基于能量比法識別波頭的AT牽引網(wǎng)故障行波測距研究

牛瓊，李東輝，李詩涵

(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.杭州迪普科技有限公司，北京 100085)*

基于能量比法識別波頭的AT牽引網(wǎng)故障行波測距研究

牛瓊1，李東輝1，李詩涵2

(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.杭州迪普科技有限公司，北京 100085)*

針對AT供電方式牽引網(wǎng)的故障定位問題，提出了一種新的基于能量比法的故障測距算法，目標(biāo)在于提高故障測距精度，縮短定位時間，滿足高速鐵路列車的應(yīng)用需求.利用MATLAB軟件建立了AT供電方式下的某牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)的仿真模型，并對故障測距算法進(jìn)行了仿真驗證.仿真結(jié)果表明：與在變電所調(diào)研的故障測距結(jié)果相比，誤差小于變電所中故障測錄儀獲得的故障測距誤差，定位時間較短，故障測距精度提高,這為后續(xù)相關(guān)研究及探索奠定了重要基礎(chǔ).

AT供電；故障測距；能量比法; 算法

0 引言

牽引供電系統(tǒng)[1]是電氣化鐵路的基礎(chǔ)，由于高速電氣化鐵路行車密度大、運行速度高，AT(Auto Transformer)供電方式[2- 3]以其更高的可靠性、更長的供電區(qū)段、更大的供電功率成為了我國高速鐵路現(xiàn)階段的主流供電方式.

目前，針對AT供電方式多為利用牽引網(wǎng)各點電流比值[4]來進(jìn)行故障測距，容易受到線路結(jié)構(gòu)、牽引網(wǎng)的運行方式及故障類型等因素的影響，導(dǎo)致測距精度不高.而行波法具有較好的精度和穩(wěn)定性[5- 7]，當(dāng)前求取時延應(yīng)用比較廣泛的是小波分析[8]和相關(guān)分析法：小波分析法本質(zhì)是利用小波變換的奇異性檢測原理來檢測出信號突變點，而相關(guān)分析法則是通過判斷波頭相關(guān)性得出行波波頭時延.相較這兩種方法，能量比法對有更復(fù)雜噪聲擾動或者傳播線路更復(fù)雜的信號在獲取時延[9]上更加簡單，不僅算法的穩(wěn)定性比較高，而且計算時參數(shù)的選擇更方便，實際應(yīng)用價值更高.在此基礎(chǔ)上，本文重點研究AT供電方式牽引網(wǎng)中行波法的應(yīng)用，并在現(xiàn)有測距方法的基礎(chǔ)上提出利用能量比法處理故障行波，計算波頭時延，實現(xiàn)較精確的故障定位.

1 能量比法

能量比法[10]以信號能量在一個時間窗內(nèi)的有效值差異特征為基礎(chǔ)，將信號突變點凸顯出來，使有用信號達(dá)到測量點的時候，更加清晰明了[11].

能量比法的計算是一個時間窗逐點移動的過程，首先選擇一定寬度的時間窗，然后從記錄的起點一直移動到記錄的終點，這樣某個信號能量比法的計算就完成了.能量比法的基本公式如下：

式中:P為時窗內(nèi)后、前能量比，x(t)為時間窗內(nèi)的相對能量，對應(yīng)為電壓正向行波，T1為時窗起點，T0為時窗中點，T2為時窗終點.

由上式可以看出，影響定位準(zhǔn)確性的一個重要因素就是選擇的時間窗寬的大小，該大小的選擇會改變模極大值點的位置，從而影響故障定位的準(zhǔn)確性[9].時間窗寬選小時突變點位置更精確，但會導(dǎo)致時間窗前后信號差異不夠明顯，無法凸顯突變點，有可能會不能準(zhǔn)確顯示突變點位置；而較大的時間窗寬雖然會得到較大的模極大值，凸顯突變點的位置，但波形不夠尖銳，無法得到精確的時間點.

2 AT供電方式牽引網(wǎng)的建模

2.1 牽引網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

本文主要討論哈大高鐵[12]某兩個牽引變電所之間的牽引網(wǎng)部分，牽引網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)與各線參

圖1 A-B變電所間的牽引網(wǎng)簡單分布圖

數(shù)可以通過牽引網(wǎng)及數(shù)值計算得到.圖1給出兩變電所之間的牽引網(wǎng)簡單分布圖.

2.2 牽引變電所接觸網(wǎng)建模

基于MATLAB仿真平臺，在阻抗和電容矩陣計算的基礎(chǔ)上，搭建的兩變電所之間牽引網(wǎng)故障測距模型分別由AT所模塊、牽引變電所模塊、線路模塊、故障模塊、機車模塊、測量模塊等組成[13].由于以上模塊在MATLAB仿真平臺中沒有直接給出，需要根據(jù)牽引網(wǎng)的實際情況，利用Simulink中的電力元件對元件進(jìn)行組合、連接及封裝，然后連接封裝的模塊建立完整的AT供電方式牽引網(wǎng)故障測距仿真模型，結(jié)合調(diào)研的牽引網(wǎng)的現(xiàn)場線路參數(shù)情況對各個模塊進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)置.牽引變壓器及AT變壓器具體參數(shù)設(shè)置如表1和2所示.

表1 牽引變壓器參數(shù)

表2 AT變壓器參數(shù)

3 牽引供電系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

3.1 行波提取

行波可以分為正向行波和反向行波，假設(shè)行波由故障點指向線路兩側(cè)的傳播方向是正向，那么由線路兩側(cè)指向故障點的方向即為反方向，從故障電壓、電流波形中提取出正確的正反向行波對行波故障定位意義重大.運行MATLAB對短路故障仿真之后，在測量顯示模塊中獲得的故障電流和電壓數(shù)據(jù)會被保存到Workspace中，且以變量形式儲存.把T、R、F看作三相，然后根據(jù)故障發(fā)生時T、R、F的電壓和電流數(shù)據(jù)來獲取電壓的正反向行波，具體提取方法如下：

(1)提取T、R、F中的電流、電壓暫態(tài)故障分量.用故障發(fā)生時刻至之后某段時間內(nèi)的T、R、F的電壓、電流值減去故障前相對應(yīng)的某段時間內(nèi)的T、R、F的電壓、電流，就能得到T、R、F的電壓、電流的暫態(tài)量uT、uR、uF和iT、iR、iF;

(2)為獲取故障電壓、電流的模量值um和im，將T、R、F的電壓、電流的暫態(tài)量uT、uR、uF和iT、iR、iF進(jìn)行模量變換.

(3)uf1、ur1為獲取電壓1模的正向和反向行波，其公式如下[14]：

3.2 能量比法的應(yīng)用

得到電壓正向行波后，利用能量比法對獲得的電流和電壓信號進(jìn)行操作，可以把信號邊緣擴(kuò)大，獲得故障時延，從而實現(xiàn)牽引網(wǎng)的準(zhǔn)確故障定位.根據(jù)前文分析，選擇的時間窗的大小會極大的影響能量比函數(shù)使用的有效性，如果時間窗選擇的比較符合要求，那么會得到比較準(zhǔn)確的故障信息，從而實現(xiàn)精確定位[15].

經(jīng)實驗驗證，時間窗寬為30μs時其模極大值點比較方便讀出，因此本文選擇在此時間窗寬下實現(xiàn)能量比函數(shù)法.

由能量比曲線可以得到首波頭位置、第二個波頭的位置，從而得到兩個波頭的時間間隔.而且，能量比函數(shù)曲線可以快速判斷出第二個波頭的極性和初始波頭極性的關(guān)系.

3.3 不同情況下的行波測距

AT供電方式牽引網(wǎng)有多種短路故障，其中接觸網(wǎng)—正饋線(T-F)短路、正饋線—鋼軌(F-R)短路、接觸網(wǎng)—鋼軌(T-R)短路是三種主要的形式，本文主要對T-R短路故障進(jìn)行了仿真，采樣時間取0.000 01s，仿真時間取0.1s，故障發(fā)生時刻取0.04s.

3.3.1 不同故障點位置下的行波測距

故障點至測量安裝點的距離分別為：近端故障5.92、9.79km，中端故障18.42km，遠(yuǎn)端故障30.08、37.8km，以距離安裝處5.02km處發(fā)生T-R短路故障為例.

故障模塊設(shè)置在距離牽引變電所5.02km處，過渡電阻取0.001Ω，相位角取0°，通過仿真得到該故障位置時的波形圖.

仿真得到故障電流、電壓波形，可以看出在t=0.04s處電流明顯增大，電壓稍微減小，即在0.04s時發(fā)生了短路故障.不能把每一種情況下的故障電壓、電流波形都顯示出來，但通過仿真可以看出其變化符合一般規(guī)律：隨著故障點距離電源越來越遠(yuǎn)，故障點時電壓減小的幅度越來越不明顯，而電流的峰值也越來越小.

(a) (b)

圖2 故障位置在5.02 km的電壓正、 反向行波和能量比函數(shù)曲線

通過改變短路點的位置并運行模型及程序可以獲取短路點在其他位置的故障電流、電壓圖形，正、反向電壓波形以及能量比函數(shù)曲線.

通過5.02、9.79、18.42、30.08、33.8 km五組不同故障位置時的能量比函數(shù)曲線，使用matlab中Data Cursor工具對模極大值點進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)注，然后將獲取的時間間隔數(shù)值代入行波故障測距的計算公式，可得到故障距離及誤差如表3所示.

表3 不同故障點位置的定位結(jié)果

由表3可以看出，隨著故障點距離測量點越遠(yuǎn)，故障測距的誤差越大，這符合一般規(guī)律，且其誤差大小低于在變電所調(diào)研時故障測錄儀測得的誤差，滿足本論文的測距要求；通過對比近端故障以及遠(yuǎn)端故障下的測距誤差，可以看出距離AT所較近的點的誤差相對于距離較遠(yuǎn)的點也略大，這是由于AT所對行波測距造成的影響導(dǎo)致的.

3.3.2 不同過渡電阻下的行波測距

使用三組數(shù)據(jù)來分析故障點在5.02 km時，在0.001、10、100 Ω不同過渡電阻條件下的行波故障定位仿真，根據(jù)能量比法得到故障測距的結(jié)果，從而分析過渡電阻的大小對行波故障測距的影響.以過渡電阻為0.001 Ω為例.

(a) (b)

圖3 過渡電阻是0.001 Ω的電壓正、 反向行波和能量比函數(shù)曲線

通過0.001、10、100 Ω三組故障波形發(fā)現(xiàn)，取的過渡電阻的數(shù)值依次增大，電壓正、反向行波的的最大值呈顯著減小趨勢，從能量比函數(shù)曲線中可以看到，對于獲取準(zhǔn)確的模極大值時延時不會造成任何影響，即在AT供電方式牽引網(wǎng)中基于能量比法的行波故障測距不受故障過渡電阻的影響.不同過渡電阻的故障點位和誤差如表4所示.

表4 不同過渡電阻的定位結(jié)果

3.3.3 不同相位角時的行波測距

取不同的故障相位角時獲得的故障電流和電壓波形不同，所以對此做了仿真分析.以故障點位置為5.02 km，過渡電阻為0.001 Ω的電路模型為例，對故障相位角分別取 0°、45°，135°三個不同數(shù)值時進(jìn)行仿真.以相位角為45°為例.

(a) (b)

圖4 相位角為45°的電壓正、反向行波和能量比曲線

通過對比三組故障相位角(0°、45°、135°)的電壓正、反向波形可得到，雖然波形上有些不同，但對于之后模極大值時刻的判定，依然沒有影響.不同故障相位角時故障定位和誤差如表5所示.

表5 不同故障相位角的測距結(jié)果

4 誤差分析

由測距結(jié)果可以看出，故障相位角及故障點過渡電阻對測距結(jié)果沒有影響，而對于不同故障點位置，通過對比近端以及遠(yuǎn)端故障下測距誤差，可以看出故障位置距離AT所越遠(yuǎn)，測距誤差也會越大.除了距離越長過渡電阻和電壓損耗越大等原因，下面簡單分析造成上述情況的可能因素.

(1)吊弦的影響

接觸線通過吊弦懸掛在承力索上，吊弦是接觸網(wǎng)的重要組成部分.

行波在傳播過程中遇到吊弦，折射和反射都會受到影響，在金屬中的損耗會導(dǎo)致行波到達(dá)測量端已被削弱甚至根本無法到達(dá)測量端.

(2)波速的影響

本文中所用的行波波速為：

式中:c=3×108m/s為光速;μ是導(dǎo)線周圍介質(zhì)導(dǎo)磁系數(shù);ε是導(dǎo)線周圍介質(zhì)介電系數(shù).導(dǎo)線的形狀、介電系數(shù)、自身材料以及導(dǎo)線四周的環(huán)境，都會影響線路的行波波速.

所以，吊弦干擾和行波波速選取是影響遠(yuǎn)端測距誤差的重要因素.

5 結(jié)論

與在變電所調(diào)研的故障測距結(jié)果相比，誤差小于變電所中故障測錄儀獲得的故障測距誤差，滿足了測距要求.但鑒于建模、行波提取、使用能量比法時會有誤差存在，以及誤差分析中提到的影響因素，還有更進(jìn)一步優(yōu)化測距結(jié)果的可能，需要進(jìn)行更深入的研究和驗證.

[1]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2009.

[2]邢曉乾. 三種牽引供電方式的電氣特性比較[J]. 電力學(xué)報,2013(1):35- 39.

[3]林依姜.牽引網(wǎng)故障測距[J]. 海峽科學(xué),2011(11):20- 21,28.

[4]高仕斌,王偉,陳小川,等.AT供電牽引網(wǎng)新型微機故障測距原理與應(yīng)用[J]. 鐵道學(xué)報,1993(4):19- 27.

[5]段晶晶.基于行波原理的直供方式牽引網(wǎng)故障測距技術(shù)[D].山東：山東理工大學(xué),2010.

[6]陳強強.AT供電方式接觸網(wǎng)行波故障測距的研究[D].南昌：華東交通大學(xué),2012.

[7]楊金岳.AT供電方式牽引網(wǎng)行波故障測距研究[D].南昌：華東交通大學(xué),2013.

[8]周建輝,康勁松,徐國卿. 基于復(fù)小波分析的牽引網(wǎng)故障測距算法[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(12):1818- 1821，1860.

[9]韓志錕.小相角故障行波測距方法研究[M].電工電氣,2013(4):28- 32.

[10]韓志錕,饒曙勇,姜玉山,等. 基于能量比法的輸電線路行波故障測距[D]. 電網(wǎng)技術(shù),2011(3):216- 220.

[11]盧毅，韓志錕，陳瑜.基于能量比預(yù)處理的FFT窄帶濾波方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(5):948- 951.

[12]朱飛雄,張偉. 哈大線牽引供電系統(tǒng)及其特點[J]. 電氣化鐵道,1999(1):39- 40.

[13]張茜.基于BP的全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)故障測距方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[14]程云強.基于接觸網(wǎng)的雙端行波故障測距的應(yīng)用[J].江西科學(xué)，2012,30(2):207- 210.

[15]夏遠(yuǎn)洋.串補線路的行波故障測距研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

Study of Contact System Fault Location based on Energy Ratio Method

NIU Qiong1,LI Donghui1,LI Shihan2

(1.School of Electrical and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.HangZhou Dipu Technology Co.,Ltd,Beijing 100085,China)

Aiming at fault location problem of the traction electric network in AT power supply mode, a new fault location algorithm of the traction network in AT power supply based on the energy ratio method was put forward, and aimed to improve the precision of fault location and shorten the fault positioning time so as to meet the application demand of the high-speed locomotives. The simulation model of a traction electric network structure in AT power supply mode is established using MATLAB software, and the fault location algorithm was simulated and verified. Simulation result show that the fault location error is less than the measured fault location error in substation, and the positioning time is shorter, and the accuracy of fault location is improved.

AT power supply mode；fault location；energy ratio method;algorithm

1673- 9590(2017)02- 0099- 05

2016- 01- 06

牛瓊(1991-),女，碩士研究生； 李東輝(1970-),男，副教授,博士，主要從事鐵路電氣新技術(shù)、電磁兼容性的研究

E-mail:695940191@qq.com.

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