供电牵引网线路故障判别方法、装置、设备及介质与流程

1.本发明涉及输电线路保护技术领域，尤其涉及一种供电牵引网线路故障判别方法、装置、电子设备和存储介质。


背景技术：

2.近年来，电气化铁路在交通运输中所占比例越来越大。传统牵引供电系统存在电分相、电流负序等问题，对轨道运输的高速重载要求造成了很大的制约。随着电力电子技术逐渐成熟，依托电力电子器件建立的贯通式同相牵引直接供电系统可取消电分相环节，提高系统运行稳定性。
3.牵引网长期暴露在外，受到沿途环境因素以及机车负荷冲击等影响，线路故障可能性较高。因同相牵引供电系统独特的供电方式导致其系统结构特性与传统牵引供电系统存在较大差异，亟需一种适用于贯通式同相牵引供电系统牵引网的故障判别方案。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述问题，本发明提出了一种供电牵引网线路故障判别方法、装置、电子设备和存储介质，能够对贯通式同相供电牵引网进行故障判别。
5.本发明提出一种供电牵引网线路故障判别方法，包括：
6.确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，获取所述目标牵引网线路的暂态能量，并根据所述暂态能量的极性确定当前故障方向；
7.基于所述当前故障方向确定当前故障区段包含所述目标牵引网线路的区内段和区外段，获取所述目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于所述高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
8.在一个实施例中，所述基于所述当前故障方向确定当前故障区段包含所述目标牵引网线路的区内段和区外段，获取所述目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于所述高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置，包括：
9.基于所述当前故障方向确定当前故障区段包含所述目标牵引网线路的区内段和区外段，获取所述目标牵引网线路的故障电流信号；
10.确定所述故障电流信号对应的故障暂态功率，并利用预设的小波多尺度分解策略对所述故障暂态功率的线模分量进行分解，得到所述故障电流信号的多频带信息；
11.基于所述多频带信息的最大尺度能量值和最小尺度能量值确定高频能量与低频能量的比值，并基于所述高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
12.在一个实施例中，所述基于所述高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置，包括：
13.确定所述高频能量与低频能量的比值大于预设整定值，确定当前故障位置位于所述目标牵引网线路的区内段；
14.确定所述高频能量与低频能量的比值小于或等于预设整定值，确定当前故障位置
位于所述目标牵引网线路的区外段。
15.在一个实施例中，所述获取所述目标牵引网线路的暂态能量，包括：
16.获取所述目标牵引网线路的暂态电流和暂态电压，基于所述暂态电流和所述暂态电压确定所述目标牵引网线路的暂态功率，对所述暂态功率进行积分运算得到所述暂态能量。
17.在一个实施例中，在所述确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件之前，还包括：
18.将牵引变电所出口处的lc滤波器的并联电容和预设的牵引网线路段作为所述目标牵引网线路的物理边界。
19.在一个实施例中，所述确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，包括：
20.确定目标牵引网线路的电流变化率大于预设阈值，确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件。
21.本发明还提供一种供电牵引网线路故障判别装置，包括：
22.方向确定模块，用于确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，获取所述目标牵引网线路的暂态能量，并根据所述暂态能量的极性确定当前故障方向；
23.位置确定模块，用于基于所述当前故障方向确定当前故障区段包含所述目标牵引网线路的区内段和区外段，获取所述目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于所述高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
24.在一个实施例中，所述位置确定模块具体用于：
25.基于所述当前故障方向确定当前故障区段包含所述目标牵引网线路的区内段和区外段，获取所述目标牵引网线路的故障电流信号；
26.确定所述故障电流信号对应的故障暂态功率，并利用预设的小波多尺度分解策略对所述故障暂态功率的线模分量进行分解，得到所述故障电流信号的多频带信息；
27.基于所述多频带信息的最大尺度能量值和最小尺度能量值确定高频能量与低频能量的比值，并基于所述高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
28.本发明还提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述供电牵引网线路故障判别方法。
29.本发明还提出一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现任一项所述供电牵引网线路故障判别方法。
30.采用本发明实施例，具有如下有益效果：
31.在启动故障保护时，首先通过暂态能量的极性来初步确定故障点的方向，当判断故障方向的线路包括目标牵引网线路的区内段及区外段时，引入故障电流信号的高频能量与低频能量的比值来进一步判别具体的故障位置，从而能够快速准确地判别发生故障的具体位置，有助于后续对保护装置的准确启动，进而能够满足贯通式同相供电牵引网对继电保护的要求。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本发明实施例提供的供电牵引网线路故障判别方法的流程示意图之一；
34.图2是本发明实施例提供的供电牵引网线路故障判别方法的流程示意图之二；
35.图3是本发明实施例提供的同相牵引直接供电系统的架构示意图；
36.图4是本发明实施例提供的直接供电系统牵引网边界示意图；
37.图5是本发明实施例提供的牵引网边界幅频特性示意图；
38.图6是本发明实施例提供的牵引网区内故障附加网络示意图；
39.图7是本发明实施例提供的牵引网区外故障附加网络示意图；
40.图8是本发明实施例提供的供电牵引网线路故障判别装置的结构示意图；
41.图9是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.请参见图1，本发明提供了一种供电牵引网线路故障判别方法，可以包括步骤：
44.s1、确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，获取目标牵引网线路的暂态能量，并根据暂态能量的极性确定当前故障方向；
45.进一步地，确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，可以包括：确定目标牵引网线路的电流变化率大于预设阈值，确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件；
46.s2、基于当前故障方向确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，获取目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
47.在本发明实施例中，可以采用电流变化率作为故障启动的判据，当电流变化率大于预设阈值时，确定为满足故障保护启动条件，以对当前发生故障的方向及位置进行进一步判别。首先获取目标牵引网线路的暂态能量，由于当发生反向故障时，线路中的暂态电流与暂态电压的突变方向相同，而在发生正向故障时，线路中测得的暂态电流与暂态电压的突变方向相反，因此可以根据暂态能量的极性来确定当前发生故障的方向是正向或反向。当确定当前发生故障的方向仅有目标牵引网线路的区外段时，则可以直接确定为此次故障无需控制目标牵引网线路中的保护装置启动保护动作；若确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，则需要进一步计算故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，以确定当前发生故障的位置位于目标牵引网线路的区内还是区外；若是发生区内故障，则控制目标牵引网线路中的保护装置启动保护动作，若是发生区外故障，则保护装置不启动保护动作。
48.本发明实施例提供的供电牵引网线路故障判别方法，在启动故障保护时，首先通过暂态能量的极性来初步确定故障点的方向，当判断故障方向的线路包括目标牵引网线路
的区内段及区外段时，引入故障电流信号的高频能量与低频能量的比值来进一步判别具体的故障位置，从而能够快速准确地判别发生故障的具体位置，有助于后续对保护装置的准确启动，进而能够满足贯通式同相供电牵引网对继电保护的要求。
49.在一个实施例中，基于当前故障方向确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，获取目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置，包括：
50.基于当前故障方向确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，获取目标牵引网线路的故障电流信号；
51.确定故障电流信号对应的故障暂态功率，并利用预设的小波多尺度分解策略对故障暂态功率的线模分量进行分解，得到故障电流信号的多频带信息；
52.基于多频带信息的最大尺度能量值和最小尺度能量值确定高频能量与低频能量的比值，并基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
53.在一个实施例中，进一步地，基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置，包括：
54.确定高频能量与低频能量的比值大于预设整定值，确定当前故障位置位于目标牵引网线路的区内段；
55.确定高频能量与低频能量的比值小于或等于预设整定值，确定当前故障位置位于目标牵引网线路的区外段。
56.需要说明的是，当确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段时，可以基于故障电流信号计算故障暂态功率，并利用预设的小波多尺度分解策略对故障暂态功率的线模分量进行分解，得到故障电流信号的多频带信息。例如选取采样频率为50khz，选取db5小波为小波基，多尺度分解6层，然后取第一尺度及第六尺度的小波能量计算高频能量与低频能量的比值。最后根据高频能量与低频能量的比值与预设整定值的大小关系确定当前故障位置位于目标牵引网线路的区内段或是区外段。
57.在一个实施例中，获取目标牵引网线路的暂态能量，包括：
58.获取目标牵引网线路的暂态电流和暂态电压，基于暂态电流和暂态电压确定目标牵引网线路的暂态功率，对暂态功率进行积分运算得到暂态能量。
59.需要说明的是，可以通过获取目标牵引网线路的暂态电流和暂态电压来计算暂态功率，对暂态功率进行积分运算得到暂态能量。
60.在一个实施例中，在确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件之前，还包括：
61.将牵引变电所出口处的lc滤波器的并联电容和预设的牵引网线路段作为目标牵引网线路的物理边界。
62.需要说明的是，采用牵引变电所出口处并联电容与一段牵引网线路可以构成牵引网物理边界，对信号高频分量具有很强的衰减作用，但对于故障信号的低频能量而言，其衰减程度远不及高频能量，因此，基于这一特性，可以利用故障信号的高频能量与低频能量的比值来准确地判别发生故障的线路位于区内段或区外段。
63.请参见图2至图7，基于上述方案，为便于更好的理解本发明实施例提供的供电牵引网线路故障判别方法，以下列举具体实例进行详细说明：
64.首先对本发明实施例部分附图进行说明：
65.图3为同相牵引直接供电系统，其中公用电网侧电压220kv，牵引网侧电压27.5kv，频率50hz，电源容量6000mva，牵引变电所之间线路长35km，采样时间5ms。
66.图4为直接供电系统牵引网边界示意图，其中u1为供电段区内线路的对地电压，u2为供电段区外线路的对地电压。
67.图5为牵引网边界幅频特性。由图5知，对于频率在0-550hz频段的信号，其g(jw)≥1。当频率f≥800hz时，其幅值远小于1，且随频率的增加持续呈下降趋势，可见牵引网出口处并联电容与一段牵引网线路构成的边界对信号高频分量具有较强衰减作用。
68.图6为牵引网区内故障附加网络。图中z
l1
、z
l2
、zc分别为一段牵引网线路等效阻抗、剩余牵引网线路等效阻抗、出口处电容等效阻抗。区内故障时，故障电流行波i
l
只经过线路流向检测点，故障信号的高频能量e1和低频能量e6未经过边界的衰减，其幅值较大。
69.图7为牵引网区外故障附加网络。区外故障时，故障电流行波i
l
经过线路、边界流向检测点，故障信号的高频能量e1和低频能量e6经过线路和边界的衰减，其幅值小于区内故障信号高、低频能量幅值，但对于故障信号的低频能量而言，其衰减程度远不及高频能量。
70.请参见图2，本发明实施例的供电牵引网线路故障判别方法主要包括以下步骤：
71.1)利用牵引变电所出口处lc滤波器的并联电容和一段牵引网线路构成牵引网物理边界；
72.2)利用电流变化率(di/dt)作为故障保护启动判据；
73.3)利用保护装置测得的暂态电流δi与暂态电压δu求其暂态功率δp，对暂态功率进行积分运算，便可得到暂态能量e
p
；
74.4)利用小波多尺度分解对故障暂态功率线模分量进行分解，得到信号的多频带信息；
75.5)利用故障信号的高、低频暂态能量比值，与设定的整定值进行比较，从而判断故障发生的位置。
76.进一步地，在步骤1)中，同相牵引直接供电系统牵引网边界传递函数为：
[0077][0078]
其中，z
l
为一段牵引网线路等效阻抗，zc为变电所出口处并联电容等效阻抗；牵引变电所出口端增加的滤波电感l和滤波电容c，线路电阻为r。
[0079]
需要说明的是，牵引网出口处并联电容与一段牵引网线路构成的边界对信号高频分量具有较强衰减作用。
[0080]
需要说明的是，在步骤2)中，同相牵引供电系统正常运行时，其电流波形为标准正弦波。发生故障后，系统失衡，电流幅值急剧上升，故可采用电流的变化率di/dt作为故障保护启动判据。
[0081]
进一步地，在步骤3)中，规定电流由母线指向线路为正方向，当发生反向故障时，保护装置测得的暂态电流δi与暂态电压δu突变方向相同；发生正向故障时，测得的暂态电流δi与暂态电压δu突变方向相反。电压表和电流表获取的电压、电流是有方向性的，可以通过表计看出电流或电压的正负性。
[0082]
进一步地，在步骤3)中暂态能量e
p
为：
[0083][0084]
其中，式中n代表采样点个数。
[0085]
当发生反方向故障时，暂态功率能量e
p
》0；发生正方向故障时，暂态功率能量e
p
《0。
[0086]
以图3所示为例，图中的保护装置是保护牵引变电所2和牵引变电所3之间的线路。当e
p
》0时是保护装置背侧区域发生故障(即反方向区外故障)；当e
p
《0时是保护装置正方向区域发生故障，但正方向区域包含牵引变电所2和牵引变电所3之间的线路(正向区内)以及牵引变电所3右侧的线路(正向区外)，为了区别正向区内、外故障，需要进一步引入判据k
p
。
[0087]
进一步地，对于步骤4)中的小波分解过程，可以将采样频率设置为50khz，选取db5小波为小波基，多尺度分解6层。基于此，定义第j个尺度下信号的小波能量为：
[0088][0089]
式中，ej代表j尺度下小波能量，dj(n)为小波分解系数，n为采样点个数。
[0090]
由此可得，第1尺度高频能量e1和第6尺度低频能量e6的比值k
p
为：
[0091][0092]
式中，k为比例系数，目的是保证暂态能量的可测性。
[0093]
当k
p
满足式k
p
》k
set
时，故障发生在保护区内，保护动作；反之则为区外故障，保护不动作。式中k
set
为保护动作阈值，经过大量仿真验证及考虑一定裕度取k
set
＝1。
[0094]
作为举例，选取不同故障初始角，在不同位置设置相同过渡电阻(50ω)接地故障，表1为保护方向判别及高频能量与低频能量的比值计算结果：
[0095]
表1 不同故障初始角保护判断结果
[0096][0097]
在本发明实施例中，由仿真实验可知，发生不同方向故障时，其暂态功率能量极性也不同，反方向故障时，暂态功率能量δe
p
》0；正方向故障时，暂态功率能量δe
p
《0，据此可判别故障方向。正方向区内故障时，高低频暂态能量比值k
p
》1；区外故障时，高低频暂态能量比值k
p
《1，利用此能量比值可进一步判断故障位置，保护牵引网线路。
[0098]
本发明实施例利用边界的衰减特性以及正反方向故障时暂态功率能量的差异，可快速区分贯通式同相牵引直接供电系统牵引网线路区内外故障，具体包括：
[0099]
1、牵引变电所出口处并联电容与一段牵引网线路可以构成牵引网物理边界，对信号高频分量具有很强的衰减作用。
[0100]
2、反方向故障时，暂态功率能量的极性与正方向故障时暂态功率能量极性相反，由此相反的极性可构造故障方向判别的基本原理。
[0101]
3、正方向故障时，利用小波多尺度分解可提取故障电流信号的高低频暂态能量，通过比较区内外故障时的高频能量与低频能量的比值可构造区内外边界保护基本原理。
[0102]
请参见图8，本发明还提出一种供电牵引网线路故障判别装置，包括：
[0103]
方向确定模块1，用于确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，获取目标牵引网线路的暂态能量，并根据暂态能量的极性确定当前故障方向；
[0104]
位置确定模块2，用于基于当前故障方向确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，获取目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
[0105]
在一个实施例中，位置确定模块2具体用于：
[0106]
基于当前故障方向确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，获取目标牵引网线路的故障电流信号；
[0107]
确定故障电流信号对应的故障暂态功率，并利用预设的小波多尺度分解策略对故障暂态功率的线模分量进行分解，得到故障电流信号的多频带信息；
[0108]
基于多频带信息的最大尺度能量值和最小尺度能量值确定高频能量与低频能量的比值，并基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
[0109]
在一个实施例中，位置确定模块2具体还用于：
[0110]
确定高频能量与低频能量的比值大于预设整定值，确定当前故障位置位于目标牵引网线路的区内段；
[0111]
确定高频能量与低频能量的比值小于或等于预设整定值，确定当前故障位置位于目标牵引网线路的区外段
[0112]
在一个实施例中，方向确定模块1具体用于：
[0113]
获取目标牵引网线路的暂态电流和暂态电压，基于暂态电流和暂态电压确定目标牵引网线路的暂态功率，对暂态功率进行积分运算得到暂态能量。
[0114]
在一个实施例中，供电牵引网线路故障判别装置还包括：
[0115]
边界确定模块，用于将牵引变电所出口处的lc滤波器的并联电容和预设的牵引网线路段作为目标牵引网线路的物理边界。
[0116]
在一个实施例中，方向确定模块1具体用于：
[0117]
确定目标牵引网线路的电流变化率大于预设阈值，确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件。
[0118]
图9示出了一个实施例中电子设备的内部结构图。该电子设备具体可以是终端，也可以是服务器。如图9所示，该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该电子设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行供电牵引网线路故障判别方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行供电牵引网线路故障判别方法。本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或
者组合某些部件，或者具有不同的部件布置：
[0119]
在一个实施例中，提出了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现任一项供电牵引网线路故障判别方法，例如包括：
[0120]
s1、确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，获取目标牵引网线路的暂态能量，并根据暂态能量的极性确定当前故障方向；
[0121]
s2、基于当前故障方向确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，获取目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
[0122]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0123]
又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的方法，例如包括：
[0124]
s1、确定目标牵引网线路满足故障保护启动条件，获取目标牵引网线路的暂态能量，并根据暂态能量的极性确定当前故障方向；
[0125]
s2、基于当前故障方向确定当前故障区段包含目标牵引网线路的区内段和区外段，获取目标牵引网线路的故障电流信号的高频能量与低频能量的比值，并基于高频能量与低频能量的比值确定当前故障位置。
[0126]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0127]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。