一種全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)測距精度優(yōu)化方法研究與實現(xiàn)

石晶晶

0 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。全并聯(lián)AT供電方式下牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障跳閘頻發(fā)，且因線路的非線性特性，傳統(tǒng)電抗法故障測距已無法適用于AT供電系統(tǒng)。根據(jù)原中國鐵路總公司《電氣化鐵路AT供電方式故障測距裝置》文件要求[1]，AT供電方式專用故障測距裝置應(yīng)具備吸上電流比法、上下行電流比法、橫聯(lián)電流比法等故障測距方法[2～4]，目前部分綜合自動化設(shè)備廠商相關(guān)產(chǎn)品仍未完全具備以上測距方法，且無法對新增測距方法的定值進(jìn)行整定及校驗。為了驗證故障測距裝置測距精度，新線 開通前，各運營單位會組織進(jìn)行一次接觸網(wǎng)短路試驗，通過短路電流參數(shù)調(diào)整故障測距定值。由于短路試驗的復(fù)雜性、破壞性和危險性都很高，新線短路試驗基本只在一個供電臂內(nèi)進(jìn)行，通過短路試驗結(jié)果整定全線各所亭的故障測距定值，這樣可能導(dǎo)致非短路試驗供電臂的故測精度產(chǎn)生較大誤差。

針對上述問題提出一種提高AT供電系統(tǒng)故障測距精度的方法，在不增加短路試驗次數(shù)和擴大試驗范圍的情況下，通過登乘運行列車（單個供電臂上、下行只有一列運行列車時）收集登乘視頻，定位列車位置，通過故障測距裝置同步采集牽引所、分區(qū)所、AT所相應(yīng)電流數(shù)據(jù)，將同一時刻的電流、列車位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析、校準(zhǔn)，對測距誤差較大的區(qū)段進(jìn)行定值調(diào)整。

1 常用故障測距方法

1.1 電抗測距法

電抗測距法原理如式（1）所示。

式中：ZL為饋線總阻抗；Zg為短路阻抗；Z1、Z2、Z3為線路各單元阻抗。

對于全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)，電抗測距法適用于故障重合失敗后直供方式運行時的T-R、F-R和T-F故障測距。

1.2 吸上電流比法

吸上電流比法測距計算式為

式中：l為故障距離；Ln-1為故障點前一個AT所上網(wǎng)點距離，當(dāng)故障發(fā)生在第一AT段時，該值為0；Dn為供電臂第n個AT段的區(qū)間長度；Q1、Q2為吸上電流比修正系數(shù)；qAT為故障區(qū)間吸上電流比，qAT=IATn/ (IAT(n-1)+IATn)，IATn為第n個所亭吸上電流。

吸上電流比測距法適用于全并聯(lián)AT供電方式系統(tǒng)T-R和F-R故障，不適于T-F故障。

1.3 上下行電流比法

上下行電流比法測距計算式為

式中：ITF1、ITF2分別為上下行T相、F相合成電流。

上下行電流比測距法適用于全并聯(lián)AT供電方式下T-R、F-R、T-F故障。

1.4 橫聯(lián)電流比法

橫聯(lián)電流比法測距計算式為

式中：IHLn為第n個所亭的橫聯(lián)電流，IHL0為變電所橫聯(lián)線電流；qHL為故障區(qū)段的橫聯(lián)電流比。

橫聯(lián)電流比測距法適用于全并聯(lián)AT供電方式下T-R、F-R、T-F故障。

2 故障測距精度優(yōu)化方法

由前文可知，吸上電流比法、上下行電流比法和橫聯(lián)電流比法故障測距不受接地阻抗的影響，可以通過同一供電臂上下行單列運行列車負(fù)荷模擬T-R單點接地故障。作業(yè)人員登乘單趟運行列車，通過登乘視頻確認(rèn)列車取流點的位置，同時牽引變電所人員召測專用故障測距數(shù)據(jù)，利用多組召測數(shù)據(jù)反算吸上電流比、上下行電流比、橫聯(lián)電流比測距定值，并將新定值數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用故障測距裝置中，以達(dá)到優(yōu)化故障測距精度的效果。

列車位置和各相關(guān)電流數(shù)據(jù)的精度和同步性是故障測距精度優(yōu)化的關(guān)鍵。電流數(shù)據(jù)精度由列車電流的大小、電流互感器及故障測距裝置精度共同決定，對于既有線路，電流互感器及故障測距裝置均已固定，因此在進(jìn)行測距精度優(yōu)化選取登乘列車時，優(yōu)先選取負(fù)荷較大的列車，以提高電流數(shù)據(jù)的精度。保障數(shù)據(jù)的同步性是故障測距的關(guān)鍵，本節(jié)將從數(shù)據(jù)采集、視頻數(shù)據(jù)分析、故障測距數(shù)據(jù)分析及整定3個方面詳細(xì)闡述。

2.1 數(shù)據(jù)采集

為模擬單一接地故障，故障測距數(shù)據(jù)采集時，要求同一供電臂上、下行只有一列列車運行。數(shù)據(jù)采集前，根據(jù)列車到站時刻表篩選登乘列車。為保證登乘與故障測距裝置的同步性，登乘視頻采集使用帶GPS校時功能的行車記錄儀。

作業(yè)人員登乘經(jīng)篩選確定的運行列車時，記錄列車參數(shù)：前后弓位置、前弓距列車車頭的距離，同時與牽引變電所數(shù)據(jù)召測人員聯(lián)系，根據(jù)桿號召測表在列車車頭到達(dá)目標(biāo)桿號時下達(dá)召測命令，數(shù)據(jù)召測人員在所內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)召測。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在一個供電臂內(nèi)每隔2 km進(jìn)行一次召測。

2.2 視頻數(shù)據(jù)分析

故障測距裝置召測報文時間精確到毫秒，而行車記錄儀一般只精確到秒，為保證故障測距召測數(shù)據(jù)與運行列車位置精確同步，通過逐幀對比登乘視頻，計算出故障數(shù)據(jù)召測時運行列車車頭的位置。確定數(shù)據(jù)召測時車頭位置后，存在車頭在兩桿號之間的情況，可根據(jù)當(dāng)前位置距下一支柱幀數(shù)以及本次兩支柱之間的總幀數(shù)、跨距及支柱公里標(biāo)，推算車頭位置的公里標(biāo)。

根據(jù)車頭距受電弓距離、變電所上網(wǎng)點公里標(biāo)及供電線長度，計算取流點距變電所距離。如果登乘列車為雙弓取流，如圖1所示，雙弓運行列車駛向變電所時按照前弓距變電所的距離計算測距定值，駛離變電所時按照后弓距變電所的距離計算測距定值，同時在計算測距定值時有效AT段長度需減去雙弓距離L弓。

圖1 雙弓取流模型

2.3 故障測距數(shù)據(jù)分析及整定

2.3.1 數(shù)據(jù)有效性校驗

由故障測距相關(guān)計算式可知，采用吸上電流比法計算故障距離時使用的是標(biāo)量計算，電流互感器極性錯誤不影響測距。橫聯(lián)電流比及上下行電流比為矢量運算，電流互感器極性錯誤將導(dǎo)致測距結(jié)果嚴(yán)重偏差，因此每個供電臂均需根據(jù)基爾霍夫電流定律對測距數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，確保電流極性正確。

本文采取登乘運行列車的方式進(jìn)行列車位置數(shù)據(jù)的采集，前期通過列車時刻表粗略篩選上行或下行供電臂單一負(fù)荷的運行列車，存在上下行兩列車交匯的情況。供電臂單一運行列車電流分布如圖2所示[5]。當(dāng)單一列車在下行運行時，根據(jù)節(jié)點電流法，上行節(jié)點電流應(yīng)滿足式（5），即上行變電所、AT所、分區(qū)所T線電流平衡；單一列車在上行運行時，下行變電所、AT所、分區(qū)所T線電流也滿足平衡，通過該方法可以篩選出供電臂上、下行只有一列列車運行的數(shù)據(jù)。

圖2 單一運行列車電流分布

2.3.2 第一AT段定值反算

當(dāng)?shù)浅穗p弓取流運行列車時需考慮雙弓取流對有效AT段長度的影響，上下行電流比、橫聯(lián)電流比反算第一AT段長度D1分別如式（6）、式（7）所示。

每2 km進(jìn)行一次故障測距數(shù)據(jù)召測，一個供電臂內(nèi)約有12組召測數(shù)據(jù)，第一AT段有6組，每組召測數(shù)據(jù)反算出一個AT段長度。因AT段長度的改變在供電臂不同位置對測距結(jié)果的影響不同，即AT段長度改變對AT段的首端測距影響不大，對AT段的末端測距有較大影響。本文采用加權(quán)平均值來計算第一AT段的平均長度，即

式中：ln為第一AT段第n個故障測距點距變電所距離；D為第一AT段長度；D1n為第一AT段第n個故障測距點反算出的第一AT段長度。

根據(jù)計算得到第一AT段長度的加權(quán)平均值，并將第一AT段的故障測距數(shù)據(jù)兩兩組合，進(jìn)行Q值反算，如式（9）、式（10）所示。

則可得

式中：Q變?yōu)樽冸娝鵔值，QAT1為AT所在第一AT段的Q值，D1′=D1-L弓。

將兩組數(shù)據(jù)代入式（11）可得

則可推導(dǎo)出

將Q變代入式（10）中，可計算出QAT1的數(shù)值。其中：qAT1、qAT2分別為第一、二組數(shù)據(jù)的吸上電流比；l1、l2分別為第一、二組數(shù)據(jù)的故障距離。

2.3.3 第二AT段定值反算

當(dāng)?shù)谝籄T段故障時，理論上第一AT段長度D1包括變電所供電線長度、第一AT段供電臂長度、AT所靠近變電所供電線長度，然而當(dāng)?shù)诙嗀T段接觸網(wǎng)線路故障時，第一AT段長度為變電所供電線長度與第一AT段供電臂長度之和，第二AT段的長度D2為AT所靠近分區(qū)所供電線長度、第二AT段供電臂長度及分區(qū)所供電線長度。為保證公里標(biāo)上的銜接，計算第二AT段故障距離時，在第一AT段長度不變的情況下，測距距離需減去AT所供電線總長。則第二AT段的橫聯(lián)及上下行電流比測距距離為

式中：LAT為AT所供電線總長。

使用第二AT段兩組召測數(shù)據(jù)進(jìn)行第二AT段長度及AT所供電線總長計算，其中K1、K2分別為第一、二組數(shù)據(jù)的上下行電流比或橫聯(lián)電流比：

將第二AT段長度代入式中可計算AT所供電線長度。同理，將第二AT段的多組計算定值進(jìn)行加權(quán)平均處理，對AT所供電線長度進(jìn)行平均值處理。根據(jù)計算得到第二AT段長度的加權(quán)平均值，并將第二AT段的故障測距數(shù)據(jù)兩兩組合，進(jìn)行Q值反算，其中QAT2為AT所在第二AT段的Q值，Q分區(qū)所為分區(qū)所的Q值：

3 數(shù)據(jù)驗證

采集某客運專線供電臂故障測距數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析反算測距定值，并將定值代入故障召測數(shù)據(jù)及歷年跳閘數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，確保測距定值的有效性。該客運專線某牽引所某方向供電臂吸上電流比法故障測距精度對比如圖3所示，主要調(diào)整第一AT段長度、第二AT段長度、Q變、QAT1、QAT2、Q分區(qū)所6個定值。

圖3 吸上電流比法測距誤差對比（單位：m）

該牽引所某方向供電臂上下行電流比法故障測距精度對比如圖4所示，主要調(diào)整第一AT段長度、第二AT段長度、供電線長度3個定值。

圖4 上下行電流比法測距誤差對比（單位：m）

該牽引所某方向供電臂橫聯(lián)電流比法故障測距精度對比如圖5所示，主要調(diào)整第一AT段長度、第二AT段長度、供電線長度3個定值。

圖5 橫聯(lián)電流比法測距誤差對比（單位：m）

由圖3～圖5可以看出：3種AT供電系統(tǒng)故障測距方法在導(dǎo)入新的優(yōu)化定值后測距精度顯著提高，其中故障點在第二AT段時，3種測距方法精度提高效果均較好；故障點在第一AT段時，吸上電流比測距法存在誤差變大的情況，而另外2種測距方法則效果依舊明顯。

4 結(jié)語

本文提出一種在不增加短路試驗次數(shù)和擴大試驗范圍的情況下，通過運行列車登乘視頻定位列車位置，故障測距裝置同步采集牽引所、分區(qū)所、AT所相應(yīng)電流數(shù)據(jù)，將同一時刻的電流、列車位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析，反算吸上電流比、上下行電流比、橫聯(lián)電流比測距定值的方法，并使用新定值重算故障召測數(shù)據(jù)及歷年跳閘數(shù)據(jù)，驗證了方法的有效性和可行性，且該方法投資少、易實施，能有效減小測距誤差，縮短故障處置時間，可廣泛應(yīng)用于全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)測距精度優(yōu)化。