基于ACO-SVM的轨道交通供电线路暂态保护研究.pdf
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1、基于 ACO-SVM 的轨道交通供电线路暂态保护研究 张灵芝,冯译萱 供变电 1 DOI:10.19587/ki.1007-936x.2023.03.001 基于 ACO-SVM 的轨道交通供电线路暂态保护研究 张灵芝,冯译萱 摘 要:基于轨道交通供电系统动态负荷特性,研究轨道交通供电线路故障信号全景特征辨识并构建故障全景信息特征库,应用支持向量机-蚁群算法(ACO-SVM)进行轨道交通供电线路保护技术研究,并进行仿真试验分析,取得阶段性研究成果。关键词:向量机-蚁群算法;轨道交通;动态负荷特性;暂态信号 Abstract:Based on the dynamic load character
2、istics of the rail transit power supply system,the panoramic feature identification of fault signals in rail transit power supply lines is studied and a fault panoramic information feature library is constructed.Support Vector Machine Ant Colony Algorithm(ACO-SVM)is applied to study the protection t
3、echnology of rail transit power supply lines,and analysis is made by simulation experiments and phased research results are obtained accordingly.Key words:ACO-SVM;rail transit;dynamic load characteristics;transient signal 中图分类号:U223.8 文献标识码:A 文章编号:1007-936X(2023)03-0001-05 0 引言 与其他电力线路负荷相对位置静止的状态不同,
4、轨道交通供电线路的列车作为用电负荷,持续运动变换位置且频繁启停,同一线路上不同时刻运行列车数量以及高峰期间列车乘客数量的变化都会引起供电线路电压、电流的大幅度变化。轨道交通供电线路中这种区别于一般电网的具有明显动态变化特性的负荷(列车)被称为“动态负荷”。轨道交通供电线路的动态负荷由于故障发生机理不同,对应不同性质的扰动激励源,暂态量响应存在差异,导致观测到的动态负荷波形与传统电力静止负荷具有明显不同的特性1。供电线路的保护装置有发生拒动和误动的可能性,提高供电线路保护方法的实用性,重点在于对故障暂态保护特性的正确筛选以及故障点反射波的有效表征、准确甄别及精确标定。1 研究背景 以动态负荷为供
5、电对象的轨道交通供电线路富含暂态过程,一方面是外部作用于牵引网的,如雷电直接击中牵引网导线,在牵引网线路上产生冲击电压行波,或是雷击牵引网线路附近引起的感应 作者简介:张灵芝.湖南铁路科技职业技术学院,教授;冯译萱.长沙理工大学电气与信息工程学院,硕士研究生。课题项目:湖南省教育厅科学研究项目“基于支持向量机-蚁群算法的轨道交通供电线路动态负荷暂态保护方法研究”(21B0898)。过电压;另一方面是动车组运行过程中的一些暂态过程引起的过电压,如动车组通过两个供电臂衔接处的过分相装置时由机车断路器的投切而产生的过分相过电压,滑动的受电弓相对于接触线高速运行,受电弓振动或接触线不平滑等原因使受电弓
6、频繁离线产生电弧导致的弓网离线过电压,升、降弓过程产生的浪涌过电压等。在列车运行过程中,轨道交通供电线路在不同故障位置、不同故障阻抗、不同故障原因下产生的实际故障波形在幅值上存在较大差异,但波形之间又有某些相似性。轨道交通供电线路目前广泛采用行波测距中记录的故障波形,本质特征是均含有故障信息,如故障位置、故障强弱等多种信息2。由于动态负荷运动状态和位置不同,故障行波呈现出多样性,暂态信号成分复杂,造成特征提取困难,仅依靠单一的幅值、增量、频谱分布等特征难以区分故障行波和干扰杂波;采用阈值、规则等线性分类方法区分扰动和故障,可靠性低。在列车行车密度增大、载重增大时,“动态负荷”引起的电压、电流变
7、化将与非金属短路故障时电压、电流变化相似,使得保护装置发生拒动和误动的可能性大幅提高2。因此,轨道交通供电线路的暂态保护实用化,关键在于体现动态负荷全景特性的暂态信号真实检测与波形特征的精确提取。现有轨道交通的暂态保护方法大多源自电力系统,且暂态保护方法大多只利用了暂态信号局部供变电 电气化铁道 2023年第3期 2 的特征信息,动态负荷运行下现有暂态保护方法的可靠性不高。前期研究发现3:不同的轨道交通线路结构、供电动态负荷故障点位置、故障时间、故障程度及不同类型故障所产生的包含大量折反射暂态分量的宽频带暂态信号的波形特征具有唯一性,可利用动态负荷故障暂态信号波形的唯一性特性进行暂态保护。本文
8、深入研究轨道交通供电线路动态负荷暂态信号准确测量理论技术,以解决动态负荷暂态信号真实检测的难题;并基于该真实全景暂态信号,综合利用时域特征与频域特征,构建故障全景信息特征库,探讨构筑适用于轨道交通的基于动态负荷特性的新型暂态保护方法,以提高轨道交通供电线路暂态保护的可靠性,具有重要的理论意义和工程应用前景。2 关键技术研究 2.1 动态负荷电磁暂态模型研究 本节研究动态负荷测算和运行状态与位置判断,构建轨道交通供电线路动态负荷电磁暂态研究模型。以高速铁路 AT 供电方式为例,其负荷随着运行状态和位置在不断变化。对于轨道交通供电线路而言,列车动态负荷实质是不同运行状态下的列车在运行图运行时刻安排
9、下的组合。为确保行波高速采集装置在小故障角或高阻等弱故障模式下均能启动记录故障行波,牵引变电所行波高速采集装置往往采用门槛值较低的突变量启动算法,这样会使得大量的干扰杂波被采录下来。本研究通过对轨道交通供电线路暂态信号进行动态负荷测算和运行状态与位置判断,精准划分位置区域和运动状态,获取不同区域及状态下轨道交通供电线路产生的暂态信号,建立动态负荷电磁暂态研究模型,分析各类暂态量的信息表达和故障波形规律。分析过程中引入列车位置信息,结合电压、电流变化情况对动态负荷特性进行全景分析。在列车正常运行时,列车的启动及制动一般均在指定位置发生(即各站站台),设定此区域为启停区,启停区外的范围为运行区。启
10、停区由于存在列车正常的频繁启停,负荷特征将与运行区有明显不同。研究列车分别在启停区和运行区时列车负荷的 9 种不同状态(牵引重载启动、牵引重载制动、牵引重载运行、牵引轻载启动、牵引轻载运行、牵引轻载制动、牵引空载启动、牵引空载运行、牵引空载制动)下的电压、电流变化特性和出现故障时的故障电压、电流特性,真实检测动态负荷暂态信号的时间-频率-幅值-极性等故障全景信息,研究基于信号+频率变化的暂态信号传递函数模型,重点研究其依频变化规律、传递函数模型中的区域距离参数和运行状态参数的等效阶数的选择、非线性频段间的串扰影响规律等内容。发生故障后网络分解模型如图 1所示。PPRfuRfuaF负荷分量故障分
11、量PRfuRf 图 1 发生故障后网络分解模型 经过现场采集大量样本数据后建模,总结出轨道交通供电线路动态负荷的各类暂态量的时频分布特征、故障行波的传播规律,为后续辨识和设计轨道交通全景故障信息样本库特征提供依据。2.2 动态负荷全景特性暂态信号波形特征的精确提取 为深入分析故障暂态信号的波形特征信息,需提取暂态信号特征频带的时间、频率、幅值和极性等具体暂态信号特征信息,提出构建故障全景信息特征库的暂态信号特征选择准则和获取方法。暂态信号属于非平稳随机信号,其本质区别是时频分布的差别4。动态负荷全景特性的特征提取是通过信号处理和数理统计对暂态信号进行变换和重构,并从中提取时域、频域和时频域上的
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