（电力电子与电力传动专业论文）基于小波分析的牵引网故障测距算法的研究与应用.pdf

a b s t r a c l a b s t r a c t e l e c t r i cr a i l w a yf a u l tl o c a t i o ni st h ec r u c i a lt e c h n i q u et oe n h a o c et h es a f ea n d r e l i a b l eo p e r a t i o no f t h et r a c t i o nn e t w o r k a c c u r a t ef a u l tl o c a t i o nc a nr e d u c et h el i n e w a l k e r si n s p e c t i n gt i m e ，h a s t e nt h er e c o v e r yo f t h et r a c t i o nn e t w o r ka n dd e c r e a s et h e e c o n o m i cl o s sc a u s i n gb yt h ep o w e rc u t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h et r a c t i o n n e t w o r kf a u l tl o c a t i o na l g o r i t h mi so f t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h et h e s i ss t a r t sw i t ht h es u m m a r yo ft h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so f t h ee x i s t i n gf a u l tl o c a t i o nm e t h o d sa n di n t r o d u c e st h es t r u c t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a c t i o nn e t w o r k c o m p l e xw a v e l e tc a l ln o to n l yp r o v i d et h ea m p l i t u d eo ft h e s i g n a lb u ta l s op r o v i d et h ep h a s eo ft h es i g n a la n df o c u so na n yd e t a i l so ft h es i g n a l c o m p a r i n gw i t ht h ef o u r i e ra n a l y s i s ，c o m p l e xw a v e l e th a sb e t t e re f f e c t s f o rt h e a b o v er e a s o n s , a p p l y i n gt h ec o m p l e xw a v e l e tt ot h ef a u l tl o c a t i o nw i l la c h i e v e e x c e l l e n tr e s u l t s s e v e r a lc o m p l e xw a v e l e ts i g n a l sh a v eb e e nc o m p a r e da n dt h e m o r l e tc o m p l e xw a v e l e ts i g n a li sd e f i n e dt ob et h em o s ts u i t a b l eo n et oa n a l y s i st h e f a u l tv o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l s a i m i n ga tt h et e r m i n a lp a r a l l e lc o n n e c t i o nd o u b l el i n e st r a c t i o nn e t w o r ka n d b a s e do nt h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e r sm o d e l ，f i r s tm o r l e tc o m p l e xw a v e l e tm e t h o di s i n t r o d u c e dt oa n a l y s i sb o t ht h es t e a d ya n dt r a n s i e n tf a u l ts i g n a l sw h i c ha r cs a m p l e d w h e nt h ef a u l th a p p e n s t h e nt h es t e a d y - s t a t ep h a s o re s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h e s t e a d ys i g n a l sa n dt h et r a n s i e n tr e s o n a n c ef r e q u e n c ym e t h o d sb a s e do nt h et r a n s i e n t s i g n a l sa r ep r e s e n t e d s t u d y i n go nt h es t r u c t u l _ e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m , t h es i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a bi su t i l i z e dt ob u i l dt h em o d e l o ft h ew h o l es y s t e m a f t e rh u g ea m o u n to ft h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s , t h et h e s i s a n a l y z e st h ef e a s i b i l i t y , t h ea c c u r a c y , t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w o m e t h o d s t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et w om e t h o d sh a v eb o t hs t r o n gp o i n t s a n ds h o r t c o m i n g sr e s p e c t i v e l ya n da r em u t u a lc o m p l e m e n t a r y t h e r e f o r e ，t h ep a p e r p r e s e n t sc o m b i n i n g t h es t e a d y - s t a t em e t h o da n dt h et r a n s i e n tm e t h o d ，w h i c hi st e r m e d a st h ec o m b i n i n gm e t h o d ，t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ef a u l tl o c a t i o na l g o r i t h m h a b s t r a c t t h ec o m b i n i n gm e t h o dn o to n l yu t i l i z e st h es t r o n gp o i n t so ft h ec o m p l e xw a v e l e ti n t h es i g n a la n a l y s i sb u ta l s oi n t e g r a t e st h ev i r t u e so ft h es t e a d y - s t a t em e t h o da n dt h e t r a n s i e n tm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ec o m b i n i n g a l g o r i t h mi n t h ef a u l tl o c a t i o ni m p r o v e st h ea c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ef a u l tl o c a t i o n m e t h o d t h ec o m b i n i n gm e t h o d m a yh a v ep r o m i s i n gf u t u r e i nt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：t r a c t i o nn e t w o r k ，f a u l tl o c a t i o n , m o r l e tc o m p l e xw a v e l e t , s t e a d y s t a t e p h a s o re s t i m a t i o nm e t h o d , t h et r a n s i e n tr e s o n a n c ef r e q u e n c ym e t h o d , a n dt h ec o m b i n i n gm e t h o d 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：马欣 三一7 年予月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：马耿 伊7 年多月 日 第1 章绪论 1 1 研究背景和实用意义 第1 章绪论 2 0 0 5 年底，随着6 2 5 公里的渝( 重庆) 怀( 化) 线电气化铁路建成，我国 共建成开通4 3 条电气化铁路，总里程达到2 0 1 3 2 公里，成为继俄罗斯、德国之 后，第三个电气化铁路总里程超过两万公里的国家。来自铁道部的消息说，“十 一五”我国将建设铁路新线1 9 8 0 0 公里，其中客运专线9 8 0 0 公里；既有线增建二 线8 0 0 0 公里，既有线电气化改造1 5 0 0 0 公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到 9 5 万公里，复线和电气化比例分别达到4 5 以上。纵观世界各国铁路发展史， 电气化铁路的蓬勃发展已是必然趋势，高速电气化铁路的建设方兴未艾，就连 美国和加拿大这两个世界上铁路最多的国家，近年来，随着世界石油资源的日 益短缺，也出线了发展电气化铁路的新动向，并开始修建高速电气化铁路。根 据专家们的意见和建议，特别是考虑到近年来世界各国对环境保护的呼声日益 强烈，预计今后1 0 年世界电气化铁路( 包括城市轨道交通) 必将有一个更大的 发展。 电气化铁道牵引供电系统是电力系统中一个特殊的不对称分支，由电力系 统采用双回1 l o k v 高压输电线向分布在铁路沿线的牵引网变电所及沿铁路架设 的牵引网供电。电气化铁道分布在我国广大的地理区域上，穿越的地区地质条 件、气象条件等自然条件复杂多变，使故障发生的几率增大。同时，由于电气 化铁路的能量传输是通过电力机车的受电弓和牵引网的滑动接触来实现的。这 样势必会对电力传输线带来机械冲击和磨损，更加大了故障的可能性一旦发 生故障，不仅会对电气设备造成直接的损伤，影响系统供电，直接威胁系统稳 定，也会给交通运输和国民生产带来巨大损失。因此尽快找到故障点，及时排 除故障，恢复正常供电，确保铁路运行的安全有重大的意义。 电气化铁路牵弓j 网故障测距闯题自从我国第一条电气化铁路宝成线宝灵段 建成后，就成为广大科技工作者、铁道部相关运营维护部门以及高等院校教授 学者研究的重大课题之一。经过近五十年的不懈努力，我国先后自行研制出了 许多新型的电气化铁路牵引网故障测距装置，并大量地投入现场运行，解决了 第1 章绪论 牵引网故障测距的相关难题，在一定程度上减轻了维护工人的查找故障位置的 工作量，为电气化铁路的安全可靠运行做出了巨大的贡献。但是由于种种原因 还没有完全解决现存的测距相关的一些难题，这主要是由于我国电气化铁路的 特殊性造成的。因此随着电子技术、微机技术、远动技术的日新月异的发展， 研究基于不同原理的牵引网故障测距算法和装置成为现存的一个急需解决的问 题。 1 2 小波分析的发展状况及其应用 小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是2 0 世纪数学研究成果中最杰出的代表之一。 它作为数学的一个分支，汲取了现代分析数学中诸如泛函分析、数值分析、傅 立叶分析、样条分析、调和分析等众多分支的精华。小波分析是一种时域一 频域分析，介于纯时域的方波分析和纯频域的传统傅氏分析之间。它在时域和 频域同时具有良好的局部化特性。它可以根据信号的不同频率成分，在时域或 频域自动调节取样的疏密：频率高时，则密；频率低时，则疏。由于对频率成 分采样用逐渐精细的时域或频域取样步长，因此可以聚焦到对象的任意细节， 并加以分析。因此小波分析也被称为数学显微镜。 小波分析在诸多科学领域得到了很大的发展和成功的应用。近几年国内外 学者对小波分析在电力系统中的应用取得了初步的成果，通过研究得出小波分 析在电力系统的下列诸方面，有着无比广阔的应用前景：电力设备的状态监视 和故障诊断、电力系统谐波分析、电力系统暂态稳定、电力系统动态安全分析、 电力系统继电保护、输电线路故障定位和系统故障检测掣2 5 1 嘲。鉴于牵引网是 电力系统的特殊分支，研究小波分析在电力系统中的应用对电气化铁道故障测 距有很好的指导作用。 故障测距方面，小波分析已经在行波法中有一定的应用【2 却 2 9 1 ，运用小波变 换对故障信号进行处理，可以对具有奇异性和瞬时性的电流、电压信号进行分 解，在不同尺度上明显的反映出故障信号，由此可构造出测距函数，进而推断 出引起此突变信号的故障地点，最终反映到故障距离上，达到故障定位的目的， 可以提高故障定位的精度。 小波分析的发展历程可以看出，小波分析的历史是数学家和工程师共同创 造的。是理论和实践紧密结合的范例和典型。小波理论在工程实际应用中得到 2 第1 章绪论 了印证和升华：工程实际问题又是在小波理论的指导下，获得圆满的解决，形 成了良性的循环。小波分析在故障测距领域已经取得的成就必将促进小波理论 的完善，定会在故障测距领域有很好的发展前景。 1 3 故障测距国内外研究现状 故障溺距主要是从对输电线路的研究开始的，已经有近百年的历史，在国 内外学者的不断推动下取得了不少成果。故障测距的划分方法有很多种：可以 按研究的对象分为基于故障稳态相量的测距算法和基于故障暂态相量的测距算 法：可以按电气量的获取分为单端测距算法和双端测距算法；也可以按线路模 型分为基于集总参数模型的算法和基于分布参数模型的算法等等。本文将按照 传统的划分方法对故障测距进行一一介绍，即故障测距可以分为三种方法：以 基频电压和电流分量为基础的故障分析法，主要是指阻抗法：以暂态高频分量 为基础的行波法；以神经网络、专家系统、模糊理论为基础的智能化方法。 1 3 1 阻抗法 阻抗测距方法是假定输电线路为均匀线，在不两故障类型的条件下，计算 出的故障回路阻抗或电抗，根据阻抗值与距离成正比的原理，通过已知的线路 单位阻抗或电抗，即可得到测量点到故障点的距离。阻抗法又可分为单端阻抗 法和双端阻抗法。 1 3 1 1 单端阻抗法 图1 1 单端供电单线单相接地故障 以 第1 章绪论 单端阻抗法顾名思义，是利用线路一端的电压和电流相量求解故障距离的 方法。如图1 1 所示，乓、忍分别为系统电压和系统阻抗，【0 、l 为线路首端 电压和电流，为故障点，彤为故障点的过渡电阻。线路全长为三，0 为线路 始端到故障点的距离。z 为馈电线单位长度阻抗。基本阻抗算法如下式所示： 乙= 毫= 冯+ 乏弓= 珥+ z - ， 单端阻抗法又可分为时域法1 1 4 卅和工频电气量法m j 。时域法以测量点电流 电压满足的微分方程为分析基础，通常假设故障点电流与测量点电流故障分量 同相位，求解出故障点到测量点的电感，进而求出故障距离。工频电气量法的 基本思想是通过求解故障稳态网络方程得到故障距离，由于测距方程中包括故 障距离、过渡电阻、线路对端电流相量共4 个未知量，而根据故障稳态网络仅可 列出2 个方程，因而不满足定解条件。通常做法是根据电力系统特点，将受对端 系统参数影响的有关电气量做一定的假设，减少未知量个数，求解故障距离。 常见的有工频阻抗法1 4 j 、故障电流( 相位) 修正法p j 、解方程法p ”、网孔方程法嘲 等。这类工频算法从原理上不能消除对端系统阻抗变化对测距结果的影响，且 都是基于集总参数的模型，忽略了分布电容的影响，因此必将带来原理性的误 差。文献【2 】是基于分布参数模型的算法，所提时域方法可从原理上消除对端系 统阻抗的影响，具有较高的测距精度，但该方法需进行导数的计算，因而对采 样速率有较高的要求，同时必须以电流电压一次信号无畸变地传至二次侧为基 础，这是目前系统中使用的电流电压互感器不能满足的。文献【1 】在文献【2 】的基 础上提出故障电流的频谱是连续的，选取不同的频谱分量列出其相应的网络方 程，就可以得到满足定解条件的方程数，从而求解出故障距离。但该方法未考 虑互感器传变特性，实际应用时应采用互感器的频谱特性进行修正。文献【9 】提 出，故障后故障电压沿线路对距离的导数的范数呈一定趋势变化，在故障点处 呈现最大值。因此利用单端故障电压电流计算“虚假”故障电压沿线路的分布，然 后求取其对距离的导数，导数的范数的最大值点对应着故障点，以此求得故障 距离。但该方法的测距精度受采样频率的影响较大，采样频率越低，故障测距 精度越低，因此，要提高测距精度，必须采用较高的采样频率。 单端测距算法只需利用一端的信息，无需通道设备和数据同步设备，因此 投资小，经济性高。但由于获取的信息量有限，为消除过渡电阻和对端系统阻 4 第1 章绪论 抗的影响，势必做出一定的假设，带来了原理性误差。改进的方法虽然在理论 上可以消除过渡电阻，系统运行方式的影响，但对采样频率要求很高，实际应 用时有困难。随着系统通信设施的完善、微机远动技术的发展和自动化水平的 提高，研究学者提出了双端测距算法。 1 3 1 2 双端阻抗法 双端法一般建立在分布参数模型的基础上，利用故障前后采集线路两端的 电压量和电流量来计算故障点的位置。双端测距方法不受过渡电阻和线路两端 系统综合阻抗的影响，在原理上可实现完全准确的故障定位p ”1 。因此，双端 测距方法具有更好的发展和应用前景。具体又可分为双端同步阻抗法和双端不 同步阻抗法。 1 双端同步阻抗法 双端同步法，要求同步采集线路两端数据，根据传输线方程，两端电气量 联立得方程组，进而采用各种处理手段得到故障距离。往往要依赖全球卫星定 位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 来实现两端数据的同步。 较为简单的一种方法是假定双端数据采样严格同步，测撂线路两端的电压， 利用分布参数模型和传输线方程，分别从线路两端对故障点求电压，令两端数 据求得的故障点处的电压相等，求解方程即可得出故障距离。文献 1 3 】提出了利 用工频电气量的双端精细积分故障测距算法；从线路两端分别求沿线的电压降， 以始端电压为参考计算出的从始端到故障点的电压为真实值，故障点到末端的 电压为虚假值；以末端电压为参考计算出的从末端到故障点的电压为真实值， 故障点到始端的电压为虚假值；将分别以两端电压为参考的沿线电压表达式求 差，在故障点两者理论上应该相等，因此差值的绝对值最小值对应的位置即为 故障点。 双端同步法的关键是两端数据的严格同步，这就对g p s 系统提出了很高的要 求。研究发现，g p s 接收机普遍存在输出信号瞬时不稳定、卫星失锁以及时钟跳 变等问题，使得双端同步法的可靠性大大降低。近年来，研究的热点逐渐转向 了双端不同步法。 第1 章绪论 2 双端不同步阻抗法 文献1 1 4 1 提出了基于参数识别的时域法双端故障测距原理，引入了双端电气 量由不同步带来的相位变化，将线路参数、不同步角、故障距离等作为待识别 参数，采集不同的样本，求解时域方程得到待测量。文献 1 5 】利用传输线分布 参数公式，从两端测量故障点的电压，理论上讲两端不同步对电压的幅值没有 影响，只对相位产生影响，所以令两端分布参数电压公式的幅值相等，求取含 有故障距离的方程即可。文献【1 6 】与上述方法类似，将得到的两端电压的幅值求 差，后利用最优化中求取极值的方法求出故障距离。 阻抗法是应用最早和最广泛的测距方法，虽然存在着这样或那样的不足， 但相信随着滤波技术，采样手段，g p s 等技术的发展，阻抗法还有其广阔的应用 空间。 1 3 2 行波法 输电线路行波法故障测距是利用故障点到达测量点的距离与行波的传播时 间成正比的原理，通过测量行波的传播时间来确定故障点到测量点距离的测距 方法。f 1 2 0 世纪5 0 年代以来，伴随着阻抗法的发展，行波故障测距法由于原理 简单也得到了广泛的研究。测距算法从大的方面可分为三大类【l 1 ：利用故障 产生的暂态分量的单端行波法；利用故障产生的暂态分量的双端行波法； 利用额外装置发出的暂态信号测距的单端行波法下面对这三种算法作详细的 表述。 1 3 2 1 利用故障产生的暂态分量的单端行波法 这种行波法的典型代表是a 型测距法( 如图1 2 所示) ，利用故障发生时故障 点所产生的行波在测量点和故障点之间往返一次的时间以及行波的速度来计算 出故障距离。设线路长度为l ，波速度为v ，故障初始行波与由故障反射波到达 母线的时间分别为为，瓦：，则故障距离x ，为： 墨= 三心= 三嘱：一功 ( 1 1 2 ) 6 第1 章绪论 ? - 1 八，、? l 仁二= 二二 妥 图1 2a 型行波测距原理示意图 能否获得准确的波速度和行波传播时间，将直接影响a 型测距法的准确性。 为了获得准确的测距结果，行波传播时间应定义为能够到达测量点的最高频率 分量的传播时间l 增j 。这样，在时域中两个行波浪涌之间的时间延迟可以定义为 二者波头起始点之间的时间间隔。该时间间隔的测量误差取决于采样频率，即 采样频率越高，测量误差越小。由于暂态行波中的高频分量在传播过程中会发 生较大程度的衰减，因而当采用固定的波速度时，行波覆4 距所测量的两个波头 之间的时间间隔越长，其测量误差也越大母线进出线的数目和故障点的位置 会影响行波波头的分辨，能否正确分辨出反射行波的波头也是行波法成败的关 键，文献【1 9 】将a 型测距法分为三类，对每种情况下的反射行波波头的分辨进行 了具体的讨论文献【2 0 】也对暂态初始行波、故障点反射波，对端母线反射波相 互问的关系进行了讨论，为区分对端母线干扰提供了一定的依据。 由于a 型单端行波原理不受线路长度和授时系统时间误差的影响，因而能够 提供比双端行波原理更为准确的测距结果。 1 3 2 2 利用故障产生的暂态分量的双端行波法 双端行波法的代表是b 型测距法和d 型测距法。这两种方法的原理是一致 的，即利用故障点产生的初始行波到达线路两端母线时间差来实现测距( 如图 1 3 所示) ，假定故障初始行波波头到达两侧母线时间分别为0 ，0 。 7 第1 章绪论 n 图1 3b 型行波测距原理示意图 根据安装于线路两端的测距装置记录下的故障行波波头到达两侧母线的时 间，计算故障距离的公式如下所示： 以：盟! 巡( 1 3 ) ” 2 j 0 ：( t 一- t ) x v + l( 1 4 ) ” 2 影响b 型行波法测距准确性的因素主要有三个：能否准确获得线路的长度， 行波的波速，初始行波和反射行波到达线路两端的时间。文献 2 h 提出了直接利 用故障初始行波浪涌波头起始点对应的绝对时刻与测距装置直接检测到该行波 浪涌到达时绝对时刻之间的相对差值来对测距结果进行补偿，而不必具体计算 故障初始行波浪涌波头起始点对应的绝对时刻，这给测距算法的实时应用带来 了方便。文献 2 2 1 提出了用实测的非故障线路的波速带入方程求解故障线路的距 离，以消除固定波速对测距精度的影响。由于行波的波速和频率相关，频率高 的行波波速快，文献 2 3 1 给出了不同频率行波波速的求解公式，但由于难以获得 行波的频率，此波速计算公式的实用意义不大。 由于不需要检测故障点的反射波因此测距的可靠性比单端行波法高；但需 要通道及时间同步设施，投资较大，性价比不高。 1 3 2 3 利用额外装置发出的暂态信号测距的单端行波法 利用额外信号发生装置的行波法的代表是c 型行波法，利用特定的装置在故 障发生后发射高压高频或直流脉冲信号，根据脉冲在装置和故障点间往返的时 间进行测距。由于这种类型的装置需要附加专用设备，并且利用电力线载波通 8 第1 章绪论 信，显然根据电气化铁道的特点，这种装置是不适用于电气化铁道牵引供电系 统的。 电力系统高压传输线的行波测距方案经过最近几年的发展已经比较成熟， 并且已经有厂家推出了基于行波法和小波分析的测距产品。但是由于电气化铁 道自身的复杂性，应用这一理论必须综合考虑网络结构和负荷特点等多方面的 因素，因此行波法在电气化铁道的应用还是空白，另一方面，电气化铁道的故 障几率比较高，研究行波测距理论来进行精确测距是必要的。文献 2 4 1 通过探讨， 得出了以下结论： ( 1 ) 行波法进行故障测距对于接触网上装有串联补偿器的牵引网能够克服阻 抗法测距原理所存在的不足； ( 2 ) 对于直供和a t 牵引网，行波法测距原理是适用的； ( 3 ) 对于b t 牵引网，由于吸流变压器的阻波作用，行波法测距原理的应用受 到了限制； ( 4 ) 在具体实现时，还应该充分考虑机车断路器的投切、站场接触网参数、 接触网结构，变电所所装设的抗雷线圈等方面的影响。 1 3 3 智能化方法 计算机技术的发展日新月异，许多相关学科的成果被引入故障测距领域，￥ 由此出现了新型的测距方法基于智能理论的测距算法，如概率和统计决策、 优化方法、模式识别技术、专家系统、模糊理论，神经网络以及光纤测距等。 由于种种条件的限制，该类方法大多处于理论研究和探索阶段，还不能成功的 应用于实践。 目前智能化方法在故障测距中应用比较多的是人工神经网络方法，国内外 学者都做了大量的研究 3 0 - 3 5 1 。神经网络模型用于模拟入脑神经元的活动过程， 其中包括对信息的加工、处理、存储和搜索等过程，对信息有自组织、自学习 的特点。目前应用最广泛的为b p 型神经网络，理论证明三层前馈式神经网络可 以对任意非线性连续映射形成任意精度的逼近，因此具有很强的非线性逼近能 力、可推广能力和容错能力。就上述特点而言，神经网络应用于故障测距有其 他方法不可比拟的优点。但是影响故障测距的因素众多，训练神经网络的学习 样本巨大。网络收敛条件苛刻，收敛时间很长，训练结果不理想等不利因素导 9 第l 章绪论 致神经网络在故障测距方面的应用还处在理论研究阶段。相信随着计算机技术 的迅猛发展，智能化方法在故障测距中的应用会有广阔的前景。 1 4 本文的研究内容 参考文献 2 7 】以单线单边供电牵引网为模型，分别将m o r l e t 复小波分析应用 于稳态和暂态测距法，取得了一定的成果。本文在此基础上，分析不同小波对 牵引网故障测距的适用性，进而证明了文献 2 7 】所选择的m o r l e t 复小波分析的有 效性。针对实用性最强的复线单边直供末端并联牵引网，利用其在小波分析方 面的成果对故障数据进行分析处理，推导出复线牵引网故障测距稳态相量分析 法和暂态谐振频率法分别进行故障定位分析。在充分利用仿真结果的基础上， 对比分析发现稳态相量分析法和暂态谐振频率法有优缺点互补的特性，进一步 提出了基于两种算法组合的牵引网故障定位方法。具体研究内容如下： ( 1 ) 利用m a tl a b 仿真软件搭建牵引供电系统模型，包括牵引变电所、牵引 网、以及电力机车，为进一步验证故障测距的精确性和可靠性提供了合理的平 台。 ( 2 ) 复小波由于既能提供信号的幅值信息又能提供信号的相位信息，因此应 用于故障测距的信号分析将会获得很好的效果。对比分析几种不同的复小波， 最终确定m o r l e t 复小波比较适合用于故障测距分析。仿真证明精度与傅立叶分 析相比有较大提高。 ( 3 ) 基于分布参数模型的复线末端并联牵引网，推导出利用故障稳态相量的 测距算法。利用m o i l e r 复小波对采集到的稳态数据进行分析和处理。用故障前 后电压和电流数据的差值得出故障时刻的电压、电流，利用非故障线路故障对 应点对地电阻无穷大求解故障距离，消除了传统算法过渡电阻的影响，提高了 故障测距的精度。 ( 4 ) 依据大量仿真试验发现故障距离和始端等效阻抗谐振频率之间存在非线 性对应关系，故推导出基于故障暂态相量的谐振频率法进行故障定位。分析了 各种外界因素对谐振频率的影响。利用m o r l e t 复小波精确的提取谐振频率值用 于测距，仿真结果说明该算法有较高的精确度和可靠性。 ( 5 ) 基于稳态相量的测距算法和基于暂态谐振频率的测距算法本身各有优缺 点，经过大量仿真对比分析发现两者对于测距有优缺点互补的特性。因此提出 1 0 第1 章绪论 基于稳态和暂态算法组合的牵引网故障测距方法。该方法结合上述两种算法的 优点，进而提高了测距的精度和可靠性。 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 电气化铁道系统可分为牵引变电所、牵引网和电力机车三部分。我国电气 化铁路采用工频单相交流电力牵引制，额定电压2 5 k v 牵引动力为电能，牵引 供电设备将国家电力系统输送的电能变换为适合电力机车使用的形式，电力机 车则完成牵引任务，因此牵引供电设备和电力机车是电气化铁路的两大主要装 备，铁路其他装备和基础设施应与之相适应。气化铁路牵引供电系统与电力系 统相比具有许多特殊性，这也是影响故障测距的一个重要的环节。本章从故障 测距的角度出发，介绍牵引变电所、接触网，机车的电气特征，为后面的牵引 供电系统的建模和牵引网故障测距算法的仿真分析提供基础保证。 2 1 牵引供电系统简介 将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置总称电气化铁路的供电系 统，又称牵引供电系统，主要由牵引变电所和接触网两大部分组成。牵引变电 所将电力系统输电线路电压从ll o k v ( 或2 2 0 k v ) 降到2 7 5 k v ，经馈电线将电 能送至接触网；接触网沿铁路上空架设，电力机车升弓后便可从其取得电能， 用以牵引列车。牵引变电所所在地的接触网设有分相绝缘装置。两相邻牵引变 电所之间设有分区亭，接触网在此也相应设有分相绝缘装置。牵引变电所至分 区亭之间的接触网( 含馈电线) 称供电臂。 牵引供电回路是由牵引变电所馈电线接触网电力机车铜 轨回流联接一( 牵引变电所) 接地网组成的闭合回路，如图2 1 所示。其 中流通的电流称牵引电流，闭合或断开牵引供电回路会产生强烈的电弧，处理 不当会造成严重的后果。通常将接触网、钢轨回路( 包括大地) 、馈电线和回流 线统称为牵引网。 1 2 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 牵弓 2 2 牵引变电所 图2 1 牵引供电系统示意图 牵引变电所的任务是将电力系统三相电压降低，同时以单相方式馈出。降 低电压是由牵引变压器来实现的，将三相变为单相是通过变电所的电气接线来 达到的。 牵引变压器( 主变) 是一种特殊电压等级的电力变压器，应满足牵引负荷变 化剧烈、外部短路频繁的要求，是牵引变电所的“心脏”。我国牵引变压器采用单 相、三相和三相二相三种类型，因而牵引交电所也分为单相、三相和三相 二相三类。 2 2 1 单相牵引变电所 单相牵引变电所主变压器采用特别设计的l l o k v 全绝缘单相变压器，副边额 定电压为2 7 5 k v 。在单相牵引变电所，通常选用v 接线或单相接线方式。叩 接线为两台单相变压器组成，其一次和二次侧都联成开口三角形。此开口三角 形的两个开口端和一个公共端，在一次侧联入电力系统的三相电网，在二次侧 将公共端与轨道相联，两个开口端则分别用馈电线联入接触网的两个相邻区段 ( 结构如图2 2 a ) ；单相接线是在牵引变电所中采用一台或两强单相主变压器。其 一次侧接入电力系统的1l o k v 或更高电压等级的电网中，二次侧作为牵引绕组一 端与轨道联接，另一端联到接触网f 如图2 2 b ) 。 第2 章 电气化铁道系统的结构和特点 ( a ) “v 梭线单相变压器( b ) 单相变压器 图2 2 单相变压器接线图 单相牵引变压器的优点是变压器的容量可以得到较充分的利用，可以相应 的简化变电所的结构。采用单相结线的变电所，当电力系统的容量不够大时， 将使三相系统产生严重的不对称，影响系统的供电质量和降低运行的经济性。 2 2 2 三相牵引变电所 变压器原边绕组通常为星型连接，副边绕组为三角形连接。三角形的一个 连接点接铁路行车轨道，另两个连接点分别连接变电所左右两侧的供电分区接 触网。由于两侧相位差6 0 。，需要分段，这种变电所的优点是变压器副边保持三 相，可供变电所本身和地方三相用电，缺点是变压器的容量未能充分利用。 三相牵引变电所主变压器采用ll o k v 油浸风冷式变压器，其线圈是作 y a 1 1 联结。高压侧额定电压为l l o k v ，牵引侧额定电压为2 7 5 k v ，比牵引网 标准电压高l o 。两台变压器并列，接法完全相同( 如图2 3 所示) a 图2 3 三相变压器 1 4 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 三相变压器侧的额定电流( 线电流) 等于线圈额定电流的压倍。按以上 计算，当i o = l = i 时，i 等于线圈b c 或c a 的电流的1 1 3 倍。当i 等于变压器 额定电流的0 6 5 5 时，线圈b c 和c a 的电流即达其额定值。此时三相变压器的输 出的容量为： s = 2 u 。i = 2 u , 0 6 5 5 1 ,( 2 1 ) 2 2 3 三相一两相牵引变电所 变压器原边绕组接成t 形，与三相高压母线连接；副边为两相连接，共用 端接轨道，另两端分别接供电分区，由于两者相位差9 0 ，两分区也需隔离。这 种形式的牵引变电所一定程度上克服了三相和单相牵引变电所的缺点。中国早 期的牵引变电所大多采用三相牵引变电所，从8 0 年代起出现采用三相一两相牵 引变电所。一般三相一两相牵引变压器采用s c o t t 接线( 也称t 型接线) ，输出 两相之间的相位差为9 0 。，接线图如图2 4 所示。 8u j 衄 图2 4 斯柯特变压器 图2 4 中，变压器五接入a b 相：变压器瓦一端接入c 相，另一端接t i 的 中点，两副边匝数相同。变压器两边的变压变换关系为： 1 。雨 压压 2一l 0 j u j u e u c ( 2 2 ) 这种三相一两相接线式变压器的绕组联线的突出优点是：当两个供电臂上 的馈线电流相等时，一次侧的三相电流对称，从而大为降低了三相系统的不对 称状态。 随着技术水平的提高，我国干线电气化铁路己推广使用集中监视及控制的 远动系统，牵引变电所将逐步实现无人值班，直接由供电调度实行遥控运行。 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 2 3 接触网 2 3 1 接触网结构特点 接触网是沿铁路沿线架设的特殊电力线路，电力机车受电弓通过与之滑动 摩擦接触而受流，取得电能。所以两者均应保持良好的工作状态。 受电弓的运动状态是很复杂的，影响因素也很多。为了保证对其良好的供 电，接触网结构本身应做到： ( 1 ) 接触线距钢轨面的高度应尽量相等，定位点及跨距与受电弓中心相对位 置符合要求； ( 2 ) 接触悬挂应有较均匀的弹性和良好的稳定性： ( 3 ) 良好的绝缘性能； ( 4 ) 适应气象条件的变化并能保持上述特性不应有很大的变化； ( 5 ) 接触网结构应力求轻巧简单，做到标准化，方便施工和运行维修； ( 6 ) 零部件标准化，轻便，耐腐蚀，可靠性高； ( 7 ) 接触线应有足够的耐磨性； ( 8 ) 主导电回路通畅。 接触网按其结构可分为架空式和接触轨式，前者用于铁路干线、城市地面 和工矿地面的电气化铁道，后者多用于净空受限的地下电气化铁道。架空式接 触网分为简单接触悬挂和链形接触悬挂两种基本的类型，接触轨式接触网分为 上磨式和下磨式两种，分述如下： 1 架空式接麓网 架空式接触网主要由接触悬挂、支持装置、定位装置和支柱基础四大部分组 成。前三部分带电，与支柱( 或其它建筑物) 接地体之间用绝缘子隔开。 接触网的分类大多以接触悬挂的类型来区分。接触悬挂的种类较多，一般 根据其结构的不同分成简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。 ， 、 竺竺! 竺兰! ， 图2 5 简单接触悬挂示意图 1 6 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 简单接触悬挂( 以下简称简单悬挂) 是由一根接触线直接固定在支柱支 持装置上的悬挂形式。国内外对简单悬挂做了不少研究和改进。我国现采用的 带补偿装置的弹性简单悬挂在接触线下锚处装设了张力补偿装置，以调节张力 和弛度的变化。另外跨距适当缩小。增大接触线的张力去改善弛度对取流的影 响。 吊弦 接触阿 ( a ) 单链形悬挂示意图 ( b ) 双链形悬挂示意图 图2 6 链形悬挂示意图 链形悬挂的接触线是通过吊弦悬挂在承力索上。承力索悬挂于支柱的支 持装置上，使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点，利用调整吊弦长度， 使接触线在整个跨距内对轨面的距离保持一致。链形悬挂减小了接触线在跨距 中间的弛度。改善了弹性，增加了悬挂重量，提高了稳定性，可以满足电力机 车高速运行取流的要求。链形悬挂分类方法较多，按悬挂链数的多少可分为单 链形( 如图2 6c a ) ) ，双链形( 如图2 6 ( b ) ) 和多链形( 又称三链形) 。目前我 国采用单链形悬挂。 2 接麓轨( 第三孰) 接触轨是沿电气化线路敷设的与轨道平行的附加轨，又称为第三轨，其功 用与架空接触网一样，通过它将电能传送给电力机车或电动机组。不同点在于， 接触轨是敷设在铁路旁的具有高导电率的特殊软钢制成的钢轨，机车通过取流 靴与之接触而传送电能。 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 2 3 2 接触网的供电方式 我国电气化铁路均采用单边供电方式，即牵引变电所向接触网供电时，每 一个供电臂的接触网只从一端的牵引变电所获得电能( 从两边获得电能则为双 边供电，可提高接触网末端网压，但由于其故障范围大、继电保护装置复杂等 原因尚未有采用) 复线区段可通过分区亭将上下行接触网联接，实现“并联供 电”，可适当提高末端网压。当牵引变电所发生故障时，相邻变电所通过分区亭 实现“越区供电”，此时供电范围扩大，网压降低，通常应减少列车对数或牵引定 数，以维持运行。 1 直接供电方式 如前所述，电气化铁路采用工频单相交流电力牵引制，单相交流负荷在接 触网周围空间产生交变电磁场，从而对附近通信设施和无线电装置产生一定的 电磁干扰。我国早期电气化铁路( 如宝成线、阳安线) 建设时，处于山区，地 方通信技术不发达。铁路通信采用高屏蔽性能的同轴电缆，接触网产生的电磁 干扰影响极小，不用采取特殊防护措施，因此上述单边供电方式亦称为直接供 电方式( 简称t r 供电方式) ，如图2 7 ( a ) 所示，图中j 表示接触网，g 表示轨道 一大地。 随着电气化铁路向平原和大城市发展，电磁干扰矛盾日显突出，于是在接 触网供电方式上采取不同的防护措施，产生了不同的供电方式。目前有所谓的 b t 、a t 和d n 供电方式。从以下的介绍中可以看出这些供电方式有一个共同特 点，即在接触网支柱田野侧，与接触悬挂同等高度处都挂有条附加导线。电 力牵引时，附加导线中通过的电流与接触网中通过的牵引电流，理论上讲( 或 理想中) 大小相等、方向相反，从而两者产生的电磁干扰相互抵消。但实际上 是做不到的，所以不同的供电方式有不同的防护效果。 牵引变 ( a ) 直接供电方式 g 第2 章电气化铁道系统的结构和特点 牵引变 i j l j1 、厂 。阴阴阢 l吸上线l 嘲上线2 受 衅审 吸上线3 一 b t 段 一 长回路 牵引变 牵引壹 c o ) b t 供电方式 t l ( c ) a t 供电方式 ( d ) 带回流线直接供电方式 圈2 7 牵引两不同供电方式 j g p h j h j g 2 吸漉变压器( 盯) 供电方式 这种供电方式，