基于GPS时间同步的地铁直流牵引供电系统故障测距研究

魏荣耀，时 光，庄 琨，夏加富

基于GPS时间同步的地铁直流牵引供电系统故障测距研究

魏荣耀1，时 光1，庄 琨1，夏加富2

（1. 青岛市地铁，山东青岛 266000；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文研究了基于GPS时间同步的地铁直流牵引供电系统故障测距。首先介绍了时域模型下地铁直流牵引供电系统短路模型，然后针对该模型的双端电流电压法故障测距的原理和测距误差进行分析，最后基于GPS时间同步与双端电流电压法进行实践与短路试验验证了该方法的有效性。

时间同步 双端电流电压 故障测距

0 引言

目前我国各地城市轨道交通进入高速发展时期，大量运营线路给生活带来便捷的同时，也给地铁运营带来了巨大压力。

直流进线柜、馈线柜等设备是城市轨道交通中直流牵引供电核心设备，其关键作用是持续给地铁机车电机供电。当这些供电设备出现故障，例如柜体中断路器故障、接触网短路故障等，将会导致地铁直流供电异常，可能会引起地铁停运造成乘客滞留，甚至可能危及乘客安全。因此，各地地铁对其直流牵引系统的安全和稳定要求较高。而直流牵引供电系统里涉及的设备数量繁多、潜在故障点也比较多。本文针对直流牵引供电系统中的故障测距展开研究，当地铁线路发生接触网或者第三轨处短路故障时，迅速及时找到短路故障的位置并排除显得尤为重要。

特别是有些地铁线路供电分区供电范围较长，发生接触轨短路故障后，仍需要依靠登乘巡查或下轨行区人工排查的方式，故障点排查效率低下，影响故障排查及供电稳定性，严重时可能影响客运服务。因此直流牵引供电系统故障测距的研究能够有效提高供电质量，解决接触轨故障排查的难题。

目前关于地铁直流牵引供电系统短路故障研究不多，首先研究该系统短路故障模型。

1 直流牵引供电系统短路模型

图1 地铁直流牵引系统结构

由图1可以看出，地铁直流牵引供电系统主要由馈线、断路器、回流轨、接触网等组成。为了研究直流牵引供电系统故障测距，需要对其数学模型展开研究。

由地铁直流牵引供电系统的供电方式，假设上行接触网发生短路，建立数学模型如图2所示。

图2 直流牵引供电系统接触网短路故障电路模型

该暂态模型考虑了左右两个牵引变电所，并用等效电压源模拟牵引变电所直流侧电压，牵引网用电阻串联电感等效，忽略排流网的影响。

图3 故障前电路模型

2 直流牵引供电系统短路算法研究

在图4模型下可以采用双端稳态电流比值法、双端电流电压法、双端电流法等。由于在短路过程中，双端稳态电流不会达到稳态最大值，馈线断路器即会跳闸，使得双端电流不会达到稳态值，因此该方法只是理论可行。基于双端数据的故障测距算法，通过建立微分方程并求解的原理可以消除过渡阻抗对测距的影响，理论上精度更高，但同时时间同步装置，通信装置等设备使得系统复杂度和成本增加。

图4 纯故障电路模型

2.1 基于双端电流的故障测距算法

由图4电路模型，根据KVL列写接触网构成的网孔电压方程：

对(1)式进行整理得到式(2)：

将式(2)写为矩阵形式得到式(3)：

2.2 基于双端电流电压的故障测距算法

对于图4电路采用△/Y电路等效变换后可得图5所示的等效电路：

图5 纯故障电路的等效电路模型

上述测距方程中电流的一阶导数按式(8)所示的数值方法求取：

在实际短路故障中，通常持续几十毫秒，可用的录波数据点可达上百个。为消除个别数据点不准确带来的测距误差，可以采用最小二乘法对测距方程优化求解，获得故障点的位置。由方程可以看出，该方法只需要短路双端馈线侧电流电压数据。但是该方法是建立时域微分方程，即双端电压电流数据需要在时间上严格对齐。

3 基于GPS时间同步的直流牵引供电系统短路测距方案

由图可以看出，每站需要布置1台GPS天线用于接收GPS（全球定位系统）卫星信号。1台IRIG-B码产生器不断接收GPS定时信号对本机进行时间同步，产生直流IRIG-B码信号，建立本站时间尺度、实现时间统一。1台光电转换器将电信号B码转换为光信号B码，适合远距离传输，最后将B码发送到每站的馈线综保，进而实现站内设备时间同步。

3.1 同步采样技术

为精确支持双端数据故障测距算法，在直流故障测距设备中实现了双端异地的同步采样技术，同步精度为1μs，保证了两端采集馈线电流、电压信号的同步。同步采样技术包括：

1、授时系统

授时系统由GPS信号接收机产生全球同步时间，时间精度小于100ns。该设备发生IRIG-B码到综合保护装置，为减小信号远距离的传输干扰和电信号畸变产生时延，使用光信号转换装置转换成光信号后，用光纤传输。

2、同步时间

GPS对时信号为1s一次的脉冲对时，由GPS信号接收机的内部高精度铷原子晶振，产生B码的对时脉冲为10ms一次，

B码信号传输到直流综保处理板卡中，由处理板内部50MHz的晶振计时，产生10ms以下的时间点到1μs的刻度。关系列表如下：

设备GPS卫星授时设备处理板 时间月日时分秒10ms～1s1μs～10ms 精度1ns100ns1μs

3、同步采样

综合保护装置按照整10 us刻度进行AD采样，8通道芯片的采样处理速度总和小于5 μs，单个通道同步时间远小于1 μs，不同设备的采样同步精度小于1 μs。

在直流综保的采样中，采样节奏都具备同步校准功能，通过GPS信号可以把各台装置都校准到1μs以下的误差。在不使用GPS信号的同步措施下，其最大同步误差可到10μs。

时间μs10(n+0)10(n+1)...10(n+i) 采样值InIn+1...In+i

3.2 多功能集成板卡

直流综合保护装置，支持接收授时系统的IRIG-B码光纤信号，内部产生1μs的同步时间、并且具有支持同步采样的功能。直流综保功能板卡包含电源监控板、输入采集板、主板、通讯板、输出板、总线背板。直流综保中单一板卡的功能如下：

电源板具有监控功能，支持在线故障诊断；

输入板支持采集开关量的判断算法；

主板支持时间同步，用于升级同步采样功能；

通讯板支持更大的存储空间，和双以外网口通讯；

输出板具备智能化功能，可以判断CPU的运行状态，进行选择性的输出。

此项目中，主板的功能分布如下：

图6 直流综合保护装置主板功能分布图

3.3 连接及测试

直流故障测距设备连接见图9

图7 直流故障测距设备连接图

天线通过天线接口与B码产生器连接，B码产生器通过DB9接口COM2与B码转换器连接，B码转换器通过光纤线与主板光纤接收口连接。其中，B码产生器、B码转换器均需AC220V供电。

将直流故障测距设备按图9连接后，观察综合保护装置显示屏的事件记录，事件记录的“值”显示的数值为当前小时的秒数（当前分钟数*60+当前的秒数），即为连接成功。

4 基于GPS时间同步的直流牵引供电系统短路测距验证

4.1 仿真验证

在MATLAB中搭建双端供电的simulink仿真模型，设置短路点和短路时间。设置全线总长3 km。

在搭建的仿真模型中设置短路位置为0.4 km，可以得到馈线电流电压波形。将短路发生后电流激增的数据代入方程(7)，可以求出d=0.341 km，误差（0.4-0.341）/3=2%，整体达到预期。

分别设置距离左站为0.4、0.8、1.2、1.6 km，将仿真得到的结果与预设的距离对比，计算得到误差如表1所示。可见基于GPS时间同步的双端录波数据的故障测距方案是理论可行的。

4.2 短路试验验证

为了验证该方案的实践性，在青岛地铁某线路开展短路试验。整个过程为A站213馈线柜和B站211馈线柜先合闸供电，在距离B站440米的位置，接触轨和刚轨之间预先设置一个短路开关，短路试验中遥控合闸短路开关，两站馈线断路器即产生保护跳闸动作，综合保护装置触发保护并且故障录波，录波数据上传集中到上位机进行算法运算，最后由软件输出短路距离。

表1 仿真结果对比

得到B站211馈线柜故障录波：

短路试验时间：2020年12月19日02时33分07秒597毫秒065微秒

远端（A站213馈线柜）故障录波：

短路试验时间：2020年12月19日02时33分07秒600毫秒518微秒。

然后从短路起始点开始到电流增大到最大值饱和点，短路过程增到最大持续16 ms左右，将整个数据（16个短路点）带入双端电流法计算，然后利用最小二乘法，求出向量d，最终得出短路距离D。

d==0.1797，D=2500*d=449.25 m，绝对误差9.25 m。

由短路试验算得结果可见：基于GPS时间同步的双端录波数据的故障测距方案是可行的。

5 结束语

本文对基于GPS时间同步的直流牵引短路故障测距进行研究，首先分析了几种测距算法的优缺点，选取了双端电流电压法作为测距算法；并在此基础上，基于GPS时间同步技术对该方案进一步进行优化并设计了相关软硬件；最后通过仿真和短路试验对该方法进行验证。试验结果表明：该方法的直流牵引短路测量误差很小。但是该方法使得硬件成本显著升高，未来可进一步探索该方案的优化方案，此外对于直流牵引短路故障测距需要大量短路试验数据加以验证，因此针对该方案还需要进一步数据验证以排除偶然因素的影响。

[1] 王元贵. 直流牵引供电系统短路故障识别与定位研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2013.

[2] 周文卫. 直流牵引供电系统短路电流计算与故障测距研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2012.

[3] 张莉明.城市轨道交通直流供电系统故障单位的研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2012.

Research on fault location of subway DC traction power supply system based on GPS time synchronization

Wei rongyao1, Shi guang1, Zhuang kun1, Xia jiafu2

(1. Qingdao Metro Line , Qingdao 266000，China; 2. ChinaWuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430034, China)

2023-02-07

A

1003-4862（2023）08-0085-04

2023-2-08

魏荣耀(1986-)，男。研究方向:城市轨道交通供电。E-mail: 1627560539@qq.com