CN102616156B - 基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电气量分析的接触网状态的检测与评价装置以及方法，涉及电气化铁路接触网状态的检测与评价方法。本发明采用以下技术方案：电压、电流信号采集的步骤：光学电子式互感器对接触网的电压、电流进行变换，所得的信号由光电探测器转化为电信号送入信号调理电路，经其放大、滤波后，经A/D转换、隔离和数字采样处理；电压、电流信号的处理的步骤：提取采样得到的电压、电流信号的高频分量，并对其进行计算处理；接触网状态的评估的步骤：根据计算结果，对接触网的工作状态做出评价，给出评价结果。本发明的检测和评价结果准确，能更好的掌握接触网的状态，有利于实现接触网的状态检修。

Description

基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路接触网状态的检测与评价方法。 

背景技术

电气化铁路在铁路运输中所占的比重逐步增加，重要性越来越突出，作为给电力机车供电的设施，接触网由于工作环境恶劣，无备用而成为电气化铁路的薄弱环节，最近几年我国刚开通的部分客运专线在运营初期都出现了因为接触网故障而导致的列车延误，造成了较大的经济损失和不良的社会影响。 

对于接触网状态的准确评价有利于指导接触网设备的状态维修，提高接触网的运营管理水平，从而减小故障发生的概率，减少接触网设备的维护成本，提高电气化铁路运营的可靠性。 

当前，对接触网状态的评价主要通过静态检测和动态检测两种方法。动态检测是指将检测装置或设备安装于专用的检测车上，对接触网进行实际运行状态下的参数测量；静态检测是人工采用便携式检测设备的日常维护性检测，目前也有采用车载非接触式检测装置实现静态检测的。这两种检测方法都是对接触网结构的几何参数进行测量，通过几何参数与标准值之间的关系来判断接触网的状态，属于一种间接评价方法；有些情况下会出现动态检测和静态检测评价结果互相矛盾的情况，给现场维修工作带来了困惑，为安全运行埋下了隐患。 

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种基于电气量分析的接触网状态的检测与评价装置，该装置通过对机车取流时接触网的供流情况进行分析从而得到接触网的工作状态，进而对接触网的状态做出评价。 

本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种基于电气量分析的接触网状态的检测 与评价方法，其通过对机车取流时接触网的供流情况进行分析从而得到接触网的工作状态，进而对接触网的状态做出评价。 

为了解决上述第一个技术问题，本发明提出一种基于电气量分析的接触网状态的检测与评价装置，包括安装在受电弓主回路上的传感器，所述传感器为光学电子式互感器，其对采集到的接触网的电压、电流进行变换，所得信号发给数据采集装置；以及还包括： 

数据采集装置，其包括光电探测器、信号调理器和数据采集器；光电探测器将光学电子式互感器发过来的信号转换成电信号后，发送给信号调理器处理，经其处理后发送给数据采集器进行A／D转换和采样处理； 

检测分析与评价装置，其接收来自数据采集器的采样信息，对获得的电压、电流信号进行处理，提取并计算其高频分量，根据计算的结果，对接触网的工作状态作出评价，并输出评价结果。 

优选地：所述数据采集器包括用于对数字信息进行采样的嵌入式处理器。 

优选地，其还包括用于显示所述评价结果的显示装置，评价结果输入给显示装置，显示装置将评价结果处理为可视信息。 

为了解决上述第二个技术问题，本发明提出一种基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法，其包括以下步骤： 

电压、电流信号采集的步骤：光学电子式互感器对接触网的电压、电流进行变换，所得的信号由光电探测器转化为电信号送入信号调理电路，经放大、滤波后，经A／D转换、隔离和数字采样处理； 

电压、电流信号的处理的步骤：提取采样得到的电压、电流信号的高频分量，对其进行计算处理； 

接触网状态的评估的步骤：根据上述计算处理的结果，对接触网的工作状态做出评价，给出评价结果。 

优选地：将采样得到的电压、电流信号进行小波分解，根据高频分量相对能量熵来衡量电弧强度，给出评价结果； 

其中，依下列公式定义高频分量相对能量熵W_EEarc： 

$W_{\mathrm{EEarc}}=W_{\mathrm{EEUR}}\×W_{\mathrm{EEIR}}=\frac{W_{\mathrm{EEUd}}}{W_{\mathrm{EEU}}}\×\frac{W_{\mathrm{EEId}}}{W_{\mathrm{EEI}}}$ ， 

分子上的W_EEUd和W_EEId分别是电压和电流高频分量的能量熵，分母上的W_EEU和W_EEI则分别是电压和电流工频分量的能量熵，

，

是两个熵的相对值。 

优选地：所述高频分量相对能量熵W_EEarc的计算使用小波能量熵，依下列公式定义小波能量熵： 

小波能量熵W_EEj的定义，信号在j尺度k时刻的小波能量熵为： 

$W_{\mathrm{EEj}}=-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{pjk}\log \mathrm{pjk}$ ， 

其中pjk=E_jk/E_d，E_jk为信号在j尺度k时刻的小波能谱，。 

高频分量相对能量熵用来衡量电弧强度， $W_{\mathrm{EEarc}}=W_{\mathrm{EEUR}}\×W_{\mathrm{EEIR}}=\frac{W_{\mathrm{EEUd}}}{W_{\mathrm{EEU}}}\×\frac{W_{\mathrm{EEId}}}{w_{\mathrm{EEI}}}$ ，分子上的W_EEUd和W_EEId分别是电压和电流高频分量的能量熵，分母上的W_EEU和W_EEI则分别是电压和电流工频分量的能量熵，

，

是两个熵的相对值。 

其中，分子上的电压和电流高频分量能量熵W_EEUd和W_EEId以及分母上的电压和电流工频分量的能量熵W_EEU和W_EEI的计算要用到小波能量熵的定义

，简称为公式一。 

对于信号在j尺度k时刻的小波能量熵，取不同的尺度，就可以分别得到高频分量和工频分量的小波能量熵(小波分解后，尺度和频率之间有一定的对应关系)，本例中，高频分量的能量熵用的是小波分解后d1尺度(高频)的参数来计算的，工频分量的能量熵是用d5尺度(频率相对较低)的参数来计算的，计算都是按公式一来计算的。 

优选地：所述电压和电流高频分量的频率为2.5k～5kHz。 

优选地：所述电压和电流工频分量的频率为50Hz。 

优选地：电流信号进行5层小波分解。 

优选地：评价结果显示在计算机界面上。 

本发明的有益效果： 

与现有方法相比，本发明的特点是： 

一、通过电气量的分析来判断接触网的状态，判断方法更直观。接触网的主要目的是为了实现对电力机车的良好供流，可见，接触网供流的情况和接触网的状态直接相关。通过分析机车取流时的电流信息，可得到接触网状态的直观评价。 

二、利用光学电子式互感器对接触网的电压、电流进行变换，获取信号更精确。光学互感器体积小、精度高，不存在着磁路饱和问题，且能获取一次侧的高频信号，有利于对弓网离线时所产生的电弧量进行检测。 

三、利用电弧相对能量熵对接触网的状态实现定量评价。获取到接触网的电压、电流信号后，利用小波变换提取其高频分量，并计算出电弧的相对能量熵。接触网状态越差，受电弓和接触网脱离的距离越大，得到的电弧相对能量熵就越大。利用电弧相对能量熵可对接触网的状态进行量化，有利于构建历史数据库，为接触网设备的状态检修提供条件。 

四、本发明实现简单、易于应用。该方法只需在接触网检测车上加装光学电子式互感器和数据采集装置，通过对现有检测车的简单扩展即可实现。 

本发明的检测和评价结果准确，能更好的掌握接触网的状态，有利于实现接触网的状态检修。 

附图说明

图1是本发明的产品结构示意图。 

图2是数据采集装置的结构示意图。 

图3是带有弓网电弧时馈线电流d1尺度下小波能量熵的变化图。 

图4是不同长度时电弧放电的相对能量熵的变化图。 

图5是电弧相对能量熵随电弧长度的变化图。 

具体实施方式

本发明提出一种基于电气量分析的接触网状态的检测与评价装置，其包括安装在受电弓主回路上的传感器，传感器为光学电子式互感器，其对采集到的接触网的电压、电流进行变换，所得信号发给数据采集装置。本发明装置还包括： 

数据采集装置，其包括光电探测器、信号调理器和数据采集器；光电探测器将光学电流互感器发过来的信号转换成电信号后，发送给信号调理器处理，经其处理后发送给数据采集器进行A／D转换和采样处理； 

检测分析与评价装置，其接收来自数据采集器的采样信息，对获得的电压、电流信号进行处理，提取其高频分量并计算电弧相对能量熵，根据计算的电弧相对能量熵，对接触网的工作状态作出评价，并输出评价结果。 

上述装置通过以下基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法实现接触网的状态检测和评价，该方法包括以下步骤： 

电流信号采集的步骤：光学互感器对接触网的电压、电流进行变换，所得的信号由光电探测器转化为电信号送入信号调理电路，经其放大、滤波后，经A／D转换、隔离和数字采样处理；电压、电流信号的处理的步骤：提取采样得到的电压、电流信号的高频分量，并计算电弧相对能量熵； 

接触网状态的评估的步骤：根据计算的电弧相对能量熵，对接触网的工作状态做出评价，给出评价结果。 

以下通过实施例对本发明的技术方案进行说明。 

如图1所示，在接触网的检测车6的受电弓5的主电路上安装光学电子式互感器1， 在光学电子式互感器1的二次侧安装数据采集装置2，光学电子式互感器1将接触网中电压、电流变换为易于测量的信号，送至数据采集装置2。在检测车6上安装终端计算机3。终端计算机3作为检测分析与评价装置。如图2所示，数据采集装置2由光电探测器21、信号调理电路22、数据采集卡20组成，数据采集卡20包括A／D转换器23以及嵌入式处理器24组成。 

采用本例的接触网检测装置对接触网状态进行检测和评价的方法，其步骤是： 

1)电压、电流信号采集：安装于受电弓主回路中的光学电子式互感器1将接触网4中电压、电流变换为易于测量的信号后送至数据采集装置2，由光电探测器21探测并转换为电信号后，由信号调理电路22经滤波、放大后送至数据采集器20，在嵌入式处理器24的控制下被采样，采样频率不低于1KHz，并将采样结果送至终端计算机3。 

2)电压、电流信号的处理：终端计算机3对采样得到的电压、电流信号进行小波变换，一般对电压、电流信号进行5层(但不限于5层，层数由终端计算机的数据处理能力和数据处理要求决定)小波分解，计算其高频分量的电弧相对能量熵。 

3)接触网状态的评估：终端计算机根据计算得到的电弧相对能量熵，与事先设定的标准进行比较，对接触网的状态做出的判断，例如“良好”“瑕疵”“急需维修”，并将结果显示在计算机界面上。 

以下详述两种利用机车取流时电气量的分析来衡量接触网不平顺性的方法的实施例，但是下列分析方式并不构成对本发明的限制，任何可通过逻辑推理，等同替换的分析手段均在本发明的保护范围内。 

机车的受电弓与接触线是一个动态耦合的***，随着列车运行速度的提高，受电弓-接触网***的振幅增大，使弓网接触压力产生波动，容易导致滑板与接触线的分离，在接触线和机车受电弓之间产生电弧。此时，机车通过电弧来保证取流的连续性。 

弓网电弧产生的环境比较复杂，电弧随受电弓的运动在不断地发展变化，因而从理论上去分析弓网电弧本身的演化规律是不现实的，可行的方法是利用弓网电弧的外部表现即对 馈线电压电流的影响来进行分析。 

实施例一、基于小波分析的弓网电弧检测 

当牵引供电回路中产生弓网电弧时，会在供电回路中出现暂态的高频信号。该高频信号具有其规律性，故可利用高频信号来实现对弓网电弧的检测。 

电弧产生的暂态信号具有高频、瞬间突变的特点，小波变换正好满足这一信号分析的要求。利用小波变换可以得到弓网电弧暂态信号的高频细节分量，可利用电弧所产生的高频分量作为特征量实现对弓网电弧的检测。 

利用小波分解能有效提取出机车拉弧运行时电弧电流的高频分量，并能与机车所产生的谐波分量区分开来，表明利用小波分析作为工具进行弓网电弧的检测是十分有效的。 

当产生弓网电弧后，机车电流的高频分量表现出明显区别于没有弓网电弧的特征，为便于实现对弓网电弧的检测识别及评估，需利用小波分解后得到的系数来构建合适的特征量。 

小波能量熵是小波变换和信息熵相结合的产物，它能得到信号在各个频带详尽的信息。小波尺度能量熵则不但可以得到信号的能量分布，还可以得到小波分解后在各个尺度上能量熵的分布和相对变化，可以更加完整地描述信号在各个尺度上的特征状态，利用发生电弧之后，馈线电流信号在高频尺度下的小波能量熵来作为弓网电弧检测及评估的特征量。 

根据小波能量熵的定义，信号x(f)在j尺度k时刻的小波能量熵为： 

$W_{\mathrm{EEI}}=-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{pjk}\log \mathrm{pjk}$ ， 

其中pjk＝E_jk/E_I，E_jk为信号在j尺度k时刻的小波能谱，

。 

据此计算图2中馈线电流在d1尺度下的小波能量熵如图3所示。其中d1尺度为高频频率，例如为2.5k～5kHz。 

从图3中可以看出，利用馈线电流高频分量的小波能量熵可以有效的检测到受电弓和接触线脱离时所产生的电弧。但对于由于接触线平顺程度不同而引起的弓网电弧长短的不同，单纯利用电流的高频分量则无法衡量。 

实施例二、基于小波相对能量熵的电弧评估。 

接触线的平顺程度对所产生的电弧是有影响的，不平顺性程度越高，受电弓跟随接触线的能力越差，所产生的弓网电弧越长，因而，通过弓网电弧的评估，可以实现对接触线平顺程度的衡量。 

由于弓网电弧是在复杂的环境下产生的，随着受电弓的运动电弧在不断地发展变化，可行的方法是把电弧中消耗的能量作为电弧强弱判断的依据。 

由于电弧电流受机车负载的影响，因而，单独利用电弧电流的高频分量来对电弧的程度进行评估是不够全面的。当弓网电弧越长时，电弧放电越剧烈，其所消耗的能量越大。根据这一性质，综合利用电压电流的高频分量相对能量熵来对电弧的强度进行评判，进而得到接触线的不平顺度。 

设小波分解后得到的馈线电压的高频尺度熵为W_EEUd，电压的小波能量熵为W_EEU，馈线电流的高频尺度能量熵为W_EEId，电流的小波能量熵为W_EEI，则 

线路电压的高频尺度相对能量熵为： 

$W_{\mathrm{EEUd}}=\frac{W_{\mathrm{EEUd}}}{W_{\mathrm{EEU}}}$

电弧电流的高频尺度相对能量熵为： 

$W_{\mathrm{EEId}}=\frac{W_{\mathrm{EEId}}}{W_{\mathrm{EEI}}}$

为衡量每次弓网电弧放电的强弱，定义电弧放电的相对能量熵： 

$W_{\mathrm{EEarc}}=W_{\mathrm{EEUd}}\×W_{\mathrm{EEId}}=\frac{W_{\mathrm{EEUd}}}{W_{\mathrm{EEU}}}\×\frac{W_{\mathrm{EEId}}}{W_{\mathrm{EEI}}}$ ， 

据此，可得到表征电弧放电强弱的一个特征量，利用它可以对电弧每次放电的强弱程度进行衡量，从而实现对弓网电弧强弱的评估，进而可实现对接触线不平顺程度的评估。 

在由一组试验数据中形成的图4中可以看出，电弧长度的改变对馈线电压电流的高频分量会产生影响，从而影响其d1尺度下的高频分量能量熵，同时也会对电压电流的能量熵产生影响，但由于高频分量所占比重较小，因而对电压电流的能量熵的影响有限。利用定义的 高频分量相对能量熵WEEarc，综合考虑了电弧长度对电压电流的影响，且由于是相对能量熵，可有效区分产生电弧以及电弧长度的情况。 

不同长度电弧的相对能量熵如图5所示，从图5中可以看出，由于采用了电压和电流不同尺度的相对熵，因而计算得到的电弧放电相对能量熵WEEarc与电弧的长度之间呈现出一定的关系，图5表明利用WEEarc可对由于接触线平顺程度不同而引起的不同长度的弓网电弧进行评价，从而得到接触线与受电弓之间相互配合的程度，进而可对接触线的状态做出判断。 

接触线的不平顺程度直接影响接触网和受电弓的配合，从而影响弓网受流的质量，当接触线不平顺时，受电弓跟随接触线的能力变差，容易在受电弓和接触网之间产生电弧，电弧长度与接触线的平顺程度相关，因而，通过对馈线电压电流中高频分量的检测与评估，可得到弓网电弧放电程度的强弱，实现对电弧不同长度的评估，从而可得到接触线的平顺程度。 

弓网电弧会对馈线电压电流产生影响，通过分析馈线电压电流中的高频分量，利用高频分量相对能量熵可以检测到串联于回路中的弓网电弧，根据定义的电弧放电相对能量熵，可对弓网电弧的长度进行有效判断。 

Claims (6)

1.一种基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法，其包括以下步骤：

电压、电流信号采集的步骤：光学电子式互感器对接触网的电压、电流进行变换，所得的信号由光电探测器转化为电信号送入信号调理电路，经其放大、滤波后，经A/D转换、隔离和数字采样处理；

电压、电流信号的处理的步骤：提取采样得到的电压、电流信号的高频分量，对其进行计算处理；

将采样得到的电压、电流信号进行小波分解，根据高频分量相对能量熵来衡量电弧强度，给出评价结果；

其中，依下列公式定义高频分量相对能量熵

$W_{\mathrm{EEarc}}=W_{\mathrm{EEUR}}\×W_{\mathrm{EEIR}}=\frac{W_{\mathrm{EEUd}}}{W_{\mathrm{EEU}}}\×\frac{W_{\mathrm{EEId}}}{W_{\mathrm{EEI}}}$ ，

分子上的W_EEUd和W_EEId分别是电压和电流高频分量的能量熵，分母上的

和W_EEI则分别是电压和电流工频分量的能量熵，

，

是两个熵的相对值；接触网状态的评估的步骤：根据上述计算处理的结果，对接触网的工作状态做出评价，给出评价结果。

2.根据权利要求1所述的基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法，其特征在于：

所述高频分量相对能量熵

的计算使用小波能量熵，依下列公式定义小波能量熵：

小波能量熵W_EEj的定义，信号在j尺度k时刻的小波能量熵为：

$W_{\mathrm{EEj}}=-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{p}_{\mathrm{jk}}\log p_{\mathrm{jk}}$ ，

其中p_jk＝E_jk/E_j，E_jk为信号在j尺度k时刻的小波能谱，。

3.根据权利要求1所述的基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法，其特征在于：所述电压和电流高频分量的频率为2.5k～5kHz。

4.根据权利要求1所述的基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法，其特征在于：所述电压和电流工频分量的频率为50Hz。

5.根据权利要求1所述的基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法，其特征在于：电流信号进行5层小波分解。

6.根据权利要求1所述的基于电气量分析的接触网状态的检测与评价方法，其特征在于：评价结果显示在计算机界面上。

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