董 菲，金 鈞

0 引言

AT牽引供電系統(tǒng)是一種較為復(fù)雜的供電系統(tǒng)，而快速準(zhǔn)確地識(shí)別該系統(tǒng)的各種故障是高速鐵路安全運(yùn)行的保障。

AT牽引供電系統(tǒng)可以采取多種仿真軟件進(jìn)行仿真，譬如，PSCAD仿真軟件[1]、MATLAB仿真軟件[2，3]等。文獻(xiàn)[4]建立了整個(gè)牽引供電系統(tǒng)包括變電站、自耦變壓器、多導(dǎo)體傳輸線的模型，把牽引網(wǎng)模型建成去耦合后的電路網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[5]在低頻領(lǐng)域把牽引供電系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，在負(fù)載、穩(wěn)態(tài)電壓、諧波仿真方面有一定參考價(jià)值。文獻(xiàn)[6]建立了多導(dǎo)體模式下的AC供電模型，并利用該模型開(kāi)發(fā)了用于求解列車電流、電壓的仿真系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]以計(jì)算列車受電電壓為目標(biāo)，建立了牽引供電系統(tǒng)仿真模型，利用較好的計(jì)算手段（如牛頓迭代法）進(jìn)行仿真，在AT所間距設(shè)計(jì)、行車計(jì)劃等方面有一定幫助。文獻(xiàn)[8]、[9]對(duì)電力系統(tǒng)中故障識(shí)別手段進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[10]對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電氣化鐵道展開(kāi)論述，因此可比照電力系統(tǒng)把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于AT牽引供電系統(tǒng)的故障識(shí)別。ATP電磁暫態(tài)仿真軟件之前已應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，因此也可以應(yīng)用于AT牽引供電系統(tǒng)。

本文采用ATP電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)AT牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，用BP算法對(duì)牽引供電系統(tǒng)的正常狀態(tài)、T-R短路故障、F-R短路故障、T-F短路故障（T為接觸線、F為正饋線、R為鋼軌）、異相短路故障等5種狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。

1 原理分析和建立單供電臂仿真模型

AT牽引供電系統(tǒng)主要包括主牽引變電所、AT所、接觸線、正饋線、保護(hù)線、放電器、大地等。主牽引變電所主要是將電力系統(tǒng)的三相交流電壓110 kV轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗?5 kV交流電壓。AT所主要是由自耦變壓器構(gòu)成，該變壓器兩端分別接接觸線和正饋線，中性點(diǎn)連接放電器，放電器接鋼軌。接觸線和正饋線的電流是一對(duì)大小基本相等、方向相反的電流，因此對(duì)相鄰線路的通信信號(hào)影響較小。保護(hù)線與鋼軌并聯(lián)，通過(guò)橫連接線實(shí)現(xiàn)鋼軌、自耦變壓器的中性點(diǎn)、保護(hù)線的連接。保護(hù)線的主要作用：提高信號(hào)軌道的工作可靠性；在發(fā)生短路故障時(shí)，能夠?yàn)槎搪冯娏魈峁┝己玫慕饘偻罚诶^電保護(hù)準(zhǔn)確的動(dòng)作。一般情況時(shí)，保護(hù)線可以有效分流，降低鋼軌電壓。本文采用LJ-185型保護(hù)線[11]。AT牽引供電系統(tǒng)的單供電臂原理如圖1所示。

ATP是一款強(qiáng)大的仿真軟件，主要是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的電磁暫態(tài)分析。但由于 ATP仿真軟件并非針對(duì)鐵路牽引供電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件，所以需要對(duì)相關(guān)的器件進(jìn)行改造。主牽引變壓器的電能來(lái)自對(duì)稱的并且是穩(wěn)定的電源，所以可以用55 kV的單相交流電源（相位為零）代替。AT所主要是由自耦變壓器構(gòu)成，變壓器原邊的負(fù)極接次邊的正極，使其構(gòu)成中性點(diǎn)連接放電器接地。自耦變壓器的電感為L(zhǎng)=200 mH，磁阻為2650 Ω，在AT牽引供電系統(tǒng)中每隔10 km設(shè)置一個(gè)自耦變壓器。放電器的電阻設(shè)為0.02 Ω。高速動(dòng)車組一般被認(rèn)為是單相非線性器件，但是在運(yùn)行中動(dòng)車組是一個(gè)效率接近于1的機(jī)器，所以在建立AT牽引供電系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)71 Ω的純電阻。牽引供電系統(tǒng)的線路阻抗是較小的，表1是鐵道設(shè)計(jì)部門給出的牽引網(wǎng)阻抗表。

表1 牽引網(wǎng)線路阻抗 單位：Ω/km

由于AT牽引供電系統(tǒng)是對(duì)稱的，故只需分析雙供電臂中的單供電臂即可。圖2是ATP仿真軟件建立的AT牽引供電系統(tǒng)的單供電臂仿真模型。

2 AT牽引供電系統(tǒng)5種狀態(tài)仿真分析

針對(duì)利用ATP仿真軟件建立的單供電臂模型，本文主要對(duì)T-R、F-R、T-F、異相短路故障進(jìn)行分析。T-R、F-R、T-F短路故障分別是在圖2的基礎(chǔ)上加裝短路開(kāi)關(guān)和一個(gè)小電阻構(gòu)成短路。短路開(kāi)關(guān)設(shè)置的閉合時(shí)間為0 s，斷開(kāi)時(shí)間為0.1 s。前3種故障的接觸線電流和鋼軌電流全部是靠近主牽引變電所測(cè)量的電流量。以上3種短路故障短路期間（0.1 s）內(nèi)接觸網(wǎng)的接觸線短路電流較大，與高速動(dòng)車組正常狀態(tài)有較大的區(qū)別，同時(shí)對(duì)鋼軌電流和機(jī)車取流影響較大。

圖2 AT牽引供電系統(tǒng)單供電臂仿真模型圖

針對(duì)300 km/h的高速動(dòng)車組過(guò)電分相時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性諧振（鐵磁諧振）和線性諧振，并且有較大的接觸網(wǎng)的接觸線短路電流，鋼軌電流量會(huì)有明顯的暫態(tài)過(guò)程。異相短路故障是電氣化鐵道中較為特殊的故障，有必要進(jìn)行重點(diǎn)分析。圖3—圖5是異相短路故障的仿真波形。

圖3 接觸網(wǎng)的接觸線短路電流仿真圖

圖4 中性區(qū)段仿真圖

異相短路故障中出現(xiàn)諧振，主要是機(jī)車高壓電壓互感器和中性區(qū)段中性線對(duì)地等效電容發(fā)生諧振。從圖3—圖5的3個(gè)仿真波形圖可以看出，接觸網(wǎng)的接觸線短路電流較大；鋼軌電流發(fā)生諧振，但經(jīng)過(guò)60 ms后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)屬于暫態(tài)過(guò)程；機(jī)車取流較小，高速動(dòng)車組受電弓裝置的等效阻抗很大。限于篇幅，表2僅列出了AT牽引供電系統(tǒng)的5種狀態(tài)的仿真數(shù)據(jù)。

分析表2中的仿真數(shù)據(jù)，可以得出發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流是正常電流幾倍甚至幾十倍，這樣會(huì)對(duì)牽引供電系統(tǒng)造成很大的破壞，對(duì)于高速鐵路的運(yùn)營(yíng)十分不利。

表2 AT牽引供電系統(tǒng)5種狀態(tài)的仿真數(shù)據(jù)表 單位：A

3 基于BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性適應(yīng)性信息處理能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中有多種算法可以解決故障識(shí)別問(wèn)題，其中 BP算法得到較為廣泛的應(yīng)用。BP學(xué)習(xí)算法的基本原理就是梯度最速下降法，中心思想是調(diào)整權(quán)值使網(wǎng)絡(luò)的總誤差最小，就是實(shí)際的輸出值與期望的輸出值的誤差均方值為最小。BP算法的主要優(yōu)點(diǎn)：首先，只要有足夠的隱含層和隱節(jié)點(diǎn)，BP網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意的非線性映射關(guān)系；其次，BP網(wǎng)絡(luò)是一種全局逼近的方法，因此有較好的泛化能力。缺點(diǎn)：收斂速度慢；局部極值；難以確定隱含層和隱節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。BP網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入和輸出的非線性映射關(guān)系，但不依賴于模型，即使個(gè)別神經(jīng)元的損壞對(duì)輸入輸出的影響較小，說(shuō)明該算法的容錯(cuò)能力較好。故此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為解決故障診斷提供了一種新的途徑[12]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法所需步驟：（1）對(duì)5種狀態(tài)進(jìn)行仿真得出各故障的數(shù)據(jù)參數(shù)。（2）提取各個(gè)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行分析。（3）根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)輸出的要求，確定輸入層和輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，以及隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)。（4）將預(yù)處理的數(shù)據(jù)和矢量參數(shù)輸入到網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練成功后，將預(yù)先設(shè)定的信號(hào)和訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證結(jié)果。

本文第2節(jié)已經(jīng)對(duì)AT牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)的幾種故障進(jìn)行了仿真，并提取數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行了分析，總結(jié)出一張仿真數(shù)據(jù)表如表 2，故步驟（1）和步驟（2）已在第2節(jié)完成。對(duì)于步驟（3），確定接觸線的電流及增量、正饋線的電流及增量、鋼軌的電流及增量和流過(guò)電力機(jī)車的電流共 7個(gè)變量作為輸入數(shù)據(jù)；線路的 5種狀態(tài)作為輸出，現(xiàn)假設(shè)0000-0100代表5種預(yù)期輸出狀態(tài)。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)太多會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；而隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)太少容錯(cuò)性差、識(shí)別未經(jīng)學(xué)習(xí)的樣本能力低，所以必須綜合多方面的因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，本文的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)確定為 12。步驟（4），對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練并且必須收斂；如果對(duì)前面的仿真數(shù)據(jù)用BP算法計(jì)算，能夠得出實(shí)際與預(yù)期相近的值，可以證明文中所述的5種狀態(tài)被識(shí)別。

在應(yīng)用BP算法進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別前需對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。大多數(shù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以S形函數(shù)作為轉(zhuǎn)換函數(shù)，該函數(shù)的值域?yàn)閇0，1]，因此在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)要將原始數(shù)據(jù)規(guī)范到[0，1]區(qū)間，通常采用標(biāo)準(zhǔn)的歸一化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)以上5種狀態(tài)總結(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，就是將數(shù)據(jù)處理在0到1的范圍即可。

該X值是對(duì)表2中5種狀態(tài)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理的結(jié)果，之后才可用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法對(duì)AT牽引供電系統(tǒng)的5種狀態(tài)進(jìn)行仿真研究。

結(jié)合圖6，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)10次訓(xùn)練后，BP算法收斂并且保證能夠正確的預(yù)測(cè)。圖6中的橫線表示目標(biāo)曲線，曲線表示訓(xùn)練曲線，最下面的橫坐標(biāo)表示訓(xùn)練步驟，最上面的橫坐標(biāo)表示訓(xùn)練精度?？v坐標(biāo)表示訓(xùn)練曲線和目標(biāo)曲線。

圖6 訓(xùn)練誤差曲線圖

經(jīng)過(guò)程序運(yùn)行得出結(jié)果用y1表示，BP算法經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練先前的樣本（表2的仿真數(shù)據(jù)）得出應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法對(duì)AT牽引供電系統(tǒng)的5種狀態(tài)識(shí)別的結(jié)果。

對(duì)比實(shí)際輸出y1和期望輸出相吻合，近似于0的數(shù)記為0，近似于1的記為1。得出最后的結(jié)果后，要與預(yù)先設(shè)定狀態(tài)相比較，若 y1和表 3的結(jié)果相對(duì)應(yīng)就可判斷，狀態(tài)識(shí)別得到較好的驗(yàn)證。

表3 預(yù)期狀態(tài)表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)AT牽引供電系統(tǒng)的5種狀態(tài)的仿真分析和狀態(tài)識(shí)別，得到良好的驗(yàn)證；對(duì)異相短路故障的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了重點(diǎn)分析。由于篇幅所限，未對(duì)異相短路故障的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行抑制諧振過(guò)電壓的分析。針對(duì)本文所研究的問(wèn)題總結(jié)如下：

（1）建立了 AT牽引供電系統(tǒng)的物理模型和仿真模型，并對(duì)其AT牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和對(duì)AT牽引供電系統(tǒng)單供電臂的仿真模型中的主要部分進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（2）針對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行在 AT牽引供電系統(tǒng)中發(fā)生的5種狀態(tài)，正常狀態(tài)、T-R短路故障、F-R短路故障、T-F短路故障、異相短路故障，應(yīng)用ATP電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行仿真分析。

（3）對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的 BP算法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述，并且提出應(yīng)用BP算法對(duì)其5種狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別的步驟。

（4）應(yīng)用 MATLAB仿真軟件中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法對(duì)其5種狀態(tài)進(jìn)行智能識(shí)別，并且得到了較好的仿真驗(yàn)證。

[1]張小瑜，吳俊勇.基于PSCAD的牽引供電系統(tǒng)仿真研究[J].電氣化鐵道，2007，（6）：17-20.

[2]楊嶸春，粟蓮，隆超，等.數(shù)字化鐵道客運(yùn)專線AT供電系統(tǒng)空載建模與仿真[J].電氣技術(shù)，2009，（1）.

[3]方雷，何正友.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)數(shù)字建模及仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[4]Tsai-Hsiang Chen, Yen-Feng Hsu. Systematized shortcircuit analysis of a 225 kV electric action network. Electric Power Systems Research,1998(47):133-142.

[5]鄧云川，高宏，楚振宇.高速列車負(fù)荷特征及其對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響[J].電氣化鐵道，2005，（6）：6-10.

[6]劉海東，何天健，毛保華，等.多導(dǎo)體模式下的交流牽引供電仿真系統(tǒng)的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，（2）：117-125.

[7]R.J.Hill and I.H.Cevik. On-1ine simulation of autotransformer-fed AC electric railroad traction networks,IEEE Trams. Veh. Technol, vol. 42, no.3, pp.365 -372,May.1993.

[8]劉一江，周友慶.應(yīng)用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法實(shí)現(xiàn)微機(jī)距離保護(hù)[J].中國(guó)電機(jī)工程報(bào)，1999，19（12）：51-56.

[9]顧雪平，張文勘，高曙，等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)用的電力系統(tǒng)故障診斷方法[J].華北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，（2）：12-17.

[10]陳維榮，錢清泉，王曉茹.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在繼電保護(hù)及故障診斷中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997，21（5）：5-9.