馬云鳳，宗 偉，劉連光，于永富，馬騁原

（華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

由于高鐵運行依賴電力牽引且系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，研究各種電磁干擾對高鐵電氣系統(tǒng)的影響成為了重要課題。其中，太陽活動引起的地磁擾動GMD（GeoMagnetic Disturbance）的影響是新問題。1982年，劇烈的GMD曾造成過瑞典南部鐵路信號燈出現“閃紅”［1-2］。1996年，劇烈的 GMD 使俄羅斯北部鐵路Nyandoma到Obozerskaya區(qū)段的鐵路車站信號集中閉塞系統(tǒng)（SCB）異常［3-4］。我國高鐵投入運行的時間短，還沒有經過太陽活動周峰年期的考驗，但我國已投運和在建的高鐵系統(tǒng)會不會受到同樣的影響是需要研究的問題。

目前，針對GMD對公共電網的影響，國內外都有大量研究，包括對電網地磁感應電流（GIC）及其衍生效應監(jiān)測［5］，利用GMD監(jiān)測數據進行評估計算等。而高鐵牽引站由三相220 kV或330 kV供電，牽引主變壓器無中性點，220 kV或330 kV側沒有GIC通路。針對國外信號燈“閃紅”和SCB異常，本文提出研究GMD侵害高鐵電氣二次系統(tǒng)（27.5 kV側）過程以及GMD干擾效應的監(jiān)測方法，以期通過對牽引網的監(jiān)測給出答案。

1 高鐵電氣系統(tǒng)的影響分析

GIC在AT方式牽引供電系統(tǒng)的流通路徑如圖1所示。地球磁場的擾動在地面感應出電場［6］，作用于與大地連接的牽引主變壓器接地極、自耦變壓器（AT）所AT中點，產生在牽引網中流通的GIC。站內軌道電路兩端的機械絕緣節(jié)包含著連接2條鋼軌的扼流變壓器，用于牽引電流回流不受絕緣節(jié)影響。而扼流變壓器中點與貫通地線連接，感應地電場作用在牽引變電所與AT所之間鋼軌的兩接地點，產生在鋼軌中流通的GIC。

根據圖1，GIC路徑包括高鐵牽引網和軌道電路系統(tǒng)的鋼軌兩部分，可能對牽引供電系統(tǒng)中的牽引主變壓器、AT所的AT、軌道電路的扼流變壓器以及機車變壓器產生影響。由于GMD發(fā)生的不確定性及強度的隨機性，很難通過理論計算獲得高鐵GIC數據。因此通過在系統(tǒng)中設置傳感器對GIC大小進行實時監(jiān)測，獲得實測數據分析GMD對系統(tǒng)的影響是直接又最有效的方法。通過分析GIC流通路徑可知，為了研究GIC對路徑中變壓器的影響，需要監(jiān)測牽引網和鋼軌回路中的GIC大小?？稍跔恳髯儔浩鹘拥貥O（圖1中監(jiān)測點1）、AT接地極（圖1中監(jiān)測點3）安裝傳感器，以監(jiān)測牽引網中流經牽引主變壓器、AT的GIC；可在鋼軌扼流變壓器中點引線（圖1中監(jiān)測點2、監(jiān)測點4）安裝傳感器，以監(jiān)測牽引變電所、AT所附近鋼軌中的GIC大小。

圖1 AT牽引供電系統(tǒng)中的GIC流通路徑Fig.1 GIC path of AT tractive power-supply system

2 GMD干擾監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測裝置功能結構設計

設計的高鐵電氣系統(tǒng)GMD監(jiān)測裝置可對牽引網和軌道電路各監(jiān)測點的GIC實時監(jiān)測、數據庫存儲、信息處理和圖形表格等進行直觀顯示，并能通過網絡上傳到監(jiān)測中心。由于GMD不經常發(fā)生，鐵路周圍的電磁環(huán)境復雜，設計的裝置具有閾值報警功能，以便及時了解GMD對鐵路系統(tǒng)的影響。裝置硬件由采集傳感器、裝置主機、通信模塊以及聲光報警電路等部分組成。考慮到GMD衍生的干擾信號為0.0001～0.01 Hz的準直流，電磁式傳感器不能變換原邊中的直流分量，且易產生直流偏磁飽和，以及其他的直流測量方法實際應用困難且精度不夠，本文設計的裝置采用霍爾傳感器，其信號測量的頻率范圍寬，交直流均可測量且靈敏度高，裝置價格也較為便宜。

2.2 GIC監(jiān)測點選擇

牽引變電所內設置了牽引回流收集的工程裝置——集中接地箱（JD箱），為獨立箱式結構，內部匯集了連接兩軌條的扼流變壓器中點引線、PW保護線、貫通地線等牽引回流導線。JD箱還與牽引主變壓器接地極相連，用于除了經正饋線回流的少數牽引電流的回流。

為了監(jiān)測牽引網和軌道電路鋼軌中的GIC大小，且考慮到牽引變電所內不允許安裝鐵路系統(tǒng)外設備，可在JD箱內與牽引主變壓器接地極、鋼軌連接的電纜（或銅排）上安裝霍爾開環(huán)傳感器。采集的10路信號包括以下2種。

a.牽引變電所內4臺牽引主變壓器接地極中的直流信號，主變每個接地極為2路信號，共2×4=8路。測量的信號為牽引網回路中流經牽引主變壓器二次側的直流，用于分析該直流對牽引主變壓器的直流偏磁影響。

b.鋼軌回流中的直流信號，共1×2=2路。測量的信號為鋼軌回路中流經扼流變壓器的直流信號，用于分析該直流對扼流變壓器的影響。

3 監(jiān)測信號消噪處理方法

與牽引電流及各次諧波相比，取樣信號中GIC幅值很小。且由于各種干擾噪聲的存在，取樣信號具有較低的信噪比。若通過傳統(tǒng)的低通濾波器濾除噪聲，信號中的有用成分也會模糊。小波分析是時域和頻域窗窗口大小可變的局部化分析方法，可有效去除信號中局部高頻噪聲干擾［7-14］。小波閾值去噪步驟如下。

a.小波分解。

母函數為 φ（t），伸縮平移因子為 s、k，小波基函數為 φs，k，則有：

函數 f（t）的小波變換 φs，k（f）是 f（t）在對應函數族 φs，k（t）上的分解：

本文通過軟件設計對經過AD采集卡轉換為數字的取樣信號進行冪級數形式的離散小波變換：

b.閾值處理小波系數。

閾值的選擇以及如何利用閾值量化小波系數將直接影響小波去噪的結果，由原信號確定的各層閾值為：

其中，dj（k）為步驟 a 中小波分解的高頻系數；madian（）為MATLAB中求矩陣中值函數；n為處理信號長度，即采樣點數。

在確定閾值后，用硬閾值、軟閾值處理方法分別對步驟 a 中的小波系數 φs，k（f）做閾值處理。

c.重構信號。

將降噪處理后的結果進行小波逆變換，用修改過的各尺度細節(jié)重建原信號。由 φs，k（f）重構 f（t）的小波逆變換為：

其中，（w）為 φ（t）的傅里葉變換。

4 算例分析

牽引網中的諧波來源于機車傳動系統(tǒng)中的變流器，取文獻［15］中的CRH2型動車在機車取流為211A時，牽引變流器網側電流諧波頻譜圖。CRH2型動車組為四動四拖車組，計算得到牽引網中牽引電流基波和諧波含量如圖2所示。

由于白噪聲信號存在于各個頻段，添加白噪聲到信號中；高緯度磁暴產生的感應地電場可以達到6V/km［16］，計算取鐵路 GIC 為 1.5A。由于電網中 GIC是頻率為0.0001～0.01 Hz的準直流信號，考慮到采集的信號中交流信號頻率在50～350 Hz范圍，取牽引網中GIC為頻率為0的直流信號。為了驗證小波去噪算法的有效性，根據實際需要和小波函數特性的要求，對一些滿足條件的小波函數和閾值進行不同的組合，計算的均方根誤差（RMSE）如表1所示。

圖2 牽引電流基波和諧波頻譜Fig.2 Spectrum of fundamental and harmonic waveforms of tractive current

表1 不同小波去噪的RMSE值比較Table 1 Comparison of RMSE among different wavelet-based denoising methods

對比發(fā)現Bior 5.5小波采用軟閾值處理后RMSE最小，信噪比較大，且波形也更平滑，效果最好。去噪結果如圖3所示。

圖3 去噪結果Fig.3 Result of denoising

將經消噪處理后的信號，通過截止頻率為1 Hz的FIR低通濾波器，GIC的濾波效果如圖4所示。

圖4 濾波結果Fig.4 Result of filtering

濾波起始時會有振蕩，然后會從不斷振蕩的瞬態(tài)徹底進入穩(wěn)態(tài)。調試濾波器參數后發(fā)現，起始振蕩時間不會產生很明顯的變化及影響。

5 結論

a.由于高鐵電氣系統(tǒng)的特殊性，在高鐵電氣系統(tǒng)一次側中沒有GIC的流通路徑，GMD對高鐵的影響體現在高鐵的牽引網和軌道電路上。

b.GMD可能會以GIC方式對高鐵造成影響，為研究GIC對高鐵電氣系統(tǒng)中不同變壓器的影響，監(jiān)測點的選擇與公共電網不同。

c.由于系統(tǒng)中的有用信號非常微弱，對采集信號進行消噪處理很重要。本文的仿真算例結果表明，利用小波變換對信號消噪處理是可行和有效的。

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