高速铁路智能牵引变电站自动化关键技术研究

论文摘要

随着京广、京沪高铁的开通运行，我国已成为世界上高速铁路运营里程最长、运行速度最快、建设标准最高的国家。高速铁路牵引负荷的特殊性和供电系统的复杂性，对牵引供电技术提出了更高的要求。智能变电站技术的快速发展对高速铁路牵引供电产生了深刻的影响，可以预见智能牵引变电站是牵引变电站的发展趋势，是提升牵引供电效率、提高供电可靠性的有效措施。论文围绕构建智能牵引变电站的自动化关键技术展开理论分析与应用研究。首先通过对比分析，研究了牵引变电站一次系统的特殊性对构造二次系统的影响，进而提出了智能牵引变电站的构建模式，在此基础上，重点对牵引变电站通信网络的规划与构建、以供电臂为单元的区域智能协同自治的技术实现方法以及基于开放式架构的间隔层IED的实现技术等方面开展了系统的研究与开发工作。近年来，有关智能变电站的研究受到了广泛关注并取得长足进步。牵引变电站具有电力系统的一般特点，智能变电站的许多技术和经验可以借鉴到牵引变电站中来，但高速铁路牵引变电站在供电要求、接线方式、一次电气设备参数、用电负荷特征等方面与电力系统变电站相比具有较为明显的差异，这些功能与需求的差异对智能牵引变电站自动化系统的实现技术及构造模式将带来深刻的影响。论文通过对比分析，提出了以供电臂为单元的智能牵引变电站构建模式，该模式充分利用变电站范围内的丰富信息以及易于获得的外部信息，构筑设备级、站级、以供电臂为单元的区域级的层次化控制与保护体系。保护控制设备放置于高压电气设备旁侧，以光纤网络方式代替常规的控制电缆，变电站设备之间、以及供电臂内变电站之间信息高度共享，便于实现以供电臂为单元的各种高级应用功能。该模式简化了牵引变电站自动化系统配置模式，提高了高速铁路牵引供电的安全性、可靠性和经济性。信息高度共享是智能变电站最主要的特征，规划与构建满足性能要求的通信网络是智能牵引变电站重点研究的关键技术之一。结合牵引变电站自动化应用功能，从理论上分析了通信实时性与延时确定性、可靠性与可用性、安全性与鲁棒性的内涵特征，给出了影响其性能指标的关键因素及其改进方法，总结了智能牵引变电站通信网络的需求特点，提出了针对其功能特点的网络构建方案。该方案把牵引变电站自动化设备划分为系统层与设备层，站控层网络连接系统层设备，过程层网络用于系统层与设备层之间、以及设备层设备之间的互联，采用“网采网跳”模式，具有实时性好、信息共享程度高等特点。针对网络通信中周期性数据、突发性数据和事务性数据的特点，借鉴Internet网络流量模型，提出了智能牵引变电站的网络流量数学建模方法，该方法指出变电站网络中突发数据具有马尔科夫性，服从Poisson概率分布特点，网络中的事务性数据表现出自相似特征和重尾分布特点，使用Heavy-Tailed的Pareto概率分布建模网络流量具有较高的拟合度。利用OPNET仿真软件，对论文提出的通信网络构建方案进行了动态模拟仿真，进一步验证了论文提出的网络构建方案的可行性，总结了具有普遍适用性的组网方案特点与建议。作为智能牵引变电站的重要部分，论文对以供电臂为单元的区域智能协同自治功能的实现模式进行了研究，以AT故障测距系统为例，提出了一种基于远程GOOSE机制的AT故障标定方法，该方法把数据同步与网络通信融合在一起，采用GOOSE机制在兼顾通信可靠性的同时，具有较高的实时性、开放性和互操作性。针对“AT中性点吸上电流比”故障标定原理存在区段误判和测距精度不高的问题，结合现场短路试验数据和实际工程应用，分析了造成测距精度误差的原因，提出了针对基于“AT中性点吸上电流比”原理的测距精度补偿方法，通过对牵引变电站侧AT吸上电流的补偿来修正故障区段的判别误差，通过对故障点两侧的AT吸上电流的归并计算来提高测距精度。该方法已成功应用于国内多条高速铁路的AT测距系统，取得了良好的应用效果。在上述理论研究和仿真分析的基础上，考虑到智能牵引变电站将是一个长期渐进的过程，从间隔层IED的实际需求出发，提出了一种基于开放式平台架构的通用间隔层IED的实现方法，该方法既能兼容既有的常规数据采集和控制输出方案，又能支持面向未来的以信息共享为基础的全数字化的输入输出方案。基于该平台研制的IED装置已通过了国家权威部门的测试和IEC61850互操作试验，并已在实际工程中应用。最后，论文对所作的工作进行了总结，并对本课题的发展趋势进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 高速铁路牵引供电概述
• 1.3 相关技术研究与发展现状
• 1.4 本文研究的主要内容及章节安排
• 2 智能牵引变电站构建模式研究
• 2.1 引言
• 2.2 牵引变电站技术特点的对比分析
• 2.3 智能牵引变电站构建模式研究
• 2.4 本章小结
• 3 通信网络的规划与构建
• 3.1 引言
• 3.2 通信网络的应用特征分析及研究
• 3.3 智能牵引变电站通信网络的构建方案研究
• 3.4 本章小结
• 4 基于 OPNET 的网络流量建模仿真及分析
• 4.1 引言
• 4.2 网络流量特征分析及建模方法研究
• 4.3 过程层网络流量分析与建模
• 4.4 站控层网络流量分析与建模
• 4.5 基于 OPNET 的动态仿真建模
• 4.6 本章小结
• 5 基于 GOOSE 机制的故障标定技术方法
• 5.1 引言
• 5.2 故障标定算法研究及适应性分析
• 5.3 基于 GOOSE 机制的 AT 故障测距方法研究
• 5.4 本章小结
• 6 基于开放式架构的间隔层 IED 的设计与实现
• 6.1 引言
• 6.2 需求分析及设计目标
• 6.3 硬件方案设计
• 6.4 软件方案设计
• 6.5 测试与验证
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读博士学位期间发表的主要论文
• 附录 2 攻读博士学位期间申请发明专利情况
• 附录 3 攻读博士期间参与的科研项目情况