一种列车受电弓失电检测和保护装置及方法与流程

本发明涉及轨道交通领域，尤其是涉及一种应用于铁路行业的列车受电弓失电检测和保护装置及方法。

背景技术：

当前铁路行业正蓬勃发展，成千上万列的电力机车或电动车组在铁路线路上营运。因此，提升列车应对突发异常工况的能力成为列车安全持续运行的重要保证。通常，电力机车或电动车组在铁路线路上运行的过程中，列车可能会遇到如下几种意外情况，导致牵引系统无法正常的运行。

一是在铁路钢轨轨面平整条件不佳，或铁路供电网输电线与轨面之间平行性较差的线路上运行时，列车容易出现受电弓与铁路供电网之间的弓网分离现象。

二是列车受电弓可能出现升弓至供电网的实际压力与所需额定压力偏小，若遇到列车突然加速或突然减速的情况，也容易出现受电弓与铁路供电网之间的弓网分离现象。

三是铁路供电网由于某些不可控的因素，可能会出现突发性的短时断电情况。

四是某些铁路线路，由于受到相关条件的限制，只能采用人工手动过分相。当列车驶入过分相区间时，容易出现司机未执行过分相相关操作，导致列车牵引变流器在高压运行的情况下直接进入过分相区间的情况。

当列车遇到上述这些情况时，可称之为受电弓处于失电状态。如果列车受电弓处于失电状态，将会导致列车牵引系统的输入端(即牵引变压器的原边绕组侧)既无法从供电网获取能量，也无法向供电网回馈能量，从而影响到牵引变流器的正常运行，进而导致牵引变流器被动性的出现中间直流电压过压、整流侧输入过流、逆变侧输出过流等故障而停止工作的情况发生。

针对列车运行中的受电弓失电工况，现有的技术方案分两类情况进行解决：

(1)第一种情况为当受电弓失电导致牵引系统出现各种过压或过流等故障后，被动性地封锁变流器。当出现受电弓失电工况，牵引系统既无法从供电网获取能量，也无法向供电网回馈能量，从而使得牵引系统传动控制单元的控制出现失衡，牵引主电路的电压和电流发生异常，接着就会伴随着电压过压或电流过流等故障的发生。由于发生过压或过流故障，传动控制单元将封锁整流器和逆变器的脉冲，使牵引系统停止工作。当受电弓失电状态消失后，通过故障解锁，牵引系统可重新投入工作。

(2)第二种情况为通过监测网压同步信号的情况，主动性地进行检测与保护。由国家电网公司、奉化市供电局、宁波电业局于2013年07月15日申请，并于2013年10月23日公开，公开号为cn103368136a的中国发明专利申请《一种处理电网失电的方法和装置》公开了一种根据网压是否跳变，以及网压幅值、频率、相位的情况，以及向电网输入干扰信号并检测干扰反馈信号的判断及保护方法。由中国人民解放军海军工程大学于2015年10月15日申请，并于2016年01月06日公开，公开号为cn105227042a的中国发明专利申请《大功率高压变频器的失电跨越控制方法》公开了一种根据本周期采样的电网相电压瞬时值与存储在内存中的上一个正弦周期的采样值作比较，当其差值的绝对值和总直流母线电压均达到失电标准，则认为电网失电的判断剂保护方法。由南车株洲电力机车研究所有限公司于2011年06月29日申请，并于2011年10月19日公开，公开号为cn102223125a的中国发明专利申请《一种电网电压故障时风电机组不间断运行控制方法及装置》公开了一种根据电网电压出现严重不对称或电网电压为零电压的判断及保护方法。

针对第一种解决方案，列车运行中的受电弓失电工况，采用间接地被动性的方案，其缺点显而易见。由于是牵引系统先出现电压过压或电流过流故障，然后才进行相应的保护，导致了牵引系统相应的一些设备在短时间内承受了超出正常范围的电压或电流，有可能会影响到电容、电抗器、电机等的使用寿命。

针对第二种解决方案，目前主动性的检测与保护方案中大多不具备普遍的通用性。现有的研究大多仅考虑供电网本身的电压出现异常的情况，而没有对列车在运行中的四类受电弓失电的情况全部考虑。由于铁路供电网的网压本身就常存在较大的跳变，需要列车牵引变流器在网压跳变工况能正常运行，所以根据网压是否跳变，或者根据本周期采样的电网相电压瞬时值与存储在内存中的上一个正弦周期的采样值作比较等检测方法，在轨道交通的变流器领域并不实用。列车在无功率或功率较小的轻载工况，即使受电弓失电，由于牵引变流器的整流器仍然在工作以及锁相本身的惯性，网压信号仍然会存在，且幅值、频率、相位均不会出现明显变化。因而在轻载工况，无法通过网压幅值、频率、相位的情况来辨别是否受电弓失电。而向电网输入干扰信号，一般铁路供电网不允许列车针对性的向电网输入干扰信号，且在受电弓与电网分离的工况下，此方法无法使用。由于铁路供电网是单相电网，没有与三相电网类似的不对称现象，因此根据电网电压出现严重不对称或电网电压为零电压的方法也不适用。而在列车处于制动工况或轻载工况，由于网压同步信号仍然存在，根据零电压难以在列车制动工况和轻载工况下实现检测。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种列车受电弓失电检测和保护装置及方法，能够解决现有方案容易导致列车牵引系统中相应设备在短时间内承受超出正常范围的电压或电流，从而影响列车牵引系统中关键零部件，如电容、电抗器、电机等的使用寿命的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种列车受电弓失电检测和保护装置的技术实现方案，一种列车受电弓失电检测和保护装置，包括：

模拟量采样单元，对列车牵引系统的电压、电流信号进行采样；

功率计算单元，根据所述模拟量采样单元采样的电压、电流信号进行变流器功率计算；

智能检测单元，根据所述模拟量采样单元采样的电压、电流信号、断路器及接触器状态、变流器状态，以及所述功率计算单元计算得到的变流器功率，进行受电弓失电检测和判断；

保护选择单元，如果所述智能检测单元检测到列车牵引系统在工作状态下出现受电弓失电，则根据所述功率计算单元计算得到的变流器功率，分别采取相应的保护措施。

优选的，所述模拟量采样单元采样的电压、电流信号包括网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx、变压器原边侧电流if、直流电压ud。

优选的，所述变流器包括整流器和逆变器，所述断路器及接触器状态包括真空断路器，以及第一短接接触器、第二短接接触器的状态。

优选的，所述变流器状态包括停止工况、非轻载牵引工况、非轻载制动工况和轻载工况。

优选的，所述模拟量采样单元包括传感环节、采样环节、运算放大环节、ad转换环节和第一比例环节。所述传感环节采集列车牵引系统中的电压、电流信号，并输出0～±immax电流型信号。0～±immax电流型信号经所述采样环节后产生与所述传感环节输出电流型信号成比例的采样电压。采样电压经过所述运算放大环节转变为0～±10v的标准电压型信号，该标准电压型信号通过所述ad转换环节转换为0～±8191的数字量信号。所述ad转换环节输出的数字量信号经过所述第一比例环节，乘以所述模拟量采样单元中各个环节的转换系数，得到与列车牵引系统中真实电压、电流值对应的电压、电流变量。

优选的，当所述模拟量采样单元采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、变压器原边侧电流if时，所述功率计算单元将网压有效值与变压器原边侧电流有效值的乘积作为变流器功率。

优选的，当所述模拟量采样单元采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx时，所述功率计算单元将整流器交流侧电流依据变压器变比、整流器重数折算成变压器原边侧电流，然后根据折算的变压器原边侧电流及网压有效值计算变流器功率。

优选的，当所述模拟量采样单元采集列车牵引系统中的直流电压ud、直流电流id时，所述功率计算单元将直流电压ud与直流电流id的乘积作为变流器功率。

优选的，所述智能检测单元根据列车牵引系统中变流器在受电弓失电工况下的表现情况，将受电弓失电工况下的变流器状态分为变流器停止工况、变流器非轻载牵引工况、变流器非轻载制动工况、变流器轻载工况。

优选的，当所述变流器处于停止工况时，所述智能检测单元根据每个工频周期内的网压同步信号电压峰值ufpeak是否小于或等于正常网压峰值下限值ufmin进行受电弓失电判断。

优选的，当所述变流器处于运行工况，所述断路器及接触器均处于闭合的状态时，所述智能检测单元根据变流器功率的大小选择相应的受电弓失电判断方式。

优选的，如果所述变流器处于牵引工况，且变流器功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则所述智能检测单元设置变流器非轻载牵引工况下的受电弓失电判断方式生效。

优选的，如果所述变流器处于制动工况，且变流器功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则所述智能检测单元设置变流器非轻载制动工况下的受电弓失电判断方式生效。

优选的，如果所述变流器功率p小于或等于1.2*pthreshold，则所述智能检测单元设置变流器轻载工况下的受电弓失电判断方式生效。

优选的，当所述智能检测单元检测到受电弓失电，且所述变流器功率达到或超过设定功率，则所述保护选择单元采取相应的保护措施，立刻封锁所述整流器和逆变器的脉冲，使变流器停止工作，并跳开所述真空断路器，以及第一短接接触器、第二短接接触器，以防止由于受电弓失电后出现的电压过压和电流过流现象。

优选的，当所述智能检测单元检测到受电弓失电，且所述变流器功率低于设定功率，则所述保护选择单元采取相应的保护措施，先使所述逆变器按照一定斜率将功率卸载到零，然后再封锁所述整流器和逆变器的脉冲，并跳开所述真空断路器，以及第一短接接触器、第二短接接触器，以避免在有功率情况突然切除功率导致的列车突然性抖动。

优选的，所述智能检测单元包括第一滤波环节和第一比较环节，当所述变流器处于非轻载牵引工况时，所述第一滤波环节对网压同步信号uf进行滤波处理后输出至所述第一比较环节，然后所述第一比较环节将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值下限值ufmin进行比较判断，若半个工频周期内都出现网压同步信号滤波后的信号小于或等于正常网压峰值下限值ufmin，则判断受电弓失电。

优选的，所述智能检测单元包括第一差值比较环节，当所述变流器处于非轻载牵引工况时，所述第一差值比较环节根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓失电。

优选的，所述智能检测单元包括第一比值比较环节，当所述变流器处于非轻载牵引工况时，所述第一差值比较环节根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓失电。

优选的，所述智能检测单元包括第二滤波环节、第二比较环节、第三比较环节和与门环节。当所述变流器处于非轻载制动工况时，所述第二比较环节将直流电压ud与正常直流电压上限值udmax进行比较，所述第二滤波环节对网压同步信号uf进行滤波，然后由所述第三比较环节将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值上限值ufmax进行比较，所述第二比较环节的输出值与所述第三比较环节的输出值在所述与门环节中进行与运算。当直流电压大于正常直流电压上限值udmax一定范围后，如果在半个工频周期都出现经过滤波处理后的网压同步信号uf大于或等于正常网压峰值上限值ufmax时，则判断受电弓失电。

优选的，所述智能检测单元包括第二差值比较环节，当所述变流器处于非轻载制动工况时，所述第二差值比较环节根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓失电。

优选的，所述智能检测单元包括第二比值比较环节，当所述变流器处于非轻载制动工况时，所述第二比值比较环节根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓失电。

优选的，所述智能检测单元包括提取计算环节和第四比较环节，当所述变流器处于轻载工况时，所述提取计算环节提取网压同步信号uf中包含的特征次谐波uh，并计算所述特征次谐波uh的有效值uh_rms，再由所述第四比较环节将特征次谐波的有效值uh_rms与谐波判断门槛值uh_threshold进行比较，如果特征次谐波的有效值uh_rms大于或等于门槛值uh_threshold，则判断受电弓失电。

优选的，所述提取计算环节包括陷波环节、绝对值求取环节、低通滤波环节和第二比例环节。所述陷波环节对网压同步信号uf进行滤波，所述陷波环节针对的滤除频率位于特征次谐波的中心频率。将网压同步信号uf减去所述陷波环节的输出信号，得到特征次谐波uh，由所述绝对值求取环节对特征次谐波uh进行绝对值求取处理，得到特征次谐波的绝对值uh_abs。再由所述低通滤波环节对经过绝对值求取处理后的uh_abs进行二阶低通滤波，滤除交流量，保留直流量。由所述第二比例环节对保留的直流量乘以修正系数，得到特征次谐波的有效值uh_rms。

本发明还另外具体提供了一种列车受电弓失电检测和保护方法的技术实现方案一种列车受电弓失电检测和保护方法，包括以下步骤：

a)对列车牵引系统的电压、电流信号进行采样；

b)根据采样得到的电压、电流信号进行变流器功率计算；

c)根据采样得到的电压、电流信号、断路器及接触器状态、变流器状态，以及经过计算得到的变流器功率，进行受电弓失电检测和判断；

d)如果检测到列车牵引系统在工作状态下出现受电弓失电，则根据计算得到的变流器功率，分别采取相应的保护措施。

优选的，步骤a)中通过传动控制单元采样列车牵引系统的电压、电流信号，所述传动控制单元采样的电压、电流信号包括网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx、变压器原边侧电流if、直流电压ud。

优选的，所述变流器包括整流器和逆变器，步骤b)中的断路器及接触器状态包括真空断路器，以及第一短接接触器、第二短接接触器的状态。

优选的，步骤c)中的变流器状态包括停止工况、非轻载牵引工况、非轻载制动工况和轻载工况。

优选的，所述步骤a)的采样过程进一步包括以下步骤：

采集列车牵引系统中的电压、电流信号，并输出0～±immax电流型信号；0～±immax电流型信号流经采样电阻后产生与所述电流型信号成比例的采样电压。采样电压经过运算放大转变为0～±10v的标准电压型信号，该标准电压型信号通过ad转换变换为0～±8191的数字量信号。所述数字量信号乘以采样过程中各个环节的转换系数，得到与列车牵引系统中真实电压、电流值对应的电压、电流变量。

优选的，在步骤b)中，当采样过程采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、变压器原边侧电流if时，变流器功率为网压有效值与变压器原边侧电流有效值的乘积。

优选的，在步骤b)中，当采样过程采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx时，变流器功率为将整流器交流侧电流依据变压器变比、整流器重数折算成变压器原边侧电流，然后根据折算的变压器原边侧电流及网压有效值计算的功率值。

优选的，当采样过程采集列车牵引系统中的直流电压ud、直流电流id时，变流器功率为直流电压ud与直流电流id的乘积。

优选的，在步骤c)中，根据列车牵引系统中变流器在受电弓失电工况下的表现情况，将受电弓失电工况下的变流器状态分为变流器停止工况、变流器非轻载牵引工况、变流器非轻载制动工况、变流器轻载工况。

优选的，当所述变流器处于停止工况时，根据每个工频周期内的网压同步信号电压峰值ufpeak是否小于或等于正常网压峰值下限值ufmin进行受电弓失电判断。

优选的，当所述变流器处于运行工况，所述断路器及接触器均处于闭合的状态时，根据变流器功率的大小选择相应的受电弓失电判断方式。

优选的，如果所述变流器处于牵引工况，且变流器功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则设置变流器非轻载牵引工况下的受电弓失电判断方式生效。

优选的，如果所述变流器处于制动工况，且变流器功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则设置变流器非轻载制动工况下的受电弓失电判断方式生效。

优选的，如果所述变流器功率p小于1.2*pthreshold，则设置变流器轻载工况下的受电弓失电判断方式生效。

优选的，当检测到受电弓失电，且所述变流器功率达到或超过设定功率，传动控制单元采取相应的保护措施，立刻封锁所述整流器和逆变器脉冲，使变流器停止工作，并跳开所述真空断路器，以及第一短接接触器、第二短接接触器，以防止由于受电弓失电后出现的电压过压和电流过流现象。

优选的，当检测到受电弓失电，且所述变流器功率低于设定功率，传动控制单元采取相应的保护措施，先使所述逆变器按照一定斜率将功率卸载到零，然后再封锁所述整流器和逆变器脉冲，并跳开所述真空断路器，以及第一短接接触器、第二短接接触器，以避免在有功率情况突然切除功率导致的列车突然性抖动。

优选的，当所述变流器处于非轻载牵引工况时，对网压同步信号uf进行滤波处理，将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值下限值ufmin进行比较判断，若半个工频周期内都出现网压同步信号滤波后的信号小于或等于正常网压峰值下限值ufmin，则判断受电弓失电。

优选的，当所述变流器处于非轻载牵引工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓失电。

优选的，当所述变流器处于非轻载牵引工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓失电。

优选的，当所述变流器处于非轻载制动工况时，将直流电压ud与正常直流电压上限值udmax进行比较得出第一比较值，并对网压同步信号uf进行滤波，然后将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值上限值ufmax进行比较得到第二比较值。对所述第一比较值输出值与所述第二比较值进行与运算，当直流电压大于正常直流电压上限值udmax一定范围后，如果在半个工频周期都出现经过滤波处理后的网压同步信号uf大于或等于正常网压峰值上限值ufmax时，则判断受电弓失电。

优选的，当所述变流器处于非轻载制动工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓失电。

优选的，当所述变流器处于非轻载制动工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓失电。

优选的，当所述变流器处于轻载工况时，提取网压同步信号uf中包含的特征次谐波uh，并计算所述特征次谐波uh的有效值uh_rms，再将特征次谐波的有效值uh_rms与谐波判断门槛值uh_threshold进行比较，如果特征次谐波的有效值uh_rms大于或等于门槛值uh_threshold，则判断受电弓失电。

优选的，当所述变流器处于轻载工况时，提取特征次谐波uh，并计算所述特征次谐波uh的有效值uh_rms的过程进一步包括以下步骤：

对网压同步信号uf进行滤波，滤波针对的滤除频率位于特征次谐波的中心频率。将网压同步信号uf减去经过滤波处理后的网压同步信号uf，得到特征次谐波uh，对特征次谐波uh进行绝对值求取处理，得到特征次谐波的绝对值uh_abs。再对经过绝对值求取处理后的uh_abs进行二阶低通滤波，滤除交流量，保留直流量；对保留的直流量乘以修正系数，得到特征次谐波的有效值uh_rms。

通过实施上述本发明提供的列车受电弓失电检测和保护装置及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明解决了现有方案容易导致列车牵引系统中相应设备在短时间内承受超出正常范围的电压或电流，从而影响列车牵引系统中关键零部件，如电容、电抗器、电机等的使用寿命的技术问题，提升了列车应对突发异常工况的能力，充分保证了列车的安全持续运行；

(2)本发明考虑了列车受电弓失电在各种工况下发生的情形，对各工况下的情况进行了详细分析，找出各工况下的受电弓失电的特征，从而提出了一种涵盖了列车所有工况的受电弓失电智能检测的方法，既避免了在某些个别情况下未检测出受电弓失电，也避免了误报受电弓失电的现象；

(3)本发明针对列车制动大功率工况的受电弓失电会在几十毫秒内迅速出现过压及过流故障，提出了综合直流电压与直流电压设定值的偏差，以及滤波后的网压同步信号大小的判断方法，能在极短时间(10ms)内判断出受电弓失电，从而在出现过压及过流故障之前，主动的封锁整流器及逆变器脉冲，并进行各项保护；

(4)本发明针对列车轻载工况难以直接根据同步信号大小进行判断的难题，提出了获取网压同步信号的特征次谐波，通过特征次谐波的有效值大小与设定的门槛值进行比较的方法，避免了在受电弓失电后的受电弓恢复得电的时刻容易出现过流的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是现有技术中列车牵引系统的拓扑结构图；

图2是本发明列车受电弓失电检测和保护装置一种具体实施方式的结构框图；

图3是本发明列车受电弓失电检测和保护装置一种具体实施方式采样环节的结构框图；

图4是本发明列车受电弓失电检测和保护装置一种具体实施方式非轻载牵引工况下受电弓失电判断环节的结构框图；

图5是本发明列车受电弓失电检测和保护装置一种具体实施方式非轻载制动工况下受电弓失电判断环节的结构框图；

图6是本发明列车受电弓失电检测和保护装置一种具体实施方式轻载工况下受电弓失电判断环节的结构看框图；

图7是本发明列车受电弓失电检测和保护装置一种具体实施方式网压同步信号特征次谐波提取与有效值计算环节的结构框图；

图8是本发明列车受电弓失电检测和保护方法一种具体实施方式受电弓失电智能检测过程的程序流程图；

图中：1-模拟量采样单元，2-功率计算单元，3-智能检测单元，4-保护选择单元，10-传感环节，11-采样环节，12-运算放大环节，13-ad转换环节，14-第一比例环节，310-第一滤波环节，311-第一比较环节，312-第一差值比较环节，313-第一比值比较环节，320-第二滤波环节，321-第二比较环节，322-第三比较环节，323-与门环节，324-第二差值比较环节，325-第二比值比较环节，330-提取计算环节，331-第四比较环节，340-陷波环节，341-绝对值求取环节，342-低通滤波环节，343-第二比例环节，100-受电弓，101-牵引变压器，102-整流器，103-逆变器，200-变流器。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

铁路供电网：电气化铁路线路上，专门为列车提供电能的电网，可简称供电网、电网；

原边绕组：变压器与铁路供电网提供的高压电相连的绕组；

整流器：在本发明中的整流器均指四象限整流器，即使用全控型电力半导体开关器件，可以控制其交流侧电压和电流矢量在矢量坐标系的四象限0～2*π角度均能运行的整流器；

传动控制单元：列车上用于控制列车牵引系统的控制器单元；

网压同步信号：通过网压互感器采集的，位于变压器原边绕组侧的，与网压相位保持同步的电压信号；

ad转换：模拟数字转换；

特征次谐波：四象限整流器的特征次谐波是指与四象限整流器igbt((insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)开关频率相关的谐波，igbt的开关频率改变，其特征次谐波的频率随着相应的变化。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图2至附图8所示，给出了本发明列车受电弓失电检测和保护装置及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，为当前主流电力机车或电动车组采用的列车牵引系统拓扑结构。不同的列车，其拓扑结构的差别主要为整流器重数、逆变器重数、单台逆变器对应电机台数、有无二次谐振回路、各重之间是否共直流回路等差别，这些差别并不影响本发明所描述的列车受电弓失电检测和保护装置及方法。

现将列车牵引系统拓扑结构的各个组成部分介绍如下：

(1)受电弓100，受电弓100通常位于列车车顶，用于连接铁路供电网和牵引主电路。当列车牵引系统运行时，需要先将受电弓100升起，使受电弓100与铁路供电网紧密接触，然后启动列车牵引系统运行。

(2)真空断路器vcb，真空断路器vcb用于将供电网与牵引变压器101隔离，真空断路器vcb支持在有电流的情况下断开。因而当列车牵引系统发生故障时，可直接断开真空断路器vcb，进行保护。

(3)牵引变压器101，牵引变压器101将供电网25kv等级的原边绕组单相交流电转变为若干个次边牵引绕组的较低电压等级的单相交流电。其中牵引绕组的电压等级根据不同列车的设计而有所不同。

(4)第一短接接触器km1、第二短接接触器km2，用于连接牵引变压器101和(牵引)变流器200的整流器102。当单重整流器单元故障时，可通过断开短接接触器将相应重的整流器单元与牵引变压器101隔离。

(5)变流器200，变流器200包括整流器102、逆变器103和中间直流环节。其中，整流器102将牵引绕组的单相交流电转化为直流回路的直流电压。车载整流器一般都包含几重整流器单元(如附图1所示的实施例以两重为例进行介绍)，如附图1所示的实施例中整流器102包括整流器(单元)一和整流器(单元)二，逆变器103包括逆变器(单元)一和逆变器二(单元)。逆变器103将直流回路的直流电压转化为可供牵引电机m1和m2使用的变频变压的交流电。

实施例1

如附图2所示，一种列车受电弓失电检测和保护装置的具体实施例，包括：

模拟量采样单元1，对列车牵引系统的电压、电流信号进行ad采样。模拟量采样单元1采样的电压、电流信号包括网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx(x由整流器的重数决定，如附图1所示的实施例中包括整流器一交流侧电流in1、整流器二交流侧电流in2)、变压器原边侧电流if、直流电压ud。

功率计算单元2，根据模拟量采样单元1采样的电压、电流信号进行变流器功率计算。变流器功率用于后续的智能检测单元3以及保护选择单元4。本发明根据列车牵引系统的电压和电流信号，利用电压和电流计算变流器功率，并根据功率的大小区分不同的工况，针对各工况在受电弓失电状态下的特性，设计了不同工况下的受电弓失电智能检测方法。

智能检测单元3，根据模拟量采样单元1采样的电压、电流信号、断路器及接触器状态、变流器状态，以及功率计算单元2计算得到的变流器功率，进行受电弓失电检测和判断。断路器及接触器状态包括真空断路器vcb，以及第一短接接触器km1、第二短接接触器km2的状态。变流器状态包括停止工况、非轻载牵引工况、非轻载制动工况和轻载工况。

保护选择单元4，如果智能检测单元3检测到列车牵引系统在工作状态下出现受电弓失电，则根据功率计算单元2计算得到的变流器功率，分别采取相应的保护措施。

如附图3所示，模拟量采样单元1进一步包括传感环节10、采样环节11、运算放大环节12、ad转换环节13和第一比例环节14。模拟量采样单元1设置在列车的传动控制单元中，由传动控制单元对列车牵引系统各电压、电流传感器的模拟量信号进行一系列处理，得到传动控制单元控制软件所需的数字量信号。传感环节10(包括电流或电压传感器)采集列车牵引系统中的电压、电流信号，并输出0～±immax电流型信号。常用的电流传感器和电压传感器，其输出信号均为0～±immax电流型信号，immax指传感器的最大输出电流。0～±immax电流型信号经采样环节11(采用采样电阻)后产生与传感环节10输出电流型信号成比例的采样电压。采样电压经过运算放大环节12转变为0～±10v的标准电压型信号，该标准电压型信号通过ad转换环节13转换为0～±8191的数字量信号。ad转换环节13输出的数字量信号经过第一比例环节14，乘以模拟量采样单元1中各个环节的转换系数，得到与列车牵引系统中真实电压、电流值相对应的软件使用的电压、电流变量。

由于列车处于不同的功率情况，受电弓失电引起的电压及电流异常情况不同，计算此工况下的变流器功率，可进一步用于后续的智能检测单元3以及保护选择单元4。不同的列车，其传动控制单元能够采样的模拟量受到是否存在相应传感器的限制，因而变流器功率的计算方式也不同。

当模拟量采样单元1采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、变压器原边侧电流if时，功率计算单元2将网压有效值与变压器原边侧电流有效值的乘积作为变流器功率。

当模拟量采样单元1采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx时，功率计算单元2将整流器交流侧电流依据变压器变比、整流器重数折算成变压器原边侧电流，然后根据折算的变压器原边侧电流及网压有效值计算变流器功率。

当模拟量采样单元1采集列车牵引系统中的直流电压ud、直流电流id时，功率计算单元2将直流电压ud与直流电流id的乘积作为变流器功率。

智能检测单元3根据列车牵引系统中变流器200在受电弓失电工况下的表现情况，将受电弓失电工况下的变流器状态分为变流器停止工况、变流器非轻载牵引工况、变流器非轻载制动工况、变流器轻载(含空载)工况。在这四种工况下，受电弓失电状态引起变流器相关电压及电流的表现差别很大，因此需分工况进行分析判断。

针对于上述四种工况下的列车受电弓失电检测，本发明受电弓失电智能检测的整体方案如下：

当变流器200处于停止工况时，智能检测单元3根据每个工频周期内的网压同步信号电压峰值ufpeak是否小于或等于正常网压峰值下限值ufmin进行受电弓失电判断。

当变流器200处于运行工况(运行工况又分为：变流器非轻载牵引工况、变流器非轻载制动工况、变流器轻载工况三种情形)，断路器及接触器均处于闭合的状态时，智能检测单元3根据变流器200功率的大小选择相应的受电弓失电判断方式。

如果变流器200处于牵引工况，且变流器200功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则智能检测单元3设置变流器非轻载牵引工况下的受电弓失电判断方式生效。

如果变流器200处于制动工况，且变流器200功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则智能检测单元3设置变流器非轻载制动工况下的受电弓失电判断方式生效。

如果变流器200功率p小于或等于1.2*pthreshold，则智能检测单元3设置变流器轻载工况下的受电弓失电判断方式生效。

当变流器功率p位于pthreshold和1.2*pthreshold之间，存在着两种判断方案同时生效(由于各分支的判断方案覆盖的功率范围是边沿部分重叠的，因此在交界处采用两种方案都生效，能有效防止功率正好位于临界点上下跳动，来回切换的判断方案)。因为判断需要时间，如果来回切换时间比判断所需时间还短，结果将会无法判断。因此，设置一定的共同判断区间，能够保证在此期间一定会有判断方案生效。两者取或，同时生效并不影响。

当智能检测单元3检测到受电弓100失电，且变流器200功率达到或超过设定功率(设定功率为一量化的指标，需根据列车牵引系统的电气参数以及电流、电压的保护参数进行设置，不同的电气参数，电流和电压异常的变化率是不同的，不同的保护参数，能容忍的异常范围也是不同的)，则保护选择单元4采取相应的保护措施。由于受电弓失电将会导致几十毫秒内就出现过压过流现象，因此需要立刻封锁整流器102和逆变器103的脉冲，使变流器200停止工作，并跳开真空断路器vcb，以及第一短接接触器km1、第二短接接触器km2，以防止由于受电弓100失电后出现的电压过压和电流过流现象。

当智能检测单元3检测到受电弓100失电，且变流器200功率低于设定功率(设定功率为一量化的指标，需根据列车牵引系统的电气参数以及电流、电压的保护参数进行设置)，则保护选择单元4采取相应的保护措施。可采用先使逆变器103按照一定斜率将功率卸载到零，然后再封锁整流器102和逆变器103的脉冲，并跳开真空断路器vcb，以及第一短接接触器km1、第二短接接触器km2，以避免在有功率情况突然切除功率导致的列车突然性抖动。

1、变流器停止工况下的受电弓失电判断

变流器200停止时，整流器102的igbt处于关断状态，整流器102由于二极管的存在，可允许由整流器102的交流侧向直流侧提供能量，而无法从直流侧向交流侧提供能量。此时若受电弓100失电，受电弓100无法提供向牵引变压器101的原边侧提供能量，且牵引变压器101的原边侧并无电容元件，位于牵引变压器101原边侧的网压同步信号传感器就会迅速地检测到网压同步信号急剧下降到零。因此，变流器停止工况，直接根据每个工频周期内网压同步信号uf的电压峰值ufpeak是否小于或等于正常网压峰值下限值ufmin进行比较判断。

2、变流器非轻载牵引工况下的受电弓失电判断

变流器200处于运行状态时，整流器102处于能量可双向流动的情况。当列车处于牵引工况且变流器200存在较大的负载，此时若受电弓100失电，受电弓100无法提供向牵引变压器101原边侧提供能量。但是，由于整流器102处于运行工况，直流回路支撑电容上的直流电压，经由整流器102及牵引变压器101，仍然在牵引变压器101的原边侧产生了类似供电网网压的电压信号。因而，在受电弓100失电的情况下，网压同步信号传感器仍然能检测到类似供电网网压的网压同步信号，但这种情况产生的同步信号谐波较大，带有明显的与整流器102的igbt开关频率相关的特征次谐波。由于处于牵引较大功率，直流回路支撑电容上的能量随时间很快消耗，直流电压会迅速地下降，也就导致了由直流电压经整流器102及牵引变压器101产生的网压同步信号也会迅速地下降。

因此，根据上述分析，提出了在非轻载牵引工况下进行受电弓失电智能检测的方案。针对非轻载牵引工况的情况，其检测方案有如下几种：

(1)对网压同步信号uf进行滤波处理，然后与正常网压峰值下限值ufmin进行比较判断。在非轻载牵引工况下，网压同步信号的大小迅速下降，但由于此同步信号是由直流电压经整流器102及牵引变压器101产生的网压同步信号，包含大量的特征次谐波，因此需要对同步信号进行滤波，得到网压同步信号滤波后的信号，然后与正常网压峰值下限值ufmin进行比较。当半个工频周期都出现网压同步信号滤波后的信号小于或等于正常网压峰值下限值ufmin，则认为受电弓100失电。

(2)根据整流器102的交流侧电流in1～inx或牵引变压器101原边侧电流if的实际值与理论值的偏差进行判断。在非轻载牵引工况，牵引功率较大，如果出现受电弓失电工况，受电弓100将无法提供向牵引变压器101的原边侧提供能量，则整流器102的交流侧电流或牵引变压器101的原边侧电流与其电流信号的控制理论值相差很大。因此，依据传动控制单元采样的交流侧电流或牵引变压器101原边侧电流的实际值，与此电流信号的控制理论值进行偏差对比。实际值与理论值可以是瞬时值，也可以是半个工频周期内的有效值、或是半个工频周期内的峰值。当理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max，则认为受电弓100失电；或当理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max，则认为受电弓100失电。

如附图4所示，智能检测单元3进一步包括第一滤波环节310和第一比较环节311。当变流器200处于非轻载牵引工况时，第一滤波环节310对网压同步信号uf进行滤波处理后输出至第一比较环节311，然后第一比较环节311将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值下限值ufmin进行比较判断，若半个工频周期内都出现网压同步信号滤波后的信号小于或等于正常网压峰值下限值ufmin，则判断受电弓100失电。

智能检测单元3进一步包括第一差值比较环节312，当变流器200处于非轻载牵引工况时，第一差值比较环节312根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓100失电。

智能检测单元3进一步包括第一比值比较环节313，当变流器200处于非轻载牵引工况时，第一差值比较环节312根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓100失电。

本发明具体实施例针对非轻载牵引工况，通过对网压同步信号进行滤波处理，得到较为平滑的滤波后的网压同步信号，用此滤波后的网压同步信号，与正常网压峰值下限值进行比较，从而判断是否存在受电弓100失电。

3、变流器非轻载制动工况下的受电弓失电判断

当列车处于制动工况且变流器200存在较大的负载，此时变流器200向供电网回馈较大的能量。此时若受电弓100失电，能量无法正常回馈到供电网，则电机向变流器200回馈的能量累积在直流回路的电容等器件上，造成直流电压逐渐上升。直流回路支撑电容上的直流电压，经由整流器102及牵引变压器101，仍然在牵引变压器101的原边侧产生了类似供电网网压的网压同步信号。此时的网压同步信号，会随着制动能量回馈的直流电压升高，而相应的增大。

因此，根据上述分析，提出了在非轻载制动工况下进行受电弓失电智能检测的方案。针对非轻载制动工况的情况，其检测方案有如下几种：

(1)综合直流电压的上升情况及网压同步信号滤波处理后的信号，进行受电弓失电检测的判断。直流电压迅速上升，是非轻载制动工况的一大特点。当直流电压大于理论值一定范围后，才进一步进行判断。而直流电压上升，经由整流器102及牵引变压器101，在牵引变压器101原边侧产生的类似供电网网压的网压同步信号大小也随着上升。考虑消除特征次谐波的影响，还需要对网压同步信号进行滤波，然后与正常网压峰值上限值ufmax进行比较。当半个工频周期都出现网压同步信号滤波后的信号大于或等于正常网压峰值上限值ufmax，则认为受电弓100失电。

(2)根据整流器102的交流侧电流in1～inx或牵引变压器101的原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断。此判断方式与前述非轻载牵引工况下根据电流进行判断的方案基本相同。

如附图5所示，智能检测单元3进一步包括第二滤波环节320、第二比较环节321、第三比较环节322和与门环节323。当变流器200处于非轻载制动工况时，第二比较环节321将直流电压ud与正常直流电压上限值udmax进行比较，第二滤波环节320对网压同步信号uf进行滤波，然后由第三比较环节322将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值上限值ufmax进行比较，第二比较环节321的输出值与第三比较环节322的输出值在与门环节323中进行与运算。当直流电压大于或等于正常直流电压上限值udmax一定范围后，如果在半个工频周期都出现经过滤波处理后的网压同步信号uf大于或等于正常网压峰值上限值ufmax时，则判断受电弓100失电。

智能检测单元3进一步包括第二差值比较环节324，当变流器200处于非轻载制动工况时，第二差值比较环节324根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓100失电。

智能检测单元3进一步包括第二比值比较环节325，当变流器200处于非轻载制动工况时，第二比值比较环节325根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓100失电。

本发明具体实施例针对非轻载制动工况，综合直流电压与直流电压设定值的偏差，以及滤波后的网压同步信号进行判断，用此滤波后的网压同步信号，与正常网压峰值上限值进行比较，从而判断是否存在受电弓100失电。

针对变流器非轻载工况，不管是牵引还是制动情况，均根据整流器102的交流侧电流in1～inx或牵引变压器101的原边侧电流if的实际值与理论值的偏差进行判断，从而判断是否存在受电弓100失电。

4、变流器轻载工况下的受电弓失电判断

当列车的变流器200处于小功率运行状态，此时变流器200与供电网之间传递的能量较少。在较短时间内的受电弓100失电，不管是牵引工况还是制动工况，其引起的网压同步信号幅值、整流器102交流侧电流、牵引变压器101原边侧电流、直流电压变化并不明显。但由于此时网压同步信号测量的电压，并非是真实供电网的电压，而是由直流电压经过整流器102而在牵引变压器101原边侧产生的电压，因此此时的网压同步信号包含有很大的与整流器102的igbt开关频率相关的特征次谐波。

因此，在变流器轻载工况下，可根据网压同步信号uf的特征次谐波进行受电弓失电检测的判断。首先，提取网压同步信号uf包含的特征次谐波uh，并计算其有效值uh_rms。然后将特征次谐波有效值uh_rms与谐波判断门槛值uh_threshold进行比较，如果特征次谐波有效值uh_rms大于或等于门槛值uh_threshold，则认为受电弓100失电。

网压同步信号的特征次谐波提取与有效值计算的方式有很多种，本发明具体实施例给出一种较为精确的方案，具体为：(1)设计合适的陷波环节对网压同步信号uf进行滤波，陷波环节针对的滤除频率位于特征次谐波的中心频率。将网压同步信号uf减去陷波环节的输出信号，得到特征次谐波uh。(2)对特征次谐波uh进行取绝对值处理，得到uh_abs。(3)对绝对值处理后的uh_abs进行二阶低通滤波，滤除交流量，保留直流量。(4)对保留的直流量乘以修正系数，得到特征次谐波有效值uh_rms。

如附图6所示，智能检测单元3进一步包括提取计算环节330和第四比较环节331，当变流器200处于轻载工况时，提取计算环节330提取网压同步信号uf中包含的特征次谐波uh，并计算特征次谐波uh的有效值uh_rms，再由第四比较环节331将特征次谐波的有效值uh_rms与谐波判断门槛值uh_threshold进行比较，如果特征次谐波的有效值uh_rms大于或等于门槛值uh_threshold，则判断受电弓100失电。

如附图7所示，提取计算环节330进一步包括陷波环节340、绝对值求取环节341、低通滤波环节342和第二比例环节343。陷波环节340对网压同步信号uf进行滤波，陷波环节340针对的滤除频率位于特征次谐波的中心频率。将网压同步信号uf减去陷波环节340的输出信号，得到特征次谐波uh，由绝对值求取环节341对特征次谐波uh进行绝对值求取处理，得到特征次谐波的绝对值uh_abs。再由低通滤波环节342对经过绝对值求取处理后的uh_abs进行二阶低通滤波，滤除交流量，保留直流量。由第二比例环节343对保留的直流量乘以修正系数，得到特征次谐波的有效值uh_rms。

本发明具体实施例针对变流器轻载工况，获取网压同步信号的特征次谐波，通过特征次谐波的有效值大小与设定的门槛值进行比较，从而判断是否存在受电弓100失电。

需要特别说明的是，在本发明具体实施例中还存在部分环节可以替代的情况，本发明请求保护的范围并不局限于具体实施例中描述的方式，现分述如下：

(1)对于功率计算单元2，功率的计算方式可以多种多样，本发明实施例描述的计算方式均是通过电压和电流等电信号进行计算，还可以根据力矩(力)和转速(速度)进行计算。

(2)对于滤波环节，在本发明实施例的单元中多处均采用了滤波环节，而滤波的方式多种多样，只要能够达到相同的目的，滤波的方式可以选取各种的不同类型。

(3)对于特征次谐波大小的判断方式，本发明实施例中采用了较可靠的有效值大小进行判断，同样可根据峰值的大小进行判断。而对于有效值的计算方式，本发明实施例采用了具有较好实时性和连续性的绝对值滤波计算方式，有效值也可通过其它方式进行计算。

实施例2

一种列车受电弓失电检测和保护方法的具体实施例，包括以下步骤：

a)对列车牵引系统的电压、电流信号进行ad采样；

b)根据采样得到的电压、电流信号进行变流器功率计算；

c)根据采样得到的电压、电流信号、断路器及接触器状态、变流器状态，以及经过计算得到的变流器功率，进行受电弓失电检测和判断；

d)如果检测到列车牵引系统在工作状态下出现受电弓失电，则根据计算得到的变流器功率，分别采取相应的保护措施。

在步骤a)中通过传动控制单元采样列车牵引系统的电压、电流信号，传动控制单元采样的电压、电流信号包括网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx、变压器原边侧电流if、直流电压ud。

步骤b)中的断路器及接触器状态包括真空断路器vcb，以及第一短接接触器km1、第二短接接触器km2的状态。

步骤c)中的变流器状态包括停止工况、非轻载牵引工况、非轻载制动工况和轻载工况。

步骤a)的采样过程进一步包括以下步骤：

采集列车牵引系统中的电压、电流信号，并输出0～±immax电流型信号。0～±immax电流型信号流经采样电阻后产生与电流型信号成比例的采样电压。采样电压经过运算放大转变为0～±10v的标准电压型信号，该标准电压型信号通过ad转换变换为0～±8191的数字量信号。所述数字量信号乘以采样过程中各个环节的转换系数，得到与列车牵引系统中真实电压、电流值对应的电压、电流变量。

在步骤b)中，当采样过程采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、变压器原边侧电流if时，变流器功率为网压有效值与变压器原边侧电流有效值的乘积。

在步骤b)中，当采样过程采集列车牵引系统中的网压同步信号uf、各个整流器交流侧电流in1～inx时，变流器功率为将整流器交流侧电流依据变压器变比、整流器重数折算成变压器原边侧电流，然后根据折算的变压器原边侧电流及网压有效值计算的功率值。

当采样过程采集列车牵引系统中的直流电压ud、直流电流id时，变流器功率为直流电压ud与直流电流id的乘积。

在步骤c)中，根据列车牵引系统中变流器200在受电弓失电工况下的表现情况，将受电弓失电工况下的变流器状态分为变流器停止工况，变流器非轻载牵引工况，变流器非轻载制动工况，变流器轻载工况。

当变流器200处于停止工况时，根据每个工频周期内的网压同步信号电压峰值ufpeak是否小于或等于正常网压峰值下限值ufmin进行受电弓失电判断。

当变流器200处于运行工况，断路器及接触器均处于闭合的状态时，根据变流器200功率的大小选择相应的受电弓失电判断方式。

如果变流器200处于牵引工况，且变流器200功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则设置变流器非轻载牵引工况下的受电弓失电判断方式生效。

如果变流器200处于制动工况，且变流器200功率p大于或等于选择模式门槛值pthreshold，则设置变流器非轻载制动工况下的受电弓失电判断方式生效。

如果变流器200功率p小于或等于1.2*pthreshold，则设置变流器轻载工况下的受电弓失电判断方式生效。

当变流器功率p位于pthreshold和1.2*pthreshold之间，存在着两种判断方法同时生效(由于各分支的判断方法覆盖的功率范围是边沿部分重叠的，因此在交界处采用两种方法都生效，能有效防止功率正好位于临界点上下跳动，来回切换的判断方法)。因为判断方法需要时间，如果来回切换时间比判断方法所需时间还短，结果将会无法判断。因此，设置一定的共同判断区间，能够保证在此期间一定会有判断方法生效。两者取或，同时生效并不影响。

当检测到受电弓100失电，且变流器200功率达到或超过设定功率，传动控制单元采取相应的保护措施，立刻封锁整流器102和逆变器103的脉冲，使变流器200停止工作，并跳开真空断路器vcb，以及第一短接接触器km1、第二短接接触器km2，以防止由于受电弓100失电后出现的电压过压和电流过流现象。

当检测到受电弓100失电，且变流器200功率低于设定功率，传动控制单元采取相应的保护措施，先使逆变器103按照一定斜率将功率卸载到零，然后再封锁整流器102和逆变器103的脉冲，并跳开真空断路器vcb，以及第一短接接触器km1、第二短接接触器km2，以避免在有功率情况突然切除功率导致的列车突然性抖动。

如附图8所示，一种列车受电弓失电检测和保护方法的具体实施例，描述了列车在任何工况下出现受电弓失电都能检测及保护的方法，该实施例具体包括以下步骤：

s100：根据采样得到的电压、电流信号、断路器及接触器状态、变流器状态，以及经过计算得到的变流器功率，进行受电弓失电检测和判断；

s201：如果变流器200处于牵引工况，且变流器功率p大于选择模式门槛值pthreshold，则设置变流器非轻载牵引工况的受电弓失电判断方式生效；

s202：如果变流器功率p小于1.2*pthreshold，则设置变流器轻载工况的受电弓失电判断方式生效；

s203：如果变流器200处于制动工况，且变流器功率p大于选择模式门槛值pthreshold，则设置变流器非轻载制动工况的受电弓失电判断方式生效；

s300：如果变流器200处于停止工况，则设置变流器停止工况的受电弓失电判断方式生效；

s400：如果检测到列车牵引系统在工作状态下出现受电弓失电，则根据计算得到的变流器功率，分别采取相应的保护措施。

当变流器200处于非轻载牵引工况时，对网压同步信号uf进行滤波处理，将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值下限值ufmin进行比较判断，若半个工频周期内都出现网压同步信号滤波后的信号小于或等于正常网压峰值下限值ufmin，则判断受电弓100失电。

当变流器200处于非轻载牵引工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓100失电。

当变流器200处于非轻载牵引工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓100失电。

当变流器200处于非轻载制动工况时，将直流电压ud与正常直流电压上限值udmax进行比较得出第一比较值，并对网压同步信号uf进行滤波，然后将经过滤波处理后的网压同步信号uf与正常网压峰值上限值ufmax进行比较得到第二比较值。对第一比较值输出值与第二比较值进行与运算，当直流电压大于正常直流电压上限值uamax一定范围后，如果在半个工频周期都出现经过滤波处理后的网压同步信号uf大于或等于正常网压峰值上限值ufmax时，则判断受电弓100失电。

当变流器200处于非轻载制动工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的差值大于或等于差值判断门槛值id_value_max时，则判断受电弓100失电。

当变流器200处于非轻载制动工况时，根据整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if实际值与理论值的偏差进行判断，当整流器交流侧电流in1～inx或变压器原边侧电流if理论值与实际值的比值大于或等于比值判断门槛值iratio_max时，则判断受电弓100失电。

当变流器200处于轻载工况时，提取网压同步信号uf中包含的特征次谐波uh，并计算特征次谐波uh的有效值uh_rms，再将特征次谐波的有效值uh_rms与谐波判断门槛值uh_threshold进行比较，如果特征次谐波的有效值uh_rms大于或等于门槛值uh_threshold，则判断受电弓100失电。

当变流器200处于轻载工况时，提取特征次谐波uh，并计算特征次谐波uh的有效值uh_rms的过程进一步包括以下步骤：

对网压同步信号uf进行滤波，滤波针对的滤除频率位于特征次谐波的中心频率。将网压同步信号uf减去经过滤波处理后的网压同步信号uf，得到特征次谐波uh，对特征次谐波uh进行绝对值求取处理，得到特征次谐波的绝对值uh_abs。再对经过绝对值求取处理后的uh_abs进行二阶低通滤波，滤除交流量，保留直流量。对保留的直流量乘以修正系数，得到特征次谐波的有效值uh_rms。

本发明具体实施例描述的列车受电弓失电检测和保护装置及方法考虑了各种受电弓失电的类型，考虑了列车从制动满功率到零以及从零到牵引满功率的所有功率情况，给出了列车在任何工况下出现受电弓失电都能检测和保护的装置及方法。提出了一种能够根据功率自动调整的，以网压同步信号、交流侧电流(整流器交流侧电流或变压器原边侧电流)、直流电压的异常情况为基础的受电弓失电智能检测和保护装置及方法。

通过实施本发明具体实施例描述的列车受电弓失电检测和保护装置及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的列车受电弓失电检测和保护装置及方法解决了现有方案容易导致列车牵引系统中相应设备在短时间内承受超出正常范围的电压或电流，从而影响列车牵引系统中关键零部件，如电容、电抗器、电机等的使用寿命的技术问题，提升了列车应对突发异常工况的能力，充分保证了列车的安全持续运行；

(2)本发明具体实施例描述的列车受电弓失电检测和保护装置及方法考虑了列车受电弓失电在各种工况下发生的情形，对各工况下的情况进行了详细分析，找出各工况下的受电弓失电的特征，从而提出了一种涵盖了列车所有工况的受电弓失电智能检测的方法，即避免了在某些个别情况下未检测出受电弓失电，也避免了误报受电弓失电的现象；

(3)本发明具体实施例描述的列车受电弓失电检测和保护装置及方法针对列车制动大功率工况的受电弓失电会在几十毫秒内迅速出现过压及过流故障，提出了综合直流电压与直流电压设定值的偏差，以及滤波后的网压同步信号大小的判断方法，能在极短时间(10ms)内判断出受电弓失电，从而在出现过压及过流故障之前，主动的封锁整流器及逆变器脉冲，并进行各项保护；

(4)本发明具体实施例描述的列车受电弓失电检测和保护装置及方法针对列车轻载工况难以直接根据同步信号大小进行判断的难题，提出了获取网压同步信号的特征次谐波，通过特征次谐波的有效值大小与设定的门槛值进行比较的方法，避免了在受电弓失电后的受电弓恢复得电的时刻容易出现过流的技术问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。