CN115902356A - 一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法，包括：根据实地获取的电力机车下行电缆的结构及对应参数估算电力机车的寄生电容值；构建测量***，在屏蔽外皮的入地线上部署满足灵敏度要求的电流传感器；电流传感器的灵敏度根据电力机车的额定功率和寄生电容值确定；对测量***进行校准，标定表示受电电压与测量***输出电压之间的关系的传变函数；基于传变函数和测量***的测量值确定被测电力机车的受电电压高频分量；借助受电弓下行电缆中稳定存在的芯‑皮同轴结构，在屏蔽外皮的入地线上部署电流传感器，实现将高幅值的工频分量和相对低幅但高频的分量进行分离，极大减少了牵引网背景电压对测量造成的干扰。

Description

一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法

技术领域

本发明涉及电气信号特征量测量领域，尤其涉及一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法。

背景技术

电力机车在运行过程中受地面沉降、误操作等多因素影响，易产生弓网拉弧现象，需及时检测出其特征并给予补偿操作。现有电力机车弓网电弧检测多通过“光学设备”对弓网进行拍摄，通过蓝光判断二者之间是否拉弧。该方法不足在于蓝光设备的购置及后续维护费用高，难以在既有线货车等非重要客运电力机车上全面铺开。

而在电力***中，电气量的测量已经十分成熟，且设备价格合成。若能通过电气测量获得电力机车受电弓电压，进而以此作为分析弓网拉弧的依据，能极大填补既有线电弧检测方面的空白。该方案的测量难点有二：

其一为，电力机车受电弓侧的电压高达25KV，但受限于电力机车极高的安全运行规范，常规接触式分压测量方案由于和高压侧产生接触，导致方案风险较大，难以合规。因此，需使用非常规的方案对受电电压进行“非侵入式”的测量。

其二为，测量***校准困难。不同于常规实验中可手动配置各种源信号以供标定，牵引网中的成分实验过程是无法控制的。且电压中高幅的工频分量（背景电压）和低幅但高频的分量杂糅在一起，使得测量***难以进行有针对性的效准。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法，解决了测量电力机车受电电压高频分量时牵引网背景电压造成的干扰较大的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法，包括：

步骤1，根据实地获取的电力机车下行电缆的结构及对应参数估算所述电力机车的寄生电容值C；

步骤2，构建测量受电电压高频分量的测量***，包括：在屏蔽外皮的入地线上部署满足灵敏度要求的电流传感器；所述电流传感器的灵敏度根据所述电力机车的额定功率P和寄生电容值C确定；

步骤3，对所述测量***进行校准，标定表示受电电压与测量***输出电压之间的关系的传变函数；基于所述传变函数和所述测量***的测量值确定被测电力机车的受电电压高频分量。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述电流传感器的灵敏度的确定方法为：

；

其中，表示所述电力机车的受电暂态电压高频分量对应的最大频率。

可选的，所述步骤3中确定所述测量***的传变函数的过程包括：

步骤301，安装满足频率范围要求和灵敏度要求的电压标准器，所述电压标准器跨接在所述电力机车的受电弓端与地之间；

步骤302，同步采样得到所述电压标准器和所述测量***输出的电压的一组波形数据，以至少两组的所述波形数据为基础进行对比，计算得到所述传变函数。

可选的，所述电压标准器的下限截止频率不高于，上限截止频率不低于，灵敏度为。

可选的，所述步骤302包括：

步骤30201，对两组波形数据进行加窗的傅里叶变换，获得所述电压标准器的输出幅值数据序列、所述测量***的输出幅值数据序列以及基于所述波形数据的采样率和采样次数构成的频率数据序列f；

步骤30302，从所述数据序列中抽取数据构成数据数列，在所述数据序列中抽取对应的数据，将该对应的数据除以所述频率数据序列f中对应的值后构建得到数据数列；

步骤30303，设置表示数据数列和数据数列之间的大小关系的拟合目标模型，拟合求解得到所述拟合目标模型的系数后，确定所述测量***的传变函数为该系数对应的拟合目标模型。

可选的，所述频率数据序列；

其中，，和N分别为所述波形数据的采样率和采样次数。

可选的，所述步骤30301中抽取数据构成数据数列的过程包括：

选择频带范围，将所述频带范围划分为个十倍频程子频带；

在每个子频带内，从所述数据序列中抽取对应元素，并选择其中较大的个，构成包含m×n个元素的数据数列。

可选的，所述拟合目标模型为，y表示数据数列中的数据，x表示数据数列中的数据，和为待确定系数。

本发明提供的一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法，借助电力机车进线特有的芯-皮结构，通过测量进线屏蔽层中的电流来反演弓侧电压。得益于高频成分在寄生电容中穿透能力远高工频成分的特点，即使在工频高幅值背景干扰下，高频分量仍能得以凸显。针对电力机车运行要求极高、难以实时校准的困境，本发明借助罗氏线圈中、高频段传变函数具有一致性的特点，给出了该测量***的校准方法，最终借助库内实验和牵引网特有的中频成分，实现了对测量***的校准。

附图说明

图1为本发明提供的一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种电力机车进线同轴电缆的截面图；

图3为本发明实施例提供的一种可开合、自积分罗氏线圈的等效电路图；

图4为本发明实施例提供的测量***校准原理图；

图5为本发明实施例提供的电力机车牵引网中至中特有分量的时、频域展示的示意图；

图6为本发明实施例提供的特征频域中谱线的筛选方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明提供的一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法的流程图，如图1所示，该非侵入式测量方法包括：

步骤1，根据实地获取的电力机车下行电缆的结构及对应参数估算电力机车的寄生电容值C。

具体实施中，可以通过实地获取的电力机车下行电缆的结构及对应参数和所处环境估算该寄生电容值C。

步骤2，构建测量受电电压高频分量的测量***，包括：在屏蔽外皮的入地线上部署满足灵敏度要求的电流传感器；电流传感器的灵敏度根据电力机车的额定功率P和寄生电容值C确定。

具体实施中，电流传感器可以通过非侵入式的电流探头进行测量，该测量***还可以包括与电流传感器级联的模数转换组和上位机等，实时获取电流传感器的测量数据。

步骤3，对测量***进行校准，标定表示受电电压与测量***输出电压之间的关系的传变函数；基于传变函数和测量***的测量值确定被测电力机车的受电电压高频分量。

本发明提供的一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法，借助受电弓下行电缆中稳定存在的芯-皮同轴结构，在屏蔽外皮的入地线上部署电流传感器，实现将高幅值的工频分量和相对低幅但高频的分量进行分离，再将高频电压分量的测量转化为对电流的测量，极大减少了牵引网背景电压对测量造成的干扰，使得测量对象得以凸显。

实施例1

本发明提供的实施例1为本发明提供的一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法的实施例，本实施例中，通过对电力机车固有的结构实现U-I的转换，进而通过非侵入式测电流，实现对高频电压分量的测量检测。此外，该方法合理设计了站内的校准方法，有效避免了测量过程中背景电压较大、校准困难等难题。结合图1可知，该非侵入式测量方法的实施例包括：

步骤1，根据实地获取的电力机车下行电缆的结构及对应参数估算电力机车的寄生电容值C。

步骤2，构建测量受电电压高频分量的测量***，包括：在屏蔽外皮的入地线上部署满足灵敏度要求的电流传感器；电流传感器的灵敏度根据电力机车的额定功率P和寄生电容值C确定。

在一种可能的实施例方式中，电流传感器的灵敏度的确定方法为：

其中，表示电力机车的受电暂态电压高频分量对应的最大频率。具体的，可以为该最大频率的±1%偏差截止频率，且频响范围可覆盖弓-网拉弧过程中暂态电压中的全部高频成分。

步骤3，对测量***进行校准，标定表示受电电压与测量***输出电压之间的关系的传变函数；基于传变函数和测量***的测量值确定被测电力机车的受电电压高频分量。

在一种可能的实施例方式中，步骤3中确定测量***的传变函数的过程包括：

步骤301，安装满足频率范围要求和灵敏度要求的电压标准器，电压标准器跨接在电力机车的受电弓端与地之间。

在一种可能的实施例方式中，电压标准器需要满足频率范围要求和灵敏度要求，电压标准器的下限截止频率（±0.2%偏差）不高于，上限截止频率（±0.2%偏差）不低于，灵敏度为。

其中，表示电力机车的受电暂态电压高频分量对应的最大频率，表示电力机车的受电暂态电压高频分量对应的最小频率。

步骤302，同步采样得到电压标准器和测量***输出的电压的一组波形数据，以至少两组的波形数据为基础进行对比，计算得到传变函数。

具体实施中，电压标准器执行受电弓上升接入（或下降切出）的操作，借助采集卡、上位机同步记录采样过程中电压标准器和测量***的输出电压的波形数据，采样率≥1MSa/s采样深度不低于16 bit，两组波形的数据量均为，且不小于20000。

在一种可能的实施例方式中，步骤302包括：

步骤30201，对两组波形数据进行加窗的傅里叶变换，获得电压标准器的输出幅值数据序列、测量***的输出幅值数据序列以及基于波形数据的采样率和采样次数构成的频率数据序列f。

。

步骤30302，从数据序列中抽取数据构成数据数列，在数据序列序列中抽取对应的数据，将该对应的数据除以频率数据序列f中对应的值后构建得到数据数列。

在一种可能的实施例方式中，步骤30301中抽取数据的过程包括：

选择频带范围，将频带范围划分为个十倍频程子频带。

在每个子频带内，从数据序列中抽取对应元素，并选择其中较大的个，构成包含m×n个元素的数据数列。

该数据数列和数据数列用于灵敏度估算，具体的，编号可以分别为、、……，具体为：

。

步骤30303，设置表示数据数列和数据数列之间的大小关系的拟合目标模型，拟合求解得到拟合目标模型的系数后，确定测量***的传变函数为该系数对应的拟合目标模型。

在一种可能的实施例方式中，拟合目标模型为，y表示数据数列中的数据，x表示数据数列中的数据，和为待确定系数。

具体实施中，以数据序列和数据序列为参数、的观测集，可拟合求解两个未知系数和的值分别为和，进而获取测量***的传变函数。

以频率对应的成分为例，受电电压与测量***输出之间的关系可以为：

。

实施例2

本发明提供的实施例2为本发明提供的一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法的具体应用实施例，结合图1可知，该非侵入式测量方法的具体应用实施例包括：

步骤1，根据实地获取的电力机车下行电缆的结构及对应参数估算所述电力机车的寄生电容值C。

本实施例中以华中地区某HXDXX型号电力机车为例，通过登车初步测量，可知该型号进线电缆部分可分为3段（包括弧度弯折），如表1所示为测量得到的进线电缆各部分的各个参数值大小表：

表1 进线电缆各部分的各个参数值大小

其中，q=1、2或3表示各个第几个区段，表示第q区段电缆的权重系数，表示第q区段电缆的等效长度，第2区段为电缆弯折部分。

通过查阅该电力机车配套电缆型号，可知其电缆内部结构如图2所示。具体参数：铜导体半径=6.45mm.屏蔽层距离轴心半径=16.75mm。绝缘材料的相对介电常数。综合以上数据，可预计算出杂散电容估计值。

。

表示自由空间介电常数，取值为。

步骤2，构建测量受电电压高频分量的测量***，包括：在屏蔽外皮的入地线上部署满足灵敏度要求的电流传感器；所述电流传感器的灵敏度根据所述电力机车的额定功率P和寄生电容值C确定。

查阅电力机车相关信息以及文献可知，该型号电力机车的额定功率。而暂态电压分量所对应的频率可至=200MHz。因此，完成测量所需的增益为：

鉴于本发明实施例中电流传感器为“非侵入式”，探头应设计为可开合式的罗氏线圈。由于屏蔽层入地电流的特征为频率高而幅度小，因此探头的增益以及其所覆盖的频段为重点设计目标。基于此考虑，磁芯设计为具有高磁导率的“纳米晶”材料，其相对磁导率。其等效电路模型如附图2所示。根据罗氏线圈设计原理，可按照如下参数设计出符合增益的电流传感器：

①线圈匝数为16。

②两层纳米晶叠成高度为的结构。

③末端并联负载阻抗。

④罗氏线圈绕组的内半径=56mm;外半径=74mm。

基于以上参数计算出的增益实际值约=3.1631 V/A。

具体实施中，该增益实际值与设计值的差距可以通过数字处理部分修正。

图4为本发明实施例提供的测量***校准原理图，结合图4可知，电流传感器部署在屏蔽外皮的入地线上，其与电力机车受电弓端之间等效有屏蔽层杂散电容。电压标准器直接跨接在所述电力机车的受电弓端与地之间。

安装好设备后，将探头和标准器的信号输出延伸至NI 8841所控制的同步采集***。该基于NI平台的测量***中，采集卡获取的测量***信号波形和电压标准器波形分别记作、，其长度均为。

步骤3，对所述测量***进行校准，标定表示受电电压与测量***输出电压之间的关系的传变函数；基于所述传变函数和所述测量***的测量值确定被测电力机车的受电电压高频分量。

首先，对测量***和标准器的波形进行加窗的傅里叶变换，以获取二者的频域信息：

其中，、分别为测量***、标准器信号，其长度为N。k为频率索引，。为加窗过程所采用的窗函数，此处以Hann窗为例，有：

。

完成加窗及傅里叶变换后，将频域信息适当处理可获得具有物理意义的频谱：

。

通过实际调研可知，当电力机车受电弓和牵引网相接触时，电路中在至频段内存在异常分量，如图5所示。故标定过程中，以该分量作为观测对象，通过如图6所示的流程图整理出“灵敏度估算数据数列”，其结果如表2中灵敏度估算数据数列所示。

表2 灵敏度估算数据数列

该表2中，将的全部数值进行整合，即可得到数列；将与一一对应作商，结果进行整合即为数列。基于此，可构造拟合目标函数。以作为函数中的；以作为函数中的，将数据带入该函数中进行拟合，可求解出：

。

最终，即可基于实负荷完成对整个测量***的标定：

其中，为***测得信号在f Hz处的幅值，f为所观测量的频率，为fHz处的反演结果。将中间过程的系数进行封装，即可得到频率f Hz处的传变函数。

电力机车的受电弓和牵引网之间会因误操作、弓体老化等诸多因素产生弓网拉弧现象，若不加以识别极易成为烧网隐患。实时测量电弧引起的高频信号特征，能有效防止危害加剧。针对电压高频分量，本发明实施例提供的一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法，借助电力机车进线特有的芯-皮结构，通过测量进线屏蔽层中的电流来反演弓侧电压。得益于高频成分在寄生电容中穿透能力远高工频成分的特点，即使在工频高幅值背景干扰下，高频分量仍能得以凸显。针对电力机车运行要求极高、难以实时校准的困境，本发明借助罗氏线圈中、高频段传变函数具有一致性的特点，给出了该测量***的校准方法，最终借助库内实验和牵引网特有的中频成分，实现了对测量***的校准。

通过库内实验，使待校准测量***与标准器观测同一分量——也即牵引网中在1kHz至10kHz特有的中频段分量。使得在该频段下，标准器得以对测量***的探头进行校准，进而借助罗氏线圈探头在中高频上“传变函数具有一致性”的特征，将中频部分完成的校准结果延伸至电弧所在的高频段。

特别地，本专利所述方法区别于现有电力机车领域的非侵入式技术专利，是一种针对电气信号高频分量的实时、定量测量，其应用面不仅限于故障判断。且是一种随车的实时测量，并不局限于某两个分相段之间。

综上所述，该方法巧妙运用了电力机车进线电缆的同轴结构，将电弧特征分量从大背景电压中提取了出来，且通过合理的库内实验对测量***进行了校准，符合了电力机车的运行规范，使整套方案实际可行。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种电力机车受电电压高频分量的非侵入式测量方法，其特征在于，所述非侵入式测量方法包括：

步骤1，根据实地获取的电力机车下行电缆的结构及对应参数估算所述电力机车的寄生电容值C；

步骤2，构建测量受电电压高频分量的测量***，包括：在屏蔽外皮的入地线上部署满足灵敏度要求的电流传感器；所述电流传感器的灵敏度根据所述电力机车的额定功率P和寄生电容值C确定；

步骤3，对所述测量***进行校准，标定表示受电电压与测量***输出电压之间的关系的传变函数；基于所述传变函数和所述测量***的测量值确定被测电力机车的受电电压高频分量。

2.根据权利要求1所述的非侵入式测量方法，其特征在于，所述电流传感器的灵敏度的确定方法为：

；

其中，表示所述电力机车的受电暂态电压高频分量对应的最大频率。

3.根据权利要求1所述的非侵入式测量方法，其特征在于，所述步骤3中确定所述测量***的传变函数的过程包括：

步骤301，安装满足频率范围要求和灵敏度要求的电压标准器，所述电压标准器跨接在所述电力机车的受电弓端与地之间；

步骤302，同步采样得到所述电压标准器和所述测量***输出的电压的一组波形数据，以至少两组的所述波形数据为基础进行对比，计算得到所述传变函数。

4.根据权利要求3所述的非侵入式测量方法，其特征在于，所述电压标准器的下限截止频率不高于，上限截止频率不低于，灵敏度为。

5.根据权利要求3所述的非侵入式测量方法，其特征在于，所述步骤302包括：

步骤30201，对两组波形数据进行加窗的傅里叶变换，获得所述电压标准器的输出幅值数据序列、所述测量***的输出幅值数据序列以及基于所述波形数据的采样率和采样次数构成的频率数据序列f；

步骤30302，从所述数据序列中抽取数据构成数据数列，在所述数据序列中抽取对应的数据，将该对应的数据除以所述频率数据序列f中对应的值后构建得到数据数列；

步骤30303，设置表示数据数列和数据数列之间的大小关系的拟合目标模型，拟合求解得到所述拟合目标模型的系数后，确定所述测量***的传变函数为该系数对应的拟合目标模型。

6.根据权利要求3所述的非侵入式测量方法，其特征在于，所述频率数据序列；

其中，，和N分别为所述波形数据的采样率和采样次数。

7.根据权利要求3所述的非侵入式测量方法，其特征在于，所述步骤30301中抽取数据构成数据数列的过程包括：

选择频带范围，将所述频带范围划分为个十倍频程子频带；

在每个子频带内，从所述数据序列中抽取对应元素，并选择其中较大的个，构成包含m×n个元素的数据数列。

8.根据权利要求3所述的非侵入式测量方法，其特征在于，所述拟合目标模型为，y表示数据数列中的数据，x表示数据数列中的数据，和为待确定系数。

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