学生姓名：雷鑫秀

班级班级：机械2020-05班

指导教师：张敏

毕设题目：全并联AT供电方式下高速铁路牵引网行波故障定位方法研究

一、概况

1.选题意义

电气化铁路牵引供电系统的稳定运行是保障铁路运输安全和客运效率的重要条件，牵引供电系统作为高速铁路运行的核心动力来源，其稳定性和安全性直接关系到列车的运行效率和乘客的生命财产安全。因此，对牵引网故障的快速、准确定位和及时处理显得尤为重要。行波法利用行波传播的原理来进行牵引网的故障距离测量，这种方法已经在国内外的高电压、超高压以及直流电力输电线路中得到了成功的应用。行波测距法基于高频行波暂态量，且不受过渡阻抗、线路系统结构变化等因素的影响，具有更好的研究和应用前景。基于行波的故障定位方法能够快速准确地确定故障位置，大大提高了故障处理的效率和响应速度，对于电气化铁路具有重要意义。

2.任务分解

（1）查阅相关文献，根据研究内容，了解全并联AT供电方式下高铁牵引网的主要结构、学习行波故障定位的方法。

（2）外文文献翻译（不少于10000外文字符）。

（3）了解基于PSCAD的高铁牵引网模型使用方法，掌握仿真模型中重要参数的物理含义，并将模型完善成全并联AT供电方式。

（4）基于搭建的仿真模型进行故障模拟，采集牵引网在不同故障工况下的电压、电流数据。随后利用相模变换进行最优行波模量的提取。

（5）编程实现基于行波的全并联AT供电方式高铁牵引网单端及双端故障测距算法，将其应用到牵引网中，完成故障定位。

（6）对所提方法进行仿真验证，得出结论。

（7）完成毕业论文，准备答辩。

二、已完成工作

1.完成外文文献翻译工作。

2.查阅相关文献，了解选题相关的国内外研究现状；了解全并联AT供电方式下高铁牵引网的主要结构；学习行波基础理论。

3. 学习PSCAD软件，完善全并联AT供电方式下的高速铁路牵引网模型，基于模型进行故障模拟，采集牵引网在不同故障工况下的电压、电流数据。

图1 全并联AT牵引供电系统拓扑结构

4. 暂态行波在传播过程中由于色散现象导致波头识别困难，对于多相输电线路来说，多相导线的各相之间存在复杂的电磁耦合关系，为此往往采用相模变换矩阵对线路进行解耦。接触网与高压输电线路的均匀换位不同，接触网的接触线、回流线以及钢轨之间不存在换位且结构不对称，需要根据具体的接触网线路参数进行求解。

基于牵引网线路参数推导相模变换矩阵，并对接触网线路进行电磁解耦，计算得到行波各模量的衰减系数和相位速度，根据衰减系数和相位速度的频率特性提取适用于测距的最优模量。为了分析牵引网发生故障时行波各模量的传播特性，通过MATLAB进行编程求取实数化之后的电流相模变换矩阵Ti。以5kHz为例，电流相模变换矩阵如下所示：

由电流变换矩阵Ti可以得到电流的5个模量在牵引网上行五相线路T、F、R、PW、GW中的传播路径，如图2所示。由MATLAB计算得到接触网各模量的衰减系数和相位速度，见表1。根据各模量的衰减系数和相位速度频率特性如图3、4所示，选择适合于测距的模量。

图2 各模量传播路径

表1 各模量的衰减系数和相位速度

大地土壤电阻率为100Ω·m时，高速铁路接触网行波各模量衰减系数的频率特性如图3所示，相位速度的频率特性如图4所示。

   图3 衰减系数α的频率特性              图4 相位速度v的频率特性

5.学习双端行波测距算法，并将提取到的最优模量用于测距，完成了不同故障工况下的定位。双端法主要是利用故障点产生的行波到达两端的时间差与波速之积来确定故障位置。行波初始波头到达时刻可通过小波变换进行求解，小波变换在时频域具有良好的局域化特性和多分辨率的优点，善于处理非平稳信号，故障暂态信号为非平稳信号，其突变点包含着丰富的故障信息。牵引网故障暂态信号的突变点与小波变换模极大值点一一对应，因此，通过模极大值可以对故障暂态行波波头进行准确的标定。图5为部分故障电流行波经过小波变换后的结果。

图5 故障模量小波变换之后

求出行波初始到达时刻后，通过双端故障行波求取算法计算出故障点到牵引所的距离。表3为故障初相角不同时的计算结果。

表3不同线路上不同故障角情况测距结果

三、下一步工作计划

1.对目前存在的问题进行修改与完善。

2.完成单端行波故障定位算法下的测距。

3.撰写、整改、完善论文，准备相关资料及答辩。

问题一： 为什么要采用进行相模变换之后的模量作为故障测距的依据？

回答：由于线路间存在电磁耦合关系，导致波动方程难以求解，相模变换可以实现电磁解耦，模电流分量可以提供关于故障位置的直接信息，提高故障定位的准确性和效率。

问题二：接触网上不止一处测点，如何选择用哪里的数据进行测距？

回答：暂态下故障刚发生时，会出现故障线路与非故障线路电流行波产生极性相反的首波头特征，故障位置两端测 得的电流极性相反，并且故障线路首波头幅值总高于非故障线路。可以以此为依据判断故障发生区段，选择故障点两端 或一端的测点数据进行故障测距。

在大学生涯的尾声，随着中期答辩结束，毕业设计进程也已过半。在这次毕业设计中，将理论知识与实际问题相结合，我更加深入地理解了选题的重要性和复杂性。让我更加明确了自己的研究方向和目标，对于毕业设计中的研究方法有了更加清晰的认识。在与老师和同学们的交流中，我收获了许多宝贵的建议和意见，也有助于我更好地发现问题、解决问题。此外，我还从同学们身上学到了很多优秀的思维方式和科研方法，这将对我的后续研究工作起到积极的指导作用。

中期答辩也是一次自我检查和总结的机会，让我更加明确了自己的研究方向和目标，也增强了我对于科研工作的信心和动力。在剩余的时间里，我将继续保持认真严谨的态度以完成毕业设计。