AT 供電方式下5G 通信與信息全采集技術在機車闖入故障判別中的應用

吳光龍

0 引言

牽引變電站作為電氣化鐵路輸送能源的重要組成，可靠性與安全性非常重要。牽引變電站常用的供電方式為牽引AT 供電方式，在AT 供電區(qū)有機車通過時，由于機車為接觸供電且機車負載重，供電電流特別大，而機車位移又處于高速變化狀態(tài)，對電氣供電網(wǎng)絡的性能要求非常高，同時運行期間外部自然環(huán)境情況不定，尤其遇到風霜雨雪等惡劣天氣，各種因素綜合作用導致機車運行時，AT 供電區(qū)容易引發(fā)電氣故障。即使電氣化鐵路供電系統(tǒng)具備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，在供電區(qū)段無機車期間能夠識別故障并進行故障切除，但機車通過期間，由于機車本身負載大，供電線路中電流值特別大，故障電氣數(shù)據(jù)與正常運行數(shù)據(jù)相似，此期間發(fā)生故障，一般的故障監(jiān)測系統(tǒng)無法精確識別和分離故障引起的電氣異常數(shù)據(jù)。

為了解決機車運行期間，AT 供電單元故障準確判別的難題，我們提出基于電氣數(shù)據(jù)全同步采集技術建立能量守恒模型，同時引入5G 通信原理實現(xiàn)機車信息高速接入，并對AT 供電網(wǎng)絡、機車（負載）的供用電電氣信息進行能量守恒實時驗證，從而判別機車通過期間，是否有故障。

1 AT 供電原理與電氣模型解析

牽引網(wǎng)的供電方式有多種，例如：直接供電方式、吸流變壓器--回流線裝置BT、自耦變壓器供電方式（AT）和帶回流線的直接供電方式（DN）等。

直接供電方式靠牽引變電站直接獲得電能，對電氣設備安全和供電質(zhì)量有影響；吸流變壓器——回流線裝置BT，把大尺寸的接觸網(wǎng)-軌道大地回路改成小尺寸的接觸網(wǎng)-回流線回路，利用磁勢平衡原理使得回流線和接觸網(wǎng)兩者產(chǎn)生的交變磁場互相平衡，明顯的減弱周圍空間的交變磁場，降低鄰近通信線路的電磁感應影響，但對電力機車處于BT 裝置附近時的防護較差。

電力牽引AT 供電方式是電力牽引的一種供電方式，又稱自耦變壓器供電方式。單相工頻交流電氣化鐵路為提高供電質(zhì)量和減少對通信的干擾而采用的一種設有自耦變壓器的供電方式[1]。實踐證明，AT 供電方式具有良好的供電性能和防干擾效果，特別適用于重載或高速、大密度的電氣化干線[3]。

圖1

AT 供電方式的專用設備主要有與接觸網(wǎng)平行架設的正饋線及每隔一定距離設置的低阻抗自耦變壓器。正饋線為牽引負荷返回變電所的通路，其允許載流量應與接觸網(wǎng)的允許載流量等價。自耦變壓器的一、二次繞組匝數(shù)比采用2∶1，一端接接觸網(wǎng)，另一端接正饋線，中點接鋼軌或扼流變壓器的中性點。接觸網(wǎng)及正饋線的對地電壓相等，接觸網(wǎng)與正饋線之間的電壓為其本身對地電壓的2 倍。AT 供電電氣模型圖如圖1 所示，T 為接觸網(wǎng)，R 為鋼軌，F(xiàn) 為正饋線，I 為機車中的電流[2]。

2 AT 供電方式下以供電區(qū)為單元建立能量守恒模型

AT 供電方式下完整的供電區(qū)電氣模型示意圖如下所示。

每個牽引變電站給兩側供電分區(qū)供電，又稱供電臂，每一供電臂分別向上、下行接觸網(wǎng)供電，因此牽引變電站饋出線有四條（T1、T2、T1'、T2'），同一側供電臂上下行線實行并聯(lián)供電，可提高供電臂末端電壓。兩個牽引變電站之間將接觸網(wǎng)分成兩個供電臂，默認是絕緣的，可以通過分亭區(qū)開關設備實現(xiàn)越區(qū)供電。

當不考慮分亭區(qū)開關設備投運即各牽引變電站負責一個完整的供電區(qū)供電時，對完整的牽引變電站電氣回路建立能量守恒模型：

（1）P總輸入=P總輸出+P總損耗=P單側輸出+P′單側輸出+P自固損+P自鐵損

（2）P單側輸出=∑PATi輸入+P單側線損+P單側故障損耗

（3）PATi輸入=PATi輸出+PATi固損+PATi鐵損

（4）PATi輸出=∑Pi機車+∑Pi區(qū)段線損+∑PATi故障損耗

公式（1）中，對牽引變電站來說，其損耗分為設備自身損耗和隨電流變化而變化的損耗，以P自固損+P自鐵損表示，其中P自鐵損與兩側供電臂電流大小、電流變化相關。公式（2）中，將每個自耦變壓器和相應的供電區(qū)域線路（即AT 到下一個AT 之間的線路）看作一個AT 供電單元，PATi輸入指每個AT 供電單元的總輸入功率，P單側線損是指牽引變到第一個AT 之間的線路損耗。公式（2-4）以單側供電臂為對象建立能量守恒關系，正常情況下，P單側故障損耗和PATi故障損耗為零。

同理，當分亭區(qū)開關設備投運，即兩個不同供電區(qū)的供電分區(qū)（供電臂）由同一牽引變電站的單邊進行供電時，能量守恒模型發(fā)生一定的變化。

（5）P單側輸出=∑P本區(qū)ATi輸入+P本區(qū)線損+∑P復區(qū)ATi輸入+P復區(qū)線損

（6）P本區(qū)ATi輸入=P本區(qū)ATi輸出+P本區(qū)ATi固損+P本區(qū)ATi鐵損

（7）P復區(qū)ATi輸入=P復區(qū)ATi輸出+P復區(qū)ATi固損+P復區(qū)ATi鐵損

（8）P本區(qū)ATi輸出=∑Pi本區(qū)機車+∑Pi本區(qū)區(qū)段線損+∑P本區(qū)ATi故障損耗

（9）P復區(qū)ATi輸出=∑Pi復區(qū)機車+∑Pi復區(qū)區(qū)段線損+∑P復區(qū)ATi故障損耗

3 電氣信息采集

圖2 AT 供電方式下完整的供電區(qū)電氣模型示意圖

結合牽引變供電用電特性，牽引變輸出與損耗總是處于變化過程，而故障發(fā)生迅速，故障表現(xiàn)的電氣特性容易在這種變化過程中被淹沒，因此對系統(tǒng)的能量守恒驗證的頻率要非常高，這樣就要求對牽引變電站的輸入電壓、輸入電流、各側輸出電壓、輸出線路實時電流進行高頻率采集與分析。

以AT 供電單元為對象的能量守恒的驗證，需要對每個AT供電單元內(nèi)的各個機車即負載用電實時信息進行高頻采集與高頻分析，由于機車位移處于高速變化過程，作為高頻分析的前提，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的傳輸?shù)目煽啃砸灿蟹浅８叩囊?。AT 供電方式不僅需要對接觸網(wǎng)中性線電氣信息進行分析，還要對分亭區(qū)的狀態(tài)，對整個供電電氣模型的結構起關鍵作用，因此也需要將分亭區(qū)的開關狀態(tài)納入系統(tǒng)校驗邏輯中。分亭區(qū)處于投運狀態(tài)時，牽引變單邊供電負載加重，相關的損耗系數(shù)都會受到影響，同時，分亭區(qū)本身的電氣信息和越區(qū)供電時原屬于另一個牽引變的用電信息需要納入到現(xiàn)有牽引變供電模型中，所有數(shù)據(jù)依然需要保持高頻率的采集與傳輸，相應的數(shù)據(jù)分析壓力也會增加。這種情況下，以能量守恒模型為依據(jù)的牽引變故障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關聯(lián)性和同步性非常重要，也是關鍵的技術瓶頸。

此外，鐵路沿線環(huán)境惡劣，供電線路受溫度、濕度、塵霾、風霜、擾動等因素，都會對供電線路損耗產(chǎn)生一定的影響，作為能量守恒驗證的校正。

因此，對一個完整的牽引變電所建立能量守恒模型并通過守恒驗證判斷線路故障和故障區(qū)域，需要對牽引變電站的設備信息、各段饋線設備信息，線路信息、越區(qū)供電區(qū)域的電氣設備信息等作為基礎數(shù)據(jù)建立等效電氣模型框架，還需要對牽引變電站供電系統(tǒng)的各個節(jié)點的電氣參數(shù)進行高頻的實時采集分析，對沿線環(huán)境信息進行采集分析，以對整體結論進行校正?；谝陨戏治觯覀兲岢鲆环N信息全采集的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與匯總，通過標準信號采集接口、多通道集成的分布式安裝設備，對采集對象的類型、位置、數(shù)量做到最大化的兼容，同時通過高精度校時體系，實現(xiàn)分布式信息的同步化和高頻分析。

4 通信技術瓶頸與5 G 選用

采用AT 供電方式，牽引變供電距離長達40～60 km，如果考慮分區(qū)亭投運狀態(tài)，系統(tǒng)覆蓋供電范圍將更長。針對這一情況，我們提出以每個AT 供電單元為監(jiān)測對象，對每個AT 供電單元輸入、損耗、機車（負載）功率進行能量守恒研判。而實際上，自耦變壓器間距也長達1～1.5 km，且負載處于高負荷用電、高速位移狀態(tài)下，在這種情況下，需要實現(xiàn)高頻采樣數(shù)據(jù)的高頻實時分析，就必須解決數(shù)據(jù)的高速同步傳輸，要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r在ms 級。因此分布采集的數(shù)據(jù)的通信問題成了關鍵技術要點。

5G 技術從用戶面的每個層（物理層PHY，媒體接入控制層MAC，無線鏈路控制層RLC）進行全面優(yōu)化設計，在保障極高的可靠性（99.999%）的前提下，實現(xiàn)低時延指標。例如在包結構設計上，5G 中URLLC 包采用導頻信息，控制信息，以及數(shù)據(jù)依次在時域上排列，實現(xiàn)信道估計，控制信道解碼，數(shù)據(jù)的獲取可以串行的進行，減少處理時間。5G 所需要支持的頻率范圍非常廣，中低頻從450 MHz～6 000 MHz，高頻從24.25 GHz～52.6 GHz。高頻意味著更高的相位噪聲，所以需要設計更加寬的子載波間隔來抵御相位噪聲的干擾。更寬的子載波間隔，意味著時域上更短的時隙，更短的傳輸時間間隔。

除了時延低的特性外，5G 基站的建設和組網(wǎng)對環(huán)境的適應性也與本系統(tǒng)的要求較符，5G 基站組網(wǎng)多采用混合分層網(wǎng)絡，這樣就可以保證5G 網(wǎng)絡的易管理、可擴展、高可靠性，能夠滿足5G 基站的高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。[4]

5 建模與仿真運行

根據(jù)上述能量守恒模型，我們選取嘉峪關牽引變電站完整供電線路為研究和試驗對象，對其設備建設信息和相關參數(shù)進行建模仿真。

為了驗證本方案的理論指導性，我們研發(fā)并制成一種分布式高頻采樣裝置（多通道集成，同時采樣速率不低于10 kHz）和高精度數(shù)據(jù)校時同步單元（校時精度微秒級），通過加裝在牽引變、自耦變、相關線路和列車（即各負載）等各個電氣信息采集點，獲取系統(tǒng)驗證所需的所有電氣數(shù)據(jù)。同時對敏感環(huán)境數(shù)據(jù)進行高頻采集和時標校時?？紤]到5G 通信設備投入成本較高，相關基站具體參數(shù)和要求可能出現(xiàn)變化等因素，并未直接建立5G 通信系統(tǒng)，而采用離線數(shù)據(jù)加模型仿真運行的方式分析系統(tǒng)故障研判的靈敏度和準確性。

通過電氣全采集系統(tǒng)對牽引變供電區(qū)域全部電氣數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進行連續(xù)監(jiān)測與記錄，所有數(shù)據(jù)均帶有微秒級校時精度時標，這樣分布在各點的數(shù)據(jù)能夠以數(shù)據(jù)時標來實現(xiàn)同步分析。

對高頻采樣數(shù)據(jù)進行長期保存，將數(shù)據(jù)分為模型輸入數(shù)據(jù)和故障驗證數(shù)據(jù)，模型輸入是指同一時標實際運行的環(huán)境數(shù)據(jù)、用電數(shù)據(jù)（即負載位置和負載用電情況），而故障驗證數(shù)據(jù)是指同一時標測得的各個監(jiān)測點的電氣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與仿真模型的同一時標的輸出數(shù)據(jù)進行比對，從而驗證實際供電系統(tǒng)的異常情況。將模型輸入數(shù)據(jù)輸入模型，模擬供電系統(tǒng)實際運行情況，即模型模擬正常供電系統(tǒng)運行情況，只是在時間上滯后于實際供電系統(tǒng)，同時對模型輸出數(shù)據(jù)實時記錄并與實際運行系統(tǒng)測得的故障驗證數(shù)據(jù)進行同時標比對，正常情況下，兩套數(shù)據(jù)的偏差值應當是穩(wěn)定的或與供電負載用電電流變化呈相關性的，當這種相關性變化或偏離超出一定范圍時，電氣全采集系統(tǒng)系統(tǒng)對測得的數(shù)據(jù)（即保存的同時標的全部離線數(shù)據(jù)）進行處理，形成故障波形文件，并通過波形離線分析工具包括相角分析、諧波分析、偏差值分析等分析系統(tǒng)異常產(chǎn)生原因。

6 結語

通過數(shù)月的仿真運行與數(shù)據(jù)偏差分析情況，結合實際牽引變供電系統(tǒng)運維情況，基本能夠確定以電氣全監(jiān)測系統(tǒng)與能量守恒模型驗證的辦法，能夠?qū)崿F(xiàn)機車高速運行期間產(chǎn)生的異常和故障研判，故障研判靈敏度較高。通過波形文件的分析，也能夠明顯提升系統(tǒng)異常產(chǎn)生的原因查找效率。

盡管本方案驗證了電氣化鐵路在機車闖入期間的故障監(jiān)測的理論可行性，但實際投入使用仍然要對5G 通信系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的運行效果進行驗證，對通信數(shù)據(jù)丟失率和數(shù)據(jù)波形處理方面進行進一步研究和完善。同時，對于不同故障的處理機制形成完善的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)故障自動處理和迅速恢復。