直流牵引供电系统建模及基于电流变化特征量的保护算法研究

论文摘要

直流牵引系统的安全可靠运行是城市轨道交通安全畅通的基础。因此,对直流牵引系统的故障分析与保护技术的研究具有十分重要的意义。直流牵引供电系统是直流牵引系统的重要环节,对其进行详细的建模分析是研究系统运行与故障机理的基础之一。本文对直流牵引供电系统特点以及各组成部分进行深入研究和剖析,基于MATLAB/Simulink对其各子系统建模,最后形成完整的直流牵引供电系统模型。模型包括牵引变电站整流系统；机车牵引负荷系统；地铁车辆电传动系统以及轨道系统。本文基于北京地铁13号线的实际数据,进行牵引计算,由计算结果验证仿真模型的实用性。直流牵引供电系统的供电方式具有多样性,而机车运行过程中的启动、加速、惰性和制动又会引起供电系统电气参数的频繁变化。本文对直流牵引供电系统的不同供电方式分别建模,对不同运行情况进行详细的仿真测试,通过仿真结果,分析典型情况下机车起动电流及远端短路电流的特性,总结传统保护算法在区分机车起动状态和远端短路状态的难点。本文深入分析直流牵引供电保护系统,基于电流上升率保护和电流增量保护,研究一种基于电流变化特征量的综合保护算法,推导保护动作方程,研究保护整定原则和算法逻辑。本文采用Simulink仿真以及m语言编程相结合的方法,编写基于电流变化特征量的保护算法程序,并利用牵引供电系统在不同供电方式和运行情况下的仿真测试结果,验证了保护算法程序的有效性和可靠性,证明了基于电流变化特征量的保护算法能够有效区分机车起动电流和远端短路电流,并能可靠保护供电线路全长。由于直流牵引系统电气参数的频繁变化,其保护装置采样率的选取直接影响保护算法的判断结果。本文编写了一种新的MATLAB/Simulink自动测试程序,可实现保护算法程序在不同采样率下循环运行并输出结果,通过分析自动测试程序的运行结果,得到保护硬件平台适用的最优采样率。综上所述,本文提出的仿真模型具有较高的实用性,编写的保护算法程序有效并且运行可靠,仿真结果验证了保护算法的正确性,最优采样率的研究为实际工程应用和产品化提供了理论依据和前期实验基础。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 直流牵引供电保护的目的和意义
• 1.3 直流牵引供电保护的研究现状
• 1.4 本论文的主要研究内容和工作
• 第二章 直流牵引系统的构成
• 2.1 开闭所
• 2.1.1 牵引降压混合变电所
• 2.1.2 降压变电所
• 2.2 牵引网
• 2.3 地铁车辆
• 2.4 直流牵引系统的供电方式
• 2.5 小结
• 第三章 直流牵引供电系统的建模与仿真
• 3.1 直流牵引变电站的建模与仿真
• 3.1.1 十二脉波牵引整流机组
• 3.1.2 二十四脉波牵引整流机组
• 3.1.3 整流变电站的仿真建模
• 3.1.4 整流变电站仿真电压输出特性
• 3.2 地铁车辆电传动系统的建模与仿真
• 3.2.1 逆变器前端滤波电路的建模与仿真
• 3.2.2 机车牵引逆变器的建模与仿真
• 3.2.3 牵引负荷的建模与仿真
• 3.2.4 黏着系数的确定
• 3.2.5 交流电机机车的建模与仿真
• 3.2.6 第三轨及走形轨的建模与仿真
• 3.2.7 断路器及短路故障模型
• 3.3 直流牵引仿真计算
• 3.3.1 计算条件
• 3.3.2 列车性能计算
• 3.3.3 加速度及牵引力计算
• 3.3.4 牵引电机、牵引变流器功率计算
• 3.4 仿真结果
• 3.5 小结
• 第四章 直流牵引系统的仿真研究
• 4.1 正常供电方式
• 4.1.1 短路故障电流
• 4.1.2 机车起动电流
• 4.2 Tee供电方式
• 4.3 小结
• 第五章 直流牵引供电保护系统
• 5.1 直流牵引系统短路电流特点
• 5.2 直流保护系统的设计原则
• 5.3 直流保护系统主保护
• 5.3.1 电流上升率保护（di/dt+△T）
• 5.3.2 电流增量保护（△I+/△T）
• 5.3.3 基于电流变化特征量的保护算法分析
• 5.3.4 基于电流变化特征量的保护动作特性及整定原则
• 5.3.5 基于电流变化特征量的保护算法的编程
• 5.3.6 基于电流变化特征量的保护算法验证
• 5.4 小结
• 第六章 直流保护装置硬件平台最优采样率的选取
• 6.1 Tee供电方式下最优采样率的验证
• 6.2 正常供电方式下最优采样率的验证
• 6.3 采样率对保护算法的影响分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集