一种全并联AT供电系统测距精度优化方法研究与实现

石晶晶

0 引言

随着我国高速铁路的快速发展，全并联AT供电系统得到广泛应用。全并联AT供电方式下牵引网结构复杂，故障跳闸频发，且因线路的非线性特性，传统电抗法故障测距已无法适用于AT供电系统。根据原中国铁路总公司《电气化铁路AT供电方式故障测距装置》文件要求[1]，AT供电方式专用故障测距装置应具备吸上电流比法、上下行电流比法、横联电流比法等故障测距方法[2～4]，目前部分综合自动化设备厂商相关产品仍未完全具备以上测距方法，且无法对新增测距方法的定值进行整定及校验。为了验证故障测距装置测距精度，新线 开通前，各运营单位会组织进行一次接触网短路试验，通过短路电流参数调整故障测距定值。由于短路试验的复杂性、破坏性和危险性都很高，新线短路试验基本只在一个供电臂内进行，通过短路试验结果整定全线各所亭的故障测距定值，这样可能导致非短路试验供电臂的故测精度产生较大误差。

针对上述问题提出一种提高AT供电系统故障测距精度的方法，在不增加短路试验次数和扩大试验范围的情况下，通过登乘运行列车（单个供电臂上、下行只有一列运行列车时）收集登乘视频，定位列车位置，通过故障测距装置同步采集牵引所、分区所、AT所相应电流数据，将同一时刻的电流、列车位置数据进行计算、分析、校准，对测距误差较大的区段进行定值调整。

1 常用故障测距方法

1.1 电抗测距法

电抗测距法原理如式（1）所示。

式中：ZL为馈线总阻抗；Zg为短路阻抗；Z1、Z2、Z3为线路各单元阻抗。

对于全并联AT供电系统，电抗测距法适用于故障重合失败后直供方式运行时的T-R、F-R和T-F故障测距。

1.2 吸上电流比法

吸上电流比法测距计算式为

式中：l为故障距离；Ln-1为故障点前一个AT所上网点距离，当故障发生在第一AT段时，该值为0；Dn为供电臂第n个AT段的区间长度；Q1、Q2为吸上电流比修正系数；qAT为故障区间吸上电流比，qAT=IATn/ (IAT(n-1)+IATn)，IATn为第n个所亭吸上电流。

吸上电流比测距法适用于全并联AT供电方式系统T-R和F-R故障，不适于T-F故障。

1.3 上下行电流比法

上下行电流比法测距计算式为

式中：ITF1、ITF2分别为上下行T相、F相合成电流。

上下行电流比测距法适用于全并联AT供电方式下T-R、F-R、T-F故障。

1.4 横联电流比法

横联电流比法测距计算式为

式中：IHLn为第n个所亭的横联电流，IHL0为变电所横联线电流；qHL为故障区段的横联电流比。

横联电流比测距法适用于全并联AT供电方式下T-R、F-R、T-F故障。

2 故障测距精度优化方法

由前文可知，吸上电流比法、上下行电流比法和横联电流比法故障测距不受接地阻抗的影响，可以通过同一供电臂上下行单列运行列车负荷模拟T-R单点接地故障。作业人员登乘单趟运行列车，通过登乘视频确认列车取流点的位置，同时牵引变电所人员召测专用故障测距数据，利用多组召测数据反算吸上电流比、上下行电流比、横联电流比测距定值，并将新定值数据导入专用故障测距装置中，以达到优化故障测距精度的效果。

列车位置和各相关电流数据的精度和同步性是故障测距精度优化的关键。电流数据精度由列车电流的大小、电流互感器及故障测距装置精度共同决定，对于既有线路，电流互感器及故障测距装置均已固定，因此在进行测距精度优化选取登乘列车时，优先选取负荷较大的列车，以提高电流数据的精度。保障数据的同步性是故障测距的关键，本节将从数据采集、视频数据分析、故障测距数据分析及整定3个方面详细阐述。

2.1 数据采集

为模拟单一接地故障，故障测距数据采集时，要求同一供电臂上、下行只有一列列车运行。数据采集前，根据列车到站时刻表筛选登乘列车。为保证登乘与故障测距装置的同步性，登乘视频采集使用带GPS校时功能的行车记录仪。

作业人员登乘经筛选确定的运行列车时，记录列车参数：前后弓位置、前弓距列车车头的距离，同时与牵引变电所数据召测人员联系，根据杆号召测表在列车车头到达目标杆号时下达召测命令，数据召测人员在所内进行数据召测。为保证数据的连续性，在一个供电臂内每隔2 km进行一次召测。

2.2 视频数据分析

故障测距装置召测报文时间精确到毫秒，而行车记录仪一般只精确到秒，为保证故障测距召测数据与运行列车位置精确同步，通过逐帧对比登乘视频，计算出故障数据召测时运行列车车头的位置。确定数据召测时车头位置后，存在车头在两杆号之间的情况，可根据当前位置距下一支柱帧数以及本次两支柱之间的总帧数、跨距及支柱公里标，推算车头位置的公里标。

根据车头距受电弓距离、变电所上网点公里标及供电线长度，计算取流点距变电所距离。如果登乘列车为双弓取流，如图1所示，双弓运行列车驶向变电所时按照前弓距变电所的距离计算测距定值，驶离变电所时按照后弓距变电所的距离计算测距定值，同时在计算测距定值时有效AT段长度需减去双弓距离L弓。

图1 双弓取流模型

2.3 故障测距数据分析及整定

2.3.1 数据有效性校验

由故障测距相关计算式可知，采用吸上电流比法计算故障距离时使用的是标量计算，电流互感器极性错误不影响测距。横联电流比及上下行电流比为矢量运算，电流互感器极性错误将导致测距结果严重偏差，因此每个供电臂均需根据基尔霍夫电流定律对测距数据进行核算，确保电流极性正确。

本文采取登乘运行列车的方式进行列车位置数据的采集，前期通过列车时刻表粗略筛选上行或下行供电臂单一负荷的运行列车，存在上下行两列车交汇的情况。供电臂单一运行列车电流分布如图2所示[5]。当单一列车在下行运行时，根据节点电流法，上行节点电流应满足式（5），即上行变电所、AT所、分区所T线电流平衡；单一列车在上行运行时，下行变电所、AT所、分区所T线电流也满足平衡，通过该方法可以筛选出供电臂上、下行只有一列列车运行的数据。

图2 单一运行列车电流分布

2.3.2 第一AT段定值反算

当登乘双弓取流运行列车时需考虑双弓取流对有效AT段长度的影响，上下行电流比、横联电流比反算第一AT段长度D1分别如式（6）、式（7）所示。

每2 km进行一次故障测距数据召测，一个供电臂内约有12组召测数据，第一AT段有6组，每组召测数据反算出一个AT段长度。因AT段长度的改变在供电臂不同位置对测距结果的影响不同，即AT段长度改变对AT段的首端测距影响不大，对AT段的末端测距有较大影响。本文采用加权平均值来计算第一AT段的平均长度，即

式中：ln为第一AT段第n个故障测距点距变电所距离；D为第一AT段长度；D1n为第一AT段第n个故障测距点反算出的第一AT段长度。

根据计算得到第一AT段长度的加权平均值，并将第一AT段的故障测距数据两两组合，进行Q值反算，如式（9）、式（10）所示。

则可得

式中：Q变为变电所Q值，QAT1为AT所在第一AT段的Q值，D1′=D1-L弓。

将两组数据代入式（11）可得

则可推导出

将Q变代入式（10）中，可计算出QAT1的数值。其中：qAT1、qAT2分别为第一、二组数据的吸上电流比；l1、l2分别为第一、二组数据的故障距离。

2.3.3 第二AT段定值反算

当第一AT段故障时，理论上第一AT段长度D1包括变电所供电线长度、第一AT段供电臂长度、AT所靠近变电所供电线长度，然而当第二AT段接触网线路故障时，第一AT段长度为变电所供电线长度与第一AT段供电臂长度之和，第二AT段的长度D2为AT所靠近分区所供电线长度、第二AT段供电臂长度及分区所供电线长度。为保证公里标上的衔接，计算第二AT段故障距离时，在第一AT段长度不变的情况下，测距距离需减去AT所供电线总长。则第二AT段的横联及上下行电流比测距距离为

式中：LAT为AT所供电线总长。

使用第二AT段两组召测数据进行第二AT段长度及AT所供电线总长计算，其中K1、K2分别为第一、二组数据的上下行电流比或横联电流比：

将第二AT段长度代入式中可计算AT所供电线长度。同理，将第二AT段的多组计算定值进行加权平均处理，对AT所供电线长度进行平均值处理。根据计算得到第二AT段长度的加权平均值，并将第二AT段的故障测距数据两两组合，进行Q值反算，其中QAT2为AT所在第二AT段的Q值，Q分区所为分区所的Q值：

3 数据验证

采集某客运专线供电臂故障测距数据，经过数据分析反算测距定值，并将定值代入故障召测数据及历年跳闸数据进行验证，确保测距定值的有效性。该客运专线某牵引所某方向供电臂吸上电流比法故障测距精度对比如图3所示，主要调整第一AT段长度、第二AT段长度、Q变、QAT1、QAT2、Q分区所6个定值。

图3 吸上电流比法测距误差对比（单位：m）

该牵引所某方向供电臂上下行电流比法故障测距精度对比如图4所示，主要调整第一AT段长度、第二AT段长度、供电线长度3个定值。

图4 上下行电流比法测距误差对比（单位：m）

该牵引所某方向供电臂横联电流比法故障测距精度对比如图5所示，主要调整第一AT段长度、第二AT段长度、供电线长度3个定值。

图5 横联电流比法测距误差对比（单位：m）

由图3～图5可以看出：3种AT供电系统故障测距方法在导入新的优化定值后测距精度显著提高，其中故障点在第二AT段时，3种测距方法精度提高效果均较好；故障点在第一AT段时，吸上电流比测距法存在误差变大的情况，而另外2种测距方法则效果依旧明显。

4 结语

本文提出一种在不增加短路试验次数和扩大试验范围的情况下，通过运行列车登乘视频定位列车位置，故障测距装置同步采集牵引所、分区所、AT所相应电流数据，将同一时刻的电流、列车位置数据进行计算、分析，反算吸上电流比、上下行电流比、横联电流比测距定值的方法，并使用新定值重算故障召测数据及历年跳闸数据，验证了方法的有效性和可行性，且该方法投资少、易实施，能有效减小测距误差，缩短故障处置时间，可广泛应用于全并联AT供电系统测距精度优化。