高铁电气系统中的GMD干扰监测及信号消噪方法

马云凤，宗 伟，刘连光，于永富，马骋原

（华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）

0 引言

由于高铁运行依赖电力牵引且系统的规模越来越大，研究各种电磁干扰对高铁电气系统的影响成为了重要课题。其中，太阳活动引起的地磁扰动GMD（GeoMagnetic Disturbance）的影响是新问题。1982年，剧烈的GMD曾造成过瑞典南部铁路信号灯出现“闪红”［1-2］。1996年，剧烈的 GMD 使俄罗斯北部铁路Nyandoma到Obozerskaya区段的铁路车站信号集中闭塞系统（SCB）异常［3-4］。我国高铁投入运行的时间短，还没有经过太阳活动周峰年期的考验，但我国已投运和在建的高铁系统会不会受到同样的影响是需要研究的问题。

目前，针对GMD对公共电网的影响，国内外都有大量研究，包括对电网地磁感应电流（GIC）及其衍生效应监测［5］，利用GMD监测数据进行评估计算等。而高铁牵引站由三相220 kV或330 kV供电，牵引主变压器无中性点，220 kV或330 kV侧没有GIC通路。针对国外信号灯“闪红”和SCB异常，本文提出研究GMD侵害高铁电气二次系统（27.5 kV侧）过程以及GMD干扰效应的监测方法，以期通过对牵引网的监测给出答案。

1 高铁电气系统的影响分析

GIC在AT方式牵引供电系统的流通路径如图1所示。地球磁场的扰动在地面感应出电场［6］，作用于与大地连接的牵引主变压器接地极、自耦变压器（AT）所AT中点，产生在牵引网中流通的GIC。站内轨道电路两端的机械绝缘节包含着连接2条钢轨的扼流变压器，用于牵引电流回流不受绝缘节影响。而扼流变压器中点与贯通地线连接，感应地电场作用在牵引变电所与AT所之间钢轨的两接地点，产生在钢轨中流通的GIC。

根据图1，GIC路径包括高铁牵引网和轨道电路系统的钢轨两部分，可能对牵引供电系统中的牵引主变压器、AT所的AT、轨道电路的扼流变压器以及机车变压器产生影响。由于GMD发生的不确定性及强度的随机性，很难通过理论计算获得高铁GIC数据。因此通过在系统中设置传感器对GIC大小进行实时监测，获得实测数据分析GMD对系统的影响是直接又最有效的方法。通过分析GIC流通路径可知，为了研究GIC对路径中变压器的影响，需要监测牵引网和钢轨回路中的GIC大小。可在牵引主变压器接地极（图1中监测点1）、AT接地极（图1中监测点3）安装传感器，以监测牵引网中流经牵引主变压器、AT的GIC；可在钢轨扼流变压器中点引线（图1中监测点2、监测点4）安装传感器，以监测牵引变电所、AT所附近钢轨中的GIC大小。

图1 AT牵引供电系统中的GIC流通路径Fig.1 GIC path of AT tractive power-supply system

2 GMD干扰监测方法

2.1 监测装置功能结构设计

设计的高铁电气系统GMD监测装置可对牵引网和轨道电路各监测点的GIC实时监测、数据库存储、信息处理和图形表格等进行直观显示，并能通过网络上传到监测中心。由于GMD不经常发生，铁路周围的电磁环境复杂，设计的装置具有阈值报警功能，以便及时了解GMD对铁路系统的影响。装置硬件由采集传感器、装置主机、通信模块以及声光报警电路等部分组成。考虑到GMD衍生的干扰信号为0.0001～0.01 Hz的准直流，电磁式传感器不能变换原边中的直流分量，且易产生直流偏磁饱和，以及其他的直流测量方法实际应用困难且精度不够，本文设计的装置采用霍尔传感器，其信号测量的频率范围宽，交直流均可测量且灵敏度高，装置价格也较为便宜。

2.2 GIC监测点选择

牵引变电所内设置了牵引回流收集的工程装置——集中接地箱（JD箱），为独立箱式结构，内部汇集了连接两轨条的扼流变压器中点引线、PW保护线、贯通地线等牵引回流导线。JD箱还与牵引主变压器接地极相连，用于除了经正馈线回流的少数牵引电流的回流。

为了监测牵引网和轨道电路钢轨中的GIC大小，且考虑到牵引变电所内不允许安装铁路系统外设备，可在JD箱内与牵引主变压器接地极、钢轨连接的电缆（或铜排）上安装霍尔开环传感器。采集的10路信号包括以下2种。

a.牵引变电所内4台牵引主变压器接地极中的直流信号，主变每个接地极为2路信号，共2×4=8路。测量的信号为牵引网回路中流经牵引主变压器二次侧的直流，用于分析该直流对牵引主变压器的直流偏磁影响。

b.钢轨回流中的直流信号，共1×2=2路。测量的信号为钢轨回路中流经扼流变压器的直流信号，用于分析该直流对扼流变压器的影响。

3 监测信号消噪处理方法

与牵引电流及各次谐波相比，取样信号中GIC幅值很小。且由于各种干扰噪声的存在，取样信号具有较低的信噪比。若通过传统的低通滤波器滤除噪声，信号中的有用成分也会模糊。小波分析是时域和频域窗窗口大小可变的局部化分析方法，可有效去除信号中局部高频噪声干扰［7-14］。小波阈值去噪步骤如下。

a.小波分解。

母函数为 φ（t），伸缩平移因子为 s、k，小波基函数为 φs，k，则有：

函数 f（t）的小波变换 φs，k（f）是 f（t）在对应函数族 φs，k（t）上的分解：

本文通过软件设计对经过AD采集卡转换为数字的取样信号进行幂级数形式的离散小波变换：

b.阈值处理小波系数。

阈值的选择以及如何利用阈值量化小波系数将直接影响小波去噪的结果，由原信号确定的各层阈值为：

其中，dj（k）为步骤 a 中小波分解的高频系数；madian（）为MATLAB中求矩阵中值函数；n为处理信号长度，即采样点数。

在确定阈值后，用硬阈值、软阈值处理方法分别对步骤 a 中的小波系数 φs，k（f）做阈值处理。

c.重构信号。

将降噪处理后的结果进行小波逆变换，用修改过的各尺度细节重建原信号。由 φs，k（f）重构 f（t）的小波逆变换为：

其中，（w）为 φ（t）的傅里叶变换。

4 算例分析

牵引网中的谐波来源于机车传动系统中的变流器，取文献［15］中的CRH2型动车在机车取流为211A时，牵引变流器网侧电流谐波频谱图。CRH2型动车组为四动四拖车组，计算得到牵引网中牵引电流基波和谐波含量如图2所示。

由于白噪声信号存在于各个频段，添加白噪声到信号中；高纬度磁暴产生的感应地电场可以达到6V/km［16］，计算取铁路 GIC 为 1.5A。由于电网中 GIC是频率为0.0001～0.01 Hz的准直流信号，考虑到采集的信号中交流信号频率在50～350 Hz范围，取牵引网中GIC为频率为0的直流信号。为了验证小波去噪算法的有效性，根据实际需要和小波函数特性的要求，对一些满足条件的小波函数和阈值进行不同的组合，计算的均方根误差（RMSE）如表1所示。

图2 牵引电流基波和谐波频谱Fig.2 Spectrum of fundamental and harmonic waveforms of tractive current

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

对比发现Bior 5.5小波采用软阈值处理后RMSE最小，信噪比较大，且波形也更平滑，效果最好。去噪结果如图3所示。

图3 去噪结果Fig.3 Result of denoising

将经消噪处理后的信号，通过截止频率为1 Hz的FIR低通滤波器，GIC的滤波效果如图4所示。

图4 滤波结果Fig.4 Result of filtering

滤波起始时会有振荡，然后会从不断振荡的瞬态彻底进入稳态。调试滤波器参数后发现，起始振荡时间不会产生很明显的变化及影响。

5 结论

a.由于高铁电气系统的特殊性，在高铁电气系统一次侧中没有GIC的流通路径，GMD对高铁的影响体现在高铁的牵引网和轨道电路上。

b.GMD可能会以GIC方式对高铁造成影响，为研究GIC对高铁电气系统中不同变压器的影响，监测点的选择与公共电网不同。

c.由于系统中的有用信号非常微弱，对采集信号进行消噪处理很重要。本文的仿真算例结果表明，利用小波变换对信号消噪处理是可行和有效的。

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