Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes.
Derartige dezentrale Feldelementen werden in Schienenverkehrsnetzwerken genutzt, um die Schienenfahrzeuge beeinflussende und/oder die Schienenfahrzeuge überwachende Einheiten zu steuern und bezüglich der Funktionalität zu überwachen und um Prozessdaten aufzunehmen und zurück zu melden. Als zugbeeinflussende Einheiten, die also Anweisungen an den Fahrzeugführer geben oder sogar direkt Eingriffe in der Fahrzeugsteuerung vornehmen oder direkt einen sicheren Fahrweg einstellen, können beispielsweise Signale, Weichen, Balisen, Linienleiter, Gleismagnete und dergleichen sowie auch Sensoren zum Erfassen von Prozessgrössen des fahrenden Zuges, wie Leistungsaufnahme, Geschwindigkeit und dergleichen, betrachtet werden. Als Zug- und Gleisabschnitt überwachende Einheiten können ebenfalls Balisen und Linienleiter, aber auch Achszähler und Gleisstromkreise genannt werden.
Im Eisenbahnverkehr ist es üblicherweise so, dass diese dezentralen Feldelemente von einem Stellwerk oder einem abgesetzten Stellrechner gesteuert werden. Für den Datentransfer zwischen dem Stellwerk und den Feldelementen im Gleisbereich sind heute in der Regel standardisierte Kupferkabel vorgesehen, für deren klassische Stelldistanzlängen wegen der physikalischen Übertragungsparameter, den Kabelbelägen (RLC), bei 10 km in der Praxis die obere Grenze liegt. Bei gewissen Typen von Feldelementen kann diese obere Limite jedoch auch nur bei maximal 6,5 km liegen.
Gemäss der europäischen Patentanmeldung
Auf diese Weise kann für die Ankopplung der dezentralen Feldelementen ein digitales Transportnetzwerk genutzt werden, welches in jeder Weise robust gegen ein einfaches Fehlerereignis ist, dennoch eine sehr geschickte Verwendung von sehr breit in der Bahntechnik eingesetzten Cu-Kabeln, zum Beispiel bisher vorhandenen Stellwerkskabeln, erlaubt und schliesslich auch nur eine vergleichsweise geringe Zahl von Netzzugangspunkten benötigt. Diese Lösung wird beispielsweise unter dem Namen SiNet® von der Siemens Schweiz AG vertrieben.
Im Rahmen der Fortbildung dieses Projekts soll nun auch die elektrische Spannungsversorgung von dezentralen Feldelementen zunehmend nicht mehr aus dem Stellwerk heraus geleistet, sondern mit Hilfe des Einsatzes eines vom Stellwerk komplett unabhängigen Spannungsversorgungsnetzes gelöst werden.
Hierbei sind gemäss der europäischen Patentanmeldung
Gemäss diesem neuen Konzept gehen einem Stellwerkrechner für die gleichen dezentralen Feldelemente dann nur noch vier Kabeladern für die elektrische Energie und bis zu vier Kabeladern für die Kommunikation heraus. Dabei ist der Stellwerkrechner ebenfalls über einen Netzzugangspunkt an dem Datentransportnetz angeschlossen.
Auf diese Weise ergibt sich eine hinsichtlich der verwendeten dezentralen Feldelemente und der intelligenten Energiespeicher eine skalierbare Situation im Gleisbereich. Dabei können auch skalierbare Leitungsmodelle und skalierbare Energiespeicher eingesetzt werden. Als Energiespeicher können dabei auch mechanische Schwungradspeicher und Super-Kondensatoren eingesetzt werden. Diese Lösung zeigt daher auch den Nutzen dieses Konzepts der dezentral verteilt angeordneten Energiespeicher im Energietransportnetz auf, sodass die Auslegung des Energietransportnetzes den Beitrag der Energiespeicher dahingehend nutzen kann, dass die Leitungsadern des Netzwerks nur für eine vorbestimmbare Basisleistung ausgelegt werden müssen.
Wie aus dieser Lösung nachvollziehbar, benötigen dabei besonders Weichen- und Schrankenantriebe kurzfristig relativ grosse Leistungen, deren Bereitstellung unter Zuhilfenahme der Speicherelement so erzielt werden soll, dass die über das Netz bereitgestellte Leistung eine gewisse Grundlast dauerhaft bereitstellt, die ausreichend ist, um die Speicherelemente periodisch wieder zur Bereitstellung der Spitzenlast aufladen zu können. Die Auslegung der Kapazität der Speicherelemente sowie der Kapazität des die Grundlast bereitstellenden Netzes sind jedoch recht komplex, da hierzu derzeit keinerlei verlässliche Planungsgrundlagen existieren.
Das vorstehend genannte Problem wurde bisher noch nicht gelöst, weil das Konzept des vom Stellwerk entkoppelten Spannungsversorgungsnetzwerks bisher im Bahnbereich noch nicht umgesetzt worden ist und einen regelrechten Paradigmenwechsel darstellt, weil viele dezentrale Feldelemente nun nicht mehr durch die direkte Überwachung der elektrischen Leistungsaufnahme aus dem Stellwerk her überwacht werden können.
In der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes anzugeben, mit denen im Wege einer Grundversorgung eine Grundlast abgedeckt und Speicherelemente so aufgeladen werden können, dass diese die erforderliche Spitzenlast im Bedarfsfall bereitstellen können.
Bezüglich des Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes gelöst, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden:
Bezüglich des Systems wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch ein System zur Bereitstellung der elektrischen Leistung an dezentralen Feldelementen eines Eisenbahnnetzwerkes gelöst, welches die folgenden Komponenten umfasst:
Auf diese Weise ergibt sich eine vorausschauende skalierte Prognose der Leistungsaufnahme von elektrischen Feldelementen aufgrund der mittels des Fahrplans prognostizierbaren Belegung des Gleiskörpers. Zunächst wird dabei einmal bestimmt, welche Anzahl von Leistungsverbrauchern (Signallampen, Weichenantriebe, Schrankenantriebe, Achszählpunkte, Gleisstromkreise, Balisen, Linienleiter und dergleichen) mit welchen Leistungsklassen im Gleisnetz angeordnet sind. Dabei wird auch die exakte Lage der Feldelemente bestimmt und diese bestimmten Fahrstrassen zugeordnet.
Anhand des Fahrplans kann nun ganz exakt bestimmt werden, welche Züge den jeweiligen Streckenabschnitt unter Benutzung vorbestimmter Fahrstrassen benutzen werden. Bei der Projektierung der Fahrstrassen kann dann auch genau bestimmt werden, welche Feldelemente bei einem Wechsel von einer n-ten Fahrstrasse zur (n+1)-ten Fahrstrasse aktiviert werden müssen und welche Feldelemente innerhalb des Streckenabschnitts (Blockabschnitt) unabhängig von der jeweils eingestellten Fahrstrasse periodisch oder dauerhaft betrieben werden müssen. Im Rahmen dieser Projektierung wird den einzelnen dezentralen Feldelementen eine normierte Energie-/Leistungsaufnahme(klasse) zugeordnet, sodass für einen Streckenabschnitt die bereitzustellende Energie/Leistung im Rahmen dieser Projektierung zeitlich und räumlich aufgelöst relativ genau bestimmt werden kann.
Mittels dieser Projektierungsdaten wird dann das elektrische Versorgungsnetz hinsichtlich der Grundlast und der einzusetzenden Speicherelemente sowie des distinkten Ortes dieser Speicherelemente projektiert und entsprechend erstellt. Der Fahrbetrieb wird anschliessend mit diesem Spannungsversorgungsnetzwerk für die in dem betreffenden Streckenabschnitt angeordneten dezentralen Feldelemente durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung führt daher im Ergebnis zu einer Skalierung der Leistungsaufnahme und liefert aufgrund der mittels des Fahrplans prognostizierbaren Streckenbelegung ein normatives Werkzeug, aus dem gezielt zeitlich und räumlich aufgelöste Profile der elektrischen Leistungsaufnahme ableitbar sind. Mit Hilfe dieser Profile werden die elektrische Grundlast, die Spitzenlast sowie die Kapazität und der physische Ort der Energiespeicher festgelegt. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr detailliert vorausplanbares Models/Profil der elektrischen Leistungsaufnahme, welche später entsprechend dieses Modells/Profils bereitgestellt werden kann. Damit ist das Leistungsversorgungsnetzwerk effizient und anforderungsgerecht auslegbar, wodurch ein schonender Umgang mit Ressourcen, wie Kupferkabeln, Energiespeichermaterialien erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, mindestens zwei Verbrauchsklassen zu definieren, wobei die erste Verbrauchsklasse dezentralen Feldelemente mit niedrigem und eher permanenten Leistungsbedarf repräsentiert und die zweite Verbrauchsklasse dezentrale Feldelemente mit vergleichsweise hohem, aber kurz andauernden Leistungsbedarf repräsentiert. Dezentrale Feldelemente mit niedrigem und eher permanentem Leistungsbedarf sind zum Beispiel Lichtsignale, Balisen, Achszähler, Gleisstromkreise und ihre jeweiligen Steuerungseinrichtungen (sogenannte LEU's-Lineside Electronic Equipment). Dezentrale Feldelemente mit vergleichsweise hohem, aber nur kurz andauerndem Leistungsbedarf sind zum Beispiel die Weichenantriebe und Barrierenantriebe und ihre jeweiligen Steuerungseinrichtungen.
Im Besonderen durch Verspätungen oder durch Sonderereignisse, wie z.B. grosse Messen, Konzerte oder Sportveranstaltungen, kann eine temporäre Abweichung des ermittelten räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils auftreten. Um diesen Mehrbedarf gegebenenfalls mit den vorhandenen Mitteln auffangen zu können, kann es vorgesehen sein, dass die bereitgestellte Leistung eine Reserveleistung umfasst, die etwa 20 bis 60 Prozent des Leistungsbedarfs des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils beträgt. Damit wird der Fall temporärer Abweichungen vom Verbrauchsprofil in der Regel zu beherrschen sein. Sollte die bereitstellbare Energiemenge allerdings vom tatsächlichen Bedarf überstiegen werden, könnte beispielsweise die Reserveleistung eines angrenzenden Streckenabschnitts oder eine weitere Energiequelle, wie z.B. eine Leitung des öffentlichen Netzes oder der Fahrdraht, temporär angezapft werden.
Zur Erleichterung der Projektierung kann es vorgesehen sein, dass die einsetzbaren Energiespeicher hinsichtlich der durch sie zur Verfügung stellbaren Energiemenge Leistungsklassen zugeordnet sein können. In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltung kann eine Konkordanzliste vorgesehen sein, die den Verbrauchsklassen entsprechende Energiespeicher geeigneter Leistungsklasse gegenüberstellt. Auf diese Weise ergibt sich eine Projektierbarkeit quasi nach dem System eines Baukastens, die so auch vorzugsweise programmierbar ist, wodurch ein projektiertes Layout beispielsweise mit einer entsprechenden Software automatisch erstellbar wäre. Allfällige Anpassungen könnten dann von Hand in diesem Layout projektiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Die
In der Grundstellung für diesen Streckenabschnitt 2 bestehen zwei nicht-abgelenkte Grundfahrstrassen, d.h. Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ1 und Ausfahrt bei Achszähler AZ3 und umgekehrt sowie Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ4 und Ausfahrt bei Achszähler AZ2 und umgekehrt. Eine erste davon abweichende Fahrstrasse F1 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ1 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ5 vor. Eine zweite von der Grundfahrstrasse abweichende Fahrstrasse F2 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ6 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ2 vor. Eine dritte von der Grundfahrstrasse abweichende Fahrstrasse F3 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ2 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ5 vor. Eine vierte von der Grundfahrstrasse abweichende Fahrstrasse F4 sieht die Einfahrt des Zuges bei Achszähler AZ1 und die Ausfahrt bei Achszähler AZ6 vor. Die vier vorstehend genannten Fahrstrassen F1 bis F4 können dabei selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung befahren werden.
Zur elektrischen Spannungsversorgung sämtlicher dezentraler Feldelemente, worunter im vorliegenden Text die zugsichernde und zugbeeinflussende Einheit sowie deren Elementkontroller verstanden wird, erfolgt mittels eines Energiebusses EB. An diesen Energiebus EB sind sämtliche dezentrale Feldelemente angeschlossen.
Zur Projektierung des Energiebusses EB ist es besonders vorteilhaft zu wissen, welche elektrischen Leistungen zu welcher Zeit von dem Energiebus EB bereitzustellen sind. Besonders in entlegenen Gegenden kann auf diese Weise bestimmt werden, ob gewisse lokal vorhandene Spannungsversorgungsquellen angezapft werden können oder ob zusätzliche, aber in Regel teure Massnahmen zur Bereitstellung von mehr elektrischer Leistung erforderlich sind.
Aus diesem Grund ist es zunächst in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, für die dezentralen Feldelemente zwei Verbrauchsklassen EK1 und EK2 zu definieren, wobei die erste Verbrauchsklasse EK1 dezentralen Feldelemente mit niedrigem und eher permanenten Leistungsbedarf, wie z.B. die Achszähler AZ1 bis AZ6, die Balisen B1 bis B6 und die Signale S1 bis S6 repräsentiert und die zweite Verbrauchsklasse EK2 dezentrale Feldelemente mit vergleichsweise hohem, aber kurz andauernden Leistungsbedarf, wie z.B. den Bahnübergang BÜ und die Weichen W1 bis W4, repräsentiert. Der Energieklasse EK1 kann daher eine mittlere permanente Leistungsaufnahme von 50 Watt, d.h. über ein ganzen Tag gesehen eine Energiemenge von 1,2 kWh, und der Energieklasse EK2 ein kurzzeitiger Leistungsbedarf von 6 kW für eine Zeitdauer von jeweils maximal einer Minute, also ein Energiebedarf von jeweils 0,06 kWh, zugeordnet werden.
Unter der Annahme, dass die Achszähler AZ1 bis AZ6, die Balisen B1 bis B6 und die Signale S1 bis S6 permanent eingeschaltet sind, ergibt sich so für diesen Streckenabschnitt eine durchschnittliche Leistungsaufnahme von 900 Watt, was einer täglichen Energiemenge von 21,6 kWh entspricht. Eine derartige Leistung könnte beispielsweise (ohne Berücksichtigung von Leitungsverlusten) bereits durch eine mit 10 Ampere abgesicherte Leitung 8 mit 220 VAC mit entsprechender Reserve bereitgestellt werden.
Unter der Annahme folgender Streckenbelegung lässt sich dann auch die Leistungsaufnahme der dezentralen Feldelemente mit der Energieklasse EK2 abschätzen:
Diese Energiemenge kann mit der oben bereits genannten Leitung 8 (220VAC, 10A) nicht zusätzlich zu der für die dezentralen Feldelemente der ersten Energieklasse EK1 benötigten Energiemenge von 21,6 kWh bereitgestellt werden. Unter der Annahme, dass die beiden Schrankenantriebe des Bahnübergangs BÜ parallel laufen, kann aus einer derartigen Leitung keine Leistung von 12 kW entnommen werden. Aus diesem Grund kommt daher den beiden bereits eingezeichneten Energiespeichern ES1 und ES2 eine besondere Bedeutung zu. Diese sind nun so zu dimensionieren, dass der Energiespeicher ES1 im Wesentlichen zur Speisung des Bahnübergangs BÜ diesem auch Energiebus-seitig zugeordnet ist. Er ist daher so zu dimensionieren, dass er täglich eine Energiemenge von etwa 32 kWh (wegen der Reserve) übernehmen kann, was etwa der Energiemenge von vierzig Autobatterien (80 Ah, 12 VDC) für PKW entspricht. Der Energiespeicher ES2 ist im Wesentlichen zur Speisung der Weichen W1 bis W4, insbesondere auch ihrer Weichenheizungen, denselben Energiebus-seitig zugeordnet. Hier würde eine Energiemenge von etwa 3,2 kWh als ausreichend erachtet, was in der vorstehenden Metrik der Autobatterien vier Batterien entsprechen würde.
Aus diesem Grunde kann hier entschieden werden, dass die zum Aufladen des Energiespeichers ES2 erforderliche Energie insgesamt auch noch mit einer grosszügigen Reserve aus der bereits an dem Energiebus EB anliegenden Leitung 8 (220VAC, 10A) entnommen werden kann. Der Energiespeicher ES2 ist lediglich so zu dimensionieren, dass er quasi eine Art Kurzschlussleistung von 6kW für die Dauer einer Minute hinsichtlich des hierfür erforderlichen Stromflusses bereitstellen kann. An dieser Stelle ist daher der gekoppelte Einsatz von geeigneten Supercaps gepaart mit Batterien angezeigt.
Für den Energiespeicher ES1 ist daher zu prüfen, woher die benötigte Energiemenge von 32 kWh täglich stammen kann. Eine Option kann die Verstärkung der bestehenden Leitung sein. Unter der Annahme, dass diese Leitung aus einem entfernten Stellwerk herangeführt worden ist, kann eine weitere Option darin bestehen, eine zweite Leitung, insbesondere aus einem anderen öffentlichen Versorgungsnetz, heranzuführen. Diese Variante kann gegenüber der ersten Variante erheblich preiswerter sein, weil beispielsweise nur eine kurze Verlängerung einer Leitung des öffentlichen Versorgungsnetzes zu legen wäre. Eine dritte Variante könnte beispielsweise auch eine Speisung aus Photovoltaikelementen, Windturbinen oder Brennstoffzellen vorsehen. Auch eine Leistungsentnahme aus dem Fahrdraht kann eine valuable Option sein.
Unter der Annahme, dass sich in der Nähe des Energiespeichers ES1 weder Versorgungslinien des öffentlichen Netzes noch Photovoltaik- und Windturbinenanlagen befinden, wird vorliegend die Entnahme der Leistung aus dem hier nicht weiter dargestellten Fahrdraht gewählt. Dank des Energiespeichers ES1 könnte der Streckenabschnitt 2 sogar eine gewisse Zeit lang mit Diesel- oder Dampffahrzeugen befahren werden, falls es zu einem Ausfall der Spannungsversorgung aus dem Fahrdraht kommen sollte.
Wie vorstehend bereits erläutert, umfasst die bereitgestellte Leistung eine Reserveleistung, die hier mindestens rund 40 Prozent des Leistungsbedarfs des räumlich und/oder zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofils beträgt. Zur Erleichterung des Auffindens eines geeigneten Energiespeichers sind zudem die einsetzbaren Energiespeicher hinsichtlich der durch sie zur Verfügung stellbaren Energiemenge Leistungsklassen zugeordnet.
Die vorliegende Erfindung führt daher im Ergebnis zu einer Skalierung der Leistungsaufnahme und liefert aufgrund der mittels des Fahrplans prognostizierbaren Streckenbelegung ein normatives Werkzeug, aus dem gezielt zeitlich und räumlich aufgelöste Profile der elektrischen Leistungsaufnahme ableitbar sind. Mit Hilfe dieser Profile sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrische Grundlast, die Spitzenlast sowie die Kapazität und der physische Ort der Energiespeicher festgelegt worden. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr detailliert vorausplanbares Modells/Profil der elektrischen Leistungsaufnahme, welche später entsprechend dieses Models/Profils bereitgestellt werden kann. Damit ist das Leistungsversorgungsnetzwerk effizient und anforderungsgerecht auslegbar, wodurch ein schonender Umgang mit Ressourcen, wie Kupferkabeln, Energiespeichermaterialien, erreicht wird.
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