CN103941149B - 电气化铁道牵引网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

电气化铁道牵引网故障定位方法，涉及电气化铁道牵引网技术。本发明包括下述步骤：步骤1：监测电能质量数据，形成电压有效值矩阵U[k]、电压瞬时值矩阵u[k]、电流有效值矩阵I[k]、电流瞬时值矩阵i[k]；步骤2：计算基频电压有效值、实部和虚部，以及基频电流有效值、实部和虚部；步骤3：计算正常工作时基频电压的实部X_R，虚部X_I和有效值X_有效值；同理计算电流瞬时值以及基频电流有效值、实部和虚部；步骤4：设定各条馈线线路的短路电流阈值；步骤5：找出所有超过短路电流阈值的监测点；步骤6：查找故障线路；步骤7，确定故障发生的具体位置。本发明准确地通过傅里叶变换得到暂降过程的特征量。

Description

电气化铁道牵引网故障定位方法

技术领域

本发明涉及计算机技术，特别涉及电气化铁道牵引网技术。

背景技术

随着电气化铁道里程在我国现在的铁路运输比重中日益扩大，牵引网供电线路的不断增多，牵引网线路运行状况对铁路安全稳定运营有着举足轻重的作用，因此牵引网线路一旦发生了故障，我们必须尽快的找到故障点，并及时排除线路故障，才能恢复正常供电，确保铁路运行的安全。我国的电气化铁路牵引网负荷有一定的特殊性，运行比较灵活，经常容易发生故障，大部分的瞬时故障可以通过自动重合闸恢复正常。但是也有一些永久性的故障，一时难以修复，会给铁路运输造成极大的安全隐患。由于铁路系统是一个整体的系统，一条线路发生故障，其他测距装置的测量结果也会受到影响，一个牵引变电所通常会给多条线路并行供电，因此在进行故障定位之前，我们首先要确定故障所在的线路，再在故障线路上确定故障位置。

目前铁路线路故障测距方法主要有阻抗法和行波法，但是其只能对馈线故障进行定位。基于整个牵引变电所的故障定位却是一大技术难题，通过在每个监测点安装故障录波仪，观察故障电压电流波形，可以查找故障线路，但是故障录波仪一般用于高压场所，其成本颇高。也可以通过人工寻线的方式查找故障位置，但其费时费力，效率太低。

相关现有技术：

(1)电压暂降起始时刻的选择。第一种方法是将电压有效值跌落到正常值的90％作为电压暂降起始时刻。第二种方法是对原始采样信号选择适宜的窗函数进行短时傅里叶变换，可得到信号的频谱幅值分布图。如图1为加Blackman窗得到短时傅里叶变换各高频分量频谱图。选择3次与4次谐波分量的频谱序列和的峰值作为电压暂降起始时刻。第三种DB6小波法，该方法具有很强的奇异点检测能力，可以应用DB6小波对原始信号进行3尺度分解，选择高频系数模的极大值，从而确定扰动的起始时刻。

(2)电力系统中，可以通过相电流突变量法进行馈线故障判断。当相电流突变量超过设定的阈值且相电流的值由小变大，则判断发生故障。

Δi_k＝||i_k-i_k-N|-|i_k-N-i_k-2N||(6)

i_k-N为k时刻之前一周期的电流值，i_k-2N为k时刻之前两个周期的电流值。当Δi_k≥k×i_e表示发生短路故障。k为可靠系数，i_e为系统设置短路电流。这种方法是基于电流采样瞬时值进行故障判断，采样数据有很多的随机性，当采样数据过零点时，存在较大的误差。

(3)电力系统一般根据继电保护装置动作判断故障线路，但是对于一些严重的短路故障，可能存在越级跳闸现象，从而影响故障线路的正确查找。同时功率能量法也是寻找扰动源的一种方法，它是根据发生扰动时，瞬时功率与系统稳定时的瞬时功率之差求得扰动功率，进而求得扰动能量，再根据各个监测点的扰动能量流动方向确定扰动方向，结合各个监测点的扰动方向，可以确定故障线路。但是，扰动信号可大可小，扰动功率是一种交换功率，依据扰动功率和能量的扰动方向进行故障定位其结果并不可靠，可能会导致定位错误。

(4)行波法是在输电网的故障定位中应用非常广泛，在近几年中，该方法逐渐被应用到接触网的故障定位中。但是由于接触网结构复杂，增加了信号识别的难度，难以进行准确定位，并且行波法对于信号采样频率要求高(MHz)，投入成本较大，在接触网故障定位的实用性不高。

(5)目前应用较广泛的故障定位方法是阻抗法。阻抗法利用回路中的电抗值不受故障电阻影响的特点，通过测量和计算线路首端至故障点的线路电抗，根据传输线的线路电抗值与长度成正比的原则，即可确定故障距离，因方法原理简单、投资少，受到了大量科研人员的青睐，成为应用最为广泛的方法。然而在实际运行中，阻抗法并未能充分发挥出其精确定位的效果，其主要问题在于：接触网线路复杂，混合线路多，线路参数不准确等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种快速、准确的定位故障的电气化铁道牵引网故障定位方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，电气化铁道牵引网故障定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：监测电能质量数据，形成电压有效值矩阵U[k]、电压瞬时值矩阵u[k]、电流有效值矩阵I[k]、电流瞬时值矩阵i[k],其中k为以上各矩阵中数据的序号(k＝0,1,2…n)；

步骤2：在电压有效值矩阵U[k]中，确定电压有效值暂降到正常工作的百分比为A₁的电压有效值采样数据序号k₁，以及之后A₂个周波电压有效值采样数据序号k₂；

依据k₂值，在电压瞬时值矩阵u[k]中，取k₂到k_n范围的电压瞬时值数据存为矩阵x[k](k＝0,1,...,n，n∈Z,Z是正整数集合)，再循环取x[k]中的每个数值代入公式(1)、(2)、(3)的x(k)变量中进行运算，得到基频电压有效值、实部和虚部；

同理，在电流瞬时值矩阵u[k]中，取k₂到k_n范围的电流瞬时值数据，代入下述公式(1),(2),(3)，计算基频电流有效值、实部和虚部；

$X_R=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(k\right)cos\left(\frac{2\×50\mathrm{\π}k}{fs}\right)---\left(1\right)$

$X_I=-\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(k\right)sin\left(\frac{2\×50\mathrm{\π}k}{fs}\right)---\left(2\right)$

X_R，X_I和X_有效值分别为目标参数项的实部,虚部和有效值，fs为电能质量监测仪的采样频率,N为整数个周波采样点数；所述目标参数项为基频电压或者基频电流；当目标参数项为电流时，X_有效值为暂态电流有效值；

步骤3：同步骤2，将电压瞬时值矩阵u[k]从录波开始时刻起取A₃个周波电压瞬时值矩阵做为正常工作数据矩阵，循环取出此矩阵中的每个数值代入式(1)、(2)、(3)中的x(k)变量中进行运算，可得正常工作时基频电压的实部X_R，虚部X_I和有效值X_有效值；同理，电流瞬时值正常工作矩阵取值方式，以及基频电流有效值、实部和虚部计算方法与上述电压方式相同；

步骤4：根据实际铁路牵引变电所整定值文件，设定各条馈线线路的短路电流阈值；

步骤5：依步骤2得到的各监测点暂态电流有效值，同时依据步骤3得到正常运行时电流有效值，以及依据步骤4已经确定的短路电流阈值，根据故障判定原则I_{暂态电流有效值}-I_{正常状态电流有效值}>I_{短路电流阈值}找出所有超过短路电流阈值的监测点；

步骤6：按铁路牵引供电的电压等级，将各监测点分级，1级为27.5kv馈线，2级为小母线，3级为110kv主变线路，采用逐级索源法，自1级到3级逐步查找超过电流阈值的监测点，若找到有超过电流阈值的监测点即停止查找，同时将此监测点的对应线路作为故障线路；

步骤7，如果该故障为馈线故障，则利用分段电抗法确定馈线故障发生的具体位置；如果是主变或者是小母线故障，则直接确定故障源；

根据已知馈线各段单位电抗值X₁,X₂,...,X_n和步骤2计算得到的暂态数据(U_R、U_I、I_R和I_I)，根据公式(4)计算馈线发生故障后电压与电流的夹角θ，

θ＝arctan(U_I/U_R)-arctan(I_I/I_R)(4)

然后，根据公式(5)计算馈线当前状态的电抗值X_M：

$X_M=Z*sin\mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{{U_I}^2+{U_R}^2}}{\sqrt{{I_I}^2+{I_R}^2}}*sin\mathrm{\θ}---\left(5\right)$

其中U_I、U_R、I_I、I_R分别为故障时电压虚部、实部和电流虚部、实部，Z为馈线的阻抗。根据X_M和已知馈线各段的单位电抗值X₁,X₂,...,X_n，使用分段电抗法，计算可得到故障发生的位置；

前述A₁、A₂、A₃为预设值。

所述A₁＝90％，A₂＝2，A₃＝3。

●本发明具有的有益效果是：

(1)本发明对电压暂降暂态过程数据的选择，通过滤除电压暂降触发后前两个周波的不稳定状态得到暂降过程的平稳信号，便于准确地通过傅里叶变换得到暂降过程的特征量。其他方法则需要首先找出电压暂降起始时刻，短时傅里叶变换的窗函数选择不同，以及小波变换母小波的选择不同，都可能产生不同的电压暂降起始时刻。其次，就算找准电压暂降起始时刻，电压暂降起始阶段由于干扰会产生高频分量的波动，将这段波形也计入暂态过程，从而会影响暂态过程特征量的精度。

(2)本发明通过电流有效值变化量来判断线路运行状态。通过暂态过程电流有效值与正常状态电流有效值之差，与设定的电流阈值比较，从而确定故障线路。此方法基于有效值判断所以比相电流突变法更可靠。

(3)本发明采用逐级索源法确定故障线路。铁路上存在越级跳闸的现象，馈线发生短路故障，可能导致其上级监测点数据超过短路电流阈值。本发明将牵引变电所线路按电压等级分为3级，从低电压侧的馈线电流逐级向上查找，直到某一级有线路电流超过阈值为止。这样不会因为存在多个监测点电流超过过阈值而产生误判。而且铁路故障多为馈线短路，本发明从馈线开始查找，便于快速确定故障线路。此外，阻抗法和行波法只能找到馈线故障，无法找到牵引网变电站内变压器及母线的故障。

附图说明

图1是短时傅里叶变换各高频分量频谱图。

图2是电压瞬时值及对应有效值波形。

图3是铁路监测点分级图。

图4是规则树原则示意图。

图5是本发明的馈线故障定位方法流程图。

图6是铁路分级故障定位流程图。

具体实施方式

本发明的重要特点是：

1)对电压暂态平稳信号的提取采用滤除前2个周波不稳定信号，这样求得的暂态信号更加准确。

2)将铁路线路分级采用逐级索源法查找故障线路。

电能质量监测仪提供监测数据(暂态录波文件)，电能质量监测仪为现有的成熟产品，广泛应用于电气化铁道。

更具体的实施方式：

基于电能质量监测数据的电气化铁道故障定位方法,步骤为：

步骤1，当有电压暂降发生时，电能质量监测仪产生暂态录波文件(.DAT文件)，根据数据解析配置文件(.CFG文件)，用系统软件进行解析后，形成电压有效值矩阵U[k]、电压瞬时值矩阵u[k]、电流有效值矩阵I[k]、电流瞬时值矩阵i[k]。其中k为以上各矩阵中数据的序号(k＝0,1,3…n)。

如图2所示，解析后为某馈线的电压瞬时值及有效值对应波形图，从图中我们可以看出，在1830点时电压暂降水平达到故障录波的水平(正常运行时电压有效值的90％)，监测仪录波产生如图2所示的电压波形，同时相应的也会记录对应线路的电流波形。

步骤2，如图2所示，在电压有效值矩阵U[k]中，确定电压有效值暂降到正常工作的90％时的电压有效值采样数据序号k₁(1830)，和该点之后两个周波电压有效值采样数据序号k₂(2954＝1830+512*2)，然后依据k₂值，在电压瞬时值矩阵u[k]中，取k₂到k_n范围的电压瞬时值存入矩阵x[k](k＝0,1,...,n，n∈Z,Z是正整数集合)，再循环取x[k]中的每个数值代入公式(1)、(2)、(3)的x(k)变量中进行运算，可得基频电压有效值、实部和虚部。同理，电流瞬时值矩阵i[k]中，k₂到k_n范围的瞬时值数据取值方式，以及基频电流有效值、实部和虚部计算方法与上述电压方式相同。

$X_R=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(k\right)cos\left(\frac{2\×50\mathrm{\π}k}{fs}\right)---\left(1\right)$

$X_I=-\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(k\right)sin\left(\frac{2\×50\mathrm{\π}k}{fs}\right)---\left(2\right)$

X_R，X_I和X_有效值分别为基波电压电流的实部,虚部和有效值，fs为电能质量监测仪的采样频率,一般为25600Hz，铁路工频周期为50Hz，因此一个周波采样点数为512点，N为整数个周波采样点数(一般取N＝10个周波采样点数)。

步骤3，同步骤2，将电压瞬时值矩阵u[k]从录波开始时刻起取3个周波电压瞬时值矩阵做为正常工作数据矩阵，如图2中k₀到k'₁范围瞬时值数据，循环取出此矩阵中的每个数值代入式(1)、(2)、(3)中的x(k)变量中进行运算，可得正常工作时基频电压的实部X_R，虚部X_I和有效值X_有效值。同理，电流瞬时值正常工作矩阵取值方式，以及基频电流有效值、实部和虚部计算方法与上述电压方式相同。

步骤4，根据实际铁路牵引变电所整定值文件，设定各条馈线线路的短路电流阈值。中级小母线和下级馈线的电流阈值，通过电流增量保护动作电流值来确定。上级110kv主变的电流阈值，通过差动速断A相、B相或C相动作电流保护值的最小值来确定。

步骤5，依步骤2得到的各监测点暂态电流有效值，同时依据步骤3得到正常运行时电流有效值，以及根据步骤4已经确定的短路电流阈值，根据故障判定原则I_{暂态电流有效值}-I_{正常状态电流有效值}>I_{短路电流阈值}找出所有超过短路电流阈值的监测点。例如：结合表1、表2、表3、表4可知只有客天上行线路暂态数据419.34(536.92–117.58)大于电流阈值330.13，其他线路同理。

步骤6，按铁路牵引供电的电压等级，将各监测点分级图3所示，1级为27.5kv馈线(判断优先级最高)，2级为小母线(判断优先级次高)，3级为110kv主变线路(判断优先级最低)。采用逐级索源法如图4所示，自1级到3级逐步查找超过电流阈值的监测点，只要找到有超过电流阈值的监测点即停止查找，同时将此监测点的对应线路作为故障线路。

步骤7，如果该故障为馈线故障，则利用分段电抗法确定馈线故障发生的具体位置。如果是主变或者是小母线故障，则可以直接确定故障源。

根据已知馈线各段单位电抗值X₁,X₂,...,X_n和步骤2计算得到的暂态数据(U_R、U_I、I_R和I_I)，根据公式(4)计算馈线发生故障后电压与电流的夹角θ，

θ＝arctan(U_I/U_R)-arctan(I_I/I_R)(4)

然后，根据公式(5)计算馈线当前状态的电抗值X_M：

$X_M=Z*sin\mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{{U_I}^2+{U_R}^2}}{\sqrt{{I_I}^2+{I_R}^2}}*sin\mathrm{\θ}---\left(5\right)$

其中U_I、U_R、I_I、I_R分别为故障时电压虚部、实部和电流虚部、实部，Z为馈线的阻抗。根据X_M和已知馈线各段的单位电抗值X₁,X₂,...,X_n，使用分段电抗法，计算可得到故障发生的位置。操作步骤如下：

1)确定各监测点馈线分段配置表如表5所示。

2)馈线故障位置定位方法如图5所示。

全部发明方法实施流程如图6所示。

附表为实际监测数据：作为实际应用举例。

表1下级27.5kv馈线监测数据

1级27.5kv馈线	客天下行	客天上行	交大线	客郫东下行	客郫东上行
						I正常电流有效值(A)	5.626	117.58	0.03	10.90	14.01
I暂态电流有效值(A)	5.565	536.92	0.037	10.88	14.39

表2中级小母线监测数据

2级小母线数据	中级小母线1	中级小母线2(备用)
			I正常电流有效值(A)	179.22	0.147
I暂态电流有效值(A)	626.53	0.167

表3上级高压侧主变监测数据

表4结合铁路运行继保参数设定各运行线路的电流阈值表

表5牵引变电站馈线分段配置表

说明书已经充分说明本发明的原理及必要技术内容，普通技术人员能够依据说明书予以实施，故不再赘述更详细的细节。

Claims (2)

1.电气化铁道牵引网故障定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：监测电能质量数据，形成电压有效值矩阵U[k]、电压瞬时值矩阵u[k]、电流有效值矩阵I[k]、电流瞬时值矩阵i[k],其中k为以上各矩阵中数据的序号(k＝0,1,2…n)；

步骤2：在电压有效值矩阵U[k]中，确定电压有效值暂降到正常工作的百分比为A₁的电压有效值采样数据序号k₁，以及之后A₂个周波电压有效值采样数据序号k₂；

依据k₂值，在电压瞬时值矩阵u[k]中，取k₂到k_n范围的电压瞬时值数据存为矩阵x[k](k＝0,1,...,n，n∈Z,Z是正整数集合)，再循环取x[k]中的每个数值代入公式(1)、(2)、(3)的x(k)变量中进行运算，得到基频电压有效值、实部和虚部；

同理，在电流瞬时值矩阵u[k]中，取k₂到k_n范围的电流瞬时值数据，代入下述公式(1),(2),(3)，计算基频电流有效值、实部和虚部；

$X_R=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(k\right)cos\left(\frac{2\×50\mathrm{\π}k}{fs}\right)---\left(1\right)$

$X_I=-\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(k\right)sin\left(\frac{2\×50\mathrm{\π}k}{fs}\right)---\left(2\right)$

X_R，X_I和X_有效值分别为目标参数项的实部,虚部和有效值；

fs为电能质量监测仪的采样频率,N为整数个周波采样点数；所述目标参数项为基频电压或者基频电流；当目标参数项为电流时，X_有效值为暂态电流有效值；

步骤3：将电压瞬时值矩阵u[k]从录波开始时刻起取A₃个周波电压瞬时值矩阵做为正常工作数据矩阵，循环取出此矩阵中的每个数值代入式(1)、(2)、(3)中的x(k)变量中进行运算，可得正常工作时基频电压的实部X_R，虚部X_I和有效值X_有效值；同理，电流瞬时值正常工作矩阵取值方式，以及基频电流有效值、实部和虚部计算方法与上述电压方式相同；

步骤4：根据实际铁路牵引变电所整定值文件，设定各条馈线线路的短路电流阈值；

步骤5：依步骤2得到的各监测点暂态电流有效值，同时依据步骤3得到正常运行时电流有效值，以及依据步骤4已经确定的短路电流阈值，根据故障判定原则I_{暂态电流有效值}-I_{正常状态电流有效值}>I_{短路电流阈值}找出所有超过短路电流阈值的监测点；

步骤6：按铁路牵引供电的电压等级，将各监测点分级，1级为27.5kv馈线，2级为小母线，3级为110kv主变线路，采用逐级索源法，自1级到3级逐步查找超过电流阈值的监测点，若找到有超过电流阈值的监测点即停止查找，同时将此监测点的对应线路作为故障线路；

步骤7，如果该故障为馈线故障，则利用分段电抗法确定馈线故障发生的具体位置；如果是主变或者是小母线故障，则直接确定故障源；

根据已知馈线各段单位电抗值X₁,X₂,...,X_n和步骤2计算得到的暂态数据(U_R、U_I、I_R和I_I)，根据公式(4)计算馈线发生故障后电压与电流的夹角θ，

θ＝arctan(U_I/U_R)-arctan(I_I/I_R)(4)

然后，根据公式(5)计算馈线当前状态的电抗值X_M：

$X_M=Z*sin\mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{{U_I}^2+{U_R}^2}}{\sqrt{{I_I}^2+{I_R}^2}}*sin\mathrm{\θ}---\left(5\right)$

其中U_I、U_R、I_I、I_R分别为故障时电压虚部、实部和电流虚部、实部，Z为馈线的阻抗；根据X_M和已知馈线各段的单位电抗值X₁,X₂,...,X_n，使用分段电抗法，计算可得到故障发生的位置；

前述A₁、A₂、A₃为预设值。

2.如权利要求1所述的电气化铁道牵引网故障定位方法，其特征在于，所述A₁＝90％，A₂＝2，A₃＝3。