Algorithm for traction power substation sizing through detailed traffic analysis

Nowadays, the electric traction systems of urban and suburban lines have been always more overloaded: this phenomenon is due to a continuous growing of power absorptions by the new subways, urban and suburban trains since rolling stocks are designed to improve the passenger comfort and the operating programs are increased to have trains in just few minutes. So, an important step in the development of these transportation systems is the electric power supply system planning and design. Normally, the trains of an urban transportation system require a DC power supply by means of rectifier AC/DC substations, known as electric traction power substations (TPSS) that are connected to the electric HV/MV distribution system of a city. The DC system feeds catenaries of tramways or the third rail of metros. Therefore, in concern of overloading, it is necessary to deeply study the TPSSs sizing to ensure, in any operational situation, the safety and the regularity of the service provided by the rolling stocks, verifying the electric stress to which the TPSS is subject to whether in case of normal operation or in case of one or more substation out of order, due to unexpected fault. In addition, it is necessary to consider the voltage drops on the pantograph (or on the third rail) due to a particular configuration of the train dislocation. On the base of this study, a program implemented in Visual Basic for Applications (VBA) coupled with Microsoft Excel is realized, that has task of simulating the operating conditions of any DC electric traction system with the use of Excel macros. The first part deals with the simulation of electric and mechanical behavior of a single train along the railway route, in both inbound and outbound direction. Then the second part simulates the electrical and mechanical behavior of N-trains present in the system, that are considered to have the same behavior for simplicity. From this part, current that each TPSS has to supply to the DC system and consequently, in the third and last part of the program, power and energy of each TPSS are computed. In this part, reversible and irreversible TPSS are compared. The program codes are written in 13 VBA modules and inputs are insertable manually into dedicated Excel sheets and with the use of several buttons present in Excel sheets dedicated for simulations, computations, procedures and graphical simulations are done quickly. In fact, the program is studied to be a “user-friendly”. The main contents of the thesis are the following: in chapter 1 is related to a general the traction supply system, its main components and operating principles. In chapter 2 consists in the introduction of the DC traction circuit model, that is useful to study the electric aspects of the electric traction system. Mechanical aspects are described in chapter 3. The program implementation and TPSS sizing studies are done in chapter 4 and a study case in which the program is applied is represented in chapter 5.

Al giorno d’oggi, il sistema di trazione elettrica per linee urbane e suburbane risultano sovracaricate: questo è dovuto dall’aumento di assorbimento di potenza da parte di metro, treni urbani e suburbani da quando sono introdotti convogli di ultima generazione, disegnati per migliorare il confort dei passeggeri ed è dovuto anche dall’aumento di frequenza dei treni di passaggio. Per migliorare questi sistemi di trasporto, è necessario una progettazione attenta al dimensionamento del sistema di trazione. Generalmente, i treni urbani richiedono un’alimentazione di tipo continua (DC) attraverso le stazioni raddrizzatori AC/DC chiamate sottostazioni elettrica (SSE) ed esse sono collegate a alla distribuzione di alta o media tensione presente nella città di allacciamento. Il sistema DC a sua volta alimenta la linea aerea di contatto o la terza rotaia. Quindi, per via dei sovraccarichi, è necessario uno studio profondo e attento per il dimensionamento di un singolo SSE presente nel sistema per garantire, in ogni condizione di funzionamento, la sicurezza e la regolarità di servizio, verificando lo stress elettrico di cui la SSE è soggetto sia in normale funzionamento sia in caso in cui una o più sottostazione è fuori servizio, causato da un guasto imprevisto. Inoltre, è necessario considerare anche la caduta di tensione al pantografo (o alla terza rotaia) dovuta da una particolare configurazione del treno dislocato. In base a quanto detto sopra, un programma implementato in Visual Basic for Applications (VBA) affiancato con Microsoft Excel è stato realizzato, che ha il compito di simulare le condizioni di funzionamento di un generico sistema elettrico in DC di trazione attraverso le cosiddette macro di Excel. La prima parte del programma si occupa della simulazione dei comportamenti elettrici e meccanici di un singolo treno lungo l’intero tracciato, in entrambi sensi di marcia (binario pari e binario dispari). La seconda parte invece simula tutti i treni presenti nel tracciato in ambedue sensi di marcia durante il tempo di simulazione scelto, che è impostato al tempo che il treno impiega per percorrere l’intero tracciato: per semplicità, le caratteristiche di tutti i treni in considerazione sono identiche. Da questo studio vengono ricavate le correnti che ogni SSE deve fornire al sistema e di conseguenza, nella terza e ultima parte del programma, vengono calcolate la potenza e l’energia fornita dalle SSE. Inoltre, le SSE reversibili e irreversibili vengono confrontate. I codici di calcolo sono organizzati in 13 moduli di VBA e i dati di input sono inseriti manualmente negli appositi fogli di Excel e con diversi bottoni presenti nei fogli Excel dedicati al calcolo, computi, procedimenti e simulazioni grafiche sono eseguite in poco tempo. Infatti, questo programma è stato realizzato per essere più “user-friendly” possibile. La tesi è suddivisa in 5 capitoli: il primo spiega un generico sistema di trazione elettrica, i suoi component principali e I suoi principi di funzionamento. Al secondo capitolo viene introdotto il modello DC di trazione, utile per lo studio del sistema nel punto di vista elettrico. Invece, l’aspetto meccanico legato al tracciato e al funzionamento del convoglio è illustrato in capitolo 3. Gli ultimi 2 capitoli sono relativi all’implementazione del programma ed alla simulazione di un caso di studio.