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《牵引供电系统数字孪生技术》全面系统地介绍高速列车牵引供电系统数字孪生技术的研究与应用。《牵引供电系统数字孪生技术》共6章，分别介绍高速列车牵引供电系统数字孪生架构、高速列车牵引供电系统数字孪生建模、高速列车关键设备多物理场数字孪生、高速列车典型场景数字孪生和高速列车牵引供电系统数字孪生运维技术。《牵引供电系统数字孪生技术》全面阐述高速列车牵引供电系统数字孪生建模和智能运维方法，提出数字孪生智能运维这一新思路，保障了高速列车安全运行。
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目录第1章 绪论 11.1 高速列车牵引供电系统 21.1.1 高速列车牵引供电系统结构 21.1.2 高速列车牵引供电设备运行特征 121.1.3 高速列车牵引供电系统典型故障 151.2 数字孪生技术 241.2.1 数字孪生的定义 241.2.2 数字孪生的特征 261.2.3 数字孪生的应用 281.3 高速列车牵引供电系统运维 341.3.1 高速列车牵引供电系统运维技术 351.3.2 高速列车牵引供电系统运维挑战 37参考文献 38第2章 高速列车牵引供电系统数字孪生架构 412.1 整体架构 412.2 物理层 422.3 感知层 432.3.1 环境数据 432.3.2 运行数据 442.3.3 状态数据 462.3.4 几何数据 462.4 数据层 462.4.1 数据预处理 472.4.2 数据存储 482.5 运算层 492.6 功能层 502.7 应用层 522.8 本章小结 54参考文献 55第3章 高速列车牵引供电系统数字孪生建模 563.1 数字孪生建模方法 563.2 数学模型 563.2.1 电磁场模型 563.2.2 温度场模型 603.2.3 流场模型 623.2.4 应力场模型 693.3 物理模型 713.3.1 高速列车关键供电设备 713.3.2 供电设备物理模型 713.4 复杂环境多物理场耦合分析 763.4.1 污秽环境 773.4.2 雨雾环境 783.4.3 高速气流环境 793.4.4 大温差环境 803.4.5 沙尘环境 803.5 数字孪生数值求解 813.5.1 污秽环境 813.5.2 雨雾环境 823.5.3 高速气流环境 833.5.4 大温差环境 833.5.5 沙尘环境 833.6 网格剖分 843.7 本章小结 88参考文献 88第4章 高速列车关键设备多物理场数字孪生 904.1 电缆终端 904.1.1 电场数字孪生分析 904.1.2 温度场数字孪生分析 924.1.3 应力场数字孪生分析 944.1.4 流场数字孪生分析 964.2 电压互感器 984.2.1 电场数字孪生分析 984.2.2 磁场数字孪生分析 1014.2.3 温度场数字孪生分析 1024.3 高压隔离开关 1044.3.1 电场数字孪生分析 1044.3.2 温度场数字孪生分析 1064.3.3 应力场数字孪生分析 1084.4 主断路器 1094.4.1 电场数字孪生分析 1094.4.2 温度场数字孪生分析 1114.4.3 应力场数字孪生分析 1124.5 车顶绝缘子 1134.5.1 电场数字孪生分析 1134.5.2 流场数字孪生分析 1154.6 避雷器 1174.6.1 电场数字孪生分析 1174.6.2 温度场数字孪生分析 1194.6.3 应力场数字孪生分析 1214.7 受电弓 1224.7.1 温度场数字孪生分析 1224.7.2 磁流体场数字孪生分析 1244.8 本章小结 124参考文献 125第5章 高速列车典型场景数字孪生 1265.1 污秽场景数字孪生 1265.1.1 污秽环境数字孪生 1265.1.2 污秽环境设备电场分布特性 1275.2 雨雾场景数字孪生 1345.2.1 雨雾环境数字孪生 1345.2.2 雨雾环境设备电场分布特性 1355.3 高速气流场景数字孪生 1445.3.1 高速气流环境数字孪生 1445.3.2 高速气流环境设备温度分布特性 1445.3.3 高速气流环境设备气压分布特性 1475.4 大温差场景数字孪生 1495.4.1 大温差环境数字孪生 1495.4.2 大温差环境设备电势分布特性 1495.4.3 大温差环境设备温度分布特性 1505.4.4 大温差环境设备应力分布特性 1515.5 沙尘场景数字孪生 1525.5.1 沙尘环境数字孪生 1525.5.2 沙尘环境设备电压分布特性 1535.5.3 沙尘环境设备电场分布特性 1545.6 本章小结 155参考文献 156第6章 高速列车牵引供电系统数字孪生运维技术 1586.1 高速列车牵引供电系统数字孪生智能运维构架 1586.2 机理驱动的数字孪生智能运维 1606.2.1 高速列车牵引供电设备全寿命周期劣化规律 1616.2.2 基于劣化机理的剩余寿命预测 1756.3 数据驱动的数字孪生智能运维 1876.3.1 基于自适应极限学习机的故障诊断 1886.3.2 基于状态空间模型的寿命预测 1966.3.3 基于状态空间模型的算例分析 2016.4 本章小结 208参考文献 209
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第1章 绪论 发展高速铁路是贯彻“四个面向”的重要实践。截至2024年底，我国铁路运营里程突破16.2万km，其中高速铁路营业里程为4.8万km[1]。2020～2024年我国铁路运营总里程如图1.1所示，自2020年到2024年铁路运营总里程稳步增加，继续保持着扩大铁路网规模的发展势头。 图1.1 2020～2024年我国铁路运营总里程变化 我国幅员辽阔，气候环境复杂多样，冬季南北温度差异较大。近年来，我国大力发展轨道交通事业，随着高速铁路线路延伸，动车组越来越多地承担东西、南北地区旅客运输、资源交换等重要任务。很多高速铁路线路跨度大，其沿线所经过地区温湿度等气候条件差异大，导致高速列车运行于环境恶劣的区域，尤其是穿越长隧道、长坡道等地形。高压设备在运行过程中会承受较多应力，如电场、磁场、温度场、力场、流体场等多物理场耦合产生的应力。同时，运行环境也对高压设备绝缘性能及状态产生重要的影响，如风沙、雾霾、阴雨等都会对高压设备绝缘产生老化应力，这些应力长期作用于电缆终端绝缘部，导致高压设备绝缘老化或绝缘性能下降，严重时甚至可能危及高速列车运行安全。据统计，近三年供电设备故障在总故障中占比高达76.13%，造成大量列车晚点甚至线路停运，损失巨大。 牵引供电系统[2]作为高速列车上重要的电能传输、开断和保护系统，作用是将接触网的25kV高压电能输送至牵引变压器，该系统主要包括受电弓、绝缘子、高压电缆及终端、主断路器、电压互感器、电流互感器、高压隔离开关、接地保护开关、避雷器、高压设备箱等设备。我国国民经济的持续发展，迫切要求高速列车向更高速度、更大运载量的方向迈进，而高速列车牵引供电系统大容量功率、大电流传输的良好服役性能是保障高速列车安全与稳定运行的必要条件。 大数据、物联网、人工智能等技术的发展，促进了数字孪生与高端装备运维技术的深度融合，也给提升高速列车牵引供电系统运维水平带来了机遇与挑战，使得传统的“定期修”“故障修”运维模式向“预防修”“状态修”智能运维模式升级，同时使该方向成为高速列车牵引供电系统智能运维领域的研究热点。 综上所述，在数字孪生技术背景下，充分利用高速列车牵引供电系统的机理模型、实时传感数据、历史数据以及专家知识等信息，集成多学科、多变量、多层次、多尺度、多粒度、多概率的建模仿真过程，准确表征数据特征并进行高效精准的计算分析，实现虚实空间的高精度、高可靠、高可信的映射及演化，为实际物理系统的状态评估、故障预警与运维决策提供支持，对进一步提升高速列车牵引供电系统的运维水平具有重大而深远的影响。 1.1 高速列车牵引供电系统 CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CR400等各车型高压主回路在真空断路器（vacuum circuit-breaker，VCB）与牵引变压器匹配关系、母线隔离方式、接地方式等方面存在差异。本节简要介绍受电弓、车载电缆、电压互感器、高压隔离开关等关键设备，描述其不同工况下的运行特征；阐述高速列车牵引供电系统的典型故障，如弓网电弧、外绝缘放电、内绝缘击穿等。 1.1.1 高速列车牵引供电系统结构 1.高速列车牵引供电系统整体结构 高速动车组牵引供电系统是轨道交通牵引供电系统的重要一环，主要起电能集取、传输以及通断控制作用，由受电弓、真空断路器、接地保护开关、避雷器、电压互感器、电流互感器等车载供电设备组成，其整体网络拓扑结构如图1.2所示。 图1.2 高速列车牵引供电系统整体网络拓扑结构 对于不同高速列车型号，其供电网络的拓扑结构、互感器、高压隔离开关设置的位置也略有差异，主要体现在VCB与牵引变压器匹配关系、母线隔离方式、接地方式等存在差异。不同高速列车型号牵引供电系统的网络拓扑结构分析如下。 1）CRH1动车组 车型CRH1及其牵引供电系统网络拓扑结构如图1.3所示。 图1.3 CRH1高速列车 AC-交流电源；RC-电阻电容。 CRH1高压设备在布置方法中采用车顶分散布置，其方案特征有：单个VCB控制一台变压器，VCB同时工作；VCB两端接地；高压母线设置两个真空断路器隔离故障单元，受电弓故障后需切除受电弓所在单元动力，故障冗余性差。 2）CRH2动车组 车型CRH2及其牵引供电系统网络拓扑结构如图1.4所示。 图1.4 CRH2高速列车 CRH2高压设备在布置方法中采用VCB和避雷器车下设备箱集成，其余高压设备车顶分散布置。方案特征有：VCB前端接地；通过高压隔离开关隔离受电弓故障，保证全动力运行；无隔离母线故障，CRH2型车正进行高压隔离改造；冗余性好，但需要三个高压隔离开关。 3）CRH3动车组 车型CRH3及其牵引供电系统网络拓扑结构如图1.5所示。 CRH3高压设备在布置方法中采用高压设备车顶分散布置。方案特征有：单个VCB控制全列变压器，仅一台VCB供电；VCB两端接地；高压母线设置两个高压隔离开关；通过VCB隔离受电弓故障，保证全动力运行；通过高压隔离开关隔离母线或高压单元故障；冗余性好，需要两个高压隔离开关。
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