高鐵電氣系統(tǒng)中的GMD干擾監(jiān)測(cè)與信號(hào)消噪策略分析

史小利

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心,山東 青島 266111）

高鐵運(yùn)行過程中對(duì)電力牽引有較大的依賴性。尤其在高鐵系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大的背景下，電磁干擾對(duì)高鐵電氣系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量所產(chǎn)生的影響不應(yīng)忽視。GDM實(shí)質(zhì)是太陽活動(dòng)所致電磁擾動(dòng)問題，該擾動(dòng)因素雖然不常發(fā)生，但若不提前對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，會(huì)對(duì)高鐵電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生隱患。本文即以高鐵電氣系統(tǒng)為例，針對(duì)高鐵電氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的GMD干擾問題及監(jiān)測(cè)信號(hào)的消噪問題展開系統(tǒng)分析與闡述。

1 高鐵電氣系統(tǒng)影響

圖1所示為GIC在高鐵電氣牽引供電系統(tǒng)中的流通路徑。結(jié)合圖1來看，受到地球磁場(chǎng)擾動(dòng)作用力的影響，地面感應(yīng)電場(chǎng)直接作用于與帶蒂連接的牽引主變壓器接地極以及自耦變壓器AT重點(diǎn)，進(jìn)而在高鐵電氣系統(tǒng)牽引網(wǎng)中產(chǎn)生流通GIC信號(hào)。在高鐵電氣系統(tǒng)中，軌道電路兩端機(jī)械絕緣節(jié)包含2條鋼軌所對(duì)應(yīng)扼流電壓器裝置，以保障牽引電流回流不會(huì)受到絕緣節(jié)的影響。同時(shí)，對(duì)于扼流變壓器而言，其重點(diǎn)連接貫通地線，感應(yīng)地電場(chǎng)直接于牽引變電所與AT所間鋼軌兩接地點(diǎn)，進(jìn)而在鋼軌中產(chǎn)生流通GIC信號(hào)。

圖1 高鐵電氣系統(tǒng)牽引供電GIC流通路徑示意圖

2 GMD干擾監(jiān)測(cè)研究

在高鐵電氣系統(tǒng)中，整套GMD干擾監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)當(dāng)將干擾監(jiān)測(cè)覆蓋至高鐵電氣系統(tǒng)牽引網(wǎng)以及軌道鐵路監(jiān)測(cè)范疇中，支持實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，直觀顯示數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、信息處理以及圖形表格，并搭載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心中相關(guān)信息的共享與顯示。當(dāng)然，在高鐵電氣系統(tǒng)中，GMD故障發(fā)生率相對(duì)較低，但高鐵電氣系統(tǒng)周邊電磁環(huán)境比較復(fù)雜，因此所設(shè)計(jì)GMD干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)支持閾值報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)，以便工作人員能夠動(dòng)態(tài)分析并掌握高鐵電氣系統(tǒng)受GMD干擾的影響。整套GMD干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成應(yīng)當(dāng)涵蓋采集傳感器裝置、主機(jī)、通信模塊以及聲光報(bào)警電路等多個(gè)方面。同時(shí)，考慮到高鐵電氣系統(tǒng)中GMD干擾信號(hào)準(zhǔn)直流頻率在0.0001～0.01Hz范圍內(nèi)，常規(guī)意義上的電磁傳感器裝置無法對(duì)原邊直流分量進(jìn)行變化，在實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生直流偏磁飽和問題。因此，為了在解決上述問題的同時(shí)，提高干擾監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，GMD干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)可以嘗試應(yīng)用霍爾傳感器裝置，以發(fā)揮其在成本低廉、測(cè)量靈敏度高、頻率范圍廣以及交直流信號(hào)監(jiān)測(cè)適用性強(qiáng)等方面的優(yōu)勢(shì)。

在高鐵電氣系統(tǒng)GMD干擾監(jiān)測(cè)過程中，還需要將專門的集中接地箱設(shè)置于牽引變電所內(nèi)，負(fù)責(zé)對(duì)電氣系統(tǒng)中牽引回流的收集工作。集中接地箱采用獨(dú)立箱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部涵蓋眾多導(dǎo)線線路，包括扼流變電器重點(diǎn)引線線路、PW保護(hù)線線路、貫通地線線路等。牽引主變壓器接地極與集中接地箱連接，可用于牽引電流的回流工作。為了能夠客觀反映高鐵軌道電路鋼軌中GIG水平并對(duì)牽引網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，考慮將開環(huán)傳感器裝置安裝于集中接地箱與牽引主變壓器接地極、鋼軌連接電纜上，對(duì)鋼軌回流以及牽引主變壓器接地極直流信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集。在高鐵電氣系統(tǒng)中，開環(huán)傳感器共采集10路信號(hào)，其中8路信號(hào)為牽引變電所內(nèi)牽引主變壓器接地極直流信號(hào)，主變壓器每個(gè)接地極對(duì)應(yīng)2路直流信號(hào)，傳感器裝置可直接測(cè)量牽引網(wǎng)回路中流經(jīng)牽引主變壓器二次側(cè)直流信號(hào)，可以客觀反映直流對(duì)牽引主變壓器直流偏磁所產(chǎn)生的影響，另2路信號(hào)為鋼軌回流直流信號(hào)，傳感器裝置可以直接測(cè)量鋼軌回路中流經(jīng)二流變壓器的直流信號(hào)數(shù)據(jù)，從而客觀評(píng)估扼流變壓器受直流信號(hào)的影響。

3 信號(hào)消噪策略分析

在高鐵電氣系統(tǒng)中，取樣信號(hào)內(nèi)所對(duì)應(yīng)GIC相較于各次諧波信號(hào)以及牽引電流信號(hào)而言幅值相對(duì)偏低。同時(shí)，考慮到干擾噪音對(duì)GIC的影響，取樣信號(hào)的信噪比相對(duì)偏低。傳統(tǒng)模式下對(duì)信號(hào)噪音的消除是通過低通濾波器過濾的方式實(shí)現(xiàn)，雖然能夠在一定程度上消除噪音干擾，但還會(huì)使信號(hào)中有價(jià)值的成分變得模糊。小波分析方法作為一種典型局部化分析方法，具有時(shí)域窗、地域窗大小可變的特點(diǎn)，被大量研究證實(shí)可有效去除信號(hào)內(nèi)部局部高頻噪音干擾問題。界于上述優(yōu)勢(shì)，本文提出基于小波分析的信號(hào)消噪策略，在小波分解的基礎(chǔ)之上，對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理最后重構(gòu)信號(hào)，得到剔除噪音同時(shí)有效成分最大限度保留的信號(hào)。具體處理步驟如下。

第一步，小波分解。假定母函數(shù)為?(t)，同時(shí)定義伸縮平移因子為s、k，小波基函數(shù)以?s，k表示，則三者間對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為：

對(duì)于函數(shù)f（t）而言，所對(duì)應(yīng)小波變化為?s，k(f )，該小波變化是f（t）在對(duì)應(yīng)函數(shù)上的分解，兩者間可形成如下關(guān)系：

通過AD采集的方式可以將轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的取樣信號(hào)利用冪級(jí)數(shù)格式進(jìn)行離散變化，最終可得：

第二步，小波系數(shù)閾值處理。小波去噪是否能夠取得理想效果，直接受到閾值選擇是否合理，以及小波系數(shù)閾值量化情況的影響。在原信號(hào)基礎(chǔ)之上，可確定各層對(duì)應(yīng)閾值如下：

該式中，定義信號(hào)長度（采樣點(diǎn)數(shù)）為n，MATLAB中求矩陣中值函數(shù)定義為madina（），小波分解環(huán)節(jié)中對(duì)應(yīng)高頻系數(shù)定義為dj(k)；根據(jù)所確定的閾值，可分別應(yīng)用硬、軟兩種方法對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理。

第三步，信號(hào)重構(gòu)。信號(hào)經(jīng)降噪處理后結(jié)果可進(jìn)行小波逆變化加工，根據(jù)各個(gè)尺度細(xì)節(jié)的修改情況對(duì)原信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。此過程中，假定兩者間為傅里葉變化關(guān)系，則小波逆變換的過程可表示為：

4 結(jié)語

高鐵電氣系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)置以及運(yùn)行功能上有一定特殊性，尤其高鐵電氣系統(tǒng)一次側(cè)并未布置專門的GIC流通路徑，導(dǎo)致高鐵軌道電路以及牽引網(wǎng)會(huì)在一定程度上直接受到GMD的影響。在高鐵電氣系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，GMD可能會(huì)借助于GIC的方式對(duì)高鐵運(yùn)行產(chǎn)生干擾與影響，因此必須結(jié)合高鐵電氣系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)可用于GMD信號(hào)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)裝置。同時(shí)，由于電氣系統(tǒng)內(nèi)部有用信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)不足，所采集信號(hào)在一定程度上會(huì)受到噪音干擾的影響，因此本文還提出了基于小波變化方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理的方法與策略，在GMD干擾信號(hào)及其消噪處理方面取得了非?？煽康男Чc價(jià)值。

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