基于行波測距法的高速鐵路貫通線故障定位研究

朱明軒

摘要：近年來我國高速鐵路飛速發展，為人們的遠程出行提供了極大便利，供電系統為高速鐵路的正常運行提供動力，應對其可靠性提出更高要求。本文著眼于電力貫通線這一供電系統中的薄弱環節，通過分析行波測距法的基本原理，結合高速鐵路供電系統的特點，提出了一種適用于電力貫通線故障定位的D型行波測距方案，并在MATLAB/Simulink平臺上建立模型進行仿真分析，驗證該方法的可行性和準確性。

關鍵詞：高速鐵路;電力貫通線;行波測距

0? 引言

高速鐵路供電系統主要由兩部分組成：牽引供電系統和電力配電系統[1]。其中，牽引供電系統為電力機車提供牽引動力，直接關系到列車的可靠運行;電力配電系統為車站和沿線的全部非牽引電氣負荷承擔供電任務，是高速鐵路信號系統的唯一供電電源，不僅關系到車輛的正常運行，也為職能部門的正常工作提供保障。

車輛的長期運行數據和大量學者的研究表明，高速鐵路供電系統故障主要起因為電纜的故障[2]，而電力貫通線在條件允許的地區多采用沿溝槽敷設電力電纜的形式，供電距離長且發生故障后難以直接發現故障點，故障后多采用人工巡線的方式分段查找故障點，因此是高速鐵路供電系統的薄弱的環節。本文針對該問題，研究一種適用于高速鐵路電力貫通線更加精確的故障定位方法。

1? 行波測距原理與方案設計

目前學者們研究的測距方法大體分為阻抗法和行波法[3]。阻抗法目前已經不適用于精度要求較高的測距場合，近年來行波法成為電力線路故障定位的研究熱點與研究前沿。

1.1 ?測距原理

輸電線路某處發生故障會瞬時產生向線路兩端傳播的暫態行波，且在線路上阻抗不連續點處發生折反射現象，因此，線路上某點可能會多次監測到故障行波的抵達。通過檢測與準確記錄故障暫態行波抵達監測點的時刻，可以間接計算出行波監測點與故障點間的距離，實現故障的測距。在此思想下，行波測距法經多年發展主要分為A、B、C、D四種類型[2]，其特性如表1所示：

鑒于D型行波測距法不需要人工單獨施加脈沖信號發生器，對瞬時性和永久性故障均有良好的適用性，且相較于A型測距法其算法簡單，避免了行波折、反射造成的影響，因此是實際工程中的優選方案。

D型測距法需要在線路兩側各設置一個行波監測點，采集故障初始行波的抵達的時刻，圖1所示為D型測距法中故障行波的傳播路徑示意：

設故障初始行波抵達監測點M與監測點N的時刻分別為tM與tN，行波在該線路上傳播速度為v，則根據速度距離公式可以推導出以下關系：

1.2 ?誤差分析

D型行波測距誤差模型如圖2所示。

由式（3）可以看出，在研究D型行波測距法時應該考慮到線路長度、行波波速、行波抵達其中工程中線路的實際長度很難獲得，但在故障測距中需要將行波監測點間線路長度作為已知量提前給定，該因素造成的測距誤差不可避免。

行波波速v與光速c同等數量級，若線路參數已知，暫態行波在電力線路上的傳播速度由下式計算獲得：

對于行波抵達時刻的標定實質上是對行波波形突變點的識別與提取過程。傳播常數γ反映了行波在線路上的傳播特性[3]：

式中，α為衰減常數，反映行波信號傳播過程中幅值的衰減;β為相位常數，反映行波信號傳播過程中速度的衰減。α和β的值與信號頻率相關聯。行波中頻率越高的分量傳播速度越快，幅值衰減也越大，在行波上體現為波頭上升時間被拉長，坡度變緩。一般將行波波頭第一個極大值點出現的時刻認定為行波的抵達時刻，本文小波選用變換（WT）的信號分析方法對波頭極值出現時刻進行檢測。

1.3 ?故障定位方案

根據前文所述的電力電纜線路的D型行波測距法及行波暫態量分析方法，本文研究采用的高速鐵路電力貫通線D型行波法故障測距方案分為以下步驟：

（1）對于發生故障的貫通線路區段，在其兩側配電所M與配電所N處采集故障電壓波形;

（2）提取兩端三相暫態故障電壓波形進行Karenbaner變換得到故障暫態電壓的α、β模分量;

（3）將電壓模分量進行小波分解，得到分解后的三層高頻分量與低頻分量，選取第三層高頻分量進行分析，提取第一個信號突變時刻;

（4）根據步驟三中奇異信號檢測方法中提取的第一個信號突變時刻得到故障行波波頭第一次抵達線路兩端測量點的時刻tM與tN，采用D型行波測距公式計算故障點位置。

2 ?仿真分析

2.1? 仿真模型與仿真參數

本節對圖3中提出的算法進行仿真分析，以驗證上述方案的適用性與準確性。在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建M、N兩配電所間的電力貫通線仿真模型，M配電所與N配電所間距40km，中間設置21個箱式變電站。該模型相關仿真參數設置如下：

仿真時長0.2s，采樣頻率1MHz，系統在0.1s時發生故障，此后在兩配電所處采集故障行波分量并進行相關算法驗證。

2.2 ?仿真過程

采用小波變換（WT）提取行波波頭的方法對電力貫通線故障進行D型行波法測距，仿真中每隔3個箱變進行一次故障測距，并對仿真結果進行分析。

系統運行0.1s時，設置在距離M配電所第6個箱變處，即故障距離L為10.235km處發生AG故障，故障接地電阻Rf=10Ω，兩配電所處監測點M與監測點N檢測到三相故障電壓信號。截取系統故障后2ms內的暫態信號并對其作Karenbauer變換，可將三相完全換位線路解耦為α模和β模兩個獨立的線模分量，及一個0模分量。一般單相接地故障與三相故障選用α模分量，兩相故障選用β模分量[4]。

AG故障下將三相電壓故障相量轉換為α模量，并采用MATLAB小波工具箱中db4小波基對故障電壓α模分量進行分解，分解層數j=3，M端得到的電壓故障行波三層低頻信號與高頻信號如圖3所示。

上圖中，左側為α模分量分解后的三層低頻信號（近似波形），右側三層高頻信號（細節波形）。從細節信號波形圖中可以得到行波波頭的抵達監測點M的時刻，取小波分解后的第三層高頻信號進行分析，如圖4所示：

在D型行波測距法中關心第一個行波波頭的抵達時刻，在圖4（a）中取信號第一個突變點的局部放大波形如圖4（b）所示?？梢钥闯?，故障行波第一次到達測量端M對應的離散采樣點數為78，根據1MHz的采樣頻率，折算出故障行波第一次到達測量端M的時間tM為78us。同理，可以得到故障行波第一次到達測量端N的時間tN為226us。

2.3? 結果分析

根據式（4）計算出線模行波波速，再結合式（1）中給出的D型行波測距公式，計算出故障點距離測量點M與距離測量點N的區間長度tM、tM分別為10.198 km、29.071 km。

采用同樣的方法在其它各箱變處進行故障測距仿真實驗，將以上故障測距結果匯總于表3。

表4中為在在故障距離L=10.235km的條件下，分別設置不同故障類型為BG、BC、BCG與ABC，故障接地電阻R。f為20Ω、50Ω、100Ω進行仿真測距實驗的測距結果。其中BG與ABC故障選擇α模分量進行測距，BC與BCG故障選擇β模分量進行測距。

從表3與表4中仿真數據看，該方法下的故障測距結果在全距離保持了較高的測距精度，且不受故障類型和接地電阻的影響。測距絕對誤差保持在62m以內，測距相對誤差保持在0.158%以內。

3? 結論

本文就高速鐵路供電系統中的電力貫通線故障定位展開研究，設計了一種基于D型行波法的故障測距方案，并在MATLAB/Simulink平臺上進行建模與仿真分析。仿真結果表明：

基于D型行波測距法的電纜故障定位方案適用于高速鐵路電力電纜貫通線故障的精確定位。該測距法基本不受故障距離、故障類型和故障接地電阻的影響，可以快速準確地實現電纜貫通線故障定位。

參考文獻

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