吳光龍

0 引言

牽引變電站作為電氣化鐵路輸送能源的重要組成，可靠性與安全性非常重要。牽引變電站常用的供電方式為牽引AT 供電方式，在AT 供電區(qū)有機(jī)車通過時，由于機(jī)車為接觸供電且機(jī)車負(fù)載重，供電電流特別大，而機(jī)車位移又處于高速變化狀態(tài)，對電氣供電網(wǎng)絡(luò)的性能要求非常高，同時運(yùn)行期間外部自然環(huán)境情況不定，尤其遇到風(fēng)霜雨雪等惡劣天氣，各種因素綜合作用導(dǎo)致機(jī)車運(yùn)行時，AT 供電區(qū)容易引發(fā)電氣故障。即使電氣化鐵路供電系統(tǒng)具備故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，在供電區(qū)段無機(jī)車期間能夠識別故障并進(jìn)行故障切除，但機(jī)車通過期間，由于機(jī)車本身負(fù)載大，供電線路中電流值特別大，故障電氣數(shù)據(jù)與正常運(yùn)行數(shù)據(jù)相似，此期間發(fā)生故障，一般的故障監(jiān)測系統(tǒng)無法精確識別和分離故障引起的電氣異常數(shù)據(jù)。

為了解決機(jī)車運(yùn)行期間，AT 供電單元故障準(zhǔn)確判別的難題，我們提出基于電氣數(shù)據(jù)全同步采集技術(shù)建立能量守恒模型，同時引入5G 通信原理實(shí)現(xiàn)機(jī)車信息高速接入，并對AT 供電網(wǎng)絡(luò)、機(jī)車（負(fù)載）的供用電電氣信息進(jìn)行能量守恒實(shí)時驗(yàn)證，從而判別機(jī)車通過期間，是否有故障。

1 AT 供電原理與電氣模型解析

牽引網(wǎng)的供電方式有多種，例如：直接供電方式、吸流變壓器--回流線裝置BT、自耦變壓器供電方式（AT）和帶回流線的直接供電方式（DN）等。

直接供電方式靠牽引變電站直接獲得電能，對電氣設(shè)備安全和供電質(zhì)量有影響；吸流變壓器——回流線裝置BT，把大尺寸的接觸網(wǎng)-軌道大地回路改成小尺寸的接觸網(wǎng)-回流線回路，利用磁勢平衡原理使得回流線和接觸網(wǎng)兩者產(chǎn)生的交變磁場互相平衡，明顯的減弱周圍空間的交變磁場，降低鄰近通信線路的電磁感應(yīng)影響，但對電力機(jī)車處于BT 裝置附近時的防護(hù)較差。

電力牽引AT 供電方式是電力牽引的一種供電方式，又稱自耦變壓器供電方式。單相工頻交流電氣化鐵路為提高供電質(zhì)量和減少對通信的干擾而采用的一種設(shè)有自耦變壓器的供電方式[1]。實(shí)踐證明，AT 供電方式具有良好的供電性能和防干擾效果，特別適用于重載或高速、大密度的電氣化干線[3]。

圖1

AT 供電方式的專用設(shè)備主要有與接觸網(wǎng)平行架設(shè)的正饋線及每隔一定距離設(shè)置的低阻抗自耦變壓器。正饋線為牽引負(fù)荷返回變電所的通路，其允許載流量應(yīng)與接觸網(wǎng)的允許載流量等價(jià)。自耦變壓器的一、二次繞組匝數(shù)比采用2∶1，一端接接觸網(wǎng)，另一端接正饋線，中點(diǎn)接鋼軌或扼流變壓器的中性點(diǎn)。接觸網(wǎng)及正饋線的對地電壓相等，接觸網(wǎng)與正饋線之間的電壓為其本身對地電壓的2 倍。AT 供電電氣模型圖如圖1 所示，T 為接觸網(wǎng)，R 為鋼軌，F(xiàn) 為正饋線，I 為機(jī)車中的電流[2]。

2 AT 供電方式下以供電區(qū)為單元建立能量守恒模型

AT 供電方式下完整的供電區(qū)電氣模型示意圖如下所示。

每個牽引變電站給兩側(cè)供電分區(qū)供電，又稱供電臂，每一供電臂分別向上、下行接觸網(wǎng)供電，因此牽引變電站饋出線有四條（T1、T2、T1'、T2'），同一側(cè)供電臂上下行線實(shí)行并聯(lián)供電，可提高供電臂末端電壓。兩個牽引變電站之間將接觸網(wǎng)分成兩個供電臂，默認(rèn)是絕緣的，可以通過分亭區(qū)開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)越區(qū)供電。

當(dāng)不考慮分亭區(qū)開關(guān)設(shè)備投運(yùn)即各牽引變電站負(fù)責(zé)一個完整的供電區(qū)供電時，對完整的牽引變電站電氣回路建立能量守恒模型：

（1）P總輸入=P總輸出+P總損耗=P單側(cè)輸出+P′單側(cè)輸出+P自固損+P自鐵損

（2）P單側(cè)輸出=∑PATi輸入+P單側(cè)線損+P單側(cè)故障損耗

（3）PATi輸入=PATi輸出+PATi固損+PATi鐵損

（4）PATi輸出=∑Pi機(jī)車+∑Pi區(qū)段線損+∑PATi故障損耗

公式（1）中，對牽引變電站來說，其損耗分為設(shè)備自身損耗和隨電流變化而變化的損耗，以P自固損+P自鐵損表示，其中P自鐵損與兩側(cè)供電臂電流大小、電流變化相關(guān)。公式（2）中，將每個自耦變壓器和相應(yīng)的供電區(qū)域線路（即AT 到下一個AT 之間的線路）看作一個AT 供電單元，PATi輸入指每個AT 供電單元的總輸入功率，P單側(cè)線損是指牽引變到第一個AT 之間的線路損耗。公式（2-4）以單側(cè)供電臂為對象建立能量守恒關(guān)系，正常情況下，P單側(cè)故障損耗和PATi故障損耗為零。

同理，當(dāng)分亭區(qū)開關(guān)設(shè)備投運(yùn)，即兩個不同供電區(qū)的供電分區(qū)（供電臂）由同一牽引變電站的單邊進(jìn)行供電時，能量守恒模型發(fā)生一定的變化。

（5）P單側(cè)輸出=∑P本區(qū)ATi輸入+P本區(qū)線損+∑P復(fù)區(qū)ATi輸入+P復(fù)區(qū)線損

（6）P本區(qū)ATi輸入=P本區(qū)ATi輸出+P本區(qū)ATi固損+P本區(qū)ATi鐵損

（7）P復(fù)區(qū)ATi輸入=P復(fù)區(qū)ATi輸出+P復(fù)區(qū)ATi固損+P復(fù)區(qū)ATi鐵損

（8）P本區(qū)ATi輸出=∑Pi本區(qū)機(jī)車+∑Pi本區(qū)區(qū)段線損+∑P本區(qū)ATi故障損耗

（9）P復(fù)區(qū)ATi輸出=∑Pi復(fù)區(qū)機(jī)車+∑Pi復(fù)區(qū)區(qū)段線損+∑P復(fù)區(qū)ATi故障損耗

3 電氣信息采集

圖2 AT 供電方式下完整的供電區(qū)電氣模型示意圖

結(jié)合牽引變供電用電特性，牽引變輸出與損耗總是處于變化過程，而故障發(fā)生迅速，故障表現(xiàn)的電氣特性容易在這種變化過程中被淹沒，因此對系統(tǒng)的能量守恒驗(yàn)證的頻率要非常高，這樣就要求對牽引變電站的輸入電壓、輸入電流、各側(cè)輸出電壓、輸出線路實(shí)時電流進(jìn)行高頻率采集與分析。

以AT 供電單元為對象的能量守恒的驗(yàn)證，需要對每個AT供電單元內(nèi)的各個機(jī)車即負(fù)載用電實(shí)時信息進(jìn)行高頻采集與高頻分析，由于機(jī)車位移處于高速變化過程，作為高頻分析的前提，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的傳輸?shù)目煽啃砸灿蟹浅８叩囊蟆T 供電方式不僅需要對接觸網(wǎng)中性線電氣信息進(jìn)行分析，還要對分亭區(qū)的狀態(tài)，對整個供電電氣模型的結(jié)構(gòu)起關(guān)鍵作用，因此也需要將分亭區(qū)的開關(guān)狀態(tài)納入系統(tǒng)校驗(yàn)邏輯中。分亭區(qū)處于投運(yùn)狀態(tài)時，牽引變單邊供電負(fù)載加重，相關(guān)的損耗系數(shù)都會受到影響，同時，分亭區(qū)本身的電氣信息和越區(qū)供電時原屬于另一個牽引變的用電信息需要納入到現(xiàn)有牽引變供電模型中，所有數(shù)據(jù)依然需要保持高頻率的采集與傳輸，相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析壓力也會增加。這種情況下，以能量守恒模型為依據(jù)的牽引變故障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性和同步性非常重要，也是關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸。

此外，鐵路沿線環(huán)境惡劣，供電線路受溫度、濕度、塵霾、風(fēng)霜、擾動等因素，都會對供電線路損耗產(chǎn)生一定的影響，作為能量守恒驗(yàn)證的校正。

因此，對一個完整的牽引變電所建立能量守恒模型并通過守恒驗(yàn)證判斷線路故障和故障區(qū)域，需要對牽引變電站的設(shè)備信息、各段饋線設(shè)備信息，線路信息、越區(qū)供電區(qū)域的電氣設(shè)備信息等作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立等效電氣模型框架，還需要對牽引變電站供電系統(tǒng)的各個節(jié)點(diǎn)的電氣參數(shù)進(jìn)行高頻的實(shí)時采集分析，對沿線環(huán)境信息進(jìn)行采集分析，以對整體結(jié)論進(jìn)行校正?；谝陨戏治?，我們提出一種信息全采集的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與匯總，通過標(biāo)準(zhǔn)信號采集接口、多通道集成的分布式安裝設(shè)備，對采集對象的類型、位置、數(shù)量做到最大化的兼容，同時通過高精度校時體系，實(shí)現(xiàn)分布式信息的同步化和高頻分析。

4 通信技術(shù)瓶頸與5 G 選用

采用AT 供電方式，牽引變供電距離長達(dá)40～60 km，如果考慮分區(qū)亭投運(yùn)狀態(tài)，系統(tǒng)覆蓋供電范圍將更長。針對這一情況，我們提出以每個AT 供電單元為監(jiān)測對象，對每個AT 供電單元輸入、損耗、機(jī)車（負(fù)載）功率進(jìn)行能量守恒研判。而實(shí)際上，自耦變壓器間距也長達(dá)1～1.5 km，且負(fù)載處于高負(fù)荷用電、高速位移狀態(tài)下，在這種情況下，需要實(shí)現(xiàn)高頻采樣數(shù)據(jù)的高頻實(shí)時分析，就必須解決數(shù)據(jù)的高速同步傳輸，要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r在ms 級。因此分布采集的數(shù)據(jù)的通信問題成了關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

5G 技術(shù)從用戶面的每個層（物理層PHY，媒體接入控制層MAC，無線鏈路控制層RLC）進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保障極高的可靠性（99.999%）的前提下，實(shí)現(xiàn)低時延指標(biāo)。例如在包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，5G 中URLLC 包采用導(dǎo)頻信息，控制信息，以及數(shù)據(jù)依次在時域上排列，實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，控制信道解碼，數(shù)據(jù)的獲取可以串行的進(jìn)行，減少處理時間。5G 所需要支持的頻率范圍非常廣，中低頻從450 MHz～6 000 MHz，高頻從24.25 GHz～52.6 GHz。高頻意味著更高的相位噪聲，所以需要設(shè)計(jì)更加寬的子載波間隔來抵御相位噪聲的干擾。更寬的子載波間隔，意味著時域上更短的時隙，更短的傳輸時間間隔。

除了時延低的特性外，5G 基站的建設(shè)和組網(wǎng)對環(huán)境的適應(yīng)性也與本系統(tǒng)的要求較符，5G 基站組網(wǎng)多采用混合分層網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以保證5G 網(wǎng)絡(luò)的易管理、可擴(kuò)展、高可靠性，能夠滿足5G 基站的高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。[4]

5 建模與仿真運(yùn)行

根據(jù)上述能量守恒模型，我們選取嘉峪關(guān)牽引變電站完整供電線路為研究和試驗(yàn)對象，對其設(shè)備建設(shè)信息和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行建模仿真。

為了驗(yàn)證本方案的理論指導(dǎo)性，我們研發(fā)并制成一種分布式高頻采樣裝置（多通道集成，同時采樣速率不低于10 kHz）和高精度數(shù)據(jù)校時同步單元（校時精度微秒級），通過加裝在牽引變、自耦變、相關(guān)線路和列車（即各負(fù)載）等各個電氣信息采集點(diǎn)，獲取系統(tǒng)驗(yàn)證所需的所有電氣數(shù)據(jù)。同時對敏感環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行高頻采集和時標(biāo)校時?？紤]到5G 通信設(shè)備投入成本較高，相關(guān)基站具體參數(shù)和要求可能出現(xiàn)變化等因素，并未直接建立5G 通信系統(tǒng)，而采用離線數(shù)據(jù)加模型仿真運(yùn)行的方式分析系統(tǒng)故障研判的靈敏度和準(zhǔn)確性。

通過電氣全采集系統(tǒng)對牽引變供電區(qū)域全部電氣數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測與記錄，所有數(shù)據(jù)均帶有微秒級校時精度時標(biāo)，這樣分布在各點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠以數(shù)據(jù)時標(biāo)來實(shí)現(xiàn)同步分析。

對高頻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行長期保存，將數(shù)據(jù)分為模型輸入數(shù)據(jù)和故障驗(yàn)證數(shù)據(jù)，模型輸入是指同一時標(biāo)實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境數(shù)據(jù)、用電數(shù)據(jù)（即負(fù)載位置和負(fù)載用電情況），而故障驗(yàn)證數(shù)據(jù)是指同一時標(biāo)測得的各個監(jiān)測點(diǎn)的電氣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與仿真模型的同一時標(biāo)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而驗(yàn)證實(shí)際供電系統(tǒng)的異常情況。將模型輸入數(shù)據(jù)輸入模型，模擬供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，即模型模擬正常供電系統(tǒng)運(yùn)行情況，只是在時間上滯后于實(shí)際供電系統(tǒng)，同時對模型輸出數(shù)據(jù)實(shí)時記錄并與實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)測得的故障驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行同時標(biāo)比對，正常情況下，兩套數(shù)據(jù)的偏差值應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的或與供電負(fù)載用電電流變化呈相關(guān)性的，當(dāng)這種相關(guān)性變化或偏離超出一定范圍時，電氣全采集系統(tǒng)系統(tǒng)對測得的數(shù)據(jù)（即保存的同時標(biāo)的全部離線數(shù)據(jù)）進(jìn)行處理，形成故障波形文件，并通過波形離線分析工具包括相角分析、諧波分析、偏差值分析等分析系統(tǒng)異常產(chǎn)生原因。

6 結(jié)語

通過數(shù)月的仿真運(yùn)行與數(shù)據(jù)偏差分析情況，結(jié)合實(shí)際牽引變供電系統(tǒng)運(yùn)維情況，基本能夠確定以電氣全監(jiān)測系統(tǒng)與能量守恒模型驗(yàn)證的辦法，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車高速運(yùn)行期間產(chǎn)生的異常和故障研判，故障研判靈敏度較高。通過波形文件的分析，也能夠明顯提升系統(tǒng)異常產(chǎn)生的原因查找效率。

盡管本方案驗(yàn)證了電氣化鐵路在機(jī)車闖入期間的故障監(jiān)測的理論可行性，但實(shí)際投入使用仍然要對5G 通信系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的運(yùn)行效果進(jìn)行驗(yàn)證，對通信數(shù)據(jù)丟失率和數(shù)據(jù)波形處理方面進(jìn)行進(jìn)一步研究和完善。同時，對于不同故障的處理機(jī)制形成完善的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障自動處理和迅速恢復(fù)。