计及地理气象信息的接触网可靠性评估及预测方法研究

摘要

接触网系统是牵引供电系统的关键组成部分，是电力机车的唯一动力来源，其运行的安全性直接关系到高铁的运行安全，社会对其关注也越来越多。接触网系统长期暴露于大气环境中，长期的运行经验及现场统计数据表明，外部气象环境导致接触网失效而造成牵引供电系统强迫停运是影响高铁运行安全的主要因素之一。近年来，全球的气候变化比较明显，恶劣天气、气象灾害事件的强度和发生频率都呈现增长的趋势。因此，如何更加准确地认识气象条件与接触网可靠性的关系已经成为目前亟待解决的问题，计及天气状态对接触网可靠性评估的影响及利用气象条件对接触网可靠性进行预测也正逐渐成为牵引供电领域研究的热点。 目前已经有学者对接触网的可靠性评估及预测进行了研究，但已有的研究还存在以下问题：第一，还没有相应的文献研究接触网故障特性及其与气象的关系；第二，在接触网可靠性评估中没有考虑天气状态的影响，然而不同天气状态下系统的可靠性存在较大差异，采用均值表征系统的可靠性难以反应现场的实际水平；第三，目前针对接触网的可靠性预测模型大多基于假设条件，与现场的服役环境存在差异，预测模型不能精确表征系统的物理特性。为此，论文以现场统计数据为基础，分析接触网的故障特性及其与气象环境的关系；从接触网可靠性与天气状态的关系出发，研究计及天气状态影响的接触网可靠性评估方法；针对气象相关的接触网跳闸次数及气象条件的时间分布特性，提出了分时段气象关联模型的接触网跳闸次数预测方法；针对故障与气象等级的相关性问题，提出了利用气象条件构建接触网故障预测模型的实时预测方法。主要工作如下： 地理气象相关的接触网故障特性分析及模拟。基于现场统计数据，分别从故障影响因素分布特性、气象相关的故障空间分布特性及时间分布特性三个方面提出相应指标体系对接触网故障分布特性进行分析；提出了历史同期故障率的表征方式，利用一次基波傅里叶函数模拟了接触网历史平均故障率的逐月分布；运用不同分布函数拟合了强迫停运时间分布特征，分析了不同函数的拟合效果。 提出计及天气状态影响的接触网可靠性评估方法。首先，基于三状态天气模型及可信性理论对天气状态及不确定性进行了建模，推导了不同天气状态下元件的故障率及修复率；其次，运用 GO 法建立接触网失效的等效模型，推导了不同天气状态下接触网系统的可靠性指标，给出计算流程。最后，以宝成线的统计数据设计算例，计算结果表明，不同天气状态下接触网的可靠性指标存在较大差异，不能单纯地用均值来表征各类天气状态下接触网的可靠性。 提出分时段气象关联模型的接触网跳闸次数预测方法。首先，基于气象相关的接触网跳闸次数及气象条件时间分布特性，分析接触网跳闸次数与气象条件的关联关系， 根据气象的时间分布特性，建立分时段选元的接触网跳闸次数气象关联模型。其次，根据气象部门的中长期气象预测数据，预测得到未来月份接触网的跳闸次数。最后，以华北地区某供电段接触网跳闸记录数据及气象统计数据验证所提方法的有效性。 提出基于故障气象相关性的接触网故障预测方法。根据统计数据，挖掘了故障与气象等级的关系，对气象数据进行标准化处理转化为数学表征数据并建立训练数据集；提出了利用天气条件建立故障预测模型的方法，利用天气预报数据通过AdaBoost算法构建分类器实现线路的在线实时故障预测。运用某铁路局历史统计数据进行算例测试，验证了所提方法的有效性。 论文所做的理论研究及算例结果分析表明：准确认知接触网故障特性及其与气象的关系，对了解接触网故障外部影响因素及故障的时空分布有很大意义，为接触网可靠性评估及预测提供数据统计支持；在接触网可靠性评估中计及天气状态的影响，所建立的模型更能反应现场的实际服役环境，得到的结果更贴近运行实际；根据气象相关的接触网跳闸次数及气象条件的时间分布特性，提出的基于分时段气象关联模型的接触网跳闸次数预测方法，能够实现接触网跳闸次数的中长期预测；提出的利用气象条件建立接触网故障预测模型的方法能够实现接触网故障的实时预测预警。本论文的研究能够帮助铁路运营人员更好地了解接触网运行状态，提前感知接触网的可靠性水平。

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