捷運建設可視為都會發展的百年基業，但其投資成本極為昂貴，如何根據旅運量的成長，規畫最適化的系統擴充，並維持一定的系統可靠度與服務指標，將是捷運系統能否永續經營的關鍵。基於高雄之運量較台北都會區為小，因此為達到系統之最大效能與最佳投資成本效益，必須能根據逐年旅運量成長推估，推導供電系統及列車之擴充計畫，達成投資成本與電能消耗之最小化，並滿足服務性能指標。
本論文擬針對捷運系統之最佳牽引變電站擴充計畫作為研究目標，利用列車運動方程式執行單一列車耗電模擬，求解列車行駛於主線上在任一快照時間的距離及機械功率需求，再根據旅運量成長，推估逐年尖峰時段之行車時刻表，進行供電系統之交/直流負載潮流分析，計算出各牽引變電站的逐年尖峰時段負載量。本文以高雄捷運橘線路網起始年至目標年的營運狀況為模擬對象，探討任何一座牽引變電站故障時，系統是否滿足逐年尖峰負載量及電聯車運行低電壓限制，計算各階段之設備投資成本、電能消耗成本及列車電壓等效成本，求解出逐年各種可行牽引變電站擴充組合，使用動態規劃法尋找出最低成本之路徑。
本論文亦應用免疫演算法，將目標函數和限制條件表示為抗原，而求解空間的一切可行解表示為抗體，在疊代處理過程中，利用抗體族群相似程度之關係，增加抗體族群的雜散度，可以預防求解過程中可能的停滯，並快速的收斂至整體最佳化解，達到供電安全兼具減少電能消耗成本及牽引變電站投資成本之目的。

Mass Rapid Transit(MRT) plays a very important role for the city development,the investment cost is very expensive. It is necessary to derive the MRT system planning by considering the service reliability and performance index according to the forecast of annual ridership. With the less ridership as compared to Taipei MRT network, Kaohsiung MRT has to be developed to achieve the most cost effective investment of power supply and rolling stock planning.
This thesis is to investigate the proper expansion planning of traction substations (TSS) for an electrified mass rapid transit system. The motion equation of train sets is used to solve the mechanical power consumption at each time snapshot according to the operation timetable, the passenger ridership and various types of operation resistance. The mathematical models of power converters in traction substations for different operation modes have been derived. With all train sets operated along the main line, the AC/DC load flow analysis is performed to find power demand of all traction substations for annual system peak operation over the study period. The objective function is formulated by considering both the voltage drop of train sets and investment cost of traction substations as the equivalent cost of all feasible states of each year. By performing the dynamic programming (DP) and immune algorithm (IA), the expansion planning of traction substations to achieve the minimum overall cost has been solved by identifying the optimal capacity and locations of new traction substations to be committed at each year.

目 錄
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目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文內容概要 3
第二章 捷運供電系統與電力潮流分析 5
2.1 前言 5
2.2 捷運供電系統架構 7
2.2.1 主變電站 8
2.2.2 牽引動力變電站 9
2.2.3 車站變電站 11
2.3 列車自動控制與電聯車運動方程式 11
2.4 電聯車電能消耗模擬分析 15
2.5 無中間相變壓器的12脈波非控制型整流變壓器模型 16
2.6 交/直流系統負載潮流分析 21
2.7 高雄捷運橘線供電系統模擬分析 24
第三章 以動態規劃法求解牽引變電站容量之擴充計畫 29
3.1 前言 29
3.2 捷運路網運量估算 30
3.3 牽引動力變電站N-1之可靠度估算 34
3.4 捷運路網牽引動力變電站之動態規劃 39
3.4.1 動態規劃 40
3.4.2 狀態成本之計算 42
3.4.3 負載分配(Load Sharing) 48
3.5 高雄捷運橘線牽引動力變電站擴充規劃 52
3.5.1 方案一 : 忽略變列車運行電壓限制之動態規畫 52
3.5.2 方案二 : 考慮列車運行電壓限制之動態規劃 58
3.6 本章結論 66
第四章 免疫演算法應用於捷運系統牽引動力變電站之規劃 67
4.1 前言 67
4.2 免疫演算法 68
4.2.1 免疫系統原理 69
4.2.2 雜散度與適合度計算 74
4.3 牽引動力變電站規劃策略 76
4.4 免疫演算法求解最佳牽引變電站擴充規劃 78
4.5最佳化結果探討 85
4.6動態規劃法與免疫演算法之比較 88
4.7本章結論 90
第五章 結論與未來研究方向 91
5.1 結論 91
5.2 未來研究方向 93
參考文獻 94
圖 目 錄
圖2-1高雄捷運路網車站及供電設備位置平面 6
圖2-2捷運供電系統架構圖 7
圖2-3主變電站單線圖 9
圖2-4牽引動力供電系統單線圖 10
圖2-5車站變電站單線圖 11
圖2-6變壓變頻變流器控制系統圖 12
圖2-7橘線單一列車O_7站至O_9站列車消耗功率(再生功率)、速度和時間之關係圖 15
圖2-8沒有IPT的並聯12脈波非控制型整流變壓器 17
圖2-9變壓器二次側線電流波形 20
圖2-10循序法交/直流負載潮流分析系統模型 21
圖2-11交/直流負載潮流分析流程圖 24
圖2-12高雄捷運橘線在尖峰某一時刻牽引電力單線圖 25
圖2-13牽引動力變電站交/直流側電壓變化 26
圖2-14牽引動力變電站之消耗功率 27
圖2-15主變電站(BSS3)尖離峰時段負載變化量 28
圖3-1橘線逐年尖峰時段旅運量與電力負載量 34
圖3-2 TSS簡易等效模型 37
圖3-3捷運橘線牽引變電站動態規劃之階段與路徑 41
圖3-4最佳牽引變電站擴充規劃流程 47
圖3-5單一列車負載分配圖 48
圖3-6區段等效阻抗 49
圖3-7某一TSS故障之負載分配情況 52
圖3-8最佳規劃擴充位置與時間 56
圖3-9最佳規劃與初始年全部擴充規劃比較 57
圖3-10逐年尖峰時段每小時損失量 57
圖3-11方案ㄧ與初始年全部設置方案之逐年電能消耗成本 58
圖3-12方案ㄧ與初始年全部設置方案之設備投資成本 59
圖3-13 2013年尖峰負載發生N-1與正常狀態列車可能發生之低電壓 60
圖3-14 2013年於不同投入位置列車電壓改善情形(N-1) 61
圖3-15 2013年於O_11投入TSS之列車電壓狀況 61
圖3-16 2027年於不同投入位置列車電壓改善情形(N-1) 62
圖3-17裝置容量與尖峰負載因數改善情況 63
圖3-18逐年尖峰時段負載損失 63
圖3-19方案二與初始年全部設置方案之逐年電能消耗成本 64
圖3-20最佳規劃路徑之列車電壓改善情況 65
圖3-21方案二與初始年全部設置方案之設備投資成本 65
圖4-1 免疫演算法示意圖 68
圖4-2 免疫反應示意圖 71
圖4-3 抗原與抗體結合示意圖 72
圖4-4 株落選擇示意圖 74
圖4-5 抗體(牽引變電站規劃模式)之資料結構 75
圖4-6 高雄捷運橘線起始年至目標年之尖峰班距 77
圖4-7 抗體編碼方式 80
圖4-8 執行免疫演算法流程圖 81
圖4-9 抗體間進行交換重組示意圖 83
圖4-10抗體間進行突變圖 84
圖4-11執行免疫演算法之收斂情況 85
圖4-12各世代總投資成本 88
表 目 錄
表2-1 ia2之θ範圍 19
表3-1高雄捷運橘線逐年尖峰時段每小時預估之旅運量 30
表3-2列車運量型態 31
表3-3尖峰時段起始年至目標年之負載因數、旅運量及班距 32
表3-4高雄捷運橘線尖峰時段通車時間與逐年之班距及負載因數 33
表3-5高雄捷運橘線TSS之供電可靠度 38
表3-6橘線初始規劃七座TSS於N-1之負載分擔表 53
表3-7橘線最終規劃十三座TSS於N-1之負載分擔表 53
表3-8橘線最佳規劃逐年TSS於N-1之最大分擔表 55
表4-1各世代輸出結果與成本 86
表4-2動態規劃法與免疫演算法比較表 89

參考文獻

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