地铁接触网阻抗测试及短路仿真软件的研发

薛 磊

（中铁一局集团电务工程有限公司）

0 引言

整定计算是地铁接触网继电保护装置在遇到短路故障时能否及时有效地切断电源的关键。由于各地铁接触网的线索类型、长度、安装形式等条件差异大，造成估算的线路阻抗误差大，且计算过程复杂[1]，从而导致整定计算结果难以有效地指导继电保护整定。因此，研发了一种通过低压电源测试线路阻抗并能仿真地铁接触网整定计算的装置。

1 研究背景与意义

本装置采用低压电源进行短路试验，设计同步采样电路采样短路试验过程的电流电压，由基于牛顿迭代法的线路阻抗求解方法求解线路阻抗，进行短路电流仿真计算。由于短路试验采样的电流电压数据量庞大，阻抗计算时运算过程复杂，因此，开发了地铁接触网阻抗测试及短路仿真软件，能完成短路试验参数设定，地铁接触网的线路阻抗计算，基于双边供电模型的短路电流仿真，并能自动生成试验报告等功能。

2 硬件配置及软件功能分析

2.1 高速AD 采样与传输技术

为了更好地对数据进行分析和传输，选用某厂家DAQ-USB4010 型号的高速AD 采样电路对电压电流信号进行同步采样。如图1 所示，该高速AD 采样电路具有以下优势：①可实现8 通道16 位数据的同步采样。②采样频率最高200k，即采样周期最低为5μs，采样精度高。③可支持C#、Matlab、C++、Qt等多种语言上位机界面编程。④可采用USB 传输线实现采样数据的同步上传和下载。

图1 双通道高速AD 采样装置

选用高速AD 采样电路的0、1 采样通道连接到采样电路两端，同步采样地铁接触网短路试验过程的电压电流。其采样的数据样式如表1 所示，采样周期为5μs，采样点数为10000 点。

表1 采样数据样式

如表1 所示，通道0 采样数据为A1~An，通道1采样数据为B1~Bn，通道0、1 采样的数据均必须在0~10 之间。

因此，为了满足通道采样要求，在设计电路时对电压电流值进行缩放处理，其缩放比例分别为k0、k1，则有：

2.2 功能需求分析

综合考虑基本功能需求及考虑软硬件设备的情况，本软件应当具备的基本功能需求如表2 所示，主要有采样参数配置、数据导入、数据处理、参数计算、结果展示、电流仿真、自动报告生成等功能。

表2 本软件的主要功能需求

2.3 软件的功能架构

软件功能架构图如图2 所示，包括采样参数配置、线路阻抗计算、电流仿真、自动生成报告。采样参数的配置主要配置通道、模式、点数、周期、触发模式等信息，线路阻抗计算主要包括数据导入、数据处理、阻抗计算。电流仿真主要包括单边记录、双边仿真。自动生成报告有Word 中保存文字和截图，自动保存Word 文档等功能。

图2 软件的功能架构图

3 软件整体设计

3.1 整体架构设计

软件采用WPF 框架开发，实行MVVM 架构。各模块分工明确，系统的开发、维护和迭代便捷。如图3 所示，整个架构分为Model 层、View 层、ViewModel 层。Model 层是原始数据层，负责为ViewModel 层提供数据模型。View 层是数据展示层，负责将数据用特定的方式展示给用户。ViewModel 层是数据交互层，负责View 层与Model 层之间的数据交互。对Model 层的数据做数据处理然后让View 层进行展示，当用户对数据进行更改时，ViewModel 层对Model 层进行相应的更改。

图3 WPF 框架的MVVM 架构

3.2 逻辑功能的设计

逻辑控制流程图如图4 所示，逻辑功能主要为：①参数配置：用户打开软件后，点击参数配置，开始连接设备，如果连接成功则进入配置参数，如果连接不成功，则返回继续配置。②采集数据：当参数配置完成后，开始短路试验，高速AD 采样器采样数据，并将采样的数据保存到xlsx、txt 的文件中。③阻抗计算：选择前面保存的数据文件，判定数据是否有效，然后数据处理，再通过曲线拟合进行阻抗计算。④电流仿真：将此次阻抗计算的结果记录，再进行判断，如果是记录的双边结果，则电流仿真，如果单边记录则继续选择文件。⑤生成数据报告：将阻抗计算结果及仿真结果写入Word 文档中，并自动生成报告[2]。

图4 控制流程图

4 软件实现

4.1 软件开发环境

本软件使用的操作系统为Windows10，使用Microsoft Visual Studio进行开发，采样C#语言编程[3-4]，运行环境为NET6.0。

4.2 采样参数配置及数据采集的实现

用户将采集卡连接至嵌入式电脑，打开参数配置页面，软件自动读取设备信息以及自定义参数配置。采样主要界面如图5 所示，由设备信息、采样通道、采样模式、文件保存、触发模式等构成。

设备信息展示高速AD 采样器的设备类型和设备名称，用以校验采样设备连接是否良好。采样通道用以配置采样通道模式及具体的采样通道。采样模式主要配置采样周期、采样次数、采样点数等信息。文件保存主要设置文件保存的类型及路径。触发模式主要用以配置短路试验触发方式是软件触发还是硬件按钮触发。

4.3 阻抗计算实现

当完成采集任务或选择了需要处理的数据文件并且已做数据处理操作，点击阻抗计算，各类参数计算结果以及数据分析图将会出现在右侧，阻抗计算模块的运行界面如图6 所示。

图6 阻抗计算模块的运行界面

电感参数需要通过拟合变量K去计算，而K则需要通过牛顿迭代法实现计算，在代码中使用递归法来实现牛顿迭代法计算拟合变量K。

4.4 短路电流仿真

如图7 所示为基于1500V 直流双边供电模型的电流变化趋势预测，结果显示，其稳态值结果为21812A。

图7 预测双边供电情况下的电流变化

5 结束语

为了解决在地铁接触网整定计算过程中线路阻抗估算误差大的问题，提出了低压短路试验求线路阻抗的方法，由于采样数据量大，计算过程复杂，因此开发了地铁接触网阻抗测试及短路仿真软件。本软件采用WPF 框架开发，MVVM 架构，适配Windows10及以上版本操作系统，能够完成参数配置、线路阻抗计算、电流仿真、自动生成报告等主要功能，具有兼容性、安全性和易用性等多方面优势。应能够提高数据处理的效率和精度，减少试验成本，在城市轨道交通的接触网短路试验和继电保护装置整定计算中发挥出重要的作用，具有广阔的应用前景。