrojů ARTIQ a SMD. Tato měnírna se nachází na pomezí částí Severní Terasa, Kočkov a Stříbrníky a napájí linky v severní části města, konkrétně tyto linky:
noční linka 43 (Severní Terasa – Mírová – Hornická – Bělehradská – Mírové náměstí – V Rokli – Dobětice točna) v úsecích Severní Terasa až Bělehradská a Malátova až Dobětice točna
51 (Mírová – Severní Terasa – Bělehradská – Mírové náměstí – Krásné Březno – Skalka) v úseku Mírová až Bělehradská
52 (Severní Terasa – Mírová – V Rokli – Mírové náměstí – Poliklinika – Klíše lázně) v úseku Severní Terasa až Malátova
53 (Severní Terasa – Mírová – Hornická – Bělehradská – Mírové náměstí – V Rokli – Dobětice točna) v úsecích Severní Terasa až Bělehradská a Malátova až Dobětice točna
54 (Všebořice – Beethovenova – Mírové náměstí – V Rokli – Dobětice točna) v úseku Malátova až Dobětice točna
55 (Severní Terasa – Mírová – Hornická – Bělehradská – Mírové náměstí – Prior – Žežická) v úseku Severní Terasa až Bělehradská
60 (Mírová – Beethovenova – Hlavní nádraží – Kamenný vrch – Karla IV.) v úseku Mírová až Severní Terasa
Měnírna napájí celkem 6 úseků trakčního vedení, z čehož 4 jsou napájeny dvěma vývody a zbývající 2 pouze jedním (viz Obrázek 5). V obvodu měnírny se nachází celkem tři obratiště – Severní Terasa, Mírová a Dobětice točna.
Měnírna napájí celkem 6 úseků trakčního vedení, z čehož 4 jsou napájeny dvěma vývody a zbývající 2 pouze jedním (viz Obrázek 5). V obvodu měnírny se nachází celkem tři obratiště – Severní Terasa, Mírová a Dobětice točna.
Měnírna je tyristorová. Tyristory místo usměrňovacích diod jsou zde použity z toho důvodu, že například při poruše na daném úseku se snadněji vypíná proud, než při použití klasických vypínačů na stejnosměrné straně. Nejedná se tedy o řízený usměrňovač.
21
Obrázek 6: Mapka obvodu měnírny MR3 s vyznačenými úseky (modře) a polohou měnírny Kočkovská.
Červenými čárkami jsou vyznačeny hranice úseků.
V následující tabulce je uvedeno, který rozváděč napájí který úsek.
Tabulka 1: Označení úseků a přívodních kabelů v měnírně Kočkovská
Kočkovská MR3 analyzátory instalovány
v kabelovém prostoru - suterén snímače za kabelovými oky ve skříních RU Rozváděč úsek Napájecí bod Kabel Vstup RS485 adr Sériové číslo snímače RU1 A
N31 NB31 Q3 - čb 392 I1 5 102/103 I1
NB31 Q4 - čb …. I2 5 102/103 I2
RU1 B
N32
NB32 Q6 - čb 330 I1 4 101/104 I1
NB32 Q7 - čb 330 I2 4 101/104 I2
RU2 A N33 NB33 Q3… I1 11 111 DM713152
RU2 B
N34
NB341 Q6 skříň Dobětice I1 10 118 DM713155
NB341 Q7 skříň Dobětice I2 10 116 DM713156
NB342 Q8 skříň Dobětice I3 10 107 DM713157
RU3 A
N35 NB35 Q4 I1 8 108 DM713158
NB35 Q5 I2 8 106 DM713159
NB35 Q6 I3 8 109 DM713160
RU3 B R
RU4 A
N37 N371 Q3 I1 9 110 DM713161
N372 Q4 I2 9 113 DM713162
RU4 B R
Dále je zde uvedeno blokové schéma měnírny Kočkovská s rozvaděči a vývody.
22
Obrázek 7: Blokové schéma měnírny Kočkovská
23 1.3.4 Výškové profily tras linek v obvodu měnírny Kočkovská
Výškové profily jsou důležité pro stanovení míry užívání rekuperace, neboť při jízdě z kopce je možno použít rekuperační brždění pro udržení konstantní rychlosti. Zde jsou uvedeny výškové profily linek číslo 51 (úsek Mírová–Mírové náměstí), 52 (úsek Severní Terasa–Mírové náměstí) a 53 či 43 (úsek Severní Terasa–Dobětice točna).
V grafech jsou uvedeny názvy vybraných zastávek.
Obrázek 8: Výškové profily tras linek
24
2 Seznámení s měřicími přístroji
2.1 Analyzátor ARTIQ 144
Analyzátor ARTIQ 144 je programovatelný digitální přístroj určený k měření a záznamu spotřeby elektrické energie. Je instalovatelný na DIN lištu, po instalaci je nutno zařízení naprogramovat. Měří v reálném čase, analyzuje a zaznamenává na vnitřní paměť hodnoty elektrických veličin jako je proud, napětí, frekvence, činný a jalový výkon, asymetrie, energie, vyšší harmonické a kvalitu elektrické energie. Jsou zde až čtyři napěťové a čtyři proudové vstup. Pro komunikaci s nadřazeným systémem je použito rozhraní RS-485, lze též dovybavit též rozhraním Ethernet, Wi-Fi nebo USB.[18] Uložená měření lze zpracovat programem ENVIS.
Analyzátor podporuje jednofázové nebo třífázové měření stejnosměrných nebo střídavých sítí při zapojení do trojúhelníka, do hvězdy nebo Aronovo zapojení. Přístroj je ve třídě přesnosti A.
Napětí je měřeno čtyřmi svorkami L1, L2, L3 a L4. Společná svorka pro měření do hvězdy je označena N, při zapojení do trojúhelníka a Aronově zapojení zůstává nezapo- jena. Napětí je možné také měřit nepřímo přes transformátor, jako v případě měnírny na primární síti VN, neboť napěťový rozsah nedovoluje vyšší napětí, než 1470 V.
Napěťové vstupy jsou připojeny k měřicím obvodům přes vysokou impedanci. Rozsah nominální hodnoty napětí je 50 – 550 voltů střídavých, měřicí rozsah fázového napětí je 3 – 850 V a sdruženého napětí 5 – 1470 V. Nejistota měření je ±0,05 % z hodnoty a
±0,01 % z rozsahu (při teplotě 23 °C). Trvalé přetížení je 1300 V, špičkové přetížení po dobu 1 sekundy je 2210 V. Vstupní impedance je 3,9 MΩ. Referenční frekvence je volitelná mezi 50 Hz a 60 Hz, měřicí rozsah frekvence je 40 – 70 Hz, nejistota ±0,01 Hz.[18]
Proudové vstupy jsou čtyři o dvou svorkách ki a li, které jsou uvnitř přístroje propojeny přes odporový bočník, a jsou přímo spojeny s vnitřními obvody přístroje.
Proud je vždy měřen nepřímo pomocí měřicího transformátoru o proudu v sekundárním vinutí v rozsahu miliampérů a maximálním průměru vodičů 1,5 mm2. Pro měření v měnírně Kočkovská jsou použity proudové vstupy typu X/100mA, to znamená se speciálními měřicími transformátory s nominálním proudem 0,1 A. Měřicí rozsah je v tomto případě 0,05 – 200 mA. Nejistota měření je ±0,05 % z hodnoty a ±0,01 % z rozsahu (při teplotě 23 °C). Trvalé přetížení přístroje je 300 mA, špičkově 1 A.
Maximální hodnota vstupní impedance je 0,5 ohmů.[18]
Přístroj lze napájet střídavým i stejnosměrným napětím. Pro napájení jsou k dispozici tři možnosti. Napájení z měřeného napětí – model U a model L a napájení z externího zdroje – model S. Na měnírně Kočkovská je použito napájení z externího zdroje, to znamená model S. Zde je rozsah napájení 10 – 26 V střídavých a 10 – 36 V stejno-směrných. Elektrický příkon zařízení je 10 VA, z toho činný příkon je 5 W.[18]
25
Obrázek 9: Zapojení analyzátoru ARTIQ na měnírně Kočkovská
Na měnírně Kočkovská je tento přístroj použit pro měření třífázového napětí a proudu na primární straně trakčního transformátoru.
Měření je nepřímé. Napěťové vstupy jsou připojeny přes přístrojové transformátory napětí 3× 22kV//100V. Proudy jsou rovněž měřeny nepřímo přístrojovými transformá- tory proudu 3× 30/5 A. Měřicí transformátory jsou v měnírny primárně použity pro tarifikační odečet energie (elektroměr ČEZ) a pro vstupy elektronické ochrany REX521.
Samotný analyzátor ARTIQ měří proud rovněž nepřímo přes průvlekové transformátory. Analyzátor ARTIQ 144 byl připojen paralelně k napěťovým vstupům ochrany REX521 a v sérii s jejími proudovými vstupy.
Napájení analyzátoru je provedeno z vestavěného zdroje 230/24 V ve skříni ochran rozváděče VN.
L1 L2 L3 22 kV AC
230 V AC
REX 521
RS 485
4x JP3W 3x 22kV/100√3 V
3x 30/5/5 A
26
Obrázek 10: Umístění analyzátoru ARTIQ 144 ve skříni ochran
2.2 Analyzátor SMD 114
Analyzátor SMD 114 je určen pro měření a analýzu spotřeby a kvality elektrické energie. Přístroj může měřit jak střídavý, tak i stejnosměrný proud a s ním související veličiny jako napětí, činný, jalový, deformační výkon, energie, účiníky atd. Umí rozlišovat mezi dodávanou a odebíranou energií a je proto vhodný pro měření elektrických zdrojů. Stejně jako přístroj ARTIQ 144 je snadno instalovatelný na DIN lištu a je nutno jej softwarově nakonfigurovat. Ke komunikaci s počítačem je možno využít například Ethernet, USB, M-bus nebo Zigbee.
Přístroj v maximálním nastavení měří jedno napětí a až 8 proudů/výkonů. K měření proudu jsou použity dělené průvlekové proudové snímače CPCO-2000-77-BP5 pro měření přímo na trakčních kabelech. Snímače pracují na principu Hallovy sondy.
Použití dělených snímačů je výhodné, protože není potřeba zasahovat do silových obvodů měnírny.
Napětí je měřeno jedním kanálem mezi svorkami L a N. Měřicí rozsah pro střídavé napětí je 4–500 V pro fázové a 2,3–285 V pro sdružené napětí. Trvalé přetížení je 1300 V a špičkové přetížení po dobu 1 s je 1950 V (efektivní hodnota). Přesnost měření je 0,1 %. Analyzátor SMD je méně přesný než ARTIQ.
Proud je měřen nepřímo osmi vstupy. Měřicí rozsah je v úrovni 0,02–1,2 násobku nominální hodnoty proudu. Trvalé přetížení je dvojnásobek a krátkodobé přetížení (po dobu 1 s) je desetinásobek nominální hodnoty. Přesnost měření je 0,1 %.
27 Napájení analyzátoru SMD 114 je možno vyřešit dvěma způsoby. Buďto napájením z měřeného napětí (varianta U) nebo z externího zdroje (varianta L). U varianty U je rozmezí napájení 75–520 V střídavých nebo 80–350 V stejnosměrných. U varianty L leží hodnota napájecího napětí v intervalu 24–48 V střídavých nebo 20–75 V stejnosměrných. Zdánlivý příkon je 7 VA, z toho činný příkon je 3 W. Kategorie přepětí je CAT III / 300 V.
Důležitá poznámka: Pokud je odběr proudu nižší, než stanovená mez, je tímto přístrojem dosazena nulová hodnota odebíraného proudu. S tímto faktem je třeba uvažovat v následujících částech bakalářské práce.
Obrázek 11: Zapojení přístroje SMD 118 na síť s 8 větvemi
Obrázek 12: Namontované průvlekové snímače proudu ve skříni vývodu N31
28
Obrázek 13: Analyzátory SMD 118 namontované v suterénu měnírny u trakčních kabelů
2.3 Měřicí sonda typu CPCO-2000-77-BP5
Pro měření hodnoty trakčního proudu na měnírně Kočkovská jsou použity průvlekové snímače typu CPCO-2000-77-BP5. Princip je založen na Hallových sondách, kterých je v těchto snímačích osm, proto sondy váží méně než 120 g. Snímače jsou kruhové o průměru 77 mm a jsou složeny ze dvou polovin, takže instalace je velmi snadná – stačí „obejmout“ daný vodič a poté k sobě obě poloviny sklapnout a spojit šroubkem, a to i bez přerušení dodávky měřeného proudu. Jako výstup je zde možno použít napěťovou nebo proudovou smyčku. Napájecí příkon je 0,5 W pro napěťový a 0,8 W pro proudový výstup 4–10 mA. V pouzdru sondy je umístěna LED dioda indikující napájení a konektor pro připojení výstupu. [19]
Řada snímačů CPCO-2000 má nominální hodnotu měřeného proudu 2000 A.
Maximální hodnota z důvodu saturace je 2500 A. Přetížení je bez limitu. Citlivost výstupu je u proudové smyčky 4 μA/A, u napěťové smyčky 2 – 4 mV/A. Šířka pásma je 0–40 kHz. [19]
2.4 Datové soubory
Jako výstup analyzátorů figurují soubory s příponou .cea. Tyto soubory jsou zpracova-telné v prostředí ENVIS od firmy KMB Systems. Tento software umožňuje například zobrazování grafů měřených veličin, statistickou analýzu naměřených dat a také export dat měřených veličin do souborů s příponami .csv nebo .xls.
29
Obrázek 14: Program ENVIS od firmy KMB Systems se zobrazeným grafem naměřených veličin
30 Datové soubory jsou strukturovány do tabulky, kterou tvoří vektory naměřených veličin, situované do sloupců. První sloupec je vyhrazen času, který je udáván ve tvaru:
𝑑𝑑. 𝑚𝑚. 𝑦𝑦𝑦𝑦 ℎℎ: 𝑚𝑚: 𝑠𝑠. V následujících sloupcích jsou uvedeny hodnoty napětí, proudů, činných, jalových a zdánlivých výkonů, účiníků (PF) atd. Veličiny jsou zaznamenávány jako průměrné, minimální a maximální hodnoty.
U přístrojů SMD 114 je u veličin napětí a proudu zajímavé to, že jsou zde mimo jiné uváděny průměrné, maximální a minimální hodnoty z průměrných, maximálních a minimálních hodnot, titulek vektoru je ve tvaru například „min.Uavg1[V]“ nebo
„avg.Iavg1[A]“. Je to způsobeno tím, že číslicový měřicí přístroj pracuje se vzorkovaným signálem. V takzvaném výpočetním intervalu, který má délku 200 ms nebo-li 10 period signálu při 50 Hz, se vypočítává průměrná, minimální a maximální hodnota z naměřených vzorků. To však není vše, neboť v tzv. agregačním intervalu, jehož délka je větší nebo rovna intervalu výpočetnímu (např. 200 ms, 1 s, 1 min) se vypočítává střední, minimální a maximální hodnota z hodnot naměřených ve výpočetních intervalech. Dále jsou zde uváděny průměrné, minimální a maximální hodnoty směrodatné odchylky (STD).
Např. veličina „min.Umin1“ znamená, že nejprve se vypočtou na každém výpočetním intervalu minima a v rámci agregačního intervalu se do této veličiny uloží minimum z těchto hodnot. Pokud přístroj nakonfigurujeme tak, že agregační interval se rovná intervalu výpočetnímu, jsou hodnoty avg.Umin1, min.Umin1, max.Umin1 stejné.
U přístroje ARTIQ 144 toto neplatí, a jsou zde uváděny jednoduše průměrné, minimální a maximální hodnoty dané veličiny v každém agregačním intervalu.
Obrázek 15: Výřez z datového csv souboru pro přístroj SMD 114 exportovaného z programu ENVIS.
31
3 Praktická část
3.1 Náhradní obvod trolejového vedení
Náhradní obvod soustavy měnírna – trolejové vedení – trolejbus se skládá z vnitřního odporu transformátoru měnírny Ri, dvou usměrňovacích diod D, vyhlazovací tlumivky L (1,2 mH), odporu přívodních kabelů Rk, odporu trolejových vodičů Rv, kapacity mezi dvěma souběžnými trolejovými vodiči Cv a odporu vinutí motoru v trolejbusu Rt. Není zde počítáno s elektrickými zařízeními v trolejbusu (např. vnitřní osvětlení, blinkry atd.). Pro usměrnění jsou zde použity tyristory. Počítáno je s trolejbusem řady Škoda 15Tr, délkou přívodních vodičů 1,8 km a vzdáleností trolejbusu od nejbližšího napájecího bodu 480 m.
Obrázek 16: Schéma náhradního obvodu soustavy měnírna - trolejové vedení – trolejbus
3.1.1 Parametry obvodu
Trakční transformátor je třífázový suchý s výkonem 𝑆 = 1 𝑀𝑉𝐴, vstupním napětím 𝑈𝑖𝑛 = 22 kV, výstupním napětím 520 V a poklesem napětí při připojení nakrátko o ∆𝑈𝑘= 6 %. Primární vinutí je připojeno na převod 23,1 kV : 520 V, proto je třeba počítat s výstupním napětím:
𝑈𝑜𝑢𝑡 = 𝑈𝑖𝑛∙ 520
23100= 495,2 𝑉 (3.1)
K výpočtu vnitřního odporu transformátoru je nutno nejdříve vypočítat maximální proud ze zdánlivého výkonu S a hodnoty výstupního napětí podle vzorce
𝑆 = √3 ∙ 𝑈𝑜𝑢𝑡∙ 𝐼𝑘 → 𝐼𝑘 = 𝑆
√3∙𝑈𝑜𝑢𝑡= 106
√3∙520= 1165,8 𝐴 . (3.2)
Vnitřní odpor 𝑅𝑖 se vypočítá jako podíl úbytku napětí ∆𝑈𝑘 a zkratového proudu 𝐼𝑘 𝑅𝑖 = 𝑈𝑜𝑢𝑡∙∆𝑈𝑘
𝐼𝑘 = 520∙0,06
1570 = 0.036 𝛺. (3.3)
Dále je nutno počítat s maximální hodnotou napětí, neboť šestipulzní usměrňovač pracuje s amplitudami harmonických průběhů. Tím pádem je nutno střední hodnotu napětí vynásobit odmocninou ze dvou. Maximální hodnota výstupního napětí je rovna
𝑈𝑛 = √2 ∙ 𝑈𝑜𝑢𝑡 = 700,4 𝑉. (3.4)
32 Přívodní kabel k trolejovému vedení je hliníkový o tloušťce 27 mm. Jako příklad vhodný pro počítání byl zvolen úsek číslo 31 (v oblasti točny Severní Terasa). Délka přívodního vodiče mezi měnírnou Kočkovská a prvním připojovacím bodem je cca 1,8 km. Délka mezi dvěma přívody je 480 metrů.
Odpor vodiče průřezu S a délky l se vypočítá pomocí vzorce:
𝑅 = 𝜌 ∙𝑆𝑙 , (3.5)
kde ρ je tzv. měrný elektrický odpor, což je veličina charakterizující elektrický odpor daného materiálu a jeho hodnotu nalezneme v tabulkách. Pro hliník je to typicky 𝜌𝐴𝑙 = 0,0267 ∙ 10−6 𝛺𝑚. Pro kruhový vodič tloušťky 27 mm a délky 1800 m je tedy výpočet následující:
𝑅𝑘 = 𝜌 ∙𝜋𝑟𝑙2= 0,0267 ∙𝜋∙13,518002= 0,084 𝛺 . (3.6) Trolejové vodiče používané u trolejbusových drah mají průměr 100 mm2. V tabulkách [16] bylo nalezeno, že pro tento průřez má odpor na jednotku délky hodnotu 0,183 Ω/km. Po přepočtu na délku vodičů 480 m:
𝑅𝑣= 0,183 ∙ 0,48 = 0,089 𝛺 . (3.7)
Z důvodu toho, že pro trolejbusové dráhy jsou trolejové vodiče v páru, z čehož vyplývá, že i přívodní vodiče jsou dva, je třeba tyto hodnoty vynásobit dvěma.
Kapacita dvou souběžných kruhových vodičů se vypočítá pomocí vzorce:
𝐶𝑣 =𝜋∙𝜀0∙𝜀𝑟
ln𝑑𝑅 ∙ 𝑙 , (3.8)
kde 𝜀0 = 8,85419 ∙ 10−12 𝐹 ∙ 𝑚−1 je permitivita vakua, 𝜀𝑟 = 1,00054 relativní permitivita vzduchu, d je vzdálenost trolejových vodičů od sebe (650 mm), R poloměr vodiče (5 mm) a l délka vodiče (480 m). Pro uvedené údaje je výsledek následující:
𝐶𝑣= 2,797 𝑛𝐹 .
Indukčnost přímého kruhového vodiče se vypočítá pomocí vzorce:
𝐿𝑣 =𝜇0∙𝜇𝑟
2∙𝜋 (ln2∙𝑙
𝑅 − 1), (3.9)
kde 𝜇0 = 4𝜋 ∙ 10−7𝐻 ∙ 𝑚−1 je permeabilita vakua, 𝜇𝑟 = 1,36 je relativní permeabilita vzduchu, 𝑅 poloměr vodiče (5 mm) a l délka vodiče (480 m). Pro uvedené údaje platí následující:
𝐿𝑣 = 3,08161 𝜇𝐻 .
Trolejbus řady Škoda 15Tr má dva trakční motory o výkonu 120 kW. Z tohoto údaje lze po dosazení napětí (750 V) a výkonu (240 000 W) do vzorce
33 𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 = 𝑈 ∙𝑈
𝑅 → 𝑅 =𝑈2
𝑃 (3.10)
získat přibližnou hodnotu odporu.
Protože v obvodu stejnosměrného napětí je vliv induktoru roven zkratu a vliv kapacitoru roven rozpojenému obvodu, schéma se zjednoduší.
Obrázek 17: Zjednodušené schéma náhradního obvodu pro stejnosměrný proud
3.1.2 Obvodová rovnice
Obvodová rovnice pro toto zapojení má tvar:
𝑈𝑛 − 𝑅𝑖 ∙ 𝐼 − 2 ∙ 𝑈𝑇𝑦− 2 ∙ 𝑅𝑘∙ 𝐼 − 2 ∙ 𝑅𝑣 ∙ 𝐼 − 𝑈𝑡𝑏 = 0 , (3.11) kde Un je napájecí napětí (735 V), Ri vnitřní odpor (0,028 Ω), UTy úbytek napětí na usměrňovacích tyristorech (1,4 V), Rk odpor přívodů (0,084 Ω), Rv odpor trakčního vedení (0,089 Ω) a Utb napětí na motoru trolejbusu.
Obvodová rovnice pro výkony je v následujícím tvaru:
𝑃𝑛 − 𝑃𝑖 − 2 ∙ 𝑃𝑇𝑦− 2 ∙ 𝑃𝑘− 2 ∙ 𝑃𝑣− 𝑃𝑡𝑏 = 0, (3.12) kde Pn je výkon transformátoru beze ztrát, Pi je ztráta na vnitřním odporu transformá- toru, PTy ztráta na tyristorech, Pk ztráta na kabelech, Pv ztráta na trakčním vedení a Ptb
příkon trolejbusu. Z této rovnice po dosazení známých hodnot získáme kvadratickou rovnici, z níž vypočítáme proud protékající obvodem:
𝑈𝑛∙ 𝐼 − 𝑅𝑖∙ 𝐼2− 2 ∙ 𝑈𝑇𝑦∙ 𝐼 − 2 ∙ 𝑅𝑘∙ 𝐼2 − 2 ∙ 𝑅𝑣∙ 𝐼2− 𝑃𝑡𝑏 = 0
−(𝑅𝑖 + 2 ∙ 𝑅𝑘+ 2 ∙ 𝑅𝑣) ∙ 𝐼2+ (𝑈𝑛− 2 ∙ 𝑈𝑇𝑦) ∙ 𝐼 − 𝑃𝑡𝑏 = 0 (3.13) Kořeny kvadratické rovnice jsou 𝐼1 = 1361 𝐴 a 𝐼2 = 460 𝐴.
Protože odběr proudu o hodnotě 1361 A jedním trolejbusem je v praxi nereálný, a při podílu výkonu trolejbusu vychází napětí motoru 176 V, je nutné v další části počítat s druhým kořenem kvadratické rovnice.
Napětí na motorech trolejbusu se vypočítá po úpravě obvodové rovnice jako:
𝑈𝑡𝑏 = 𝑈𝑛− 𝑅𝑖𝐼 − 2𝑈𝑇𝑦− 2𝑅𝑘𝐼 − 2𝑅𝑣𝐼 , (3.14)
34 𝑈𝑡𝑏 = 577 𝑉 (pro 100% výkon).
Úbytek napětí na kabelech je roven 𝑈𝑘 = 2 ∙ 𝑅𝑘∙ 𝐼 = 77,3 𝑉.
Úbytek napětí na trolejovém vedení je roven 𝑈𝑣 = 2 ∙ 𝑅𝑣∙ 𝐼 = 82,4 𝑉.
Ztráty na kabelu jsou rovny 8,9402 kW. Ztráty na trolejovém vedení jsou rovny 35,585 kW. Pokles napětí při jízdě trolejbusu na výstupu transformátoru při jízdě na plný výkon je 16,6 V.
Tabulka 2: Vypočtené údaje energetické bilance soustavy měnírna-vedení-trolejbus (Škoda 15Tr) s různým zatížením
Rel. výkon trolejbusu [%] 0 5 25 50 75 100
Příkon trolejbusu [W] 0 12 60 120 180 240
Proud [A] 0 16,5 85,7 180,5 288,2 416,3
Napětí transformátoru [V] 735,4 734,9 733,0 730,3 727,3 723,7
Úbytek napětí na kabelech [V] 0 2,8 14,4 30,3 48,4 69,9
Úbytek napětí na vedení [V] 0 3,0 15,3 32,3 51,6 74,5
Napětí trolejbusu [V] 732,6 726,4 700,5 664,9 624,5 576,5 Výkon transf. beze ztrát [kW] 0 12,2 63,4 134,7 218,0 322,5 Výkon transf. se ztrátami [kW] 0 12,2 63,1 133,4 214,5 314,8
Výkon na tyristorech [kW] 0 0,0 0,3 0,5 0,9 1,3
Výkon na kabelech [kW] 0 0,1 1,4 6,2 16,3 35,6
Výkon na vedení [kW] 0 0,1 1,5 6,6 17,3 37,9
Ztráty na kabelech + vedení [%] 0 1 4 10 15 23
Ztráty na měnírně [%] 0 0 1 1 2 3
3.2 Analýza naměřených dat
V této části je rozebrána problematika naměřených dat z analyzátorů výkonů ARTIQ144 a SMD114.
3.2.1 Hodiny reálného času
Analyzátory ARTIQ 144 a SMD 118 jsou vybaveny hodinami reálného času. Pro tyto účely je zde použit piezoelektrický krystalový rezonátor s rezonančním kmitočtem 32,768 kHz. Krystalové oscilátory se vyznačují oproti jiným typům velmi vysokou přesností a stabilitou frekvence.
Obrázek 18: Krystalový rezonátor v desce plošných spojů
35 Sériový odpor krystalu je 35 kΩ pro 32,768 kHz a 35–50 kΩ pro 30–200 kHz.
Paralelní kapacita je 0,8–1,7 pF, sériová kapacita je 12,5 pF a dynamická je 1–4 fF.
Činitel jakosti je 70000 pro 32,768 kHz. [20]
Přesnost krystalového rezonátoru uváděná v katalogu[20] je ±20 ppm pro 32.768 kHz a ±30 ppm pro 30kHz až 200kHz (mimo 32.768 kHz). Přesnost je však závislá také na teplotě prostředí. Nejstabilnější frekvence je v intervalu 25 ± 5 °𝐶.
Teplotní koeficient je −0,034 ± 0,006 ppm/𝑇2 a stabilita frekvence v závislosti na teplotě se mění podle následujícího grafu.
Obrázek 19: Graf závislosti stability frekvence na teplotě prostředí
Mimo jiné stabilita kmitočtu je také citlivá na nečistoty v plošném spoji, protože budicí proud krystalu je menší než 1 A a svodový proud způsobený nečistotami nemusí být v poměru k budicímu proudu zanedbatelný. U analyzátorů dochází vlivem teploty nebo nepřesností k časovému posunu. Například při teplotě 25 °C dojde při odchylce kmitočtu krystalu 20 ppm za den k posunu až o 1,73 s. Na následujícím grafu je znázorněny naměřené časové odchylky v čase.
Obrázek 20: Graf závislosti časového posunu na času pro instalované analyzátory výkonu
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Čas (h)
Časový posun (s)
t(0) = 20-Feb-2016 08:30:00 SMD N18 13.2 ppm SMD N33 21.1 ppm SMD N34 4.5 ppm SMD N35 13.1 ppm SMD N37 3.6 ppm SMD (4) 17.1 ppm SMD (5) 107.6 ppm ARTIQ 9.1 ppm
36 Na tomto grafu je vidět, že nejhorší kmitočtovou stabilitu má přístroj SMD N18.
Nejpřesnější je SMD N37.
Pro synchronizaci časů u přístrojů se používá funkce korelace, o které pojednává následující kapitola.
3.2.2 Korelace
Korelace je významná operace v oboru zpracování signálu, která umožňuje porovnávat dva náhodné signály. Pomocí korelace lze zjišťovat jejich podobnost a některé informace, například periodicitu. [6]
Pro spojité signály je korelace definována následovně:
𝑅𝑥𝑦(𝑡)= 𝑥(𝑡)∗∗ 𝑦(𝑡)=∫−∞+∞𝑥∗(𝜏) ∙ 𝑦(𝜏 + 𝑡)𝑑𝜏 (3.15) A analogicky pro digitální signály:
𝑅𝑥𝑦[𝑛]= 𝑥[𝑛]∗ 𝑦[𝑛]=∑+∝𝑘=−∝𝑥∗[𝑘] ∙ 𝑦[𝑘 + 𝑛] (3.16) Jedná se o funkci s parametrem t resp. n, a představuje součet součinů vzorků signálu x se signálem y posunutým o t resp. n. U korelační funkce záleží na pořadí obou signálů, tj. není komutativní.
Ukázka výpočtu pro diskrétní signály x a y:
Pro t = 0:
Pro t = 1:
Pro t = -2:
V případě, že 𝑥(𝑡) = 𝑦(𝑡), resp. 𝑥[𝑛] = 𝑦[𝑛], mluvíme o takzvané autokorelaci 𝑅𝑥𝑥(𝑡)= 𝑥(𝑡)∗∗ 𝑥(𝑡). Touto funkcí je zjišťována tzv. soběpodobnost signálu.[17]
x = ( 5; 1; 6 ) y = ( 3; 7; 4 )
( 5; 1; 6 ) * ( 3; 7; 4 ) 15+7+24 = 46
( 5; 1; 6 ) * ( 3; 7; 4 ) 0+3+42+0 = 45
( 5; 1; 6 ) * ( 3; 7; 4 ) _ 0+0+20+0+0 =20
37 Praktické využití korelace je například pro hledání souvislostí mezi signály, například RADAR (porovnává vysílaný a přijímaný signál a vypočítává zpoždění mezi nimi), rozpoznávání řeči nebo obrazu. Autokorelace se používá pro detekci periodicity pseudonáhodných signálů nebo odšumění. V této bakalářské práci je této funkce užito pro vypočítávání časového posuvu hodin reálného času v různých analyzátorech.
Na následujícím grafu je vidět výstup korelační funkce pro signál X, kterým je napětí naměřené přístrojem ARTIQ144, a signál Y, což je napětí naměřené přístrojem SMD114 s číslem 4, který je připojen na úsek N32. Obě napětí byla korelována v úseku, kdy nejede žádný trolejbus. Maximum funkce (corr = 0,95677) se nachází v čase t = −0.016667 min, což znamená, že přístroj SMD114 se zpožďuje za přístrojem ARTIQ144 o 1 sekundu.
Obrázek 21: Graf korelační funkce mezi střídavým napětím a napětím do úseku N32. Maximum funkce je v bodě [-0,0167; 0,9567]
3.2.3 Trolejbusový provoz dne 10. 4. 2016 od 0:00 do 4:00
V noci dne 10. dubna 2016 jezdila v obvodu měnírny linka číslo 43 (Severní Terasa – Mírová – Hornická – Bělehradská – Mírové náměstí – V Rokli – Dobětice točna), viz tabulka. V provozu zde byl jediný trolejbus modernizované řady Škoda 15Tr13/6M s evidenčním číslem 574, který byl odkoupen z Hradce Králové, kde jezdil pod číslem 86.[14] Výkon tohoto dvoumotorového kloubového autobusu je 2×120 kW. Tyto údaje jsou důležité pro porovnání s okamžitými odběry proudu z měnírny. Trolejbus projížděl některé zastávky na znamení. Na trolejbusu je instalován elektronický tachograf, ze kterého byla extrahována data, se kterými se pracuje v následujících částech bakalářské práce.
-3 -2 -1 0 1 2 3
0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1
t (min)
corr (-)
38
Obrázek 22: Sdružený jízdní řád pro linku 43, směr 1 (zdroj www.dpmul.cz/jr2/sdruz/043.pdf)
Obrázek 23: Sdružený jízdní řád pro linku 43, směr 2 (zdroj www.dpmul.cz/jr2/sdruz/043.pdf)
3.3 Tvorba aplikace pro vyhodnocování dat
Pro vyhodnocování energetické bilance byla vytvořena aplikace v prostředí MATLAB od firmy MathWorks. Tato aplikace je členěna do několika částí. Princip je takový – nejdříve nahrání souborů ve formátu .csv z analyzátoru ARTIQ144. Poté následuje nahrání dat z přístrojů SMD114, jejich synchronizace pomocí funkce korelace, kde je nalezena časová dilatace. V tomto programu se koreluje podle úbytků napětí. Poté je třeba nahrát data z tachografu trolejbusu, který jezdil dne 10. dubna 2016 od 0:00 do 4:00 (kde jsou uvedena tato data – čas, rychlost, zastávky, odebíraný proud, napětí a používání elektrodynamické brzdy). Všechna napětí, výkony/příkony a rychlost trolejbusu jsou zobrazeny do grafu. Celá tato část programu probíhá v cyklu pro každý měřicí přístroj SMD114. Dále následuje vyhodnocovací část aplikace, kde jsou vypočítávány energetické bilance mezi jednotlivými zastávkami. Tyto hodnoty jsou dány do tabulky. V následujících odstavcích jsou stručně popsány jednotlivé kroky.
39
Obrázek 24: Blokové schéma programu pro vyhodnocování dat
3.3.1 Načtení dat csv souborů
V této části je použito funkce fopen k otevření csv souboru. Následně jsou funkcí textscan načteny důležité položky hlavičky souboru a poté, o řádek níže, i data. Syntaxe
%s resp. %f značí položku, celkově jich je 81 v každém řádku. Následně je soubor zavřen a datové položky prvního sloupce, což je datum a čas, jsou převedeny na dny.
Poté je zbývající matice C rozdělena na vektory, jejichž název je pomocí funkce eval vyčten z hlavičky, jejichž položky však musí projít ještě úpravou řetězce (nahrazení tečky podtržítkem a odstranění hranatých závorek s jednotkou uvnitř). Následně jsou vypočítány hodnoty napětí a výkonu, se kterými je počítáno v dalších částech programu.
Kód 1: Část programu načítající data ve formátu csv. Poznámka: Funkce textscan je pro ukázku zkrácena na 8 sloupců, ve skutečnosti načítá 81 sloupců
fid = fopen('2data_ARTIQ.csv'); %otevření csv souboru
Chead1 = textscan(fid,'%s\n','delimiter', ';'); % načti 1. řádek hlavičky
Chead2 = textscan(fid,'%s %s %s %s %s %s %s %s %*[^\n]',1,'delimiter', ';'); % 2. řádek hlavičky C = textscan(fid,'%s %f %f %f %f %f %f %f %*[^\n]','delimiter', ';','HeaderLines',0);%
fclose(fid); %zavření souboru
disp('konvertuji datumy')
t1 = datenum(C{1},'dd.mm.yyyy HH:MM:SS.FFF'); % konverze data a času na dny
% rozdělení načtené tabulky na vektory s názvy, které jsou vyčteny z hlavičky souboru for k = 2:61
a = ['C_' cell2mat(Chead2{k})]; %připrav symbolický název a(a == '.') = '_'; %nahrazení tečky podtržítkem
aJm = a(1:strfind(a,'[')-1); %vyjmutí závorek a jednotky v nich eval([aJm '= C{k};']); %použij ho A přiřaď vektor k tomuto názvu end
A = ((C_avg_U1 + C_avg_U2 + C_avg_U3)/3); %napětí naměřené analyzátorem ARTIQ144 AP = (C_avg_P1 + C_avg_P2 + C_avg_P3); %výkon naměřený analyzátorem ATIQ144
Načtení dat
SMD(smdNo) Korelace Zobrazení
do grafu
Smyčka: for smdNo = [4, 5, 8, 9, 10, 11]
Načtení dat ARTIQ144
Zobrazení zastávek do grafu
Výpočty energetických
bilancí
Uložení do tabulky
Načtení dat z Vozu
Zobrazení dat ARTIQ114 Zobrazení
dat z Vozu Pouze při jedné periodě
40 Tato ukázka slouží k načtení souboru z měřicího přístroje ARTIQ144 pro měření střídavého napětí a výkonu. Podobné je to i s přístroji SMD114, jejichž data jsou načítána v cyklu pro každý přístroj (indexy 4, 5, 8, 9, 10, 11), až na to, že místo proměnné C zde figuruje proměnná D, a také jsou jinak počítány hodnoty napětí a výkonu (proměnná napětí = B, proměnná výkon = BP).
3.3.2 Korelace
Tato funkce je prováděna v každém cyklu načtení hodnot z daného přístroje SMD114. Korelováno je podle úbytků napětí na přístrojích SMD114 a přístroji ARTIQ144 v klidové fázi spotřeby. Před tím je pomocí podmínky if otestováno, zda se časové složky obou přístrojů navzájem překrývají, v případě, že ne (například jiný den měření), nemá smysl korelaci dělat. V této části je použit cyklus pro parametr k (korelační koeficient) v rozmezí -150 do +150. V každé periodě jsou oba vektory korelovány a vypočítáván čas vzorku. Po skončení cyklu je pomocí funkce max zjištěna maximální hodnota korelace, a její časová poloha, což je onen naměřený časový posun obou přístrojů.
Kód 2: Část programu pro časovou synchronizaci přístrojů ARTIQ144 a SMD114
3.3.3 Vyhledávání názvů zastávek
Tato část je provedena v úvodu programu, kdy dojde k načtení souboru
„zastavky.txt“, kde je v každém řádku uvedeno číslo zastávky a její název. Toto je důležité pro zobrazení jmen zastávek do grafu, neboť v souboru dat z trolejbusu jsou uvedena pouze čísla zastávek, nikoliv jejich názvy. Načtení jmen je pomocí podprogramu „zastavky.m“, který vypadá takto:
Kód 3: Podprogram pro načítání jmen a čísel zastávek
ts = (t1-t1(1))*24; %převod času na hodiny
ind = find(ts < 0.57,1,'last'); %hledání indexu posledního prvku s časem menším, než 0.57 hod.
A_ = A(1:ind); %oříznutí vektoru napětí z ARTIQ144 B_ = B(1:ind); %oříznutí vektoru napětí z SMD114 disp('koreluji...')
shift = 150; %minimum/maximum velikosti korelačního koeficientu clear ts; %vymazání proměnné ts
for k = -shift:1:shift %k - testovaný korelační koeficient X = B_(shift:end-shift-1); %vektor 1
Y = A_(k+shift+1:k+shift+length(X));%vektor 2 posunutý o k CORR(k+shift+1) = corr(X, Y); %korelace obou vektorů
ts(k+shift+1) = (t1(k+shift+1)-t1(shift+1))*24; %převod na čas v hodinách end
[~,ind] = max((CORR)); %hledání indexu maximální hodnoty korelace corrMax = CORR(ind); %maximální hodnota korelace
disp(['Nejlepší shoda v čase t = ' num2str(ts(ind)*60) ' min, CorrMax = ' num2str(corrMax)])
%korekce času T2
t2 = t2 + ts(ind)/24; %stejný formát času ve dnech
%převod času na hodiny t_1 = (t1 - t1(1))*24;
t_2 = (t2 - t2(1))*24;
zas = importdata('zastavky.txt',' '); %načtení souboru for a = 1:size(zas,1)
r = zas{a}; %načtení řádku souboru tab = find(uint8(r) == 9); %hledání mezery mezi číslem a názvem zasNo(a) = sscanf(r(1:tab(1)),'%d'); %číslo zastávky
zasTxt{a} = r(tab(1):end); %název zastávky end
