魏榮耀，時 光，莊 琨，夏加富

基于GPS時間同步的地鐵直流牽引供電系統(tǒng)故障測距研究

魏榮耀1，時 光1，莊 琨1，夏加富2

（1. 青島市地鐵，山東青島 266000；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文研究了基于GPS時間同步的地鐵直流牽引供電系統(tǒng)故障測距。首先介紹了時域模型下地鐵直流牽引供電系統(tǒng)短路模型，然后針對該模型的雙端電流電壓法故障測距的原理和測距誤差進行分析，最后基于GPS時間同步與雙端電流電壓法進行實踐與短路試驗驗證了該方法的有效性。

時間同步 雙端電流電壓 故障測距

0 引言

目前我國各地城市軌道交通進入高速發(fā)展時期，大量運營線路給生活帶來便捷的同時，也給地鐵運營帶來了巨大壓力。

直流進線柜、饋線柜等設(shè)備是城市軌道交通中直流牽引供電核心設(shè)備，其關(guān)鍵作用是持續(xù)給地鐵機車電機供電。當這些供電設(shè)備出現(xiàn)故障，例如柜體中斷路器故障、接觸網(wǎng)短路故障等，將會導致地鐵直流供電異常，可能會引起地鐵停運造成乘客滯留，甚至可能危及乘客安全。因此，各地地鐵對其直流牽引系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定要求較高。而直流牽引供電系統(tǒng)里涉及的設(shè)備數(shù)量繁多、潛在故障點也比較多。本文針對直流牽引供電系統(tǒng)中的故障測距展開研究，當?shù)罔F線路發(fā)生接觸網(wǎng)或者第三軌處短路故障時，迅速及時找到短路故障的位置并排除顯得尤為重要。

特別是有些地鐵線路供電分區(qū)供電范圍較長，發(fā)生接觸軌短路故障后，仍需要依靠登乘巡查或下軌行區(qū)人工排查的方式，故障點排查效率低下，影響故障排查及供電穩(wěn)定性，嚴重時可能影響客運服務(wù)。因此直流牽引供電系統(tǒng)故障測距的研究能夠有效提高供電質(zhì)量，解決接觸軌故障排查的難題。

目前關(guān)于地鐵直流牽引供電系統(tǒng)短路故障研究不多，首先研究該系統(tǒng)短路故障模型。

1 直流牽引供電系統(tǒng)短路模型

圖1 地鐵直流牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，地鐵直流牽引供電系統(tǒng)主要由饋線、斷路器、回流軌、接觸網(wǎng)等組成。為了研究直流牽引供電系統(tǒng)故障測距，需要對其數(shù)學模型展開研究。

由地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的供電方式，假設(shè)上行接觸網(wǎng)發(fā)生短路，建立數(shù)學模型如圖2所示。

圖2 直流牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)短路故障電路模型

該暫態(tài)模型考慮了左右兩個牽引變電所，并用等效電壓源模擬牽引變電所直流側(cè)電壓，牽引網(wǎng)用電阻串聯(lián)電感等效，忽略排流網(wǎng)的影響。

圖3 故障前電路模型

2 直流牽引供電系統(tǒng)短路算法研究

在圖4模型下可以采用雙端穩(wěn)態(tài)電流比值法、雙端電流電壓法、雙端電流法等。由于在短路過程中，雙端穩(wěn)態(tài)電流不會達到穩(wěn)態(tài)最大值，饋線斷路器即會跳閘，使得雙端電流不會達到穩(wěn)態(tài)值，因此該方法只是理論可行。基于雙端數(shù)據(jù)的故障測距算法，通過建立微分方程并求解的原理可以消除過渡阻抗對測距的影響，理論上精度更高，但同時時間同步裝置，通信裝置等設(shè)備使得系統(tǒng)復雜度和成本增加。

圖4 純故障電路模型

2.1 基于雙端電流的故障測距算法

由圖4電路模型，根據(jù)KVL列寫接觸網(wǎng)構(gòu)成的網(wǎng)孔電壓方程：

對(1)式進行整理得到式(2)：

將式(2)寫為矩陣形式得到式(3)：

2.2 基于雙端電流電壓的故障測距算法

對于圖4電路采用△/Y電路等效變換后可得圖5所示的等效電路：

圖5 純故障電路的等效電路模型

上述測距方程中電流的一階導數(shù)按式(8)所示的數(shù)值方法求取：

在實際短路故障中，通常持續(xù)幾十毫秒，可用的錄波數(shù)據(jù)點可達上百個。為消除個別數(shù)據(jù)點不準確帶來的測距誤差，可以采用最小二乘法對測距方程優(yōu)化求解，獲得故障點的位置。由方程可以看出，該方法只需要短路雙端饋線側(cè)電流電壓數(shù)據(jù)。但是該方法是建立時域微分方程，即雙端電壓電流數(shù)據(jù)需要在時間上嚴格對齊。

3 基于GPS時間同步的直流牽引供電系統(tǒng)短路測距方案

由圖可以看出，每站需要布置1臺GPS天線用于接收GPS（全球定位系統(tǒng)）衛(wèi)星信號。1臺IRIG-B碼產(chǎn)生器不斷接收GPS定時信號對本機進行時間同步，產(chǎn)生直流IRIG-B碼信號，建立本站時間尺度、實現(xiàn)時間統(tǒng)一。1臺光電轉(zhuǎn)換器將電信號B碼轉(zhuǎn)換為光信號B碼，適合遠距離傳輸，最后將B碼發(fā)送到每站的饋線綜保，進而實現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備時間同步。

3.1 同步采樣技術(shù)

為精確支持雙端數(shù)據(jù)故障測距算法，在直流故障測距設(shè)備中實現(xiàn)了雙端異地的同步采樣技術(shù)，同步精度為1μs，保證了兩端采集饋線電流、電壓信號的同步。同步采樣技術(shù)包括：

1、授時系統(tǒng)

授時系統(tǒng)由GPS信號接收機產(chǎn)生全球同步時間，時間精度小于100ns。該設(shè)備發(fā)生IRIG-B碼到綜合保護裝置，為減小信號遠距離的傳輸干擾和電信號畸變產(chǎn)生時延，使用光信號轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成光信號后，用光纖傳輸。

2、同步時間

GPS對時信號為1s一次的脈沖對時，由GPS信號接收機的內(nèi)部高精度銣原子晶振，產(chǎn)生B碼的對時脈沖為10ms一次，

B碼信號傳輸?shù)街绷骶C保處理板卡中，由處理板內(nèi)部50MHz的晶振計時，產(chǎn)生10ms以下的時間點到1μs的刻度。關(guān)系列表如下：

設(shè)備GPS衛(wèi)星授時設(shè)備處理板 時間月日時分秒10ms～1s1μs～10ms 精度1ns100ns1μs

3、同步采樣

綜合保護裝置按照整10 us刻度進行AD采樣，8通道芯片的采樣處理速度總和小于5 μs，單個通道同步時間遠小于1 μs，不同設(shè)備的采樣同步精度小于1 μs。

在直流綜保的采樣中，采樣節(jié)奏都具備同步校準功能，通過GPS信號可以把各臺裝置都校準到1μs以下的誤差。在不使用GPS信號的同步措施下，其最大同步誤差可到10μs。

時間μs10(n+0)10(n+1)...10(n+i) 采樣值InIn+1...In+i

3.2 多功能集成板卡

直流綜合保護裝置，支持接收授時系統(tǒng)的IRIG-B碼光纖信號，內(nèi)部產(chǎn)生1μs的同步時間、并且具有支持同步采樣的功能。直流綜保功能板卡包含電源監(jiān)控板、輸入采集板、主板、通訊板、輸出板、總線背板。直流綜保中單一板卡的功能如下：

電源板具有監(jiān)控功能，支持在線故障診斷；

輸入板支持采集開關(guān)量的判斷算法；

主板支持時間同步，用于升級同步采樣功能；

通訊板支持更大的存儲空間，和雙以外網(wǎng)口通訊；

輸出板具備智能化功能，可以判斷CPU的運行狀態(tài)，進行選擇性的輸出。

此項目中，主板的功能分布如下：

圖6 直流綜合保護裝置主板功能分布圖

3.3 連接及測試

直流故障測距設(shè)備連接見圖9

圖7 直流故障測距設(shè)備連接圖

天線通過天線接口與B碼產(chǎn)生器連接，B碼產(chǎn)生器通過DB9接口COM2與B碼轉(zhuǎn)換器連接，B碼轉(zhuǎn)換器通過光纖線與主板光纖接收口連接。其中，B碼產(chǎn)生器、B碼轉(zhuǎn)換器均需AC220V供電。

將直流故障測距設(shè)備按圖9連接后，觀察綜合保護裝置顯示屏的事件記錄，事件記錄的“值”顯示的數(shù)值為當前小時的秒數(shù)（當前分鐘數(shù)*60+當前的秒數(shù)），即為連接成功。

4 基于GPS時間同步的直流牽引供電系統(tǒng)短路測距驗證

4.1 仿真驗證

在MATLAB中搭建雙端供電的simulink仿真模型，設(shè)置短路點和短路時間。設(shè)置全線總長3 km。

在搭建的仿真模型中設(shè)置短路位置為0.4 km，可以得到饋線電流電壓波形。將短路發(fā)生后電流激增的數(shù)據(jù)代入方程(7)，可以求出d=0.341 km，誤差（0.4-0.341）/3=2%，整體達到預(yù)期。

分別設(shè)置距離左站為0.4、0.8、1.2、1.6 km，將仿真得到的結(jié)果與預(yù)設(shè)的距離對比，計算得到誤差如表1所示?？梢娀贕PS時間同步的雙端錄波數(shù)據(jù)的故障測距方案是理論可行的。

4.2 短路試驗驗證

為了驗證該方案的實踐性，在青島地鐵某線路開展短路試驗。整個過程為A站213饋線柜和B站211饋線柜先合閘供電，在距離B站440米的位置，接觸軌和剛軌之間預(yù)先設(shè)置一個短路開關(guān)，短路試驗中遙控合閘短路開關(guān)，兩站饋線斷路器即產(chǎn)生保護跳閘動作，綜合保護裝置觸發(fā)保護并且故障錄波，錄波數(shù)據(jù)上傳集中到上位機進行算法運算，最后由軟件輸出短路距離。

表1 仿真結(jié)果對比

得到B站211饋線柜故障錄波：

短路試驗時間：2020年12月19日02時33分07秒597毫秒065微秒

遠端（A站213饋線柜）故障錄波：

短路試驗時間：2020年12月19日02時33分07秒600毫秒518微秒。

然后從短路起始點開始到電流增大到最大值飽和點，短路過程增到最大持續(xù)16 ms左右，將整個數(shù)據(jù)（16個短路點）帶入雙端電流法計算，然后利用最小二乘法，求出向量d，最終得出短路距離D。

d==0.1797，D=2500*d=449.25 m，絕對誤差9.25 m。

由短路試驗算得結(jié)果可見：基于GPS時間同步的雙端錄波數(shù)據(jù)的故障測距方案是可行的。

5 結(jié)束語

本文對基于GPS時間同步的直流牽引短路故障測距進行研究，首先分析了幾種測距算法的優(yōu)缺點，選取了雙端電流電壓法作為測距算法；并在此基礎(chǔ)上，基于GPS時間同步技術(shù)對該方案進一步進行優(yōu)化并設(shè)計了相關(guān)軟硬件；最后通過仿真和短路試驗對該方法進行驗證。試驗結(jié)果表明：該方法的直流牽引短路測量誤差很小。但是該方法使得硬件成本顯著升高，未來可進一步探索該方案的優(yōu)化方案，此外對于直流牽引短路故障測距需要大量短路試驗數(shù)據(jù)加以驗證，因此針對該方案還需要進一步數(shù)據(jù)驗證以排除偶然因素的影響。

[1] 王元貴. 直流牽引供電系統(tǒng)短路故障識別與定位研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2013.

[2] 周文衛(wèi). 直流牽引供電系統(tǒng)短路電流計算與故障測距研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2012.

[3] 張莉明.城市軌道交通直流供電系統(tǒng)故障單位的研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2012.

Research on fault location of subway DC traction power supply system based on GPS time synchronization

Wei rongyao1, Shi guang1, Zhuang kun1, Xia jiafu2

(1. Qingdao Metro Line , Qingdao 266000，China; 2. ChinaWuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430034, China)

2023-02-07

A

1003-4862（2023）08-0085-04

2023-2-08

魏榮耀(1986-)，男。研究方向:城市軌道交通供電。E-mail: 1627560539@qq.com