吴光龙

0 引言

牵引变电站作为电气化铁路输送能源的重要组成，可靠性与安全性非常重要。牵引变电站常用的供电方式为牵引AT 供电方式，在AT 供电区有机车通过时，由于机车为接触供电且机车负载重，供电电流特别大，而机车位移又处于高速变化状态，对电气供电网络的性能要求非常高，同时运行期间外部自然环境情况不定，尤其遇到风霜雨雪等恶劣天气，各种因素综合作用导致机车运行时，AT 供电区容易引发电气故障。即使电气化铁路供电系统具备故障在线监测系统，在供电区段无机车期间能够识别故障并进行故障切除，但机车通过期间，由于机车本身负载大，供电线路中电流值特别大，故障电气数据与正常运行数据相似，此期间发生故障，一般的故障监测系统无法精确识别和分离故障引起的电气异常数据。

为了解决机车运行期间，AT 供电单元故障准确判别的难题，我们提出基于电气数据全同步采集技术建立能量守恒模型，同时引入5G 通信原理实现机车信息高速接入，并对AT 供电网络、机车（负载）的供用电电气信息进行能量守恒实时验证，从而判别机车通过期间，是否有故障。

1 AT 供电原理与电气模型解析

牵引网的供电方式有多种，例如：直接供电方式、吸流变压器--回流线装置BT、自耦变压器供电方式（AT）和带回流线的直接供电方式（DN）等。

直接供电方式靠牵引变电站直接获得电能，对电气设备安全和供电质量有影响；吸流变压器——回流线装置BT，把大尺寸的接触网-轨道大地回路改成小尺寸的接触网-回流线回路，利用磁势平衡原理使得回流线和接触网两者产生的交变磁场互相平衡，明显的减弱周围空间的交变磁场，降低邻近通信线路的电磁感应影响，但对电力机车处于BT 装置附近时的防护较差。

电力牵引AT 供电方式是电力牵引的一种供电方式，又称自耦变压器供电方式。单相工频交流电气化铁路为提高供电质量和减少对通信的干扰而采用的一种设有自耦变压器的供电方式[1]。实践证明，AT 供电方式具有良好的供电性能和防干扰效果，特别适用于重载或高速、大密度的电气化干线[3]。

图1

AT 供电方式的专用设备主要有与接触网平行架设的正馈线及每隔一定距离设置的低阻抗自耦变压器。正馈线为牵引负荷返回变电所的通路，其允许载流量应与接触网的允许载流量等价。自耦变压器的一、二次绕组匝数比采用2∶1，一端接接触网，另一端接正馈线，中点接钢轨或扼流变压器的中性点。接触网及正馈线的对地电压相等，接触网与正馈线之间的电压为其本身对地电压的2 倍。AT 供电电气模型图如图1 所示，T 为接触网，R 为钢轨，F 为正馈线，I 为机车中的电流[2]。

2 AT 供电方式下以供电区为单元建立能量守恒模型

AT 供电方式下完整的供电区电气模型示意图如下所示。

每个牵引变电站给两侧供电分区供电，又称供电臂，每一供电臂分别向上、下行接触网供电，因此牵引变电站馈出线有四条（T1、T2、T1'、T2'），同一侧供电臂上下行线实行并联供电，可提高供电臂末端电压。两个牵引变电站之间将接触网分成两个供电臂，默认是绝缘的，可以通过分亭区开关设备实现越区供电。

当不考虑分亭区开关设备投运即各牵引变电站负责一个完整的供电区供电时，对完整的牵引变电站电气回路建立能量守恒模型：

（1）P总输入=P总输出+P总损耗=P单侧输出+P′单侧输出+P自固损+P自铁损

（2）P单侧输出=∑PATi输入+P单侧线损+P单侧故障损耗

（3）PATi输入=PATi输出+PATi固损+PATi铁损

（4）PATi输出=∑Pi机车+∑Pi区段线损+∑PATi故障损耗

公式（1）中，对牵引变电站来说，其损耗分为设备自身损耗和随电流变化而变化的损耗，以P自固损+P自铁损表示，其中P自铁损与两侧供电臂电流大小、电流变化相关。公式（2）中，将每个自耦变压器和相应的供电区域线路（即AT 到下一个AT 之间的线路）看作一个AT 供电单元，PATi输入指每个AT 供电单元的总输入功率，P单侧线损是指牵引变到第一个AT 之间的线路损耗。公式（2-4）以单侧供电臂为对象建立能量守恒关系，正常情况下，P单侧故障损耗和PATi故障损耗为零。

同理，当分亭区开关设备投运，即两个不同供电区的供电分区（供电臂）由同一牵引变电站的单边进行供电时，能量守恒模型发生一定的变化。

（5）P单侧输出=∑P本区ATi输入+P本区线损+∑P复区ATi输入+P复区线损

（6）P本区ATi输入=P本区ATi输出+P本区ATi固损+P本区ATi铁损

（7）P复区ATi输入=P复区ATi输出+P复区ATi固损+P复区ATi铁损

（8）P本区ATi输出=∑Pi本区机车+∑Pi本区区段线损+∑P本区ATi故障损耗

（9）P复区ATi输出=∑Pi复区机车+∑Pi复区区段线损+∑P复区ATi故障损耗

3 电气信息采集

图2 AT 供电方式下完整的供电区电气模型示意图

结合牵引变供电用电特性，牵引变输出与损耗总是处于变化过程，而故障发生迅速，故障表现的电气特性容易在这种变化过程中被淹没，因此对系统的能量守恒验证的频率要非常高，这样就要求对牵引变电站的输入电压、输入电流、各侧输出电压、输出线路实时电流进行高频率采集与分析。

以AT 供电单元为对象的能量守恒的验证，需要对每个AT供电单元内的各个机车即负载用电实时信息进行高频采集与高频分析，由于机车位移处于高速变化过程，作为高频分析的前提，系统对数据的传输的可靠性也有非常高的要求。AT 供电方式不仅需要对接触网中性线电气信息进行分析，还要对分亭区的状态，对整个供电电气模型的结构起关键作用，因此也需要将分亭区的开关状态纳入系统校验逻辑中。分亭区处于投运状态时，牵引变单边供电负载加重，相关的损耗系数都会受到影响，同时，分亭区本身的电气信息和越区供电时原属于另一个牵引变的用电信息需要纳入到现有牵引变供电模型中，所有数据依然需要保持高频率的采集与传输，相应的数据分析压力也会增加。这种情况下，以能量守恒模型为依据的牵引变故障系统的数据关联性和同步性非常重要，也是关键的技术瓶颈。

此外，铁路沿线环境恶劣，供电线路受温度、湿度、尘霾、风霜、扰动等因素，都会对供电线路损耗产生一定的影响，作为能量守恒验证的校正。

因此，对一个完整的牵引变电所建立能量守恒模型并通过守恒验证判断线路故障和故障区域，需要对牵引变电站的设备信息、各段馈线设备信息，线路信息、越区供电区域的电气设备信息等作为基础数据建立等效电气模型框架，还需要对牵引变电站供电系统的各个节点的电气参数进行高频的实时采集分析，对沿线环境信息进行采集分析，以对整体结论进行校正。基于以上分析，我们提出一种信息全采集的方式实现数据的采集与汇总，通过标准信号采集接口、多通道集成的分布式安装设备，对采集对象的类型、位置、数量做到最大化的兼容，同时通过高精度校时体系，实现分布式信息的同步化和高频分析。

4 通信技术瓶颈与5 G 选用

采用AT 供电方式，牵引变供电距离长达40～60 km，如果考虑分区亭投运状态，系统覆盖供电范围将更长。针对这一情况，我们提出以每个AT 供电单元为监测对象，对每个AT 供电单元输入、损耗、机车（负载）功率进行能量守恒研判。而实际上，自耦变压器间距也长达1～1.5 km，且负载处于高负荷用电、高速位移状态下，在这种情况下，需要实现高频采样数据的高频实时分析，就必须解决数据的高速同步传输，要求数据传输的延时在ms 级。因此分布采集的数据的通信问题成了关键技术要点。

5G 技术从用户面的每个层（物理层PHY，媒体接入控制层MAC，无线链路控制层RLC）进行全面优化设计，在保障极高的可靠性（99.999%）的前提下，实现低时延指标。例如在包结构设计上，5G 中URLLC 包采用导频信息，控制信息，以及数据依次在时域上排列，实现信道估计，控制信道解码，数据的获取可以串行的进行，减少处理时间。5G 所需要支持的频率范围非常广，中低频从450 MHz～6 000 MHz，高频从24.25 GHz～52.6 GHz。高频意味着更高的相位噪声，所以需要设计更加宽的子载波间隔来抵御相位噪声的干扰。更宽的子载波间隔，意味着时域上更短的时隙，更短的传输时间间隔。

除了时延低的特性外，5G 基站的建设和组网对环境的适应性也与本系统的要求较符，5G 基站组网多采用混合分层网络，这样就可以保证5G 网络的易管理、可扩展、高可靠性，能够满足5G 基站的高速数据传输业务。[4]

5 建模与仿真运行

根据上述能量守恒模型，我们选取嘉峪关牵引变电站完整供电线路为研究和试验对象，对其设备建设信息和相关参数进行建模仿真。

为了验证本方案的理论指导性，我们研发并制成一种分布式高频采样装置（多通道集成，同时采样速率不低于10 kHz）和高精度数据校时同步单元（校时精度微秒级），通过加装在牵引变、自耦变、相关线路和列车（即各负载）等各个电气信息采集点，获取系统验证所需的所有电气数据。同时对敏感环境数据进行高频采集和时标校时。考虑到5G 通信设备投入成本较高，相关基站具体参数和要求可能出现变化等因素，并未直接建立5G 通信系统，而采用离线数据加模型仿真运行的方式分析系统故障研判的灵敏度和准确性。

通过电气全采集系统对牵引变供电区域全部电气数据和环境数据进行连续监测与记录，所有数据均带有微秒级校时精度时标，这样分布在各点的数据能够以数据时标来实现同步分析。

对高频采样数据进行长期保存，将数据分为模型输入数据和故障验证数据，模型输入是指同一时标实际运行的环境数据、用电数据（即负载位置和负载用电情况），而故障验证数据是指同一时标测得的各个监测点的电气数据，这些数据与仿真模型的同一时标的输出数据进行比对，从而验证实际供电系统的异常情况。将模型输入数据输入模型，模拟供电系统实际运行情况，即模型模拟正常供电系统运行情况，只是在时间上滞后于实际供电系统，同时对模型输出数据实时记录并与实际运行系统测得的故障验证数据进行同时标比对，正常情况下，两套数据的偏差值应当是稳定的或与供电负载用电电流变化呈相关性的，当这种相关性变化或偏离超出一定范围时，电气全采集系统系统对测得的数据（即保存的同时标的全部离线数据）进行处理，形成故障波形文件，并通过波形离线分析工具包括相角分析、谐波分析、偏差值分析等分析系统异常产生原因。

6 结语

通过数月的仿真运行与数据偏差分析情况，结合实际牵引变供电系统运维情况，基本能够确定以电气全监测系统与能量守恒模型验证的办法，能够实现机车高速运行期间产生的异常和故障研判，故障研判灵敏度较高。通过波形文件的分析，也能够明显提升系统异常产生的原因查找效率。

尽管本方案验证了电气化铁路在机车闯入期间的故障监测的理论可行性，但实际投入使用仍然要对5G 通信系统在恶劣环境下的运行效果进行验证，对通信数据丢失率和数据波形处理方面进行进一步研究和完善。同时，对于不同故障的处理机制形成完善的管理系统，实现故障自动处理和迅速恢复。