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地铁牵引供电系统故障测距研究

作　者: 陈丹
导　师: 陈唐龙
学　校: 西南交通大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 短路故障电流故障测距交流传动系统机车起动电流波形提取 FPGA
分类号: TM922.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

城市轨道交通是解决大中型城市交通拥堵的首选方案,近年得到了迅速发展。地铁牵引供电系统为城轨车辆提供牵引电能,其安全可靠性是地铁正常运营的前提。牵引网发生短路故障后,由于接触网的无备用特性,需要组织维修人员对接触网的故障点进行快速抢修,因而研究地铁牵引供电系统故障测距,实现短路点的精确定位,从而快速检修并排除故障点,缩短故障停电时间,对于地铁的正常运营具有重要意义。目前城市轨道交通牵引供电系统中尚未有成熟的故障测距方法或装置投入实际应用,但是一种基于现场工程经验的、粗略的故障测距方法在某城市地铁中得到了应用,该方法使用双端短路稳态电流比值进行故障测距,根据现场工作人员反映,其测距误差约为供电区间长度的10%左右。本文首先对地铁牵引供电系统进行了研究,并搭建短路故障模型对该粗略的测距方法进行了理论分析和仿真验证,仿真结果表明,该方法对于远端短路的测距精度较高,而近端短路时的测距误差较大。经研究发现,近端测距误差较大的根本原因是未考虑整流机组的输出外特性,因而本文将双端的电压电气量引入到故障测距中,提出一种改进的测距方法,改进后的测距方法对于近端短路和远端短路均有较高的测距精度。此外,前述粗略故障测距方法在实际应用时使用的双端短路稳态电流值是时间不同步的,本文结合地铁牵引供电系统馈线保护原理及双端牵引变电所断路器跳闸情况,对该不同步时间Δt进行了详细分析,提出了另一种基于遗传算法的、考虑双端电气量不同步时的故障测距方法。短路故障电气量的数据提取是进行故障测距的前提条件,而机车起动电流由于幅值较大、电流上升率较高,与远端短路电流较难区分,因而是故障数据提取的难点。本文对交流机车的牵引性能、转差频率矢量控制系统以及牵引负荷进行研究,建立电力机车交流传动系统模型,得到机车起动电流,并将其与短路故障电流的特点进行对比,然后考虑利用二者电流增量和电流变化率的差异对这两种电流进行区分,从而正确提取出短路故障电流数据。基于上述分析,本文对地铁故障测距整体设计方案进行了介绍,并着重论述其硬件系统设计及控制逻辑设计,最后利用前文的仿真数据对故障测距硬件系统进行了初步调试。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题背景及研究意义  11-12
  1.2 故障测距的国内外研究现状  12-15
    1.2.1 阻抗法测距  12-13
    1.2.2 行波法测距  13-14
    1.2.3 电气化铁路的故障测距研究及应用现状  14-15
  1.3 本论文的主要工作  15-17
第2章城市轨道交通供电系统构成  17-29
  2.1 城市轨道交通供电系统概况  17-19
    2.1.1 高压系统  17-18
    2.1.2 直流牵引供电系统  18-19
    2.1.3 动力照明供电系统  19
  2.2 牵引变电所  19-26
    2.2.1 12脉波整流机组  20
    2.2.2 24脉波整流机组及空载输出电压  20-23
    2.2.3 整流机组的外特性  23-26
  2.3 牵引网  26-27
  2.4 电力机车  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章直流侧短路故障分析及故障测距方法  29-44
  3.1 直流侧短路故障概述  29-30
  3.2 牵引供电系统直流侧短路故障电流仿真  30-33
  3.3 基于双端短路稳态电流比值的故障测距方法  33-35
    3.3.1 基于双端短路稳态电流比值的故障测距理论分析  33-34
    3.3.2 比值法的测距结果  34-35
    3.3.3 比值法测距的误差分析  35
  3.4 双端短路稳态电流比值的故障测距方法的改进  35-36
  3.5 基于遗传算法的双端电气量不同步的故障测距方法研究  36-43
    3.5.1 时间不同步问题分析  36-40
    3.5.2 基于遗传算法的双端不同步故障测距方法  40-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章短路故障电流波形的提取方法  44-63
  4.1 交流机车牵引传动系统  44-53
    4.1.1 交流异步电机的控制策略  44-45
    4.1.2 牵引性能计算  45-47
    4.1.3 交流传动系统模型与仿真  47-53
  4.2 机车起动过程仿真分析  53-56
  4.3 短路故障电流波形的提取方法  56-62
    4.3.1 短路电流与机车起动电流的特点  56-57
    4.3.2 基于电流变化特征量的短路故障波形提取方法  57-58
    4.3.3 故障电流波形提取方法的整定值选取  58-60
    4.3.4 故障电流波形提取方法验证  60-62
  4.4 本章小结  62-63
第5章地铁故障测距系统硬件设计  63-78
  5.1 故障测距整体方案介绍  63-65
  5.2 故障测距系统的硬件实现  65-69
    5.2.1 AD采集卡  65-67
    5.2.2 GPS授时模块  67-68
    5.2.3 FPGA核心板  68
    5.2.4 MAX232电平转换电路  68-69
  5.3 基于FPGA的控制逻辑设计  69-75
    5.3.1 AD控制模块  69-70
    5.3.2 数据拼接操作  70-72
    5.3.3 异步FIFO  72
    5.3.4 串口通信模块  72-73
    5.3.5 毫秒脉冲信号  73-74
    5.3.6 FPGA顶层文件的总体功能仿真  74-75
  5.4 硬件系统调试  75-77
    5.4.1 故障测距硬件系统实物图  75
    5.4.2 系统调试  75-77
  5.5 本章小结  77-78
结论  78-80
致谢  80-81
参考文献  81-84
攻读硕士学位期间发表的论文及科硏成果  84

地铁牵引供电系统故障测距研究

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