牵引供电设备运行状态诊断技术研究.pdf

供变电 电气化铁道 2023年第3期 20 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.03.005 牵引供电设备运行状态诊断技术研究 王红军 摘 要：为保证牵引供电系统出现故障时及时找出故障原因，提出一种基于牵引供电系统故障产生原理的故障分析解决方案，并据此开发了一套牵引供电设备运行状态诊断系统，实现对故障类型智能辨识。试验证明，该系统可以减少一线维护人员的检修工作量，缩短故障抢修时间。关键词：供电设备；运行状态；故障诊断；智能辨识 Abstract:In order to ensure the obtaining of causes of fault when it occurs for the traction power supply system,an analyzing and solution scheme for the fault is put forward on the basis of principle for generating of traction power supply system fault.And with it as a basis,a set of diagnosis system for operation status of traction power supply equipment is developed,realizing the intelligent identification of the fault type.The test shows that the system is able to decrease the work amount of inspection and repair of the front-line maintenance personnel and shorten the time of the fault rescue.Key words:power supply equipment;operation status;fault diagnosis;intelligent identification 中图分类号：U226.5 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2023)03-0020-04 0 引言 中国在较短时间内完成了大规模高速铁路网的建设1-2，高速铁路已成为促进我国经济发展和提高人民生活质量的重要基础设施。高速铁路牵引供电系统作为电力机车的唯一动力来源，其安全性和可靠性至关重要3。由于现场运行环境复杂、受设备本身质量以及人为误操作等影响，牵引供电系统不可避免会出现各种故障，从而影响高速铁路的正常运行。现阶段，牵引供电系统故障排查和处理方式仍十分复杂，处理不当会延长抢修时间，造成较大经济损失。接触网是牵引供电系统的主要设施，处理和抢修接触网故障需要先确定故障原因，再进行针对性处理，处理方法复杂、时间紧迫，如果处理不当将造成抢修时间延长，甚至造成严重的经济损失与社会影响。目前国内外供电设备发生故障后，尚无一种方法或装置可以根据故障数据自动准确地诊断出故障类型并给出分析结果，均需人工对故障数据进行分析，确定故障原因后再制定抢修方案，整个故障抢修流程所需时间较长。本文研究一种基于结构熵权法的故障诊断方法，针对全线路典型故障案例和牵引供电情况的统 作者简介：王红军.中国铁路呼和浩特局集团有限公司工电检测所，高级工程师。计分析同时结合专家经验形成故障诊断指纹库，故障发生后故障特征与指纹库进行自动比对，以在第一时间判断故障类型与原因，辅助相关人员判断处理。当发生设备故障时，能准确地给出设备故障的类型和故障地点；当出现不正常运行状态时，能给出不正常状态的原因以及时消除设备隐患，从而提高牵引供电系统的故障处理能力和运行维护水平，创造良好的经济效益和社会效益。1 基于结构熵权法与专家经验的故障诊断原理 1.1 基于结构熵权法的故障诊断原理 结构熵权法是主观评价与客观处理相结合的赋权重的方法，具有一定的优势。本文通过对典型故障案例牵引供电故障情况统计分析，总结出牵引供电故障类型的主要数据表征，并交由多位专家对各故障类型表征数据的重要度进行打分和排序，再对打分结果进行隶属度、客观化、归一化等处理4，得出各种故障类型判断条件的权重。普速线路一般采用直供方式，高铁线路一般采用 AT 供电方式。两种线路供电方式不同，故障判断逻辑也存在差异。本节将分析几种故障的判断逻辑，每条判据均赋予一定判断权重，各条判据的权重总和为 1。（1）机车过负荷判断。对于普速线路，机车过负荷故障的判断逻辑为馈线跳闸电压在 20 kV牵引供电设备运行状态诊断技术研究 王红军 供变电 21 以上和负荷阻抗角在 045范围，二者的判断权重均为 0.5。对于高铁线路，机车过负荷故障的判断逻辑为馈线跳闸电压在 20 kV 以上，负荷阻抗角在 030范围，两个判断条件的权重均为 0.5。（2）相间短路判断。相间短路故障在普速线路上的判断条件分为 8 个部分：同一行别 2 条馈线断路器同时跳闸；机车已通过的馈线阻抗角在340355范围，机车前进方向的馈线阻抗角在160180范围；故障电压大于 20 kV；动作电流大于 2 000 A，且 2 条馈线电流基本相等；其中 1条馈线电抗值为负值；故标指示位置基本一致，均指向分相位置；保护动作 1 条馈线为电流速断，另1条为距离段保护动作；故障录波波形基本一致。上述 8 个判据权重分别为 0.2、0.3、0.05、0.1、0.1、0.1、0.1、0.05。高铁线路上的判断逻辑与普速线路上的判断逻辑相同。（3）金属性短路判断。金属性短路故障在普速线路上的判断条件为短路阻抗角在 6080范围和馈线电压在 19 kV 以下，二者的判断权重均为0.5；在高铁线路上，判断条件为短路阻抗角在6080范围和 T 线、F 线电压在 19 kV 以下，二者的判断权重均为 0.5。（4）机车故障判断。在普速线路上，机车故障的判断逻辑为馈线电压大于 20 kV，且电流大于1 500 A，权重为 1.0；在高铁线路上，机车故障的判断逻辑为馈线电压大于 20 kV，且电流大于 1 500 A，判断权重为 1.0。（5）高压电缆故障判断。对于高压电缆故障，在普速线路上的判断逻辑：跳闸后重合闸失败；故障测距装置指示故障距离变电所 500 m 以内；故障电流在 10 000 A 左右。判断权重分别为 0.2、0.4、0.4。在高铁线路上的判断逻辑与在普速线上的判断逻辑相同。（6）供电线故障判断。对于供电线故障，在普速线路上的判断逻辑：故障测距装置指示故障距离变电所 2 000 m 以内；故障电阻较大，电抗在 1 左右并且阻抗角较小。二者判断权重均为 0.5。在高铁线路上的判断逻辑与在普速线路上的判断逻辑相同。1.2 基于专家经验的故障诊断 经过长时间经验累积，典型供电故障分析流程总结如下：（1）根据故障报告的阻抗角、馈线电流、压降区间等信息以及保护动作的时序和机车侧的数据进行综合判断，区分判断高阻接地、金属性短路和机车过负荷保护跳闸类型。（2）27.5 kV 低压侧过流保护结合馈线跳闸信号，判断是否存在越级故障，如馈线的定值和比低压侧定值大导致低压侧跳闸而馈线未跳闸的现象。（3）针对铁路分区所和牵引所的故障动作耦合性，将牵引所的馈线跳闸动作序列和分区所的失压跳以及检压合动作信号作为一个间隔，通过其强耦合的关联动作特性形成供电区间的故障简报。（4）在断路器重合闸后根据后加速动作信号和断路器位置信号复核判断永久性故障和瞬时性故障。（5）故障分析时，间隔内的部分信号缺失时表示可能存在拒动，部分信号与逻辑设置相反时表示可能存在误动。2 关键技术及实现 2.1 关键技术 关键技术主要是牵引供电故障的快速诊断和建立故障类型指纹库。2.1.1 牵引供电故障的快速诊断 牵引供电故障的快速诊断需实现在较短的时间内判断当前故障类型，给出供电设备不正常运行状态的原因，诊断当次故障类型的起因侧。故障分析诊断流程如图 1 所示。如图 1 所示，该牵引供电故障诊断方法可以在故障发生后第一时间采集相关故障数据，进行故障分析。首先判断该组数据是否为故障信息，如果判断为故障则确定故障间隔，根据相关信息分析故障原因。在分析故障原因时，如果故障指纹库内存在符合的预设特征，则给出诊断结果，达到尽快定位、排除故障的目的；如果故障指纹库内不存在符合的预设特征，则给出情况说明，在人工判定故障类别后，将相关特征补充至故障指纹库。供变电 电气化铁道 2023年第3期 22 开始实时收集场站数据并存储判断是否为故障？保护动作开关跳闸 否是判断故障间隔根据故障间隔获取故障相关信息故障相关信息是否符合故障指纹库预设特征？是根据故障相关信息进行故障分析给出故障类型判断与相关特征信息结束否指纹库内不存在符合特征，给出异常情况说明 图 1 故障分析诊断流程 2.1.2 建立故障类型指纹库 以典型遥信故障特征指纹库为例，对牵引供电系统故障进行识别。牵引供电系统发生故障后，典型处理流程：运行人员以单条遥信数据为单位，逐条查看故障遥信数据，分析故障原因、过程和结果；据此将牵引供电系统中发生的1次事故作为1个事件，对这次事故中的故障遥信进行捕获、分组、诊断，最后给出故障诊断结果。牵引供电系统发生故障类型不同，送到调度中心的遥信、遥测等数据就不同，可以将不同遥信、遥测数据分组、编码，形成不同的故障指纹编码，用于故障指纹编码库的比对和匹配，最后查找出故障结果。运行人员对事故的判断一般从 3 个维度出发：故障过程、保护动作情况和故障类型。本文主要从这 3 个维度形成完整故障指纹编码，并用于故障的智能诊断。故障指纹编码分布如图 2 所示。故障过程继电保护动作故障类型无重合闸重合成功重合不成功本地保护动作超范围动作线路对侧远跳A相接地B相接地C相接地两相或三相故障供电线路上发生的不同故障保护动作异常区段站内测试区段故障诊断区段保护装置故障、保护误动区段站内测试、保护动作保护误动作，三相跳闸站内测试、断路器跳闸 图 2 故障指纹编码分布 按照牵引供电拓扑结构，牵引供电系统故障存在强耦合关联的开关变位和时序信息，根据保护配置和故障时上传的信号形成指纹库。故障指纹库支持调整与扩展，当发生指纹库内不包含的故障类型时，可在故障处理完成后将相关信息添加至故障指纹库。2.2 技术实现 开发一套牵引供电设备运行状态诊断系统，接入牵引供电 SCADA 系统，当系统接收到故障报文后，触发在线分析功能，进行数据验证、分析，通过系统内部预设的分析流程及关键特征，给出故障类型、故障相别、故障距离等关键故障信息。以间隔为单元，以时序为判断依据，对间隔内的设备作分组筛选和时间排序；对保护跳闸动作、故障报告、非电量保护等重要信号配置诊断逻辑，故障后通过收集判断序列内的动作信号特征形成故障编码，与经验库中的故障编码集作聚类分析。针对与经验库不匹配的复杂故障，在诊断后人工修正判断结果，并补充完善至经验库中。3 试验 在实验室内搭建牵引供电SCADA系统复示工作站，将故障诊断软件部署在复示工作站上，通过还原现场故障数据测试故障诊断效果。通过牵引供电 SCADA 系统模拟机车过负荷、相间短路、金属性短路、机车故障、高压电缆故障、供电线故障等故障类型，牵引供电设备运行状态诊断系统诊断结果如图 3 所示。牵引供电设备运行状态诊断技术研究 王红军 供变电 23 图 3 故障模拟试验结果 图 3 左侧可查看最近故障信息，包括诊断时间、场站、故障间隔、故障原因及当前故障原因的概率；右侧分析判据以诊断 ID 为索引，对应左侧最近故障信息的条目，显示故障诊断的详细判断依据。该系统可以在故障发生后及时辨识故障类型并给出判断依据，验证了该牵引供电系统故障诊断方法的可行性。4 结语 本文提出的牵引供电故障智能诊断方法融合 了基于结构熵权法与专家经验的故障诊断原理，可及时对牵引供电系统故障进行诊断分析，为供电调度、技术人员和现场职工提供故障诊断分析结果，辅助进行故障原因查找和抢修方法制定，以保证尽快排除故障，及时恢复运输秩序。该方法在实际应用过程中，随着故障类型指纹库的不断扩展，其准确性与智能性将不断提高。参考文献：1 李智明.电气化铁路接触网隧道内预埋槽道论和试验研究D.武汉：华中科技大学，2013.2 Feng D,Lin S,He Z,et al.A technical framework of PHM and active maintenance for modern high speed railway traction power supply systemsJ.International Journal of Rail Transportation,2017,5(3):1-25.3 罗鸣州.高速铁路牵引供电设备故障预测与健康管理平台设计与实现D.成都：西南交通大学，2018.4 程启月.评测指标权重确定的结构熵权法J.系统工程理论与实践，2010，30（7）：1225-1228.收稿日期：2022-12-16 （上接第 19 页）6 楚振宇，景德炎.铁路枢纽中心牵引变电所供电布局研究J.铁道工程学报，2019，36（1）：74-79.7 智慧.铁路枢纽牵引供电系统方案优化设计J.中国铁路，2021（3）：106-110.8 宋馗.福建省电气化铁路发展与牵引变供电方案研究J.数字通信世界，2019（8）：103+117.9 何颖.牵引变电所的可靠性研究C/电气化铁路牵引变电所新技术研讨会论文集，2004：64-67.10 张小瑜，吴俊勇.高速铁路牵引供电系统的供电可靠性评估方法J.电网技术，2007，31（11）：27-32.11 林飞.牵引供电系统可靠性指标体系与可靠性分析D.成都：西南交通大学，2006.12 王旭.既有铁路枢纽牵引供电优化改造方案J.中国铁路，2020（4）：52-57.13 高寿新.福州枢纽牵引供电优化方案研究J.通讯世界，2018（3）：208-209.14 吉红卫.徐州铁路枢纽电气化供电方案的优化建议J.电气化铁道，2002（4）：13-15.15 楚振宇，许晓蓉，智慧，等.铁路枢纽大型客站的牵引供变电设计J.铁道工程学报，2013，30（1）：81-84.16 何廷文.牵引供电系统可靠性分析J.水电能源科学，2009，27（3）：196-198+205.17 李熹.电气化铁路牵引供电系统可靠性分析D.兰州：兰州交通大学，2015.18 黄硕.高速铁路牵引供电系统可靠性评价研究D.北京：北京交通大学，2019.19 黄硕，吴命利.电气化铁路牵引供电系统可靠性评价系统研究J.机车电传动，2020（1）：85-90.20 杨海涛.提高牵引供电设备供电可靠性的研究J.中国高新技术企业，2014（4）：136-137.收稿日期：2022-11-10