鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別方法研究

蔣忠浩

摘要：為了提高鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障的識(shí)別率，優(yōu)化故障識(shí)別效果，開展了牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別方法的全方位深入研究。首先，采集代表鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障特征的模擬信號(hào)，基于EEMD原理，對(duì)采集到的故障信號(hào)進(jìn)行去噪處理，獲取故障信號(hào)IMF分量。其次，提取故障信號(hào)的頻帶局部能量特征。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)故障性質(zhì)識(shí)別算法，識(shí)別牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，應(yīng)用提出的故障識(shí)別方法后，6個(gè)線路區(qū)段的斷線接地故障識(shí)別率均達(dá)到了98%以上，識(shí)別效果優(yōu)勢(shì)顯著。

關(guān)鍵詞：電牽引變壓器；接觸網(wǎng)；斷線；接地故障；識(shí)別

0? ?引言

鐵道供電牽引變壓器在廣義角度上，指的是向電力機(jī)車車頭供電的變壓器，為電力機(jī)車提供所需電源，以對(duì)保證電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

鐵道供電牽引變壓器在運(yùn)行過程中，受到運(yùn)行環(huán)境條件、氣象條件的影響，其運(yùn)行存在一定的不確定性，接觸網(wǎng)容易發(fā)生斷線接地故障，降低牽引變壓器運(yùn)行的安全性與可靠性，導(dǎo)致鐵道電力機(jī)車發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)現(xiàn)象[2]。對(duì)此需要采用科學(xué)合理的接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別方法，實(shí)時(shí)對(duì)鐵道供電牽引變壓器的運(yùn)行工況做出檢測(cè)，識(shí)別其中潛在的斷線接地故障隱患，及時(shí)根據(jù)故障識(shí)別結(jié)果，制定相應(yīng)的故障解決方案[3]。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別方法多數(shù)采用文獻(xiàn)[4]提出的方法。該方法在實(shí)際運(yùn)行過程中，適用范圍有限，當(dāng)鐵道供電牽引變壓器供電結(jié)構(gòu)復(fù)雜、供電分區(qū)較多時(shí)，該方法不能全方位地識(shí)別出故障隱患，故障位置難以確定，識(shí)別效率與準(zhǔn)確率均較低[4]。為了改善這一問題，本文開展鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別方法的全方位深入研究。

1? ?變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別流程

1.1? ?故障信號(hào)采集與去噪處理

1.1.1? ?故障信號(hào)采集

依據(jù)數(shù)字離散化信號(hào)采集原理，采集能夠代表鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障特征的模擬信號(hào)[5]。將采集到的故障信號(hào)輸入到濾波器中，初步過濾其中與故障信號(hào)無關(guān)的高頻信號(hào)與低頻信號(hào)。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換作用，上傳至故障監(jiān)控中心[6]。

在此基礎(chǔ)上，基于EEMD去噪原理，對(duì)采集到的接觸網(wǎng)斷線接地故障信號(hào)進(jìn)行去噪處理，解決信號(hào)時(shí)頻分析效果不佳問題，為后續(xù)故障信號(hào)頻帶局部能量特征提取奠定良好基礎(chǔ)。

1.1.2? ?故障信號(hào)去噪處理

在采集到的鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障信號(hào)中，加入隨機(jī)白噪聲，設(shè)定加入的隨機(jī)白噪聲的總運(yùn)行次數(shù)為，根據(jù)牽引變壓器的實(shí)際運(yùn)行工況特征，設(shè)置隨機(jī)白噪聲幅值[7]。

牽引變壓器第次運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的混合信號(hào)計(jì)算公式如下：

（1）

其中：hi（t）表示第i次輸入的白噪聲。

使用EMD分解方法，對(duì)供電牽引變壓器第次運(yùn)行時(shí)的混合信號(hào)xi（t）進(jìn)行分解，獲取分解后的待分析故障信號(hào)，其表達(dá)式如下：

（2）

其中，uk（t）表示第k個(gè)故障信號(hào)IMF分量；K表示分解后獲取到的故障信號(hào)IMF分量總和。

判斷分解混合故障信號(hào)后的IMF分量，若k＜K，則重復(fù)上述步驟2與步驟3，每重復(fù)一次，k的值增加1，直至k=K，獲取最終的故障信號(hào)IMF分量。

在運(yùn)行M次后，總共加入了M次白噪聲，計(jì)算故障信號(hào)去噪處理后的總體平均值，計(jì)算公式如下：

（3）

其中，u—k（t）表示去噪處理均值計(jì)算后的第k個(gè)故障信號(hào)IMF分量，將其作為鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障信號(hào)，用于后續(xù)研究。

1.2? ?故障信號(hào)頻帶局部能量特征提取

基于上述鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障信號(hào)采集與去噪處理完畢后，獲取到斷線接地故障信號(hào)。接下來，提取上述故障信號(hào)的頻帶局部能量特征。

首先，利用行波采集裝置，對(duì)鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)的行波數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的采樣，讀取采集到的原始行波信號(hào)[8]。選定行波信號(hào)，利用小波包原理，對(duì)行波信號(hào)進(jìn)行分解與重構(gòu)，獲取行波信號(hào)從低頻到高頻的小波包分解系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，求解小波包分解重構(gòu)后接觸網(wǎng)斷線接地故障信號(hào)頻帶的局部能量，表達(dá)式如下所示：

（4）

其中，Ej表示第個(gè)故障信號(hào)頻帶的總能量；di（k）表示小波包分解后的故障信號(hào)頻帶重構(gòu)系數(shù)；N表示故障信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)目。對(duì)計(jì)算獲取到的故障信號(hào)頻帶總能量進(jìn)行歸一化處理，表達(dá)式如下：

（5）

其中，ei表示故障信號(hào)頻帶局部能量特征；Ei表示故障信號(hào)頻帶局部能量特征向量。通過上述表達(dá)式，獲取到故障信號(hào)頻帶局部能量特征，實(shí)現(xiàn)特征提取目標(biāo)。

1.3? ?接觸網(wǎng)斷線接地故障性質(zhì)識(shí)別算法設(shè)計(jì)

在上述故障信號(hào)頻帶局部能量特征提取完畢后，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別算法，通過該算法，全方位、多維度地識(shí)別故障隱患。

本文設(shè)計(jì)的鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障性質(zhì)識(shí)別算法流程，如圖1所示。

如圖1所示，首先，根據(jù)上述采集到的牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障行波數(shù)據(jù)，確定故障行波波頭位置，進(jìn)而初始獲取故障行波波頭與反射波頭的極性。判斷故障行波波頭與反射波頭的極性是否相同，若極性相同，且上述提取到的故障信號(hào)頻帶局部能量特征集中在第一頻段，則說明牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障屬于短路故障，完成故障性質(zhì)識(shí)別[9]。

若故障行波波頭與反射波頭的極性不同，且上述提取到的故障信號(hào)頻帶局部能量特征未集中在第一頻段，則說明牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障屬于開路故障，完成故障性質(zhì)識(shí)別。

2? ?實(shí)驗(yàn)分析

在提出的識(shí)別方法投入實(shí)際鐵道供電工程使用前，需要對(duì)該方法的可行性及故障識(shí)別效果作出全方位、多維度的客觀檢驗(yàn)。確認(rèn)該方法的識(shí)別效果能夠達(dá)到預(yù)期要求后，方可投入實(shí)際工程使用。基于此，開展了如下文所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。

2.1? ?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文以某地區(qū)R鐵道供電工程作為此次研究對(duì)象。R鐵道供電工程采用有源配電網(wǎng)系統(tǒng)，其電源中性點(diǎn)不接地，總共布設(shè)了4條饋線，均采用架空線-電纜混合線路。

為了使實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程較為簡(jiǎn)便，將鐵道供電牽引變壓器所帶負(fù)荷設(shè)定為配電容量的80%，將功率因數(shù)設(shè)定為0.95，將供電牽引系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)不同的區(qū)段。各個(gè)區(qū)段的具體參數(shù)如表1所示。

通過表1獲取到該鐵道供電工程中線路區(qū)段對(duì)應(yīng)的參數(shù)。在6個(gè)線路區(qū)段的不同位置上，設(shè)置多個(gè)單相斷線金屬性接地故障點(diǎn)。利用上述本文提出的故障識(shí)別方法，在理想狀態(tài)下，進(jìn)行牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障突變點(diǎn)識(shí)別，開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.2? ?結(jié)果分析

將上述本文提出的鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[2]提出的基于智能融合終端的故障識(shí)別方法、文獻(xiàn)[3]提出的基于正序電壓差的故障識(shí)別方法，分別設(shè)置為對(duì)照組1與對(duì)照組2。模擬上述3種方法的接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別全過程，獲取識(shí)別結(jié)果，并作出客觀對(duì)比。以此種對(duì)比分析的形式，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的說服力，避免單一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在主觀性。

選取牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別率作為此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算表達(dá)式如下：

（6）

其中，Q表示R鐵道供電工程中牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別率；Rm表示被正確識(shí)別的牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障數(shù)目；R表示牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障總數(shù)目。越大，說明被正確識(shí)別的牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障數(shù)目越多，故障識(shí)別準(zhǔn)確性越高，識(shí)別效果越好，反之同理。

利用MATLAB模擬分析軟件，模擬上述3種故障識(shí)別方法運(yùn)行的全過程，判斷識(shí)別過程中是否存在異常問題，測(cè)定并計(jì)算6個(gè)牽引變壓器線路區(qū)段接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別率，作客觀對(duì)比。實(shí)驗(yàn)性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

通過圖2的實(shí)驗(yàn)測(cè)試性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可以看出，本文提出的故障識(shí)別方法應(yīng)用后，牽引變壓器6個(gè)線路區(qū)段的斷線接地故障識(shí)別率，始終高于另外兩個(gè)對(duì)照組，均達(dá)到了98%以上，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)潛在的接地故障隱患提高鐵道供電的安全性與可靠性，可行性較高，故障識(shí)別效果優(yōu)勢(shì)顯著。

3? ?結(jié)束語

綜上所述，為了提高鐵道供電牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障的識(shí)別率，優(yōu)化故障識(shí)別效果，本文開展接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別方法的全方位研究。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可知，應(yīng)用本文提出的識(shí)別方法后，牽引變壓器接觸網(wǎng)斷線接地故障識(shí)別率得到了顯著提升，均達(dá)到了98%以上，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出接觸網(wǎng)運(yùn)行過程中潛在的斷線接地故障隱患，對(duì)促進(jìn)鐵道供電牽引變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要研究意義。

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