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(shí)施，作為帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“龍頭”行業(yè)，鐵路行業(yè)在“一帶一路”的大構(gòu)想、大發(fā)展背景下得到了前所未有的機(jī)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(qiáng)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(shè)鐵路的熱潮。加快鐵路建設(shè)將更方便人們地出行，推動經(jīng)濟(jì)增長，促進(jìn)社會和諧，帶動城鎮(zhèn)化建設(shè)。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(lǐng)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(jī)，形成由沿線鐵路擴(kuò)展而成的帶狀城市群，對推動鐵路周邊的地方經(jīng)濟(jì)提高具有重要意義。 中國“一帶一路”的外交藍(lán)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?cè)丝诩s 44 億，經(jīng)濟(jì)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(shè)，還是“中歐陸海快線”，最終都離不開鐵路的身影。 2000 年以來，我國高速鐵路進(jìn)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(yùn)營里程占鐵路總運(yùn)營里程的比重日益增大，在鐵路運(yùn)輸體系中地位愈加重要，對其可靠性也提出了更嚴(yán)格的要求。2000 年以來，我國高速鐵路進(jìn)入了方興未艾的成長階段。2003 年 10 月 12 日，秦沈客運(yùn)專線正式開通，從初步設(shè)計(jì)、研究以及最后的施工階段都是由我國設(shè)計(jì)人員自主完成的，這是我國第一條自主研發(fā)與建設(shè)的時速200km/h 的快速客運(yùn)路線，它的開通極大了鼓舞了我國鐵路建設(shè)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(yùn)營，這是我國首條時速可達(dá) 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(yùn)營，它是目前世界上行車線路最長、運(yùn)營速度最快的鐵路。從此，我國的高速鐵路進(jìn)入了新的突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段。2011 年 6 月，京滬客運(yùn)專線開通運(yùn)營，這是自新中國成立以來，擁有里程最長、標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)營，標(biāo)志著新疆正式進(jìn)入高鐵時代，也是世界上一次性建設(shè)里程最長的高速鐵路。高速鐵路的迅猛發(fā)展，列車運(yùn)行速度的不斷提高，運(yùn)輸總量的不斷突破，對繼電保護(hù)中故障定位的準(zhǔn)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(guān)注。在電氣化鐵路領(lǐng)域，國外很早就開展了相關(guān)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(diǎn)進(jìn)行深入分析。 在復(fù)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(jìn)行并聯(lián)[5]。這種結(jié)構(gòu)復(fù)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(fèi)時費(fèi)力。而且一旦發(fā)生永久性故障，上下行的保護(hù)裝置會一起跳閘，造成整個供電臂停電，擴(kuò)大了停電范圍，也大大增加了接觸網(wǎng)停電對正常交通運(yùn)輸?shù)膿p失。 在分析故障特點(diǎn)的同時，專家學(xué)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(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。根據(jù)實(shí)際分析過程中各個模塊的邏輯關(guān)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(diǎn)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(dǎo)體傳輸線理論以及經(jīng)典 Carson 理論構(gòu)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(diǎn)同側(cè)電流相似、異側(cè)電流差異較大的特點(diǎn)判斷出故障發(fā)生的區(qū)間。 (3)  層次 III：查找故障點(diǎn)位置。在層次 I、層次 II 的基礎(chǔ)上，要完成最終的故障測距的任務(wù)，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(diǎn)，把奇異點(diǎn)所對應(yīng)的行波到檢測端的時間代入改進(jìn)后的 D 型測距公式中，從而得到故障點(diǎn)所在的方位。

2.1 基于多導(dǎo)體傳輸線理論的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)模型 
總體而言，接觸網(wǎng)是由若干個平行多導(dǎo)體傳輸線按照一定的規(guī)律結(jié)合在一起構(gòu)成的，拓?fù)涫擎準(zhǔn)降�。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(jié)構(gòu)組合而成[29]。采用全并聯(lián) AT 供電方式為基礎(chǔ)，建立高鐵接觸網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。圖 2.2 表示了模型的一部分。接觸網(wǎng)存在若干根導(dǎo)線，具體可以分為上下行導(dǎo)線 T、正饋線 F、保護(hù)線 P 以及鋼軌 R。分別建立這些導(dǎo)線的數(shù)學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，假設(shè)有 m 個平行導(dǎo)體，那么接觸網(wǎng)被分割為 m 個切面，接觸網(wǎng)的阻抗和導(dǎo)納矩陣的維度都是m?m[30]。 
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2.2 電氣參數(shù)的計(jì)算
假定有 n 個平行于地面的導(dǎo)線，則這些導(dǎo)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(fù)雜，倘若每根輸電線路都要進(jìn)行計(jì)算，矩陣的階數(shù)就會很大，這對計(jì)算機(jī)編程效率有所影響。所以，一般會將部分線路進(jìn)行合并，降低矩陣階數(shù)，提高計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。 由于本文涉及到保護(hù)線的作用，因此應(yīng)該對帶保護(hù)線的 AT 供電系統(tǒng)進(jìn)行考慮，求取其線路阻抗方程，并在此基礎(chǔ)上建立新的數(shù)學(xué)模型。由于鋼軌與保護(hù)線相連，具有相同的外電壓，因此在計(jì)算阻抗時可以將二者等效成一條導(dǎo)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(jié) ............. 32 
4  基于奇異值分解法的故障行波奇異點(diǎn)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(diǎn)的基本思想 ......... 36 
4.3  基于二分遞推 SVD 提取行波奇異點(diǎn)的算例 ....... 37 
4.4  小結(jié) ............. 39 
5 D 型測距法的改進(jìn)與綜合應(yīng)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(jìn) 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(jìn) ......... 44 
5.4  二分遞推 SVD 與改進(jìn) D 型故障測距算法的綜合應(yīng)用 .......... 46 
5.5  小結(jié) ............. 46 

5 D 型測距法的改進(jìn)與綜合應(yīng)用 

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

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(jìn)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(diǎn)與某個檢測端往返一次的時間差。故障行波在故障點(diǎn)和母線上不斷發(fā)出反射信號，在故障點(diǎn)和檢測端往返一次的時間差就是反射波與初始波抵達(dá)檢測端的時間差，再結(jié)合波速即可計(jì)算出故障點(diǎn)到檢測端的距離。A 型測距情況下的行波運(yùn)動軌跡如圖 5.1 所示。 關(guān)于測距公式中時間的確定辦法已經(jīng)在第 4 章進(jìn)行了介紹，二分遞推 SVD 可以有效提取故障行波中的奇異點(diǎn)，進(jìn)而找到可以帶入測距公式中的時間。為了完整的進(jìn)行全并聯(lián) AT 供電方式下的故障測距研究，本文應(yīng)用二分遞推 SVD 與改進(jìn) D 型算法相結(jié)合的綜合算法，設(shè)置不同的過渡電阻和故障距離，得到故障測距的仿真結(jié)果。 

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結(jié)    論 

針對全并聯(lián) AT 牽引網(wǎng)的故障情況進(jìn)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(yùn)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(diǎn)，在二分遞推 SVD 和 D 型測距算法研究的基礎(chǔ)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(jì)算模型，計(jì)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(dǎo)線進(jìn)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(jìn)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(yù)判斷。 (3)  由于二分遞推 SVD 的分解結(jié)果屬于不同層次的矢量空間，即在不同的空間實(shí)現(xiàn)了對信號逐次剝離，這為更準(zhǔn)確的提取暫態(tài)行波中的奇異點(diǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。將提取結(jié)果與應(yīng)用小波變換法的結(jié)果相對比，驗(yàn)證了二分遞推 SVD 在奇異點(diǎn)提取方面具有巨大優(yōu)勢。 (4)  通過改進(jìn) D 型測距算法，得到不受波速和實(shí)際線路長度變化的新型測距公式，通過仿真驗(yàn)證了該改進(jìn)公式的可行性和準(zhǔn)確性。 (5)  將二分遞推 SVD 與改進(jìn)的 D 型測距算法相結(jié)合應(yīng)用到全并聯(lián) AT 供電方式的故障測距中，通過設(shè)置不同的過渡電阻和故障位置并進(jìn)行仿真，結(jié)果證明該綜合算法具有良好的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：831265