秦方方，鄭財暉，李學明，李 鵬

（1. 株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2. 中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

0 引言

在列車運行過程中，任何微小或潛在的故障和隱患若不能被及時診斷，都有可能引發(fā)連鎖反應而造成事故，甚至釀成災難性后果[1-3]。列車供電系統(tǒng)作為客車上各種電器的電源設備，其可靠性對保障乘客乘車的安全性和舒適性尤為重要。目前我國主要客運列車均采用DC 600 V 集中供電、分散變流供電方式，即機車提供DC 600 V 等級的列車供電母線電壓，各車廂上的變流器將DC 600 V 電壓逆變成三相380 V、單相220 V 交流電源后向車廂用電設備（如空調、供暖、照明等）供電[4-6]。因此，保障DC 600 V 列車供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠，對于列車安全運行和旅客良好乘坐體驗具有重要意義。

經(jīng)過多年的運行考驗以及優(yōu)化改進[7-12]，DC 600 V 供電系統(tǒng)雖日趨成熟，但仍存在一些問題，如由于DC 600 V短路，電流難以被迅速切斷。為了監(jiān)測系統(tǒng)對地絕緣是否存在缺陷，盡早發(fā)現(xiàn)短路隱患，同時對人體進行漏電保護以避免觸電，接地絕緣檢測與保護優(yōu)化成為其中重要的議題之一[13]。目前機車、客車接地絕緣檢測仍采用超限報警方法，且主要針對DC 600 V 干線絕緣故障[14]。文獻[15-16]對列車供電系統(tǒng)各種接地絕緣故障進行了深入分析，并通過仿真研究歸納出了接地檢測電壓變化規(guī)律。文獻[16]提出一種根據(jù)接地檢測電壓峰—峰值來進行故障診斷的方法，但其僅能檢測出交流側接地，無法進一步區(qū)分故障點是交流側正端接地、交流側負端接地還是電抗器前端接地，且無法對故障發(fā)展程度進行度量。

為了實現(xiàn)對各種接地絕緣故障的準確定位并預測故障的嚴重程度，本文提出了一種實時故障診斷與預測方法，并通過仿真測試驗證其有效性。

1 供電系統(tǒng)接地絕緣檢測原理及診斷方案

1.1 接地絕緣故障檢測原理

電力機車列車供電系統(tǒng)主電路原理如圖1所示[17-19]，單相AC 25 kV 交流電經(jīng)受電弓、主斷路器（VCB）和牽引變壓器一次側繞組流入車體，由牽引變壓器降壓后通過二次側繞組向列車供電變流器提供單相交流電源。單相交流電在列車供電變流器的作用下，將單相交流電變換成DC 600 V 直流電，給客車負載供電。

圖1 列車供電系統(tǒng)主電路原理圖Fig. 1 Schematic diagram of train power supply system main circuit

列車供電系統(tǒng)主要由單相橋式半控整流電路、中間直流濾波電路及接地檢測電路組成（圖1）。單相橋式半控整流電路將交流電變換成脈動直流電，經(jīng)平波電抗器L 和支撐電容器C 濾波后，輸出600 V 穩(wěn)定直流電；接地檢測電路用來實現(xiàn)列車供電系統(tǒng)絕緣不良故障檢測。其中，TV 為同步變壓器，TA 為電流互感器，分別用來采集列供繞組輸出電壓和電流；VH1 和VH2 為電壓傳感器，依次采集中間直流回路電壓和接地檢測電壓；VD1 和VD2 為二極管，VT3 和VT4 為晶閘管，R1和R2為固定放電電阻且阻值相等，R3為接地檢測電阻。標號①～⑤依次對應直流側正端接地、直流側負端接地、電抗器前端接地、交流側正端接地和交流側負端接地。

為避免列車絕緣性能下降導致的漏電問題及可能產(chǎn)生的火災隱患，列車供電控制系統(tǒng)一般設置有在線絕緣檢測裝置。當列車供電系統(tǒng)存在接地絕緣故障時，主電路中各位置的電勢將隨著接地絕緣下降程度而發(fā)生變化。工程實際中，列車供電控制系統(tǒng)一般采用圖1 中的接地檢測電路來進行接地絕緣不良檢測，通過接地檢測VH2 的電壓值來判斷是否有絕緣不良故障。目前工程應用中將接地絕緣不良故障分成3 類，即直流側正端接地（對應圖1 中標號①）、直流側負端接地（對應圖1中標號②）和交流側接地（對應圖1 中標號③④⑤），其故障檢測指標分別如式（1）～式（3）所示。

式中：Udc——中間電壓，通過傳感器VH1 采樣得到； Ujd——接地檢測電壓，通過VH2 采樣得到；Jth1～Jth3——基于應用經(jīng)驗設定的直流側正端接地、直流側負端接地、交流側接地故障檢測閾值；Ujd_max，Ujd_min——接地檢測電壓Ujd在單信號周期內最大值和最小值。

上述通用的超限報警檢測方法存在漏報、誤報等問題[20]，在運用過程中多次出現(xiàn)因檢測不及時或未檢測出故障而導致列車停車等待救援現(xiàn)象，嚴重影響旅客乘坐舒適性甚至影響出行安全。

1.2 實時故障診斷與預測方法

針對通用超限報警檢測方法存在的不足，本文提出一種實時故障診斷與預測方法，其算法的基本原理如圖2 所示，主要由離線設計、在線診斷與預測這兩部分組成。在深入分析絕緣不良機理的基礎上，利用不同接地位置時其接地檢測電壓體現(xiàn)出來的不同變化規(guī)律，提取相關聯(lián)的故障特征量，從而實現(xiàn)不同接地絕緣故障下的實時故障診斷與預測。

圖2 列車供電系統(tǒng)接地絕緣故障實時診斷與預測原理框圖Fig. 2 Principle block diagr am of real-time diagnosis and prediction of grounding insulation fault in train power supply system

離線設計階段，基于歷史數(shù)據(jù)進行機理建模和相關信號分析，首先提取能區(qū)分不同故障類型的故障特征量，再對故障特征量在正常工況與不同故障工況下的變化規(guī)律進行建模，設計出故障診斷規(guī)則表，并利用統(tǒng)計分析方法，得到故障診斷所需的閾值參數(shù)。

在線診斷與預測階段，整個過程主要包括數(shù)據(jù)處理、故障檢測、故障決策和故障預測等處理環(huán)節(jié)，具體如下：

（1）數(shù)據(jù)處理?？刂葡到y(tǒng)實時采集相關模擬量，進行數(shù)據(jù)濾波及歸一化處理，并進行周期窗口數(shù)據(jù)更新；其后，基于當前周期窗口數(shù)據(jù)，提取出相關故障特征量，并送至故障檢測單元。

（2）故障檢測。故障檢測單元基于其故障檢測邏輯，判斷是否發(fā)生故障，若判斷結果為正常，則直接返回；否則，置故障標志F=1，進入故障決策環(huán)節(jié)。

（3）故障決策。F=1 時，故障決策單元基于故障診斷規(guī)則表中相關規(guī)則、閾值參數(shù)以及故障特征量對各種故障進行故障決策，定位其具體故障類型，送至故障預測單元。

（4）故障預測。故障預測單元收到故障類型后，對表征其故障嚴重程度的等效接地絕緣電阻值進行重構建模，計算出其數(shù)值并轉換成對應的故障嚴重程度指標，輸出至顯示單元，以提醒相關應用人員及時進行維護。

2 接地絕緣故障特征分析

設圖1 中TV 和TA 采樣值分別為us和is。下面基于電路原理，對不同接地工況下主電路進行等效變換，以求解各傳感器采樣值之間的關聯(lián)關系。

2.1 直流側接地

直流側接地故障工況等效電路如圖3 所示，直流側正端接地與直流側負端接地工況下關聯(lián)關系可分別描述為式（4）和式（5）。當存在直流側接地時，接地檢測電壓Ujd為直流量且與Udc成正比，正常情況下等效接地絕緣電阻值Rjd為MΩ 級；當正端接地時，隨著接地絕緣性能下降（等效接地絕緣電阻值Rjd減?。?，其接地檢測電壓值由0.5Udc左右逐漸減小至0；而當負端接地時，隨著接地絕緣性能下降，其接地檢測電壓值由0.5Udc左右逐漸增大至Udc。

圖3 直流側接地等效電路Fig. 3 Equivalent circuits of DC side grounding

式中：Rjd——等效接地絕緣電阻值。

2.2 電抗器前端接地

圖4 示出電抗器前端接地等效電路，其接地檢測電壓Ujd與Udc, us和is均相關聯(lián)，其關聯(lián)關系如式（6）所示。由式可知，Ujd由與直流側負端接地工況接地檢測電壓對應的直流分量、與us和is關聯(lián)的交流分量兩部分組成。交流分量為與輸入電流is符號相關的分段函數(shù)，且隨著接地絕緣性能下降程度加深，其交流分量占比越來越大。

圖4 電抗器前端接地等效電路Fig. 4 Equivalent circuit of reactor front side grounding

2.3 交流側接地

當交流側正端接地、負端接地時，其等效電路分別如圖5 和圖6 所示，接地檢測電壓值Ujd與TV 和TA 采樣值均有關聯(lián)，關聯(lián)關系如式（7）和式（8）所示。由式可知，交流側接地時，其Ujd也由兩部分組成，其直流分量數(shù)值上與直流側負端接地工況時Ujd相等，交流分量與輸入電流is相關。當為交流側正端接地時，若 is為負，則交流分量為0；而交流側負端接地工況下is為非負時交流分量為0。

圖5 交流側正端接地等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of AC positive side grounding

圖6 交流側負端接地等效電路Fig. 6 Equivalent circuit of AC negative side grounding

3 故障診斷與預測算法設計

3.1 接地絕緣故障特征提取

根據(jù)上述接地檢測電壓在不同接地工況下的情況分析可知，直流側接地時，檢測電壓為直流量且在不同的數(shù)值范圍內具有明顯的可區(qū)分性；而電抗器前端接地和交流側接地時，由于均存在交流分量，無法直接區(qū)分，需基于關聯(lián)變量提取統(tǒng)計特征來進行具體區(qū)分定位。

由式(6)～式(8)可知，電抗器前端接地和交流側接地時，其交流分量值與輸入電流is強相關。因此，可基于其關聯(lián)規(guī)律定義式(9)～式(16)所示特征量來進行故障診斷，其中JExi(k)(i=1, …, 4)為與Ujd相關的周期信號均值；JDxi(k)(i=1, …, 4)為與Ujd相關的周期信號方差，此8 個統(tǒng)計特征量用來識別不同故障類型。為特征量計算窗口內采樣點數(shù)，Tc為特征量計算窗口長度， Ts為信號采樣周期。

3.2 故障檢測

在正常運行時，若系統(tǒng)無異常，則特征量JEx1(k)～JEx4(k)∈[0.5-ε1,0.5+ε1]，JDx1(k)～JDx4(k)≤ε2。其中，ε1和ε2分別為特征量均值與方差檢測閾值門檻，選擇時主要考慮傳感器測量噪聲與諧波，并根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)特性分析得到。故障檢測邏輯如式（17）所示。

式中：F(k)——k 時刻異常檢測標志位，為1 時表示系統(tǒng)發(fā)生異常，為0 時表示系統(tǒng)正常。

3.3 故障決策

設直流側正端接地、直流側負端接地、電抗器前端接地、交流側正端接地和交流側負端接地故障的故障標志位依次為FDCP，F(xiàn)DCN，F(xiàn)DCLP，F(xiàn)QCP和FQCN，基于不同接地類型時統(tǒng)計量變化規(guī)律，可得到表1 所示故障診斷規(guī)則表，以實現(xiàn)各故障的有效定位。表中，故障標志位為1 表示發(fā)生相應故障，ε3為直流側接地工況下特征量邊界閾值。

表1 故障診斷規(guī)則表Tab.1 Rule table for fault diagnosis

3.4 故障預測

故障預測的目的是基于相關變量來確定系統(tǒng)退化狀態(tài)（可表征系統(tǒng)的健康狀態(tài)）或故障嚴重程度，以最低成本進行有效的檢修與維護。系統(tǒng)退化程度一般用數(shù)值為0 到100%之間的健康因子（health index, HI）來表征[21]。本文通過能表征接地絕緣故障嚴重程度的等效接地絕緣電阻值映射為對應的ZHI來實現(xiàn)接地絕緣異常的故障預測。相關老化試驗研究表明[22-23]，絕緣電阻值在前期變化較平緩，后期將快速下降，因此，本文采用式（18）近似描述HI 與絕緣電阻映射關系，其函數(shù)關系如圖7 所示。

式中：ZHI——構建的健康因子；——等效接地絕緣電阻重構值；Rjd_max與Rjd_min——系統(tǒng)正常臨界值以及系統(tǒng)故障保護閾值。

圖7 ZHI 與等效絕緣電阻值映射函數(shù)關系Fig. 7 Mapping function of ZHI and equivalent insulation resistance

下面針對不同接地類型（對應圖1 標號①～⑤），基于式（4）～式（8）中Ujd, Udc, us和is與Rjd的關聯(lián)關系，并采用周期平均濾波方式，得到等效絕緣電阻重構值：

之后，結合當前故障診斷結果類型，利用式（18）轉換成對應的健康因子值ZHI，即可實時評估當前接地絕緣性能狀態(tài)。

4 仿真測試驗證

基于某型號列車供電系統(tǒng)電路參數(shù)，對本文所提算法進行仿真測試驗證。算法主要參數(shù)設置如下： ε1=ε2=0.05，Rjd_max=3 000 Ω，Rjd_min=800 Ω，Ts=1 ms，Tc=20 ms。假設正常時其等效接地絕緣電阻值為104Ω，在不同接地位置，模擬其絕緣下降故障。在t 為8.1 s，8.2 s 和8.3 s 時，將其實際絕緣電阻值依次調至3 000 Ω，1 500 Ω 和800 Ω。下面針對各種接地類型的診斷與預測效果進行詳細分析。

4.1 直流側正端接地

圖8 示出直流側正端接地工況時的診斷與預測結果。從圖8(a)可以看出，當接地絕緣電阻逐步下降時，其接地檢測電壓值（圖中Ujd-FDCP）逐漸下降偏離正常值（圖中Ujd-Norm）。從圖8(b)的故障特征量可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)逐漸偏離正常值且均負偏，偏移值與下降值正相關；特征量JDx1(k)～JDx4(k)則與正常值無差異。從圖8(c)可以看出，當絕緣電阻阻值在8.1 s 時刻下降到3 000 Ω 時，系統(tǒng)在約5 ms 后檢測出異常，將異常標志位F 置為1；其后約在20 ms 后定位出準確接地點并將直流側正端接地標志FDCP置為1；在故障類型定位后的1 個計算周期（8.14 s 時刻），其接地絕緣電阻重構值Rjd,E實現(xiàn)了真實值Rjd,R的準確跟蹤。在整個接地絕緣下降過程中，健康因子ZHI隨著接地絕緣電阻重構值動態(tài)變化，實現(xiàn)了對系統(tǒng)退化程度的實時跟蹤，從而達到了直流側正端接地故障預警效果。

圖8 直流側正端接地絕緣故障診斷與預測仿真Fig. 8 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of DC side positive grounding

4.2 直流側負端接地

直流側負端接地工況時的診斷與預測結果見圖9。從圖9(a)可以看出，當接地絕緣電阻逐步下降時，其接地檢測電壓值（圖中Ujd-FDCN）逐漸上升偏離正常值（圖中Ujd-Norm）。從圖9(b)的故障特征量可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)逐漸偏離正常值且均正偏，偏移值與下降值正相關；特征量JDx1(k)～JDx4(k)則與正常值無差異。從圖9(c)可以看出，當絕緣電阻阻值在8.1 s 時刻下降到3 000 Ω 時，系統(tǒng)約5 ms 后檢測出異常并將異常標志位F 置為1；其后約20 ms 后定位出準確接地點并將直流側負端接地標志FDCN置為1；在故障類型定位后的1 個計算周期（8.14 s 時刻），其接地絕緣電阻重構值Rjd,E實現(xiàn)了真實值Rjd,R的準確跟蹤。在整個接地絕緣下降過程中，健康因子ZHI隨著接地絕緣電阻重構值動態(tài)變化，實現(xiàn)了預定的預測功能。

圖9 直流側負端接地絕緣故障診斷與預測仿真Fig. 9 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of DC side negative grounding

4.3 電抗器前端接地

電抗器前端接地絕緣故障診斷與預測仿真效果如圖10 所示。從圖10(a)可知，電抗器前端出現(xiàn)接地時，其接地檢測電壓值開始疊加頻率為100 Hz 的脈動交流量，且隨著接地絕緣電阻值下降，其脈沖幅度逐漸增大。從圖10(b)可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)均逐漸偏離正常值，且JEx2(k)出現(xiàn)正偏，其余3 個出現(xiàn)負偏，在特征量JDx1(k)～JDx4(k)之中，JDx2(k)與正常值差別不大，而 JDx1(k)，JDx3(k)與JDx4(k)則隨著絕緣電阻下降逐漸變大。從圖10(c)可知，系統(tǒng)均準確判斷出電抗器前端接地并對接地絕緣下降程度進行了準確預測。

圖10 電抗器前端接地絕緣故障診斷與預測仿真Fig. 10 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of reactor front side grounding

4.4 交流側正端接地

圖11 示出交流側正端接地診斷與預測效果。從圖11(a)可知，交流側正端出現(xiàn)接地時，其接地檢測電壓值開始疊加頻率為50 Hz 的脈動交流量，且隨著接地絕緣電阻值下降，其脈沖幅度逐漸增大。從圖11(b)可以看出，特征量JEx1(k)基本無變化，而JEx2(k)～JEx4(k)均逐漸偏離正常值，且JEx3(k)出現(xiàn)正偏，JEx2(k)和JEx4(k)出現(xiàn)負偏。在特征量JDx2(k)～JDx4(k)之中，JDx3(k)與正常值差別不大，而JDx1(k)，JDx2(k)與JDx4(k)則隨著絕緣電阻下降逐漸變大。從圖11(c)可知，系統(tǒng)均準確判斷出交流側正端接地并對接地絕緣下降程度進行了準確預測。

圖11 交流側正端接地絕緣故障診斷與預測仿真Fig. 11 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of AC positive grounding

4.5 交流側負端接地

交流側負端接地診斷與預測結果如圖12 所示。從圖12(a)可知，交流側負端出現(xiàn)接地時，其接地檢測電壓值開始疊加頻率為50 Hz 的脈動交流量，且隨著接地絕緣電阻值下降，其脈沖幅度逐漸增大。從圖12(b)可以看出，其特征量JEx1(k)基本無變化，JEx2(k)～JEx4(k)變化規(guī)律與交流側正端接地工況類似，為JEx3(k)出現(xiàn)正偏， JEx2(k)和JEx4(k)出現(xiàn)負偏；在特征量JDx2(k)～JDx4(k)之中， JDx2(k)和JDx4(k)與正常值差別不大，而JDx1(k)和JDx3(k)則隨著絕緣電阻下降逐漸變大。從圖12(c)可知，系統(tǒng)均準確判斷出交流側負端接地并對接地絕緣下降程度進行了準確預測。

圖12 交流側負端接地絕緣故障診斷與預測仿真Fig. 12 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of AC negative grounding

5 結語

針對列車供電系統(tǒng)接地絕緣下降機理進行了深入分析，并根據(jù)不同接地絕緣故障模式下接地檢測電壓信號差異，本文提出了一種基于信號特征模式識別的接地絕緣實時故障診斷與預測方法，其利用不同類型故障的相關信號特征，設計與各類故障相關的特征量并構造相應診斷與預測模型，實現(xiàn)各種故障的準確定位以及故障趨勢的實時預測。最后通過仿真測試驗證了所提方法的有效性。通過此方法，可實現(xiàn)接地絕緣不良故障的狀態(tài)修復，提高列車供電系統(tǒng)的可靠性和實用性，提升系統(tǒng)故障處理效率。

本文中所用健康因子ZHI與等效絕緣電阻值映射函數(shù)關系及相關參數(shù)是基于現(xiàn)有研究成果并結合相關標準中規(guī)定的閾值進行推算，后續(xù)可基于車載真實部件的老化試驗來精確設計。