CN116679236A - 基于lsm的地铁接触网短路阻抗、短路模拟测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于LSM的地铁接触网短路阻抗、短路模拟测试方法及系统，涉及城市轨道交通技术领域，解决现有短路试验装置难以直接应用于直流地铁接触网系统的问题；本发明包括如下步骤：S1：在地铁接触网的近端或者远端设置短路点；S2：在短路点一侧加载通电时间可控的直流电源信号进行短路试验；S3：双通道同步采样电压电流数字信号，并传输至工控电脑；S4：基于电压电流数字信号，采用简化RL模型指数曲线拟合计算短路点一侧线路阻抗；本发明采用低压直流信号进行模拟测量，较为真实地还原了接触网的电气参数和运行状态，为检验继电保护系统的完整性提供的实验支撑；有效的减少了对短路测试电气设备的损害，提高了短路测量的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及基于LSM的地铁接触网短路阻抗、短路模拟测试方法及系统。
背景技术
地铁接触网系统是牵引网中直接与机车受电弓(集电靴)摩擦受流的系统，其具有电压高(国内一般采用直流1500V)，电磁环境复杂、无备用，发生短路故障概率高的特征。为了减少短路故障对接触网的影响，在接触网线路上设置了如大电流脱扣、电流变化率等继电保护系统，用以在短路故障发生时及时切断电源，保护相关设备安全。因此，继电保护系统对接触网运行状态的判断是否准确，继电保护系统的动作是否迅速成为接触网能否被有效保护的关键。
新建线路在运行开通前，采用接触网高压短路试验测试高压系统的耐压性、验证继电保护系统整定计算的准确性及检验保护系统的有效性。但是，地铁接触网的高压短路试验存在以下问题：(1)直流屏柜短路放电直接烧毁设备，人员安全易受到威胁，存在安全隐患。(2)直接造成接触网、隔离开关、高压屏柜等主要设备老化，影响使用寿命。(3)需要多部门人员密切配合，参与人员多，耗费工时长。(4)测试设备种类多、数量大、安设位置分散，主要设备价格昂贵、易损坏。
为解决上述问题，现有技术中涉及一种施加0～1650V可变直流高压接触网送电检测装置，能验证的接触网绝缘情况，但是采用高压试验未提高短路试验的安全性，也难以计算线路阻抗。现有技术中涉及一种铁路牵引供电短路试验装置，该装置以DSP数字信号处理器为内核，采用异频电源加权的方式有效规避了工频交流信号的干扰，能够有效地测量高速铁路接触网的线路阻抗，具有一定创新性和实用性。但是由于供电制式不同难以直接应用于直流地铁接触网系统，同时该设备体积较大，重量不轻也成为其推广的阻碍。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明拟提供了基于LSM的地铁接触网短路阻抗、短路模拟测试方法及系统，拟解决现有短路试验装置难以直接应用于直流地铁接触网系统的问题。
基于LSM的地铁接触网短路阻抗测试方法，包括以下步骤：
S1：在地铁接触网的近端或者远端设置短路点；
S2：在短路点一侧加载通电时间可控的直流电源信号进行短路试验；
S3：双通道同步采样电压电流数字信号，并传输至工控电脑；
S4：基于电压电流数字信号，采用简化RL模型指数曲线拟合计算短路点一侧线路阻抗。
优选的，所述步骤S2中短路测试直流电源为50V。
优选的，所述S4的详细过程为：
S4.1：在测试线路电流参数进入稳定态即di/dt＝0时，将短路测试采样平均稳态电压uw和平均稳态电流iw分别相除，即线路电阻：
S4.2：简化RL模型下基于LSM方法的曲线拟合线路阻抗测试方法求线路电感Ls。
优选的，所述S4.2的详细步骤如下：
S4.2.1:测试电源导通瞬间为t0时刻，同步数据采样中的电流分别为in(i1、i2、i3···)，电压值分别为un(u1、u2、u3···)。τ为时间常数，T为采样周期。那么拟合曲线：
S4.2.2:采用最小二乘法(LSM)求解的目标方程为：
t0为采样周期，令k∈(0,1)那么：
由于在实际测量时，n为定值，in也为定值，那么对F(k)求得导数并令其等于0则有：
令F′(k)＝2iw∑n[iwk2n-1+(in-iw)kn-1]＝0 (6)
公式7为一元高次方程求实数解，采用牛顿迭代法求解：
计算过程中先估算阻抗再估算时间常数，最后计算k1的近似值而后进行迭代直至数据收敛至ka+1；其中ka为表示k的第a-1次迭代，经过多次迭代直至|ka+1-ka|≤0.0001，ka+1收敛；求出τ的实际值τa+1为
线路电感求解公式:
Ls＝Rd·τa+1(9)。
优选的，在基于LSM的地铁接触网短路阻抗测试方法的基础上还包括如下步骤：
S5：重复S2、S3、S4分别求出短路点两侧的线路参数，利用所求线路参数构建双边供电模型；
S6：基于双边供电模型计算模拟短路电流。
优选的，所述S6详细步骤为：基于双边供电模型，分别求得两侧单独供电时的短路电流，再利用电路的叠加原理获取双边短路电流。
基于LSM的地铁接触网短路模拟测试系统，包括硬件模块和软件模块，所述硬件模块用于实现短路试验并采集记录短路试验过程中的数据，所述数据包括电流和电压，所述软件模块用于配置短路试验的参数并处理分析硬件模块采集记录的数据计算线路阻抗。
优选的，所述硬件模块包括直流电源模块、脉冲信号触发控制模块、数字信号采样模块、工控电脑及传输系统；所述直流电源模块产生低压直流电源直接连接接触网与钢轨，形成闭合回路，所述脉冲信号触发控制控制模块实现发生信号的触发时间与脉冲信号持续时间的控制，所述数字采样模块负责将接触网与钢轨回流上的电压和电流的采样与上传，工控电脑可以实现采样数据的接收与保存。
优选的，所述软件模块包括线路参数记录单元、数据处理单元以及图形展示单元，其中线路参数记录单元用于记录硬件模块采集的数据，所述数据处理单元用于对线路参数记录单元记录的数据进行分析处理计算线路阻抗，所述图形展示单元既可以展示线路参数记录单元中记录的数据也可以展示数据处理单元处理计算的结果。
本发明的有益效果包括：
(1)采用低压交流信号进行模拟短路测量时线路阻抗与电压无关，能够较为真实地还原了接触网的电气参数和运行状态，为检验继电保护的完整性提供的实验支撑；
(2)开发了轻便灵巧的专用系统，大大缩短了接触网短路测试的准备周期，降低了准备的复杂度和测试过程的人员投入；
(3)设备破坏性小，使用此系统的装置进行的短路试验绝缘破坏性小，可大大减缓设备老化，大幅降低了设备更新换代支出。
附图说明
图1为背景技术中传统方法效果图。
图2为实施例1基于LSM的地铁接触网短路模拟测试方法流程图。
图3为实施例1测试线路电流参数进入稳定态的曲线图。
图4为实施例3硬件模块的具体电路结构图。
图5为实施例2双边供电数学模型图。
图6为实施例3地铁接触网短路试验电气参数分析软件的主界面。
图7为实施例3一侧线路阻抗计算及曲线拟合结果。
图8为实施例3另一侧线路阻抗计算及曲线拟合结果。
图9为实施例3预测地铁接触网1500V直流双边供电情况下的电流变化趋势。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
下面结合附图2对本发明的具体实施例做详细的说明；
基于LSM的地铁接触网短路阻抗测试方法，包括以下步骤：
S1：在地铁接触网的近端或者远端设置短路点；
S2：在短路点一侧加载通电时间可控的直流电源信号进行短路试验；
S3：双通道同步采样电压电流数字信号，并传输至工控电脑；
S4：基于电压电流数字信号，采用简化RL模型指数曲线拟合计算短路点一侧线路阻抗。
S4.1：在测试线路电流参数进入稳定态即di/dt＝0时，将短路测试采样平均稳态电压uw和平均稳态电流iw分别相除，即线路电阻：
其中稳态是指在接触网与回流线的两端施加低压脉冲信号，线路上的电流将会产生的典型的充电过程，由0逐渐到电流最大值振荡然后趋于稳态，如图3所示；
S4.2：简化RL模型下基于LSM方法的曲线拟合线路阻抗测试方法求线路电感Ls。
S4.2.1:测试电源导通瞬间为0时刻，同步数据采样中的电流分别为in(i1、i2、i3···)，电压值分别为un(u1、u2、u3···)。τ为时间常数，T为采样周期。那么拟合曲线：
S4.2.2:采用最小二乘法求解的目标方程为：
t0为采样周期，令k∈(0,1)那么：
由于在实际测量时，n为定值，in也为定值，那么对F(k)求得导数并令其等于0则有：
令F′(k)＝2iw∑n[iwk2n-1+(in-iw)kn-1]＝0 (6)
公式7为一元高次方程求实数解，采用牛顿迭代法求解：
通过估算可知其中ka表示k的第a-1次迭代，经过多次迭代直至|ka+1-ka|≤0.0001时ka+1收敛，求出τ的实际值τa+1为：
最后，可以求得线路电感:
Ls＝Rd·τa+1 (9)
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供一种短路模拟测试方法，在实施例1的步骤基础上还包括：
S5：重复S2、S3、S4分别求出短路点另一侧的线路参数，利用所求两侧线路参数构建双边供电模型；
S6：基于双边供电模型计算模拟短路电流；
基于双边供电模型，分别求得两侧单独供电时的短路电流，再利用电路的叠加原理获取双边短路电流；
由于地铁接触网采用双边供电因此输电线路一般可以等效为如图5所示电路。输电线路对地电容一般比较小，可忽略不计，即忽略C1、C2。由于左右两边均采用1500V直流供电，那么直流双边供电模型可近似等效于Rd1、Ls1与Rd2、Ls1分别串联再并联的电路，短路点近似电流预测公式为：
两侧各电流预测计算公式分别为：
其中U为单边供电的直流电压，τ1、τ2分别为两侧的时间常数，可用公式(10)分别求解，ε(t-t0)为阶跃函数。用叠加定理可求得短路点电流预测公式为：
i(t)＝i1(t)+i2(t) (11)
式中ε(t-t0)指阶跃信号，A表示电流单位；
地铁直流牵引变电所输出功率大，内阻小，输出电压稳定；因此，可分别求得单电源时，另一电源置0时的短路电流，再利用电路的叠加原理模拟短路点短路电流变化曲线，同时也可仿真线路短路点两边线路电流。
实施例3
参照附图3、4、6、7、8、9基于LSM的地铁接触网短路模拟测试系统，应理解，该系统与上述附图2方法实施例对应，能够执行附图2方法实施例涉及的各个步骤，基于LSM的地铁接触网短路模拟测试系统，包括硬件模块和软件模块，所述硬件模块用于实现短路试验并采集记录短路试验过程中的数据，所述数据包括电流和电压，所述软件模块用于配置短路试验的参数并处理分析硬件模块采集记录的数据计算线路阻抗。
所述硬件模块包括直流电源模块、脉冲信号触发控制模块、数字信号采样模块、工控电脑及传输系统；所述直流电源模块产生低压直流电源直接连接接触网与钢轨，形成闭合回路，所述脉冲信号触发控制控制模块实现发生信号的触发时间与脉冲信号持续时间的控制，所述数字采样模块负责将接触网与钢轨回流上的电压和电流的采样与上传，工控电脑可以实现采样数据的接收与保存。
所述软件模块包括线路参数记录单元、数据处理单元以及图形展示单元，其中线路参数记录单元用于记录硬件模块采集的数据，所述数据处理单元用于对线路参数记录单元记录的数据进行分析处理计算线路阻抗，所述图形展示单元既可以展示线路参数记录单元中记录的数据也可以展示数据处理单元处理计算的结果。
具体工作内容如下：
1、硬件模块
1)直流电源模块
直流电源模块主要有两路电源:一路直接取用220V单相交流电经变压器变压为36V交流电压，该变压器也起到隔离输入输出电路的作用，经桥式整流电路将单相交流电整流为脉动直流信号，然后选用C1、C2、C3三个电并联为大电容将将脉动直流滤波为稳定50V直流信号作为短路测试电源。其中单个电容为0.18F，总电容为0.54F；直流电源模块的正负极分别通过继电器K1再由200A回路测试线(红黑)分别引出。
另外一路直接将220V单相交流电整流降压为12V直流电为脉冲信号触发控制、电压电流数字信号采样模块提供信号电源。
2)通电时间控制模块
虽然测试电压得到了大幅度的降低，但是由于短路试验的短路电流依然很高。如果长时间受到持续短路电流的冲击，产生的大量焦耳热对接触网设备产生一定的损害。因此，直流电源采用通电延时开关控制短路试验信号的开断时间，大大缩短了短路电流对设备冲击的持续时间，减少了冗余数据的出现，方便了后续数据的采样和分析处理。
选用的通电延时模块具有闭合延时再断开的特性。它直接取用经双极触发按钮发出12V直流电源，再经过Relay-SPST继电器线圈实现通电时间控制。当需要控制通电时间时，通过手动按动(或软件触发)双极触发按钮，其中一极经通电延时模块端钮3和GND控制端钮4、Relay-SPST继电器的线圈、端钮6回路现实直流电源延时控制。通电延时模块四个拨码开关的位置(0或1)实现延时时间的控制。如1000，表示延时0.6s，即600ms。
3)采样模块
由于高压短路试验持续时间短，电流变化大，为了更好的对数据进行分析和传输，因此选用某高速AD采集器进行电流电压同步采样。
a、电压采样
选用的高速AD采样器最大仅能采样12V电压信号，因此在直流电源末端正负极间由R1、R2两电阻分压，R1、R2电阻分别100kΩ、10kΩ。采样点选在R1、R2电阻之间，通过导线介入高速AD采样器的端钮5(电压采样)。
b、电流采样
由于短路时电流较大，因此选用75MV，200A分流器串入直流回路，再将分流两端分别接入电流采样隔离器，隔绝测试回路与控制回路。最后将电流采样隔离器接入高速AD采样器端钮3(电流采样)，实现电流采样。
2、软件模块
采用C#语言开发一套地铁接触网短路试验参数配置与数据处理软件，该软件的主界面包括数据处理功能单元、线路参数记录单元、图形展示单元。
系统使用方法：如图6所示，读取硬件模块采集记录的原始数据到内存(CSV格式)，原始数据文件(CSV格式)中保存的数据分为两列，第一列为电流、第二列为电压。由于AD高速采集器中的采集到的电流数据和电压转化为模拟量时等比例缩小了40倍(以A为单位)和10倍(以V为单位)。因此，需要对CSV格式的表进行处理，当读取文件完成后，可以将内存中的数据进行修改并保存为以“原文件名+(数据处理).cvs”的文件名进行存储新的数据。
点击“阻抗计算”按钮，在图形展示单元会自动绘制经过处理后的纵坐标为电压电流，横坐标为时间的图形，其中图形包括短路点一侧的实测电压、实测电流以及拟合电流曲线，如图7所示，同时在图形展示单元上方展示计算的线路电阻R和线路电感L的值。点击“记录”按钮，会将本次测量的线路参数R、L分别记录到数据记录单元的表格中的Rd1与Ls1相应位置。
重复以上操作，在图形展示单元会自动绘制经过处理后的纵坐标为电压电流，横坐标为时间的图形，其中图形包括短路点另一侧的实测电压、实测电流以及拟合电流曲线，如图8所示，而后将短路点另一边的数据记录到双边供电数据记录表的Rd2、Ls2的位置，再点击“电流仿真”，会弹出一个模拟测试的对话框，如图9所示，在对话框中会预测地铁接触网1500V直流双边供电情况下的电流变化曲线，点击弹出对话框中的“生成数据报告”按钮，会将本次测试的结果自动生成word格式的数据分析报告。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.基于LSM的地铁接触网短路阻抗测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在地铁接触网的近端或者远端设置短路点；
S2：在短路点一侧加载通电时间可控的直流电源信号进行短路试验；
S3：双通道同步采样电压电流数字信号，并传输至工控电脑；
S4：基于电压电流数字信号，采用简化RL模型指数曲线拟合计算短路点一侧线路阻抗。
2.根据权利要求1所述的基于LSM的地铁接触网短路阻抗测试方法，其特征在于，所述S4的详细过程为：
S4.1：在测试线路电流参数进入稳定态即di/dt＝0时，将短路测试采样平均稳态电压uw和平均稳态电流iw分别相除，即线路电阻：
S4.2：简化RL模型下基于LSM方法的曲线拟合线路阻抗测试方法求线路电感Ls。
3.根据权利要求2所述的基于LSM的地铁接触网短路阻抗测试方法，其特征在于，所述S4.2的详细步骤如下：
S4.2.1:测试电源导通瞬间为t0时刻，同步数据采样中的电流分别为in(i1、i2、i3···)，电压值分别为un(u1、u2、u3···)。τ为时间常数，T为采样周期。那么拟合曲线：
S4.2.2:采用最小二乘法求解的目标方程为：
令那么：
由于在实际测量时，n为定值，in也为定值，那么对F(k)进行求导得：
令F′(k)＝2iw∑n[iwk2n-1+(in-iw)kn-1]＝0 (6)
公式(6)为一元高次方程求实数解，采用牛顿迭代法求解：
计算过程中先估算阻抗再估算时间常数，最后计算k1的近似值而后进行迭代直至数据收敛至ka+1；其中ka表示k的第a-1次迭代，经过多次迭代直至|ka+1-ka|≤0.0001，ka+1收敛；求出τ的实际值τa+1为：
线路电感求解公式：
Ls＝Rd·τa+1 (9)。
4.基于LSM的地铁接触网短路模拟测试方法，其特征在于，在基于LSM的地铁接触网短路阻抗测试方法的基础上还包括如下步骤：
S5：重复S2、S3、S4分别求出短路点两侧的线路参数，利用所求线路参数构建双边供电模型；
S6：基于双边供电模型计算模拟短路电流。
5.根据权利要求4所述的基于LSM的地铁接触网短路模拟测试方法，其特征在于，所述S6详细步骤为：基于双边供电模型，分别求得两侧单独供电时的短路电流，再利用电路的叠加原理获取双边短路电流。
6.基于LSM的地铁接触网短路模拟测试系统，其特征在于，包括硬件模块和软件模块，所述硬件模块用于实现短路试验并采集记录短路试验过程中的数据，所述数据包括电流和电压，所述软件模块用于配置短路试验的参数并处理分析硬件模块采集记录的数据计算线路阻抗。
7.根据权利要求6所述的基于LSM的地铁接触网短路模拟测试系统，其特征在于，所述硬件模块包括直流电源模块、脉冲信号触发控制模块、数字信号采样模块、工控电脑及传输系统；所述直流电源模块产生低压直流电源直接连接接触网与钢轨，形成闭合回路，所述脉冲信号触发控制控制模块实现发生信号的触发时间与脉冲信号持续时间的控制，所述数字采样模块负责将接触网与钢轨回流上的电压和电流的采样与上传，工控电脑可以实现采样数据的接收与保存。
8.根据权利要求6所述的基于LSM的地铁接触网短路模拟测试系统，其特征在于，所述软件模块包括线路参数记录单元、数据处理单元以及图形展示单元，其中线路参数记录单元用于记录硬件模块采集的数据，所述数据处理单元用于对线路参数记录单元记录的数据进行分析处理计算线路阻抗，所述图形展示单元既可以展示线路参数记录单元中记录的数据也可以展示数据处理单元处理计算的结果。
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