Інтелектуальна комп'ютерна мережа для оптимізації режимів електропостачання залізничної інфраструктури: математична модель та алгоритм функціонування

Анотація

У статті розглянуто проблему підвищення енергоефективності систем тягового та нетягового електропостачання залізничної інфраструктури в умовах зростаючої нерівномірності навантаження, значного зношення основного обладнання та нагальної потреби у відновленні транспортної мережі України після воєнних руйнувань. Актуальність дослідження зумовлена тим, що традиційні підходи до управління режимами електропостачання не забезпечують достатньої гнучкості та оперативності реагування на змінні умови експлуатації, що особливо критично в період відбудови енергетичної та транспортної інфраструктури за обмежених матеріальних і фінансових ресурсів.

Метою роботи є обґрунтування доцільності побудови інтелектуальної комп'ютерної мережі (ІКМ), яка об'єднує тягові підстанції, пости секціонування, засоби вимірювання показників якості електроенергії та диспетчерські центри в єдиний інформаційно-керуючий контур з можливістю автоматизованої підтримки прийняття рішень. Така мережа дозволяє здійснювати безперервний моніторинг стану обладнання, збирати та обробляти дані про параметри електропостачання в реальному часі та формувати рекомендації щодо оптимальних режимів роботи системи.

Розроблено математичну модель оптимізації режимів електропостачання, яка враховує графік руху поїздів, нерівномірність тягового навантаження, втрати потужності в тяговій мережі та обмеження щодо якості електроенергії. Задача сформульована як багатокритеріальна оптимізація з цільовою функцією мінімізації сумарних втрат електроенергії та відхилень напруги за умови дотримання технологічних обмежень, що дозволяє одночасно враховувати кілька суперечливих критеріїв ефективності.

Запропоновано алгоритм функціонування ІКМ, що реалізує повний цикл управління: збір даних, ідентифікацію поточного режиму, короткострокове прогнозування навантаження, розв'язання оптимізаційної задачі, ранжування варіантів керуючих впливів та їх реалізацію в автоматичному або диспетчерському режимі з подальшою адаптацією цифрового двійника мережі. Практична реалізація моделі спирається на дворівневу схему прийняття рішень: стратегічне добове планування режимів методами нелінійного програмування та еволюційними алгоритмами, а також оперативне коригування на основі експертних логічних правил у межах допустимих технологічних обмежень. Такий підхід забезпечує гнучкість системи в умовах обмежених ресурсів на відновлення енергетичної та транспортної інфраструктури.

У статті наведено структурну схему триярусної архітектури ІКМ та блок-схему алгоритму її функціонування. На умовному розрахунковому прикладі ділянки залізниці проілюстровано очікуваний ефект від застосування запропонованого підходу у вигляді зниження втрат електроенергії в тяговій мережі та покращення показників якості електропостачання. Результати дослідження можуть бути використані під час проєктування систем інтелектуального управління електропостачанням у процесі відновлення та модернізації залізничної інфраструктури України, а також слугувати основою для подальших досліджень у сфері цифровізації енергетичних систем транспорту.