基于全线钢轨电位特征提取的在线钢轨绝缘缺陷诊断方法与流程

本发明属于城市轨道交通故障检测应用领域。具体涉及一种基于全线钢轨电位特征提取的在线钢轨绝缘缺陷诊断方法。
背景技术：
：2019年内地城市轨道交通城市升至40多座，运营总里程超过6700公里。城市轨道交通一般为1500v或750v直流供电。绝大部分城市城轨系统把钢轨作为回流轨。列车通过受电弓从接触网取流，供机车消耗能量，电流由钢轨回到牵引供电所负极。由于钢轨对地过渡电阻的存在，电流在钢轨中流通时会泄漏至大地，此部分电流被称之为杂散电流。杂散电流流入地中，不可避免的在地中金属结构中流动，最后通过过渡电阻等途径流回牵引所负极。电流在地下管道中由阴极区流至阳极区，阳极区发生氧化反应后金属溶解，管道壁变薄甚至穿孔。通常管道存在自发进行的自然腐蚀，腐蚀速度慢。由于杂散电流的干扰，产生电化学腐蚀，电流数值较大时，腐蚀速度快，穿孔时间短。电流在变电所附近土壤中流动，通过中性点接地的变压器留入变压器内部，致使变压器发生直流偏磁。发生直流偏磁后变压器励磁电流中产生的谐波会导致变压器异常，出现温度升高、振动、噪声等问题。较大的杂散电流干扰造成额外的经济损失。杂散电流防护设计采取“以堵为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则。堵：从源头上减小流入地中电流。减小牵引所间距；减小钢轨纵向电阻；增加钢轨对地过渡电阻；提高电压等级。排：通过排流措施减小流入地中电流。设置排流系统，建立杂散电流流回牵引所负极的回路。测：监测线路情况，为杂散电流的运营维护提供依据。影响地铁杂散电流分布的重要参数是钢轨纵向电阻和钢轨对地过渡电阻。地铁建成进入运营阶段后，随着时间积累，线路污染累积等导致钢轨对地过渡电阻降低，从而加剧杂散电流。《cjj49-1992地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定：兼用做回流的地铁走行轨与隧洞主体结构(或大地)之间的过渡电阻值(按闭塞区间分段进行测量并换算为1km长度的电阻值)，对于新建线路不小于15ω·km，对于运行线路不小于3ω·km。钢轨对地过渡电阻的监控尤为重要。过渡电阻不符合要求视为绝缘出现缺陷，此时钢轨对地电流泄漏加剧，导致管道腐蚀、直流偏磁加剧。现有线路过渡电阻检测方法采用gb28026.2-2018附录b.2中的方法，在检测中受上下行均流线以及同行间均流线影响，检测长度一般不超过400m。单次检测效率低，线路较长时检测次数增多，耗费大量人力、物力。对运营线路的过渡电阻检测仅能在凌晨实施。鉴于以上情况，一种在线的绝缘缺陷诊断技术的研究十分有必要。当某一区段上钢轨对地绝缘变化时，全线钢轨对地电位的分布将发生显著变化。绝缘情况最直接的表征因素应该是全线钢轨电位的分布。技术实现要素：本发明的目的是对城轨供电系统中钢轨电位等进行监测，可在线及时对数据进行记录分析，从而实现对线路绝缘情况的诊断，为杂散电流防护提供参考。为此，本发明提供了一种基于全线钢轨电位特征提取的在线钢轨绝缘缺陷诊断方法，包括以下步骤：步骤1：数据的获取和存储。通过各测量点的钢轨电位测量装置获取各测量点实时钢轨电位数据信息，通过信息交互获取包括发车间隔、负荷电流和相关设备状态等信息。将采集的数据存储至实时数据库；通过服务器本身的规约转换为监控系统可识别的数据；系统对数据进行处理，提供历史数据管理、数据查询(包括各种特征量)、统计计算、绝缘诊断，并向所述系统发出报警等控制指令。步骤2：对历史数据进行管理，选取线路运营初始，线路情况良好的阶段，对该阶段历史数据进行处理，组成不同参考组别。对于历史数据中的不同发车间隔th，满足计算周期内zth＝00时，整理出多组与短时平均负荷电流aviqh对应的各测量点的钢轨电位短时平均值aveih、短时钢轨电位最大值maxih、短时钢轨电位最小值minih、短时绝对平均值abvih作为不同的参考组别，此处的短时特征量均以对应的发车间隔作为计算周期，计算公式如下：maxih＝max(iihn,n＝1,2,3....n),i＝1,2,...i(3)minih＝min(iihn,n＝1,2,3....n),i＝1,2,...i(4)其中，n代表一个计算周期内的第n个数据，n代表该计算周期内该类数据总个数；q代表线路上第q个牵引所，q代表线路牵引所总个数；i代表线路第i个测量点，i代表线路测量点总个数。步骤3：对实时数据进行特征量提取，通过条件特征匹配到参考组别进行绝缘诊断。3.1实时数据处理：以24h内的运营时间作为诊断周期，对该周期内不同发车间隔ts，满足周期内zts＝00时，计算各牵引所q的短时平均负荷电流aviqs作为匹配参考值的条件量；各测量点i的钢轨电位的短时平均值aveis、短时钢轨电位最大值maxis、短时钢轨电位最小值minis、短时绝对值的算数平均值abvis作为绝缘诊断的特征量，计算公式如下：maxis＝max(iisn,n＝1,2,3....n),i＝1,2,...i(8)minis＝min(iisn,n＝1,2,3....n),i＝1,2,...i(9)3.2匹配参考组别，将ts＝th、zts＝00、实时计算的aviqs与aviqh的对比差别最小作为匹配参考组别的匹配条件，e为最小化目标，其中e表达如下：3.3数据比较：将各测量点计算的特征量与匹配到的参考组别对比，计算偏差δuixj与偏移率σi如下：δuixj＝uixj-me-uix-ref,i＝1,2,...i(12)其中，j代表诊断周期内第j次比较，j＝1,2,3.....；x代表选取的诊断特征量。3.4异常诊断：对不同测量点i，当偏移率σi≤ux时，ux为偏移率限值；认为第j次比较测量点i钢轨电位特征量x异常，异常次数kix＝kix+1。3.5可疑缺陷单次诊断：在第j次比较中，对不同诊断特征量x进行分析时，存在任一测量点诊断特征量x异常的情形下，比较不同测量点i的δuixj；若比较短时钢轨电位最大值或短时绝对平均值，则取最大的δuixj为本次指标x的异常比较结果；若比较短时钢轨电位最小值，则取最小的δuixj为本次指标x的异常比较结果；异常比较结果指向的测量点i为第j次比较诊断特征量x时可疑缺陷测量点，则将此测量点诊断特征量x的可疑缺陷统计量mix+1。3.6综合诊断特征量进行缺陷单次诊断：在第j次比较时，针对选取的诊断特征量不同，诊断特征量x的异常比较结果指向的测量点i满足：当取最大值、最小值和绝对值的算数平均值作为诊断特征量时，至少存在两个指标比较结果后指向的同一i，测量点可疑缺陷统计量ni+1。当取最大值和最小值作为诊断指标时，存在两种可能，最大值指向的i与最小值指向的i为同一i，ni+1；最大值指向的i与最小值指向的i不为同一i，均将不同的ni+1。当取最大值或最小值作为诊断指标时，该指标异常结果指向i，ni+1。3.7诊断周期内下一组数据处理与比较：更新j＝j+1，重复步骤3.1至步骤3.6，直至诊断周期结束。步骤4：对诊断结果进行概率统计，最终通过给定限值实现缺陷定位。每个诊断周期的比较次数为j，用矩阵[k]代表异常次数，矩阵[m]代表可疑缺陷次数，矩阵[n]代表缺陷次数；初始矩阵元素均为0；其中[k]、[m]中行代表为测量点，列代表被比较特征量；[n]中行代表为测量点；统计诊断周期内的各测量点异常比率与缺陷比率当βi≥βu,i＝1,...10时的i为定位的存在缺陷的测量点，若所有βi＜βu，则不存在缺陷点；其中βu为额定缺陷比率。进一步的，相关设备为钢轨电位限制器ovpd和排流装置；设备状态为断开时，表示为“0”；设备状态为闭合时，表示为“1”。用状态值zt表示设备状态如表1：表1设备状态表历史/实时设备状态zth/ztsovpd、排流装置均断开00ovpd断开、排流装置闭合01ovpd闭合、排流装置断开10ovpd、排流装置均闭合11进一步的，诊断周期内存在多种计算周期，数据应与pscada实时信息交互，一个诊断周期内的数据总数为j组，即比较次数为j次。进一步的，诊断特征量为短时钢轨电位最大值、短时钢轨电位最小值和短时绝对平均值。进一步的，ux根据不同线路有不同取值，且无论取何诊断特征量均为负。本发明与现有技术相比的有益技术效果为：1、利用在线诊断方法，可快速定位缺陷位置。2、杂散电流与过渡电阻密切有关，当某部分绝缘出现问题，杂散电流增多。通过该方法可及时发现缺陷，为杂散电流防护提供参考。附图说明图1为发明数据采集示意图。图2为本发明流程示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明的基于全线钢轨电位特征提取的在线钢轨绝缘缺陷诊断方法流程图如图2所示，本实施例以钢轨电位为特征，对全线钢轨电位变化情况进行诊断，定位缺陷位置。按图1中各测量点数据采集装置采集数据传输至监控系统，且从pascda系统中获取实时的其它信息，如列车发车间隔时间、设备状态等。按本发明的方法对历史数据与实时数据进行处理，计算各牵引所的短时平均负荷电流、各测量点钢轨电位的短时平均值、短时钢轨电位最大值、短时钢轨电位最小值、短时绝对值的算数平均值等。匹配参考组别后进行偏差值、偏移率计算，针对不同诊断特征量进行单次缺陷诊断。诊断周期结束后，进行统计。以缺陷比率作为限值进行缺陷诊断。具体实施例为：参考值获取：zth＝00时的历史数据处理结果如表2：表2参考组别详表数据处理：zts＝00时的一组实时数据处理结果如表3。表3实时数据处理结果绝缘诊断：1、匹配参考组别。由于ts＝150s＝th1,且实时数据与参考组别的e值计算e1＝0.4<e2＝9.57e+04<e3＝1.72e+05<e3＝2.14e+05。匹配至参考组别1。2、数据比较。偏差值与偏差率计算结果如表4：表4偏差值与偏差率计算结果3、异常诊断。本线路取ux＝-20％，则此次比较后k31+1，k33+1。4、可疑缺陷单次诊断。m31+1、m33+1。5、综合诊断特征量进行缺陷单次诊断。不同的比较规则下的ni情况：(1)综合三个指标，短时最大钢轨电位、短时最小钢轨电位、短时绝对平均钢轨电位：n3+1；(2)综合短时最大钢轨电位和短时最小钢轨电位：n3+1。(3)仅将最大钢轨电位作为诊断特征量后，n3+1；仅将最小钢轨电位作为诊断特征量后，ni+0。6、对一天内单次诊断进行统计。取综合最大值钢轨电位和最小值钢轨电位作为诊断特征量，统计后结果如下：7、比较总次数j＝4，数据统计后诊断结果为站1、站2、站3、站4钢轨电位存在异常。站3的最大值异常比率达100％。缺陷比率β3＝100％、β4＝50％，定位到测量点3与测量点4。本发明利用钢轨电位的变化的特征实现了针对轨地过渡电阻绝缘缺陷的诊断，弥补了在线绝缘诊断方法的缺口，且诊断间接体现了杂散电流情况，可为杂散电流防护作参考。当前第1页12