随着我国电气化铁路网络化程度的增加,多条铁路线路交织形成了大量枢纽型牵引变电所（简称枢纽所）,其特点为:1)供电线路数量多,行车密度大,牵引能耗高;2)动车组数量多,动车组启停频繁,再生制动能量含量丰富;3)再生制动能量利用不充分,但潜在利用方式多。因此,为解决电气化铁路能耗日益增加的问题,需对枢纽所再生制动能量进行有效利用。然而,利用该部分能量将面临许多挑战,如:1)需根据枢纽所的负荷特性设计符合其能量特点的再生制动能量利用方式;2)需针对多种潮流控制设备设计合理的能量管理及控制策略;3)为实现能量利用装置安全可靠运行需配合原系统设计保护方案。针对上述问题,本文建立了枢纽所再生制动能量利用系统,基于实测负荷数据分析设计了能量利用方案,提出了系统能量管理及控制策略,设计了系统的保护方案。首先,以铁路枢纽的供电系统为研究对象,基于实测能耗数据,分析铁路枢纽牵引供电系统和10kV电力系统的负荷特性,揭示两者之间存在的电气联系,确定枢纽所再生制动能量利用方式。然后,设计转移利用、能馈利用和储能利用相结合的枢纽所再生制动能量利用系统,分析系统各组成部分的运行原理。基于能量利用系统各组成部分间的能量供需关系,以最大化再生制动能量利用率、最小化设备损耗为目标制定系统能量管理策略。在此基础上,划分系统的运行模式并分析不同运行模式下的系统潮流,进而设计了考虑动态功率回馈的分层控制策略。其中,上层实现系统在不同运行模式下的潮流管理,下层控制变流器跟踪上层参考指令实现潮流控制。接着,基于铁路枢纽牵引变电所和10kV配电所的既有保护,以故障导向安全（即能量利用设备故障不影响原系统运行）为原则,通过区分“系统级”、“设备级”和“预警级”三种故障等级,设计分级控制的枢纽所再生制动能量利用系统保护方案。最后,基于MATLAB/Simulink搭建枢纽所再生制动能量利用系统仿真平台,设计系统12种运行工况和3种对比工况,分别验证能量利用系统的拓扑结构、能量管理及控制策略、保护方案。结果表明,枢纽所再生制动能量利用系统能够实现牵引供电系统供电母线功率平衡、直流母线稳压、能馈装置单位功率因数并网等基础功能;所提能量管理及控制策略能够有效协调控制再生制动能量按需转移、回馈、存储和释放,可实现枢纽所再生制动能量的高效利用;所提保护方案能够及时有效切除故障,保障系统安全运行。