城市轨道交通能馈式牵引供电系统故障诊断及保护方法研究

摘要

对城轨牵引供电系统进行故障诊断和保护的主要目的，是在最大程度上保障其供电的可靠性和连续性，缩短系统的停电维修时间。能馈式牵引供电系统作为一种新型的城轨牵引供电系统在国内外尚无应用先例，因而其故障诊断和保护方法上的研究成果较少。本文深入分析了能馈式牵引供电系统的故障诊断和保护方法与现有方法之间的区别，在此基础上对下列三个方面进行了研究：
　　 在能馈式牵引供电装置的主回路故障诊断方面，本文研究了大功率PWM整流器主回路故障的电流特征和电压特征，分析了二者的成因，并给出了电流故障特征存在的临界条件及其影响因素的作用规律。文中基于大功率PWM整流器在故障特征上的特殊性，使用标幺化均值分别对其电流故障特征和电压故障特征进行辨识，在城轨牵引供电的复杂工况下实现了对大功率PWM整流器主回路故障器件的准确诊断。
　　 在牵引供电系统电网故障元件的定位方面，本文将面向对象的有色Petri网理论(OOCPN)应用于城轨牵引供电系统的结线分析过程，建立了城轨牵引供电系统结线分析的OOCPN模型，并在模型的各令牌中引入了成员属性和成员方法的概念以全面描述结线分析和故障域产生的整个过程。文中结合保护信息对OOCPN模型得到的故障域进行反向推理搜索，最终在城轨牵引供电系统中实现了电网故障模式的识别、故障元件的定位以及对直流开关的误动和拒动情况的评价。
　　 在牵引变电所内的直流保护方面，本文分析了能馈式牵引供电系统与传统牵引供电系统在短路特性上的差别，并研究了能馈式牵引供电系统对牵引变电所内的直流保护功能提出的新要求。文中在此基础上深入研究了能馈式牵引变电所直流保护系统的设置原则、整定方法以及动作配合关系，提出了所内直流保护系统各组成部分的详细配置方案。
　　 最后，本文基于分层分布的思想构建了能馈式牵引供电系统的综合自动化体系，研究了上述三个方面的成果在综合自动化系统中的实现问题，并提出了一种基于以太网和虚拟仪器技术的主监控单元综合监控软件设计方案。
　　 本文的研究成果填补了城轨能馈式牵引供电系统故障诊断和保护方法上的研究空白，在提高城轨牵引供电系统的综合自动化水平方面将起到积极作用。图76幅，表13个，参考文献144篇。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 引言

1.1 研究背景和意义

1.2 研究方法和现状

1.2.1 电力电子装置主回路故障诊断方法的研究和应用现状

1.2.2 电网故障诊断方法的研究和应用现状

1.2.3 城轨牵引供电系统直流保护方法的研究和应用现状

1.3 论文主要工作

2 能馈式牵引供电装置的故障特征研究

2.1 应用于能馈式牵引供电装置的大功率PWM整流器

2.2 PWM整流器的故障特征

2.2.1 常规逆变器的故障特征

2.2.2 PWM整流器的故障特征及其影响因素

2.3 能馈式牵引供电装置的故障特征

2.4 本章小结

3 能馈式牵引供电装置的主回路故障诊断方法

3.1 现有方法及其不足

3.2 基于标幺化均值法的大功率PWM整流器主回路故障诊断

3.2.1 标幺化均值法的提出

3.2.2 标幺化均值法的具体实现

3.3 标幺化均值法在能馈式牵引装置中的应用

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

4 基于结线分析的城轨牵引供电系统故障元件定位方法

4.1 能馈式牵引供电系统的拓扑结构

4.1.1 能馈式牵引供电系统的主接线方式

4.1.2 能馈式牵引供电装置与二极管不控整流器的拓扑对比

4.2 城轨牵引供电系统的结线分析和故障域搜索

4.3 基于Petri网理论的电网结线分析方法

4.4 基于OOCPN理论的城轨牵引供电结线分析方法

4.4.1 面向对象的有色Petri网理论(OOCPN)

4.4.2 结线分析的OOCPN模型

4.4.3 OOCPN结线分析的具体步骤

4.4.4 结合开关的保护信息对故障域进行反向推理搜索

4.5 本章小结

5 能馈式牵引变电所的直流保护方法

5.1 能馈式牵引变电所的直流短路仿真

5.2 能馈式牵引变电所内的直流保护配置

5.2.1 能馈式牵引变电所直流保护系统的基本结构及其特殊性

5.2.2 能馈式牵引供电装置的保护配置

5.2.3 直流进线柜的保护配置

5.2.4 直流馈线柜的保护配置

5.2.5 负极柜的保护配置

5.2.6 能馈式牵引变电所的所内联跳

5.3 本章小结

6 能馈式牵引供电系统的综合自动化设计

6.1 综合自动化系统的构成和设计思想

6.1.1 综合自动化系统的组成结构

6.1.2 能馈式牵引供电系统分层分布式的故障诊断和保护方法

6.2 能馈式牵引变电所综合自动化系统的具体实现

6.2.1 所内综合自动化系统的组成及各部分的功能

6.2.2 站级管理层的实现

6.2.3 网络通信层的实现

6.2.4 间隔设备层的实现

6.3 本章小结

7 总结与展望

参考文献

附录A 公式符号表

附录B 实验系统图

作者简历

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