专利名称：一种辨别高速铁路牵引网故障性质类型的方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，涉及一种辨别高速铁路牵引网故障性质类型的方法，尤其涉及一种利用上网点单次故障反射信号辨别高速铁路牵引网故障性质类型的方法，适用于牵引网输电线路故障的诊断。
背景技术：
由于高速铁路牵引网供电系统的供电臂一般在几十公里以上。一旦发生故障，线路故障的查询耗时较长。如果不能急时准确的辨别故障性质类型，会增加线路故障查询人员工作量。现阶段由于铁路牵引网线路引起的供电线路故障事故频发。当故障发生时，盲目操作，故障处理不当，易造成设备损坏等严重后果，且危及到人员生命安全；同时高速铁路牵引网供电系统随着近几年重载和提速工作深入，其自身的容量也越来越大，系统短路 阻抗较以前大幅度减小，短路电流大幅度增大，导致烧断导线和承力索及冲击变压器等事故不断的发生。为了在牵引网线路事故发生后能尽快处理，恢复电气化铁道的运输生产，对牵引网线路常见的短路及开路故障性质类型进行辨别，为供电控制系统的操作提供参考信息，避免强行重合闸时对设备和人生安全造成损害是非常必要的。

发明内容
为了解决高速铁路牵引网故障性质类型难以准确判断及传统故障性质类型区分方法的复杂性，本发明的目的在于提供一种利用上网点单次故障反射信号辨别高速铁路牵引网故障性质类型的方法。该方法设计了一种具有缓冲能力的数据采集系统，提出了一种利用故障线路上网点单次故障反射信号的功率谱来辨别故障性质类型的方法。本发明的技术方案为利用数据采集系统，采集收录故障电压行波信号，标定出线路上网点故障反射信号波头位置，确定出采集的故障线路上网点每一次故障反射信号的数据长度，所述的上网点为牵引变电所电力输送线与接触网馈线连接处，提取多次上网点故障反射信号，运用信号不重叠分段估计功率谱方法逐次求取上网点故障反射信号功率谱，通过比较两种故障性质类型下的上网点单次故障反射信号功率谱特性的不同点，确定高速铁路故障性质类型。所述通过比较两种故障性质类型下的上网点故障反射信号功率谱特性的不同点，确定闻速铁路故障性质类型的方法
①如果其功率谱分布随故障反射信号频率的逐渐增加而其功率谱先呈现单调递减的变化，当到达中心频带时，又呈现较小幅值的功率谱递增变化过程，则高速铁路牵引网线路发生开路故障；
②如果其功率谱分布随故障反射信号频率的逐渐增加，在到达其信号中心频率之前，其功率值呈现单调递增的变化趋势，频率值超出中心频率后，其功率值呈现单调递减趋势，但在其频带中心频率处故障信号的功率值最大，则高速铁路牵引网线路发生短路故障。所述的数据采集系统为当外部行波传感器采集到高速铁路牵引网输电线的电压行波模拟信号时，触发启动存储信号，信号经过缓冲处理，送至高速数据采集模块部分，读取采样值，生成录波数据。所述的数据采集系统设有缓冲区，缓冲区里存储的在高压脉冲发生设备启动的动作延时期间内的信号，在处理机制中舍弃处理，舍弃处理后的采集数据才是真实的高压脉冲发生设备动作后的采样信号，从而缓解行波信号处理机制与高压脉冲发生设备之间速度不匹配的矛盾。所述的标定出线路上网点故障反射信号波头位置是结合了小波变换模极大值法，利用牵引变电所采集到的电压行波信号，进行多尺度一维离散小波变换，选用Daubechies小波族的db4为基本小波,并采用搜索模极大值的方法和约束函数判定,在模极大值点间进行识别反射信号波头位置，从而标定出线路上网点故障反射信号波头位置。所述的逐次求取上网点故障反射信号功率谱中，求取上网点单次故障反射信号功率谱，采用不重叠加窗方法的功率谱估计进行分析。
上网点故障反射信号的频率成分分布在5MHz以下。本发明通过对高速铁路牵引网馈线上网点故障反射信号的功率谱的分布的分析，对比多组开路故障与短路故障性质数据，根据其上网点故障反射信号功率谱分布的不同，总结出ー种可以用于判定辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，可应用于牵引网输电线路故障的诊断，有益于牵引网线路事故发生后能尽快处理，恢复电气化鉄道的运输生产，对牵引网线路常见的短路及开路故障性质类型进行辨别，为供电控制系统的操作提供參考信息，避免強行重合闸时对设备和人生安全造成损害是非常必要的。相对于现有技术，本发明使用上网点故障反射信号分析判定故障性质；数据采集系统设有缓冲区，缓解了行波信号处理机制与高压脉冲发生设备之间速度不匹配的矛盾；运用信号不重叠分段估计功率谱方法更加科学。本发明能够辅助高压输电线路故障行波测距方法中对故障性质类型的准确辨别。


图I为本发明分析方法方框图。图2为原始开路故障电压行波信号波形图。图3为原始短路故障电压行波信号波形图。图4为提取的开路故障输电线路上网点多次故障反射信号波形图。图5为提取的短路故障输电线路上网点多次故障反射信号波形图。图6为提取的开路故障输电线路上网点单次故障反射信号波形图。图7为提取的短路故障输电线路上网点单次故障反射信号波形图。图8为提取的开路故障输电线路上网点单次故障反射信号功率谱图。图9为提取的短路故障输电线路上网点单次故障反射信号功率谱图。
具体实施例方式本发明通过下面的实施例可以对本发明作进ー步的描述，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。实施例I :本发明的具体实施方式
如图I至图9所示。
本发明的一种利用上网点单次故障反射信号辨别高速铁路牵引网故障性质类型的方法的实现过程如图I所示
(1)牵引网输电线路故障发生后，故障行波信号在上网点即牵引变电所电力输送线与接触网馈线连接处，发生波的反射现象；
(2)数据采集装置启动，采集收录故障电压行波信号，进行数据采集装置录波存储；
(3)微机对收录的故障电压行波信号的处理机制结合小波变换模极大值法处理故障行波数据，提取上网点故障反射信号，采用不重叠加窗方法的功率谱估计法进行分析上网点故障反射信号功率谱；之所以采用不重叠加窗方法的功率谱估计法，是因为多次上网点故障反射信号间具有相同的采样点数间距，设定与相邻的两次反射信号采样点数间距相同的窗口数据，再经快速傅里叶变换即可求取上网点单次故障反射信号功率谱；、
(4)先通过小波变换模极大值法，标定出线路上网点故障反射信号波头位置，确定出采集的故障线路上网点每一次故障反射信号，提取多次上网点故障反射信号，运用信号不重叠分段估计功率谱方法，求得上网点单次故障反射信号的功率谱；
(5)由上网点单次故障反射信号的功率谱分布情况判断其故障性质类型
①如果其功率谱分布随故障信号频率的逐渐增加而其功率谱先呈现单调递减的变化，当到达中心频带时，又呈现较小幅值的功率谱递增变化过程，则高速铁路牵引网线路发生开路故障；
②如果其功率谱分布随故障信号频率的逐渐增加，在到达其信号中心频率之前，其功率值呈现单调递增的变化趋势，频率值超出中心频率后，其功率值呈现单调递减趋势，但在其频带中心频率处故障信号的功率值最大,则高速铁路牵引网线路发生短路故障。从而实现高速铁路故障性质类型的辨别。图2所示为天津南仓牵引变电所内使用自行设计的数据采集系统，采集收录的牵引网馈线发生开路故障时电压行波信号；
图3所示为天津南仓牵引变电所内采集收录的牵引网馈线发生短路故障时电压行波信号。本发明为了解决高压脉冲信号发生装置的动作延时，其中从断路器跳闸到高压脉冲信号的发出需要50ms，自行设计的数据采集系统添加了采样数据缓冲区域，便于对前50ms所采样的无效故障电压行波信号进行删除；由于本发明现场数据采集系统的采样频率为60MHz，对应于采样数据上3 X IG6个采样点，因此对采样数据的前3 X IO6个无效采样点删除，这样就保证采集的数据是有效信号，舍弃处理后的采集信号才是真实的高压脉冲发生设备动作后的采样信号。有利于接触网馈线故障性质的辨别及故障定位。图4为提取的现场采样开路故障电压行波信号的上网点多次故障反射信号；
图5为提取的现场采样短路故障电压行波信号的上网点多次故障反射信号。本发明为了识别出采集的上网点故障反射信号波头，结合小波分析模极大值法处理分析，单独提取上网点故障反射信号；对上述处理后的上网点多次故障反射信号分析，得出多次故障反射信号的反射波头之间的信号采样点间距相同。图6为便于更好分析故障性质类型，提取的现场开路故障输电线路上网点单次故障反射信号波形 图7为提取的现场短路故障输电线路上网点单次故障反射信号波形图。由上述分析知，多次故障反射信号的反射信号波头之间的信号采样点间距相同，因此对图4和3-b中的多次故障反射信号进行单次反射信号提取，减小数据量和信号含噪成份的复杂度。图8为现场开路故障下单次上网点故障反射信号的功率谱；
图9为现场短路故障下单次上网点故障反射信号的功率谱。本发明对提取的上网点单次故障反射信号进行频域的分析，求取其功率谱进行分析，辨别这两种不同故障性质类型下其上网点故障反射信号功率谱的不同点。由图8和9可知，当牵引网馈线发生开路故障时，随故障信号频率的逐渐增加而其功率值谱很明显呈现单调递减的变化趋势，递减到中心频带时，出现一定范围的较小幅值的功率谱单调递增的变化；当牵引网馈线发生短路故障时，随故障信号频率的逐渐增加，在到达其信号频带中心频率之前，其功率值呈现单调递增的变化趋势；在其中心频率之后，其功率值呈现单调递减趋势；在其频带中心频率处故 障信号的功率值最大；同时开路故障和短路故障的功率谱的变化趋势截然相反；并切馈线上网点故障反射信号的有效频率成份分布在5MHz以下。
权利要求
1.一种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征是利用数据采集系统，采集收录故障电压行波信号，标定出线路上网点故障反射信号波头位置，确定出采集的故障线路上网点每一次故障反射信号的数据长度，所述的上网点为牵引变电所电力输送线与接触网馈线连接处，提取多次上网点故障反射信号，运用信号不重叠分段估计功率谱方法逐次求取上网点故障反射信号功率谱，通过比较两种故障性质类型下的上网点单次故障反射信号功率谱特性的不同点，确定高速鉄路故障性质类型。
2.根据权利要求I所述的ー种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征是所述通过比较两种故障性质类型下的上网点故障反射信号功率谱特性的不同点，确定高速铁路故障性质类型的方法 ①如果其功率谱分布随故障反射信号频率的逐渐增加而其功率谱先呈现单调递减的变化，当到达中心频带吋，又呈现较小幅值的功率谱递增变化过程，则高速铁路牵引网线路发生开路故障； ②如果其功率谱分布随故障反射信号频率的逐渐增加，在到达其信号中心频率之前，其功率值呈现单调递增的变化趋势，频率值超出中心频率后，其功率值呈现单调递减趋势，但在其频带中心频率处故障信号的功率值最大，则高速鉄路牵引网线路发生短路故障。
3.根据权利要求I或2所述的ー种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征是所述的数据采集系统为当外部行波传感器采集到高速鉄路牵引网输电线的电压行波模拟信号时，触发启动存储信号，信号经过缓冲处理，送至高速数据采集模块部分，读取采样值，生成录波数据。
4.根据权利要求3所述的ー种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征是所述的数据采集系统设有缓冲区，缓冲区里存储的在高压脉冲发生设备启动的动作延时期间内的信号，在处理机制中舍弃处理，舍弃处理后的采集数据才是真实的高压脉冲发生设备动作后的采样信号，从而缓解行波信号处理机制与高压脉冲发生设备之间速度不匹配的矛盾。
5.根据权利要求I或2所述的ー种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征在于所述的标定出线路上网点故障反射信号波头位置是结合了小波变换模极大值法，利用牵引变电所采集到的电压行波信号，进行多尺度一维离散小波变换，选用Daubechies小波族的db4为基本小波，并采用搜索模极大值的方法和约束函数判定，在模极大值点间进行识别反射信号波头位置，从而标定出线路上网点故障反射信号波头位置。
6.根据权利要求I或2所述的ー种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征是所述的逐次求取上网点故障反射信号功率谱中，求取上网点单次故障反射信号功率谱，采用不重叠加窗方法的功率谱估计进行分析。
7.根据权利要求I或2所述的ー种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征是上网点故障反射信号的频率成分分布在5MHz以下。
8.根据权利要求I或2所述的ー种辨别高速鉄路牵引网故障性质类型的方法，其特征是其实现过程如下 (1)牵引网输电线路故障发生后，故障行波信号在上网点即牵引变电所电力输送线与接触网馈线连接处，发生波的反射现象； (2)数据采集装置启动，采集收录故障电压行波信号，进行数据采集装置录波存储；(3)微机对收录的故障电压行波信号的处理机制结合小波变换模极大值法处理故障行波信号，提取上网点故障反射信号，采用不重叠加窗方法的功率谱估计法进行分析上网点故障反射信号功率谱； (4)先通过小波变换模极大值法，标定出线路上网点故障反射信号波头位置，确定出采集的故障线路上网点每一次故障反射信号长度，提取多次上网点故障反射信号，运用信号不重叠分段估计功率谱方法，求得上网点单次故障反射信号的功率谱； (5)由上网点单次故障反射信号的功率谱分布情况判断其故障性质类型 ①如果其功率谱分布随故障信号频率的逐渐增加而其功率谱先呈现单调递减的变化，当到达中心频带时，又呈现较小幅值的功率谱递增变化过程，则高速鉄路牵引网线路发生开路故障； ② 如果其功率谱分布随故障信号频率的逐渐增加，在到达其信号中心频率之前，其功率值呈现单调递增的变化趋势，频率值超出中心频率后，其功率值呈现单调递减趋势，但在其频带中心频率处故障信号的功率值最大,则高速铁路牵引网线路发生短路故障。
全文摘要
本发明公开了一种辨别高速铁路牵引网故障性质类型的方法，其特征是利用数据采集系统，采集收录故障电压行波信号，标定出线路上网点故障反射信号波头位置，确定出采集的故障线路上网点每一次故障反射信号的数据长度，所述的上网点为牵引变电所电力输送线与接触网馈线连接处，提取多次上网点故障反射信号，运用信号不重叠分段估计功率谱方法逐次求取上网点故障反射信号功率谱，通过比较两种故障性质类型下的上网点单次故障反射信号功率谱特性的不同点，确定高速铁路故障性质类型。其数据采集系统设有缓冲区，运用信号不重叠分段估计功率谱方法更加科学。本发明能准确的分析出故障性质，适合电气化铁道牵引网故障性质的分析判定。
文档编号G01R31/11GK102707201SQ20121021390
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者仇亚军, 何浩华, 吴仲朗, 周书民, 汪志成, 陈锐 申请人:东华理工大学