1 緒論 

1.1 論文的選題背景和研究意義
隨著“一帶一路”宏偉戰(zhàn)略的逐步實施，作為帶動經(jīng)濟發(fā)展的“龍頭”行業(yè)，鐵路行業(yè)在“一帶一路”的大構想、大發(fā)展背景下得到了前所未有的機遇和舞臺。在 2015年的全國人民代表大會、政協(xié)會議上，李克強總理在政府工作報告中指出：“2015 年鐵路的投資要保持在 8000 億以上，全國鐵路的新投產(chǎn)里程 8000 公里以上[1]”。在政府的巨大扶持下，激發(fā)了全國上下建設鐵路的熱潮。加快鐵路建設將更方便人們地出行，推動經(jīng)濟增長，促進社會和諧，帶動城鎮(zhèn)化建設。特別是“四橫四縱”高鐵線路的開通，改變了中國原有的塊狀中心輻射型城市群布局，對文化、知識、人才交流等領域也起到了舉足輕重的作用，同時為樞紐城市帶來勃勃生機，形成由沿線鐵路擴展而成的帶狀城市群，對推動鐵路周邊的地方經(jīng)濟提高具有重要意義。 中國“一帶一路”的外交藍圖，無疑加快了中國鐵路走出去的步伐，架起中國走向世界的便捷通道�！耙粠б宦贰毖鼐�總人口約 44 億，經(jīng)濟總量約 21 萬億美元，分別約占全球的 63%和 29%[1]。無論是中泰鐵路建設，還是“中歐陸�？炀�”，最終都離不開鐵路的身影。 2000 年以來，我國高速鐵路進入了日新月異的跨越式發(fā)展階段，它的興建如火如荼，電氣化鐵路運營里程占鐵路總運營里程的比重日益增大，在鐵路運輸體系中地位愈加重要，對其可靠性也提出了更嚴格的要求。2000 年以來，我國高速鐵路進入了方興未艾的成長階段。2003 年 10 月 12 日，秦沈客運專線正式開通，從初步設計、研究以及最后的施工階段都是由我國設計人員自主完成的，這是我國第一條自主研發(fā)與建設的時速200km/h 的快速客運路線，它的開通極大了鼓舞了我國鐵路建設者士氣和信心。2008 年8 月 1 日，北京至天津的城際鐵路正式開通并投入運營，這是我國首條時速可達 350km/h的高速鐵路，它的通車向世界宣告：我國從此真正邁入了高速鐵路時代。2009 年 12 月26 日，武廣高速鐵路開通運營，它是目前世界上行車線路最長、運營速度最快的鐵路。從此，我國的高速鐵路進入了新的突飛猛進的發(fā)展階段。2011 年 6 月，京滬客運專線開通運營，這是自新中國成立以來，擁有里程最長、標準最高和投資最大的高速鐵路。2014年 12 月 26 日，蘭新第二雙線鐵路開通運營，標志著新疆正式進入高鐵時代，也是世界上一次性建設里程最長的高速鐵路。高速鐵路的迅猛發(fā)展，列車運行速度的不斷提高，運輸總量的不斷突破，對繼電保護中故障定位的準確性與快速性提出了更高的要求。 
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1.2 故障測距研究現(xiàn)狀 
無論在電力系統(tǒng)還是在牽引供電系統(tǒng)，故障測距問題自提出以來就受到世界各國科研工作者的關注。在電氣化鐵路領域，國外很早就開展了相關的研究工作，并取得了一定的成績。我國的科研工作者針對電氣化鐵路牽引網(wǎng)的故障測距問題也開展了一系列的研究，首先對牽引網(wǎng)的故障特點進行深入分析。 在復線系統(tǒng)中，上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)在一起接受牽引變電所的供電，供電臂在末端進行并聯(lián)[5]。這種結構復雜的接觸網(wǎng)發(fā)生故障的幾率更高，在排查故障時更加費時費力。而且一旦發(fā)生永久性故障，上下行的保護裝置會一起跳閘，造成整個供電臂停電，擴大了停電范圍，也大大增加了接觸網(wǎng)停電對正常交通運輸?shù)膿p失。 在分析故障特點的同時，專家學者們在故障測距理論方面，經(jīng)過數(shù)十年的努力，取得了豐碩的研究成果，研究出很多故障測距方法，大致有故障分析法和行波法兩種[6]。 
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2 全并聯(lián) AT 牽引供電系統(tǒng)模型 

本文把高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的故障測距研究分成三個不同的層次，具體研究結構如圖 2.1 所示。根據(jù)實際分析過程中各個模塊的邏輯關系，將它分為兩個子系統(tǒng)：故障區(qū)間判斷子系統(tǒng)及故障點查找子系統(tǒng)。每個層次的主要研究內(nèi)容如下： (1)  層次 I：獲取故障行波信息。根據(jù)多導體傳輸線理論以及經(jīng)典 Carson 理論構建接觸網(wǎng)故障模型，通過仿真得到故障行波的信息。 (2)  層次 II：判斷故障區(qū)間。根據(jù)分布式原理將待檢測線路分為若干區(qū)間，利用故障點同側電流相似、異側電流差異較大的特點判斷出故障發(fā)生的區(qū)間。 (3)  層次 III：查找故障點位置。在層次 I、層次 II 的基礎上，要完成最終的故障測距的任務，即層次 III。針對仿真得到的故障行波信息，，利用二分遞推 SVD 提取故障行波中的奇異點，把奇異點所對應的行波到檢測端的時間代入改進后的 D 型測距公式中，從而得到故障點所在的方位。

2.1 基于多導體傳輸線理論的鏈式網(wǎng)絡模型 
總體而言，接觸網(wǎng)是由若干個平行多導體傳輸線按照一定的規(guī)律結合在一起構成的，拓撲是鏈式的。整個接觸網(wǎng)可以看成是一系列縱向串聯(lián)和橫向并聯(lián)的單元結構組合而成[29]。采用全并聯(lián) AT 供電方式為基礎，建立高鐵接觸網(wǎng)數(shù)學模型。圖 2.2 表示了模型的一部分。接觸網(wǎng)存在若干根導線，具體可以分為上下行導線 T、正饋線 F、保護線 P 以及鋼軌 R。分別建立這些導線的數(shù)學模型然后組合在一起，就可以得到整個接觸網(wǎng)的等效模型，即圖 2.3 所表示的拓撲結構。在拓撲結構中，假設有 m 個平行導體，那么接觸網(wǎng)被分割為 m 個切面，接觸網(wǎng)的阻抗和導納矩陣的維度都是m?m[30]。 
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2.2 電氣參數(shù)的計算
假定有 n 個平行于地面的導線，則這些導線與大地一起組成完整的傳輸系統(tǒng)，在供電系統(tǒng)中，線路較為復雜，倘若每根輸電線路都要進行計算，矩陣的階數(shù)就會很大，這對計算機編程效率有所影響。所以，一般會將部分線路進行合并，降低矩陣階數(shù)，提高計算速度和準確性。 由于本文涉及到保護線的作用，因此應該對帶保護線的 AT 供電系統(tǒng)進行考慮，求取其線路阻抗方程，并在此基礎上建立新的數(shù)學模型。由于鋼軌與保護線相連，具有相同的外電壓，因此在計算阻抗時可以將二者等效成一條導線，減少了未知量的個數(shù)，為之后的電路建模提供了方便。
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3  分布式故障測距方法研究 ........ 22
3.1  分布式故障測距原理 ..... 22 
3.2  行波基本概念 ....... 22 
3.3  故障區(qū)間的確定方法 ..... 28 
3.4  兩種相似度算法在故障區(qū)間判斷中的比較 ......... 31 
3.5  小結 ............. 32 
4  基于奇異值分解法的故障行波奇異點的提取 ...... 33 
4.1  信號 SVD 原理 ..... 33
4.2  基于二分遞推 SVD 提取行波奇異點的基本思想 ......... 36 
4.3  基于二分遞推 SVD 提取行波奇異點的算例 ....... 37 
4.4  小結 ............. 39 
5 D 型測距法的改進與綜合應用 .......... 40 
5.1  行波故障測距原理 ......... 40 
5.2  第二個反射波性質(zhì)的識別 ....... 43 
5.3  改進 D 型故障測距算法 .......... 44 
5.3.1  一般 D 型測距算法的不足 ..... 44 
5.3.2  對 D 型測距算法的改進 ......... 44 
5.4  二分遞推 SVD 與改進 D 型故障測距算法的綜合應用 .......... 46 
5.5  小結 ............. 46 

5 D 型測距法的改進與綜合應用 

第 4 章已對如何提取行波奇異點，即行波到達檢測點的時間做出了詳盡的分析，這一章主要對故障測距算法進行討論并對已有算法進行改進。 

5.1 行波故障測距原理 

本文緒論中已經(jīng)介紹了幾種基本的測距原理，根據(jù)信息量的不同可以分為單端故障測距原理(A 型和 C 型)與雙端故障測距原理(B 型和 D 型)[67]。本節(jié)對四種測距原理逐一進行解釋。A 型故障測距原理：利用該原理需要掌握電壓故障行波在故障點與某個檢測端往返一次的時間差。故障行波在故障點和母線上不斷發(fā)出反射信號，在故障點和檢測端往返一次的時間差就是反射波與初始波抵達檢測端的時間差，再結合波速即可計算出故障點到檢測端的距離。A 型測距情況下的行波運動軌跡如圖 5.1 所示。 關于測距公式中時間的確定辦法已經(jīng)在第 4 章進行了介紹，二分遞推 SVD 可以有效提取故障行波中的奇異點，進而找到可以帶入測距公式中的時間。為了完整的進行全并聯(lián) AT 供電方式下的故障測距研究，本文應用二分遞推 SVD 與改進 D 型算法相結合的綜合算法，設置不同的過渡電阻和故障距離，得到故障測距的仿真結果。 

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結    論 

針對全并聯(lián) AT 牽引網(wǎng)的故障情況進行分析與研究，找出快速高效的故障測距方法，對高速鐵路的安全可靠運行有著重要的意義。本文針對高速鐵路全并聯(lián) AT 供電方式的特點，在二分遞推 SVD 和 D 型測距算法研究的基礎上，取得的主要成果包括以下幾個方面： (1)  以經(jīng)典 Carson 線路作為計算模型，計算牽引網(wǎng)中接觸線、正饋線和鋼軌的單位自阻抗和互阻抗矩陣；對牽引網(wǎng)中各導線進行合并處理，把牽引網(wǎng)合并成類似電網(wǎng)系統(tǒng)的三相輸電線路。 (2)  將電力系統(tǒng)中常用的分布式思想引入到全并聯(lián) AT 供電系統(tǒng)的故障測距中，將牽引網(wǎng)進行分段處理，判斷故障發(fā)生的區(qū)間，為精確故障測距提供預判斷。 (3)  由于二分遞推 SVD 的分解結果屬于不同層次的矢量空間，即在不同的空間實現(xiàn)了對信號逐次剝離，這為更準確的提取暫態(tài)行波中的奇異點奠定了理論基礎。將提取結果與應用小波變換法的結果相對比，驗證了二分遞推 SVD 在奇異點提取方面具有巨大優(yōu)勢。 (4)  通過改進 D 型測距算法，得到不受波速和實際線路長度變化的新型測距公式，通過仿真驗證了該改進公式的可行性和準確性。 (5)  將二分遞推 SVD 與改進的 D 型測距算法相結合應用到全并聯(lián) AT 供電方式的故障測距中，通過設置不同的過渡電阻和故障位置并進行仿真，結果證明該綜合算法具有良好的實用性和準確性。 
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參考文獻(略)

本文編號：831265