基于实测数据的电气化铁路机车谐波频谱提取方法与流程

1.本发明涉及基于实测数据的电气化铁路机车谐波频谱提取方法，属于电能质量领域。


背景技术：

2.随着我国电气化铁路的高速发展，铁路，特别是高速铁路，已经成为人民生活和经济社会发展的重要组成部分。既有电气化铁路机车采用交直型及交直交型变流技术，其运行时可能产生大量的谐波分量，通过牵引站注入供电系统，给周边电力用户、新能源用户、电网设备造成电能质量影响。
3.近年来，社会各界加大了对电气化铁路电能质量问题的关注，供电公司通常要求电气化铁路在可研设计阶段开展铁路接入电网的电能质量预测评估，其中，铁路机车的谐波电流频谱准确性，很大程度上决定了预测评估结果的准确性和可信度。然而，现阶段获取电气化铁路谐波频谱，特别是特定机车的谐波频谱难度很大，因此普遍的做法是基于实测数据的方式，通过在既有铁路的牵引站侧或电网变电站侧开展在线监测或现场实测，而后通过简单的统计提取谐波频谱，作为新投运铁路的电能质量预测评估依据。
4.现有技术申请号为：cn201410645700.6的专利文件公开了一种基于二项分布的高速铁路谐波评估方法，包括如下步骤：1、对高速动车组的牵引负荷进行分析，建立谐波电流跟机车功率的关系，得到各次谐波电流有效值；2、计算单条供电臂同时出现最大机车数n'；3、利用二项定理确定供电臂内机车的概率分布函数，根据概率分布函数和最大机车数n'计算不同接触网供电方式下95％概率所对应的同时出现机车数m95；4、根据谐波电流叠加公式、各次谐波电流有效值和m95计算一条供电臂上的谐波电流值；5、根据牵引变压器的不同接线类型和步骤4中计算得到的每条供电臂上的谐波电流值，计算注入电网的谐波电流值。本发明降低高速铁路牵引系统谐波评估的复杂性，无法准确获取谐波频谱。
5.实践证明，由于电气化铁路的功率变化十分迅速，统计提取谐波频谱获得的统计谐波频谱丢失了绝大部分的信息，导致电能质量预测评估结果与该铁路实际投运后的现场实测结果差距较大，即预测评估无法实现有效预判，主要存在如下限制：未区分牵引站的供电情况，牵引站可能为多个铁路段供电，负荷情况复杂，因此得到的频谱的谐波源并不明确；未结合铁路行车图，无法获得特定机车的频谱；未分功率段进行频谱提取，仅根据统计谐波电流值和统计基波电流值计算得出一个频谱，无法分析每个功率段的机车谐波发射水平。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术中电气化铁路机车谐波频谱准确获取难等问题，提出了一种基于实测数据的电气化铁路机车谐波频谱提取方法，本发明考虑了实测数据的来源应满足的条件，同时结合铁路列车运行时间表和牵引变供电范围，提取出仅包含一种机车的时间区间，并对该区间内的数据开展点对点分析，获得各个功率段的谐波频谱发射特性。
7.基于实测数据的电气化铁路机车谐波频谱提取方法，所述方法包括了以下步骤：
8.步骤a：确定电气化铁路机车谐波频谱提取所需数据的来源，包括确定目标牵引变电站、为其供电的变电站、铁路线路，监测数据可采用在线监测数据或现场实测数据；
9.步骤b：确定分析时间范围内目标牵引变电站供电范围内行驶的机车类型，并提取在目标牵引变电站供电范围的轨道上仅有单独某个类型列车行驶的时段ti；
10.步骤c：确定监测数据包含的背景谐波并予以剔除；
11.步骤d：提取时段ti内运行机车的基波电流、2～50次谐波电流，分析该运行机车每个功率段的谐波频谱。
12.所述步骤a中的数据获取过程如下：
13.(a1)实测数据来源的牵引站，其供电的铁路线路应尽可能少，供电的铁路线路越少，越容易进行数据的截取和分离，有助于降低数据分析的复杂性；
14.(a2)在线监测数据或现场实测数据的统计间隔应不大于1分钟，且应包含基波电流、2～50次谐波电流、2～50次谐波电压、三相不平衡度等指标；
15.(a3)测试时间不小于48小时。
16.所述步骤b中获得单独机车行驶时段ti按照以下步骤提取：
17.(b1)向铁路公司获取目标线路上各个停靠站点距离始发站的里程，包含始发站、终到站在内的所有停靠站点数量n，计算各个站点之间的里程l
ij
(i＝1,2,
……
n-1，j＝1,2,
……
n-1,i＜j)，获取数据来源牵引站的供电线路的起点α、β，确定供电区间[α,β]，以及区间[α,β]的里程l
αβ
；
[0018]
(b2)从铁路公司的运行图、车站大屏等，可获得当日列车时刻表及其对应的列车型号；定义铁路m地-o地为正方向，列车从m地-o地的行驶曲线斜率为正；o地-m地为负方向，列车从o地-m地的行驶曲线斜率为负。假设两个相邻站点之间机车是匀速行驶的，以时间为横轴，以列车距离m地的距离为纵轴，绘制当日该铁路线路列车行驶曲线；
[0019]
(b3)以横轴某个时间的纵向曲线作为参照，若与列车行驶曲线仅有1个交点，则说明该时刻m地-n地和n地-m地两个方向上仅有1趟列车在运行；在供电区间[α,β]范围内求解列车行驶曲线和时间线的交点，确定正反两个方向上均只有一列机车行驶的时段ti；
[0020]
(b4)步骤b3得到的ti是基于机车在两个相邻站点之间匀速行驶的假设，若对时间有较高的准确度要求，可在供电区间[α,β]范围内寻找被完全覆盖的站点区间[α
co
,β
co
]，并以机车经过[α
co
,β
co
]两端站点之间的时间间隔作为分析时段ti。
[0021]
所述步骤c中剔除监测数据中背景谐波影响的计算方法：
[0022]
(c1)确定监测点的背景谐波电流分量。在末班列车终到站之后，直到次日首班列车开行，将期间的各次的背景谐波电流取均值，得到各次背景谐波电流i
bh
(h＝2,3,
……
，50)；
[0023]
(c2)将分析时段内的bi的各次谐波电流i
ah
与各次背景谐波电流i
bh
做矢量相减，得到机车发射的谐波电流i
ch
(h＝2,3,
……
，50)，当i
ah
与i
bh
相位不确定时，可通过求解公式求解i
ch
。
[0024]
所述步骤d中每个机车功率段的谐波频谱提取方法：
[0025]
(d1)对于单相供电的电气化铁路，一般高压侧三相中一相是公共相，其余两相分
别对应两个方向的负荷，根据功率曲线变化情况和机车行驶时间段ti确定2个相别的供电方向；
[0026]
(d2)根据机车额定功率，根据应用需求将0～100％额定功率划定为z个功率区间，每个功率区间表示为pi＝[(z-1)*(100/z),z*(100/z](i＝1,2,
……
，z)；
[0027]
(d3)为避免数据异常点对结果造成的影响，选择每个测试时刻对应的基波电流i
1w
、各次谐波电流i
hw
、有功功率pw的95％概率大值进行后续分析，求得每个测试时刻的各次谐波电流含有率，即q为测试数据总的时间点数；
[0028]
(d4)判断pw所属功率段，将属于pi功率段内的各次谐波电流含有率取最大值，代表该机车该功率段内的谐波电流频谱
[0029]
基于现场实测的方法，可以得到具体每一种机车每个功率段的谐波电流频谱，而不需要通过专门的机车运行试验获取。
[0030]
本发明具有如下有益效果：本发明考虑了实测数据的来源应满足的条件，同时结合铁路列车运行时间表和牵引变供电范围，提取出仅包含一种机车的时间区间，并对该区间内的数据开展点对点分析，获得各个功率段的谐波频谱发射特性，相较现有方法，所得结果能更多地保留机车的谐波发射特性，可根据应用场景合理选择典型谐波频谱，也能为机车谐波发射机理的理论研究提供实测验证数据。
附图说明
[0031]
图1为本发明流程示意图；
[0032]
图2为实施例一列车行驶曲线图；
[0033]
图3为实施例一铁路停靠站里程；
[0034]
图4为实施例1利用本发明方法所得分析时段ti；
[0035]
图5为实施例1利用本发明发发所得crh1a-200机车的分功率段谐波频谱。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
[0037]
实施例1：
[0038]
基于实测数据的电气化铁路机车谐波频谱提取方法，所述方法包括了以下步骤：
[0039]
步骤a：确定电气化铁路机车谐波频谱提取所需数据的来源，包括确定目标牵引变电站、为其供电的变电站、铁路线路，监测数据可采用在线监测数据或现场实测数据；
[0040]
步骤b：确定分析时间范围内目标牵引变电站供电范围内行驶的机车类型，并提取在目标牵引变电站供电范围的轨道上仅有单独某个类型列车行驶的时段ti；
[0041]
步骤c：确定监测数据包含的背景谐波并予以剔除；
[0042]
步骤d：提取时段ti内运行机车的基波电流、2～50次谐波电流，分析该运行机车每个功率段的谐波频谱。
[0043]
进一步的，所述步骤a中的数据获取过程如下：
[0044]
(a1)实测数据来源的牵引站，其供电的铁路线路应尽可能少。供电的铁路线路越
少，越容易进行数据的截取和分离，有助于降低数据分析的复杂性；
[0045]
(a2)在线监测数据或现场实测数据的统计间隔应不大于1分钟，且应包含基波电流、2～50次谐波电流、2～50次谐波电压、三相不平衡度等指标；
[0046]
(a3)测试时间不小于48小时。
[0047]
进一步的，所述步骤b中获得单独机车行驶时段ti按照以下步骤提取：
[0048]
(b1)向铁路公司获取目标线路上各个停靠站点距离始发站的里程，包含始发站、终到站在内的所有停靠站点数量n，计算各个站点之间的里程l
ij
(i＝1,2,
……
n-1，j＝1,2,
……
n-1,i＜j)。获取数据来源牵引站的供电线路的起点α、β，确定供电区间[α,β]，以及区间[α,β]的里程l
αβ
；
[0049]
(b2)从铁路公司的运行图、车站大屏等，可获得当日列车时刻表及其对应的列车型号；定义铁路m地-o地为正方向，列车从m地-o地的行驶曲线斜率为正；o地-m地为负方向，列车从o地-m地的行驶曲线斜率为负，假设两个相邻站点之间机车是匀速行驶的，以时间为横轴，以列车距离m地的距离为纵轴，绘制当日该铁路线路列车行驶曲线；
[0050]
(b3)以横轴某个时间的纵向曲线作为参照，若与列车行驶曲线仅有1个交点，则说明该时刻m地-n地和n地-m地两个方向上仅有1趟列车在运行；在供电区间[α,β]范围内求解列车行驶曲线和时间线的交点，确定正反两个方向上均只有一列机车行驶的时段ti；
[0051]
(b4)步骤b3得到的ti是基于机车在两个相邻站点之间匀速行驶的假设，若对时间有较高的准确度要求，可在供电区间[α,β]范围内寻找被完全覆盖的站点区间[α
co
,β
co
]，并以机车经过[α
co
,β
co
]两端站点之间的时间间隔作为分析时段ti。
[0052]
进一步的，所述步骤c中剔除监测数据中背景谐波影响的计算方法：
[0053]
(c1)确定监测点的背景谐波电流分量。在末班列车终到站之后，直到次日首班列车开行，将期间的各次的背景谐波电流取均值，得到各次背景谐波电流i
bh
(h＝2,3,
……
，50)；
[0054]
(c2)将分析时段内的bi的各次谐波电流i
ah
与各次背景谐波电流i
bh
做矢量相减，得到机车发射的谐波电流i
ch
(h＝2,3,
……
，50)；当i
ah
与i
bh
相位不确定时，可通过求解公式求解i
ch
，其中kh取值如下表所示：
[0055]
h35711139|》13|偶次kh1.621.280.720.180.080
[0056]
进一步的，所述步骤d中每个机车功率段的谐波频谱提取方法：
[0057]
(d1)对于单相供电的电气化铁路，一般高压侧三相中一相是公共相，其余两相分别对应两个方向的负荷。根据功率曲线变化情况和机车行驶时间段ti确定2个相别的供电方向；例如，当bi时刻a相有功功率明显增大，且该时段内开行的是m地-o地的列车，则可得出a相为m地-o地的供电相；
[0058]
(d2)根据机车额定功率，根据应用需求将0～100％额定功率划定为z个功率区间，每个功率区间表示为pi＝[(z-1)*(100/z),z*(100/z](i＝1,2,
……
，z)；
[0059]
(d3)为避免数据异常点对结果造成的影响，选择每个测试时刻对应的基波电流i
1w
、各次谐波电流i
hw
、有功功率pw的95％概率大值进行后续分析，求得每个测试时刻的各次
谐波电流含有率，即q为测试数据总的时间点数；
[0060]
(d4)判断pw所属功率段，将属于pi功率段内的各次谐波电流含有率取最大值，代表该机车该功率段内的谐波电流频谱
[0061]
实施例2：
[0062]
y铁路(m站-o站)总长88公里，由牵引站e、牵引站f供电，由于e牵引站同时还给其他铁路供电，f牵引站仅给该铁路供电，故选择f牵引站某年3月3日的在线监测数据提取该铁路上运行机车的谐波电流频谱；经了解，该铁路设计为客货混跑，但当前仅有客运列车运行，故12306客户端车站大屏的信息可以全量反映该线路的运行情况，包含各趟列车的开行时刻、终到时刻、途径站停靠时刻、机车类型等。根据该信息绘制列车行驶曲线，如图2所示。
[0063]
f牵引站的供电区间为[51,88]公里，其中51，88是距离m站的里程。y铁路各站点距离始发站m站的里程如表3所示。考虑到n4站至o站的区间完全包含在f牵引站的供电区间中，因此取n4站-o站或o站-n4站的准确发车或到达时间为分析时段。
[0064]
根据确定的[α
co
,β
co
]区间求得正方向或者负方向上仅有1趟列车的时段ti，再根据供电相别，对应电能质量监测数据的分析数据段，以crh1a-200为例，其额定功率为5300kw，将其划分为10个功率段，运用本发明方法，得到2～50次谐波电流各个功率段的谐波电流含有率；以3次谐波电流为例，谐波电流含有率范围为2.6％～3.6％，且并不像已有的认知一样，在功率最大的时刻出现最大的谐波电流含有率，50％-80％功率段的谐波电流含有率较其他功率段功率更大；使用者可根据不同的使用场景，选择适宜的谐波频谱开展分析；运用本方法，可得到其他常用电气化铁路机车的分功率段谐波电流频谱，可为电气化铁路电能质量预测评估、治理方案验证等提供基础数据支撑。
[0065]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。