【新型地铁牵引网保护算法分析4100字】

新型地铁牵引网保护算法分析目录TOC\o"1-3"\h\u30174新型地铁牵引网保护算法分析 1216931.1各种状态下的牵引网电流分析 1299021.2高阶矩统计算法 3278411.2.1电流畸变波形的统计学度量 345801.2.2k阶中心矩 3315411.2.3偏度 4302091.2.4峰度 4242131.2.5特征量和故障判据 5251861.2.6故障特征提取和诊断算法 512921.3地铁牵引网建模 678801.1.124脉波整流机组 6267761.1.2整流系统建模 81.1各种状态下的牵引网电流分析本文所采用的短路故障电流和振荡电流均来自地铁现场实际录波数据。由于地铁供电是直流供电，采集现场电压电流暂态量采用西门子SITRASDPU96直流隔离放大器和分压器。如下图3-1为杭州地铁6号线博览中心站牵引变电站的故障录波波形。图3-1DDL动作录波波形图3-2是在北京地铁8号线西小口站记录到的牵引网短路电流波形(保护启动前的200s数据)。图3-2牵引网短路电流波形图3-3是在北京地铁1号、13号线记录到非典型负荷电流波形(保护启动前的200ms时间段)。其中1号线为系统低频振荡，13号线为车辆主电路振荡。（a）北京地铁1号线振荡电流波形（b）北京地铁13号线振荡电流波形图3-3非典型负荷电流波形由图3-3(a)可知，地铁牵引供电系统的振荡电流特征：①小幅度振荡的持续性很短，持续时间一般比1s还要小，振荡频率都在10Hz左右；②初期电流小于0，说明系统振荡与车辆再生制动有关；③电流最大值均不太大，且随着车辆移位和工况切换，振荡过程会自行消失，这与牵引网短路过程有本质区别。由图3-3(b)可知，车辆主电路振荡电流具有如下特点：①振荡初期过程发展迅速，持续时间更短，一般持续时间不超过80ms，且振荡频率约为19Hz；②电流峰值并不太大，且电流在上升阶段存在有明显回落过程，说明该电流属于特殊负荷电流；③车辆主电路振荡均发生在首班车启动过程，且随着工况的切换，振荡过程将自动消失，说明该振荡过程与车载滤波大电容有直接关系。综合而言，非典型负荷电流的波形均存在明显的小尖峰过程，且整体光滑度均比较高，即奇异性较差，这与牵引网短路初期电流波形有本质差异。1.2高阶矩统计算法根据1.1章节所述的北京地铁1号线出现的保护误动现象，是由系统振荡电流和牵引网短路电流相似引起。系统振荡和牵引网短路在于供电回路中是否包含轨道车辆。轨道车辆退出供电回路的状态与牵引网的短路状态相同，而供电系统和轨道车辆共同谐振状态又与系统的振荡相同，由此可见牵引网短路状态电流幅值增量和电流变化率会更明显。针对这种情况本文提出一种新型保护算法，用于配合现有保护准确及时的判别2种电流不同，减少地铁误动。1.2.1电流畸变波形的统计学度量根据分析和研究馈线负荷电流特点，我们得出，负荷电流和短路故障的电流均不是标准的正弦波，不能用FFT等方法对其进行分析和算法设计。它们两者的电流波形都在正弦波的基础上，存在一定程度的畸变。当牵引网发生故障时，馈线电流有瞬时突变，牵引网馈线电流波形在短路瞬间会有一段在幅值上很大程度的快速变化阶段。这个突变过程不仅影响了故障短路电流的幅值、斜率等信息，而且就直接造成了电流波形中明显的奇异点。奇异点的存在成了分析研究的瓶颈，但它同时又包含大量的暂态信息，对进一步分析故障，设计算法起着至关重要的作用。查阅资料得知，牵引网故障信号中包含大量噪声信号，要想采集到准确的馈线电流信号，考虑到应对采集来的信号进行降噪处理。其次，通过学习和研究相关方面的分析方法，得到统计学中的偏度和峰度可很好的刻画波形数据分布规律，其对分析波形数据中的奇异点相较于其他参量更胜一筹。综上，可以使用偏度和峰度的度量原理来构造新型的牵引网馈线保护算法。1.2.2k阶中心矩根据概率论统计学原理，将地铁牵引网馈线电流的波形视为一个随机事件，认为馈线电流服从随机变量的分布规律。设随机变量的概率密度函数为，则随机变量的阶中心矩可写为(3-1)式(4-11)中，为随机变量的均值。显然，当时，上式定义的是二阶中心距，即方差，且其开方为均方差；1.2.3偏度三阶中心矩是统计学中重要的数字特征，克表示随机变量围绕其众数的不对称程度。针对均值而言，若样本点的频数分布是对称的，其三阶中心矩是0；若呈现不对称的分布，频率曲线的分布则是不对称的，会在均值的左边或右边出现一个“长尾”[12]。数据的偏斜方向和程度可以用偏度来度量，即对统计数据图表中的不对称处单独分析。偏度有正负之分，如果整个图表中右侧方向的尾部延伸趋势大于左部为正偏度，整个图表中左侧方向的尾部延伸趋势大于右部为负偏度。无论偏向如何，只要偏向趋势很大，就表明数据不再均匀，不是正态分布。可以以利用三阶中心矩除以均方差的立方得到一个无量纲的量，定义为偏度参数，即(3-2)显然，偏度参数就是一个密度函数，表示随机变量概率分布，反映出样本数据的不对称度。若数据中存在未分组的样本，其离散模型可写为(3-3)1.2.4峰度四阶中心矩也是统计学中的重要的数字特征，可表示随机变量陡峭程度。若样本点的频数分布服从正态分布规律，则其四阶中心矩等于0[13]。若变量分布较为陡峭(集中)，其四阶中心矩大于0，则成为尖峭峰或高狭峰；若变量分布较为平缓(分散)，其四阶中心矩小于零，则成为平阔峰或低阔峰。尾部的厚度可以用峰度来显示。峰度值为正值时，随机变量的尾部厚度更大；峰度值为负值时，随机变量的尾部厚度越小，它们均说明数据异常，并不服从正态分布。只有在峰度值等于零时，随机变量才是正态分布。将四阶中心矩除以均方差的四次方定义为峰度参数，即(3-4)显然，峰度参数表示样本数据的陡峭程度。若数据中存在未分组的样本，其离散模型可写为(3-5)1.2.5特征量和故障判据基于偏度和峰度的定义，结合振荡电流与故障电流波形的特征，为快速且准确提取故障状态特征,定义J(m)牵引网高阶统计量特征：J(m)=[SK(m)+K(m)]/2（3-6）设Jset为特征量的整定值，且作为高价统计量的故障判据：(3-6)由此可见，新型的组合保护算法计算起来更简便快捷，并且对采样率没有很高的要求，现场实现起来更容易。1.2.6故障特征提取和诊断算法一般情况下，交流牵引网馈线电流信号并不遵循标准正态分布规律，但本算法借鉴其度量波形数据偏斜和陡峭程度的思想。为方便提取牵引网运行状态特征和提高故障诊断速度，预处理单元按单个工频周期(20ms)的时间长度读取馈线电流数据，并对电流数据做取正处理。在诊断算法中，每次运算和对比的是前、后1/2个工频周期内的待诊断数据，因此单次诊断的样本总体可视为一个完整的工频周期。考虑到特征提取环节和故障诊断环节是前后衔接关系，将这两个环节一并加以阐述。具体算法如下：馈线保护系统投运后，对各个模块单元作初始化处理，并启动对交流牵引网馈线电流数据的连续采集。判断馈电电流信号的大小。若达到触发阈值，说明该区段有电动车辆运行，并转入下一步骤；否则转入下一组电流数据的判断。预处理单元对第次采集到的馈线电流数据(单个工频周期)进行取正处理后，提取其前、后周期数据作为第次和第次馈线电流数据的待诊断样本。在偏度和峰度运算单元，依次计算第2n次和第2n+1次的待诊断样本偏度参数、和峰度参数、，并保存计算结果。定义、分别为第n次馈线电流的偏度特征值和峰度特征值，并定义为第n次馈线电流的偏峰度组合特征值。设为馈线电流偏峰度组合特征的整定值。若,则判定牵引网发生了故障；若,则判定牵引网正处于正常工作状态,并转入下一组数据的判断。该算法能显示电流变化趋势及电流对称和突变特征。1.3地铁牵引网建模地铁牵引变电所的功能是将交流10kV或35kV电压整流降压为直流1500V或750V。而RT-plus是针对电力系统开发的实时仿真平台，针对地铁直流牵引供电的模块并不完善，因此必须通过已有元件搭建适合牵引供电系统运行的模块。虽然各个城市地铁电压等级不同，但其牵引变电站内部结构完全相同。1.1.124脉波整流机组地铁牵引变电所的核心是牵引整流机组，牵引整流机组的设计决定了整个地铁直流牵引供电系统能否正常稳定运行。由于电力机车是非线性负载，在运行过程中会向电网注入谐波，对电网的电能质量产生不利的影响；为了降低直流电源的波动次数，减少谐波从而提升整体的供电水平，国内所有地铁集团在建设时均采用24脉波整流机组。如图3-4所示24脉波整流机组接线原理图。图3-424脉波整流变压器原理图如上图可知，两台变压器的高压侧绕组是通过延边三角形接法来进行移相。为了获取相同的线电压，整流变压器的低压绕组采用y和d的联结方式，这样变压器低压侧的输出电压相位都会依次间隔30°，即实现了12脉波整流系统。另外，若让其中一台变压器移相-7.5°，而另外一台变压器移相+7.5°，最后将两台整流机组并联在一起，即实现了24脉波整流系统，此时变压器低压侧输出的电压相位都会依次间隔15°。地铁直流牵引供电系统中整流部分低压侧的绕组电压向量图如图3-5所示。图3-5整流变压器阀侧电压向量图考虑到经济有效的原则，在三相桥式6脉波整流电路的基础上增加整流相数。为此，两个6脉波整流电路构成12脉波整流电路。如图3-6所示：图3-612脉波整流机组△/Y-△接线方式结构图而等效24脉波整流电路是由两个一周期内波动12次的整流电路以并联的形式构成的。每台12脉波整流变压器为一台三绕组变压器，原边采用延边三角形接法接35kV交流电，且在三角形的每个引出点再加一段绕组，构成移相角度分别为±7.5°的移相变压器，使得每个牵引变电所内并联运行的两台12脉波整流变压器的原边绕组分别移相+7.5°和-7.5°。副边为星形接法和三角形接法，分别接上整流桥。这样两个变压器输出的12脉波在相位上互差15°，经过叠加后形成24脉波。如图3-7为24脉波整流机组示意图。图3-724脉波牵引整流机组参考实际运行情况，本文设置牵引变电所的仿真模型中，电源为两路35kV的三相交流电，初始相位为+7.5°和-7.5°，频率为50Hz，牵引变压器联结方式为Dy11d0和Dy1d0，每一台整流器的空载电压为1660V，额定电压为1500V。1.1.2整流系统建模利用上述工程理论，搭建了基于Matlab/Simulink的24脉波牵引整流机组电路模型，如图3-8所示。图3-824脉波牵引整流机组电路模型图具体参数如表3-2所示：表3-2.整流机组参数设置名称参数设置名称参数设置