车载式牵引网电能质量巡检系统研究

摘要

车网匹配问题一直影响着电气化铁路的安全运行，是目前牵引供电系统领域研究的重点。严重的车网不匹配会直接造成牵引供电系统故障，即使没有直接导致故障，也会使牵引变电所和分区所的用电设备寿命缩短。由于车网匹配问题具有随机性和隐蔽性，故障发生后往往无法快速地找到故障原因。在机车行驶过程中对车网匹配情况进行监测，对牵引供电系统设备的维护、故障预测和故障处理会有很大帮助。目前，牵引变电所与机车上的电能质量监测系统采样频率低，无法完成车网匹配的监测任务。因此，有必要开发一套可以实时监测牵引网电能质量的系统。
　　能否准确地对车网匹配问题进行辨识，关键在于对不同车网匹配问题特征量的提取。但机车上通过直接测量只能得到网压和网流，因此，从网压网流中提取足够的特征量，是开发电能质量巡检系统的重中之重。本文主要通过傅里叶变换对网压网流进行分析，提取了多种车网不匹配情况下网压网流的谐波特性。
　　牵引供电系统结构复杂，不同供电区段牵引网参数各有不同，同样的车网匹配问题对于不同的机车和不同的供电区段有不同的谐波特征。为找到每种车网不匹配问题的辨识特征，本文通过仿真与实测的方法对车网匹配问题进行了研究。
　　针对五种常见的车网匹配问题，在MATLAB/SIMULINK仿真平台中建立了仿真模型。通过改变参数来仿真不同的供电臂以及不同的机车，得到了仿真情况下的谐波特征。针对实测数据进行了谐波分析，统计了不同车网匹配问题发生时的网压网流特性，得到了工程实际中的谐波特征。最后将实测与仿真相结合，得到了辨识不同车网匹配问题的特征量。
　　在研究了车网匹配问题的产生原理以及网压网流谐波特征的基础上，基于DSP开发了一套能够实时采集和分析牵引网电能质量的硬件系统。系统能够对机车互感器二次侧网压网流进行采集，并对它们的谐波特性进行实时分析，对电能质量异常情况进行识别、记录和分类存储。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 牵引供电系统的电能质量

1．2．1 牵引供电系统应用现状

1．2．2 系统负荷特性与车网匹配问题

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要内容和组织结构

2 车网电气匹配问题及机理分析

2．1 操作过电压

2．1．1 现状及危害

2．1．2 机车进出电分相过电压产生机理

2．1．3 弓网离线过电压产生机理

2．2 高频谐振过电压

2．2．1 谐波的概念及国家标准

2．2．2 谐波与谐振在对牵引供电系统的危害

2．2．3 车网系统中高频谐振的产生机理

2．3 铁磁谐振过电压

2．4 励磁涌流

2．5 本章小结

3 牵引网操作过电压特征量提取

3．1 机车过分相过电压仿真与分析

3．1．1 机车过分相过电压模型建立

3．1．2 机车过分相过电压模型参数计算

3．1．3 仿真结果与分析

3．1．4 机车过分相过电压实测波形分析

3．2 弓网离线过电压仿真与分析

3．2．1 弓网离线过电压模型建立

3．2．2 弓网离线过电压仿真分析

3．2．3 弓网离线过电压实测波形分析

3．3 本章小结

4 牵引网谐振过电压及励磁涌流特征量提取

4．1 高频谐振过电压仿真与分析

4．1．1 高频谐振仿真模型建立与参数设置

4．1．2 高频谐振仿真结果分析

4．1．3 高频谐振时实测波形分析

4．2 铁磁谐振过电压特征辨识

4．3 机车主断路器合闸励磁涌流仿真与分析

4．3．1 励磁涌流仿真分析

4．3．2 励磁涌流实测数据分析

4．4 本章小结

5 电能质量巡检系统的设计与开发

5．1 系统结构与功能

5．1．1 DSP芯片选型

5．1．2 数据预处理

5．1．3 A／D采样电路

5．1．4 RS485通讯方式

5．1．5 开发板选择

5．2 系统软件设计

5．2．1 DSP主程序设计

5．2．2 数据采集的软件设计

5．2．3 快速傅里叶变换在DSP中的实现

5．2．4 车网匹配问题的识别

5．3 上位机界面设计

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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