馬超

(中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100003 )

0 引 言

高鐵是中國工業(yè)發(fā)展極致化的表現(xiàn)，全面電氣化運行的高鐵系統(tǒng)，也給國內(nèi)電氣控制技術(shù)提出了諸多新要求。根據(jù)TB 10621— 2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》要求，高速鐵路接觸網(wǎng)電壓級別為對地27.5 kV/50 Hz，而信號機(jī)等信號系統(tǒng)的信號供電網(wǎng)運行在市電電壓等級上[1]。

本文重點分析高速鐵路貫通供電回路的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以確保TB 10621 —2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》要求下的供電可靠性和可用性保障模式，在分析多電源貫通供電回路的供電需求下，對數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的介入方式和算法進(jìn)行優(yōu)化[2]。

1 高速鐵路貫通供電回路的一般模型

貫通供電回路指沿鐵路沿線敷設(shè)，專供鐵路系統(tǒng)用電的供電網(wǎng)絡(luò)，大部分高速鐵路的貫通供電回路采用10 kV電壓等級，少數(shù)高速鐵路供電回路UC采用35 kV電壓等級。采用35 kV作為貫通供電的用電回路，則鐵專變電站的密度會大幅度下降，導(dǎo)致其分段距離過長，一旦發(fā)生停電事故，影響范圍較大，備用供電方案難以有效快速實施[3]?；?0 kV電壓等級的貫通供電系統(tǒng)一般模型如圖1所示。

圖1 高速鐵路貫通供電回路的一般模型

圖1中，采用兩列并行的貫通供電分段，其在邏輯拓?fù)渖媳３謱ΨQ性，但在實際運行管理中，其中一列作為接觸網(wǎng)供電回路，另一列作為信號網(wǎng)供電回路，只有在極端情況下，才會動用備用回路對另一側(cè)進(jìn)行供電。實際運行中，確保每個貫通供電分段之間存在有效隔離，只有在極端條件下，才會發(fā)生跨分段供電的情況。如引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，則需要對每個貫通供電分段的實際用電負(fù)荷和電能質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，并作出系統(tǒng)穩(wěn)定性預(yù)警，同時對相鄰的可用備用電源站的備份供電能力作出評價，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)供電問題后，隨時作出倒閘決策。

2 數(shù)據(jù)的讀入與預(yù)處理

本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀入點來自鐵專電源站10 kV供電母線對貫通供電分段的主斷路器數(shù)據(jù)采集點，高頻采集三相電壓、電流及中心點電流值。同時采集各貫通分段間隔離開關(guān)的電氣位置信息，構(gòu)成該貫通線路電源的原始輸入數(shù)據(jù)集[4]，如圖2所示。

圖2 分段監(jiān)控預(yù)警神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)據(jù)集

對每個貫通供電回路分段的監(jiān)控任務(wù)來說，僅需要考慮本分段區(qū)間的電網(wǎng)運行穩(wěn)定性以及相鄰兩個分段區(qū)間的運行穩(wěn)定性。在調(diào)度過程中，需要對三個分段區(qū)間的運行穩(wěn)定性給出聲光預(yù)警，同時根據(jù)三個聲光預(yù)警結(jié)果和兩個隔離開關(guān)位置信息，給出倒閘策略[5]。

錄波圖數(shù)據(jù)屬于線性數(shù)據(jù)，在高密度數(shù)據(jù)采集模式下，一般采用不低于200 Hz的錄波圖采集模式，即每個50 Hz工頻周期采集4個采樣點；采用2 kHz的錄波圖采集模式，即每個50 Hz工頻周期采集40個采樣點。實際數(shù)據(jù)輸入過程中采用40個數(shù)據(jù)記錄，輸入一整個50 Hz工頻周期數(shù)據(jù)。針對每個分段區(qū)間的2個供電斷路器，每個斷路器包含3路相線和1路中性線，中性線無須電壓信號。因此實際數(shù)據(jù)采樣過程包含以下錄波圖數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)輸入模式細(xì)化圖

圖3共涉及13個輸入項，每個輸入項均包含40個實時數(shù)據(jù)。因此首先應(yīng)將40個實時數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，形成一個雙精度浮點變量(Double格式)；然后將上述兩組各6個Double格式變量分別形成1個整合輸入變量，該變量輸出依然為Double格式數(shù)據(jù)，從而將3個Double格式數(shù)據(jù)共同輸入到狀態(tài)診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。

輸入降維模塊和整合輸入模塊，均采用3隱藏層設(shè)計，隱藏層結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 輸入相關(guān)預(yù)處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊隱藏層結(jié)構(gòu)

表1中，兩層輸入用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際統(tǒng)計學(xué)意義，是利用六階多項式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)降維信息保存能力，充分構(gòu)建輸入輸出數(shù)據(jù)的信息損失緩存，使用二值化節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高反差信息展現(xiàn)，使用對數(shù)型節(jié)點充分放大數(shù)據(jù)的投影細(xì)節(jié)。

3 聲光預(yù)警策略設(shè)計

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊之后，建立模糊控制矩陣模塊對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行解模糊，設(shè)計該聲光預(yù)警的報警策略[6]，即通過模糊控制矩陣實現(xiàn)將一維輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行二維化，分別從其數(shù)據(jù)凈值和數(shù)據(jù)變化值兩方面構(gòu)建模糊控制矩陣，如表2所示。

表2 聲光預(yù)警模糊控制矩陣結(jié)構(gòu)表

表2給出0～4共5種聲光報警狀態(tài)，即針對1個貫通供電分段，其運行狀態(tài)分為5種狀態(tài)：當(dāng)預(yù)警狀態(tài)達(dá)到1時，認(rèn)為該分段存在供電不穩(wěn)定性；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)0與1的狀態(tài)頻繁切換時，則應(yīng)利用其他相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)對系統(tǒng)運行狀態(tài)問題進(jìn)行全面分析，并發(fā)現(xiàn)響應(yīng)的故障源；當(dāng)預(yù)警狀態(tài)達(dá)到2時，則認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)隨時跳閘風(fēng)險，此時務(wù)必加強(qiáng)觀察，隨時確定電源切換倒閘窗口；但如果轉(zhuǎn)入預(yù)警狀態(tài)2后快速回歸到1及0狀態(tài)時，該系統(tǒng)仍存在繼續(xù)加強(qiáng)觀察而不做出倒閘的可能性；而當(dāng)預(yù)警狀態(tài)達(dá)到3或4且穩(wěn)定數(shù)秒乃至更長時間時，則應(yīng)立即進(jìn)行程控倒閘，以防止發(fā)生不可控跳閘斷電事故。

4 自動倒閘策略的提出

對雙回路貫通供電分段來說，每1回路的供電策略樹相互獨立[7]，如圖4所示。

圖4的倒閘可用狀態(tài)中，包括本地正常供電模式，本地供電不穩(wěn)定時的左側(cè)聯(lián)合供電和右側(cè)聯(lián)合供電模式，以及本地電源切除后的左側(cè)輔助供電和右側(cè)輔助供電模式。受制于運行控制難度，極少出現(xiàn)三分段以上的單電源或三分段以上多電源的供電模式。因為高鐵運行存在每天數(shù)小時的停車檢修時間，所以一旦某區(qū)間出現(xiàn)運行不穩(wěn)定情況，則應(yīng)立即在檢修時間內(nèi)投入冷備用設(shè)備，以對相應(yīng)問題進(jìn)行全面拆檢。

圖4 貫通供電分段內(nèi)單一回路的倒閘狀態(tài)決策樹

5 數(shù)據(jù)挖掘算法效能測試

5.1 對接觸網(wǎng)異常放電故障的捕捉

接觸網(wǎng)是高鐵供電系統(tǒng)的核心功能實現(xiàn)設(shè)施，受到高速行車過程的動力學(xué)擾動，接觸網(wǎng)可能發(fā)生絕緣子爬電、異常電弧放電和異常單相接地等諸多常見故障。這些故障在發(fā)生早期較難被系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，因此考察該系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)挖掘效果，可以判斷該系統(tǒng)的算法效能。在SimuWorks組件的仿真環(huán)境下構(gòu)建某區(qū)間接觸網(wǎng)、信號網(wǎng)和貫通網(wǎng)邏輯模型，設(shè)定各300次上述故障，考察該監(jiān)測系統(tǒng)做出報警的時間窗口，同時設(shè)定300次正常運行狀態(tài)作為參照量[8]，可以得到表3。

表3 接觸網(wǎng)常見故障的捕捉能力

表3中，對接觸網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)控制效果均可以確保在故障發(fā)生后200 ms內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障，且故障報警的特異性和敏感性均達(dá)到98%以上。特異性為該系統(tǒng)判斷報警狀態(tài)為0的狀態(tài)占全部正常狀態(tài)的比例，敏感性為該系統(tǒng)判斷報警狀態(tài)不為0時的狀態(tài)占全部故障狀態(tài)的比例。

5.2 對信號網(wǎng)潛在故障的捕捉

信號網(wǎng)是進(jìn)行區(qū)間閉鎖管理的保障性設(shè)施，在鐵路基本運行理念下，兩臺信號機(jī)之間的空間，僅允許有1輛車駛?cè)?。?dāng)信號網(wǎng)供電或者信號出現(xiàn)問題時，該系統(tǒng)內(nèi)的所有信號機(jī)均在備用電源下亮起紅燈閉鎖該區(qū)域。此時任何車輛無法通過該區(qū)間，故可導(dǎo)致該區(qū)域完全停運。因此，確保信號網(wǎng)供電的穩(wěn)定性也是該系統(tǒng)的關(guān)鍵管理目標(biāo)。信號網(wǎng)潛在故障的捕捉能力[9]如表4所示。

表4 信號網(wǎng)常見故障的捕捉能力

表4中，因為信號網(wǎng)的負(fù)載低于接觸網(wǎng)且其負(fù)載并不是接觸網(wǎng)的沖擊負(fù)載而是持續(xù)負(fù)載，所以信號網(wǎng)常見故障的捕捉周期略長于接觸網(wǎng)，但仍可保證故障發(fā)現(xiàn)周期在500 ms以內(nèi)，且其特異性和敏感性也在98%以上。

5.3 對貫通網(wǎng)內(nèi)在故障的捕捉

貫通網(wǎng)內(nèi)，故障可以直接影響到接觸網(wǎng)和信號網(wǎng)的運行安全，因為貫通網(wǎng)的本質(zhì)是通用輸電微網(wǎng)，所以，其實際故障發(fā)生類型與通用輸電網(wǎng)絡(luò)一致，包括相間異常放電和對地異常放電等。電力監(jiān)控設(shè)施對此類故障的控制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，比較該系統(tǒng)對貫通網(wǎng)的實際監(jiān)控效果[10]如表5所示。

表5 貫通網(wǎng)常見故障的捕捉能力

表5中，貫通網(wǎng)常見故障的捕捉周期穩(wěn)定在60 ms以內(nèi)，且其特異性和敏感性均在99%以上。

6 結(jié)束語

本文數(shù)據(jù)挖掘算法，可以有效捕捉接觸網(wǎng)放電故障、信號網(wǎng)潛在故障和貫通網(wǎng)內(nèi)在故障，均達(dá)到超過98%的故障捕捉敏感性和特異性，且在故障捕捉時間的控制成果中，均實現(xiàn)小于1 s(1 000 ms)的故障發(fā)現(xiàn)時間。故該算法可以讓安全管理更早介入，可以大幅度提升安全管理效能。當(dāng)然，本文系統(tǒng)并不能獨立對鐵路電氣自動化系統(tǒng)提供完整的監(jiān)控功能，因此需要配合其他調(diào)度信息管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合管控。