论文摘要：北京轻轨牵引供电线路暂态特性分析及故障诊断研究

随着轻轨交通在首都城市交通体系中所处地位的日益提高，保证轻轨的安全稳定运行已成为人们关注和研究的热点，而作为其薄弱环节，牵引供电系统的研究更成为了重中之重。轻轨牵引供电系统由外部供电系统、整流系统和牵引供电线路等三大部分组成，其中牵引供电线路的暂态特性分析以及状态监测和故障诊断对牵引供电系统的故障分析、保护与控制技术及相关问题的研究具有十分重要的理论意义和社会经济价值。论文结合北京石油化工学院和北京航空航天大学联合承担的北京市自然科学基金重点项目的相关工作，以北京轻轨牵引供电线路为研究对象，建立了轻轨牵引供电系统特别是牵引供电线路的模型；通过建立牵引供电系统精确完整的模型和易用的仿真环境，并采用高速数据采集及特征提取等手段或方法，研究牵引供电系统的暂态特性、状态检测和故障诊断。论文的工作内容和主要成果如下：1. 在建立牵引供电系统的外部供电模型的研究中，通过扩展网络分块算法，提出了一种新的异步并行潮流计算方法，通过对基本算法的分析进一步提出了一种改进算法，实验表明基本算法通过异步并行计算可以得到电网的潮流解，改进算法可以提高外层迭代的收敛速度和收敛性。此外，在记及不平衡功率分配的Ward型等值方法的基础上提出了一种可以实现动态潮流异步并行计算的算法。2. 分析了整流系统的主要部件整流变压器和整流器的等效电路，建立了整流变压器和整流器的数学模型，并考虑了变压器磁心饱和效应的影响。讨论了6脉动整流单元的简化模型并在此基础之上得到了其出口短路电流外包络线的解析表达式，非常便于实际的工程应用，实验表明使用解析表达式计算的结果与使用详细的整流系统模型所得到的结果吻合得很好。3. 采用等效圆柱形导体方法得到了轻轨牵引供电线路单位长度的导纳、互阻抗和外阻抗参数，并考虑了大地返回阻抗的影响。将具有任意磁导率的导体内阻抗的计算转换为具有真空磁导率的导体内阻抗计算的问题，并采用导体细分法分析了趋肤效应对线路的内阻抗的影响；通过采用不均匀细分导体的方法提高了计算的效率，得到了牵引供电线路单位长度的内电阻和内电感。4. 以传输线两端电压和电流之间的关系式为基础推导了计及线路参数频变特性的牵引供电线路模型。为了考虑牵引供电线路的频率相关特性并提高计算效率，实现了Marti有理函数逼近和矢量逼近方法，通过使用模量极点进行有理函数逼近的方法实现了对频率相关参数的精确逼近。讨论了具有实极点和复共轭极点的有理函数的实现电路，探讨了使用无耦合元件等效耦合元件的方法，并在此基础上实现了所提出的频率相关线路模型。通过与频域仿真结果和物理实验结果的对比验证了模型及其实现方法的正确性。5. 模分析在电力系统电磁暂态分析中有着广泛的应用，提出并彻底研究了一种新的用于计算光滑的传输线频率相关转换矩阵的方法学。对于由多个相同同轴电缆构成的地下电缆系统，其特征值在数值上非常接近，发现了“由于特征向量对矩阵元素的变化异常敏感而导致转换矩阵本质上不光滑”这一现象；并且进一步提出了一种实用的方法，可以得到光滑的近似频率相关转换矩阵，所得到的近似频率相关转换矩阵具有很高的精度而且可以被有理函数精确地逼近。6. 为了实现信号的高速率、长时间连续采集，并且保证触发的可靠性和灵活性，设计并实现了数据采集系统，并对数据采集系统的效率优化进行了多方面的考虑。为了测量电流传感器的频率特性，利用大电流发生器和IGBT在一次侧产生了高频信息丰富的电流信号；使用高速数据采集设备同时采集电流互感器的一次和二次侧电流信号，通过数据处理的方法得到了电流互感器的频率特性；通过在频域内进行补偿，拓宽了电流互感器的通频带范围。7. 分析了不同负载情况下机车启动电流波形的特征，并指出了基于电流幅值和变化率原理区分机车启动和牵引供电线路远端短路故障的不足之处。利用所建立的轻轨牵引供电系统模型，分析了近端机车启动与牵引供电线路远端短路故障各自的特征，给出了特征提取的计算方法，设计并实现了基于BP神经网络的故障类型分类器，通过使用仿真模型获得的数据完成了对BP神经网络的学习训练，实现了远端短路故障与近端机车启动状态的判别。论文最后给出了主要结论和进一步研究工作的展望。

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