基于改进ERSS的电气化接触网断线故障定位研究

陈乐瑞潘秋萍孔金生

（1. 郑州铁路职业技术学院电气工程系，郑州 450052；2. 郑州大学电气工程学院，郑州 450000）



基于改进ERSS的电气化接触网断线故障定位研究

陈乐瑞1潘秋萍1孔金生2

（1. 郑州铁路职业技术学院电气工程系，郑州 450052；2. 郑州大学电气工程学院，郑州 450000）

针对电气化铁路接触网断线故障定位问题，采用改进ERSS定位算法，对RSSI值与质心法中加权因子进行预处理和改进。通过仿真实验表明，在相同测试条件下，该定位算法在提高定位精度，降低费用方面有很大的提高，从而为接触网故障迅速检修和列车运营恢复提供了有力保障。

电气化接触网；断线；改进ERSS；故障定位

电气化接触网是向电力机车提供电能，保障列车正常运行的装置。在日常的运行中接触网一方面遭受大风，雨雪，温度变化，污染等自然因素的侵蚀，另一方面还要承受腕臂巨大的拉力和受电弓一定的压力，再加上巨大电流（1000A以上）作用，使得接触网经常处于振动，伸缩，发热的状态，从而使得接触网断线的可能性比普通供电线路大的很多。2012年9月深圳地铁龙华线发生接触网断线事故，导致列车停运7h。实践证明接触网断线事故影响范围大，危害严重，因此如何在断线事故发生后迅速找到故障点为后续的抢修作用赢得时间是当今研究的热点方向［1］，将大量的低功耗，低成本的小型压力传感器节点分布在接触网补偿装置或者支柱上，利用节点形成的分布式网络，将测得压力，张力，坐标等参数，通过GPS或者其他无线方式发送到监控中心，通过数据分析实现故障点的精准定位。目前的定位手段基本上分两大类：基于测距算法和无需测距算法［2］。前者是通过测量节点间的距离使用三角测量或者三边测量来计算节点位置，常用的测距技术有 RSSI、AOA等，这种算法对硬件要求较高，通常定位精度较好；跟前者相比后者不需要测量距离，主要是根据网络连接通性来实现节点定位，主要有APIT和DV-Hop法，这些算法对节点硬件要求较低，但是定位精度效果不好。本文是针对RSSI定位算法中存在的缺陷，通过对RSSI值进行预处理，修正质心法中的加权因子，使新的算法在定位精度和定位时间上都能达到满意的效果。

1 算法模型

1.1无线信号传播模型

由于信号在传输过程中会出现损耗，综合考虑本文采用常见的对数-常态分布模型，其模型如下：

式中，P（d）是距离节点d处的信号强度；Kp是路径损耗的系数（通常在2～5之间）；P（d0）是在参考距离d0处的信号强度；X0是均值为0的高斯分布变量。

1.2三边法定位数学模型

图1所示，A，B，C是三个坐标已知的传感器节点，未知节点到A，B，C的距离dA，dB，dC也是能够测量的，那么以A，B，C为圆心，以dA，dB，dC为半径作圆，由于真实环境dA，dB，dC测量存在误差ε，所以3个圆交集不是一个点而是一个区域（图1中L，M，N所包围区域），再求三角形LMN质心即为所求未知节点的坐标。在求解质心坐标的过程中为了提高精度，在每组定位坐标中引入加权因子，该加权因子大小为每次参与定位的3个圆的半径倒数之和［3］，L（x1，y1），M（x2，y2），N（x3，y3）。dA、dB、dC分别为所做圆的半径

图1　三边法模型

1.3优化锚节点模型

根据文献4所描述，当未知节点与锚节点的角同时等于 30°时，定位误差最小。ERSS定位算法根据满足式（2）的锚节点来实现节点定位

式中，λ为阈值，通过计算未知节点与其相邻锚节点的角度值，把角度值满足算式（3）的锚节点取出来。

2 改进算法

提出新算法从3个方面进行改进：对RSSI值高斯滤波处理，最大似然估计滤波优化RSSI值，修正质心加权值。

2.1高斯滤波处理

在无线传输数值的过程中，存在障碍物干扰等诸多环境因素，导致接收端接收的多个RSSI的值有很大的波动，在利用RSSI值计算距离之前要进行滤波处理［5］，其处理过程如下：根据随机变量服从正态分布的特点，在高概率发生区选择概率大于 0.56 （0.56是根据经验取得）的范围，经过高斯滤波后，RSSI的取值范围在其中：

2.2最大似然估计滤波优化RSSI值

2.3修正质心法加权值

传统的算法在选取权值过程中存在不合理的因素，为了解决这个不合理问题本文采用的修正加权质心定位算法如下这样做改变Ad、Bd主导关系，防止主要数据发生次要作用，避免了淹没现象的产生［6］。通过对加权值的修改质心坐标变为

2.4算法流程

图2　算法流程图

3 仿真结果

利用Matlab建立一个在100m×100m范围的仿真环境，从建设成本，定位精度两方面来进行仿真说明。

图3　节点个数对定位误差影响

从图3上可以看出，在锚节点数量一样的情况下，改进后的 ERSS算法在精度上明显要好于改进前，也就是说要想达到同样精度，改进后的算法要求使用的锚节点更少，从投资角度来讲，减少了硬件投入，节约了资金。

图4　ERSS算法定位误差

图5 改进ERSS算法定位误差

图4和图5是节点在通信半径是50m，锚节点个数为40，未知节点为100情况下得到的，其中星号代表未知节点真实位置，圆代表算法预测到的节点位置，黑色三角代表锚节点位置，短线表示误差。通过对比不难发现改进之后的算法在一定程度上减少了定位误差。

4 结论

本文先后对RSSI值进行高斯滤波，最大似然估计，修正加权系数等操作最传统的 ERSS算法进行改进，通过理论仿真证明在达到相同精度前提下，改进之后的新算法要求无线传感器的数量会更少，这样可以降低电气化铁道接触网的施工的预算，另外在接触网断线故障定位精度方面有进一步的提高，为后续故障快速排除和事故抢修作业提供保障，但是该算法是在理想环境下仿真出来的，而实际中接触网在空间几乎呈现带状分布这一独特结构决定了该算法存在一定的局限性，因此在适应性方面进行优化是今后研究的重点方向。

［1］郭黎曼. 高速电气化铁路综合故障测距分析［J］. 电气化铁道，2013，14（2）：28-29.

［2］冯冬青，赵志远. 基于RSSI的无线传感器网络改进定位算法［J］. 广西大学学报（自然科学版），2012，37（6）：1158-1163.

［3］刘运杰，金明录，崔承毅. 基于 RSSI的无线传感器网络修正加权质心定位算法［J］. 传感技术学报，2010，23（5）：717-721.

［4］李丽，周彦伟，吴振强. 无线网络定位技术研究［J］.计算机技术与发展，2011，21（10）：59-62.

［5］朱浩，顾宗海，苏金，等. 一种基于交点质心求解的RSSI定位算法及其优化［J］. 郑州大学学报（工学版），2010，31（6）：43-46，59.

［6］Wang Huanhuan，Wan Jianchen，Liu Ruyou. A novel ranging method based on RSSI［J］. Energy Procedia，2011，12（2011）：230-235.

Research on the Disconnection Fault Location of Electric Contact Line based on Improved ERSS

Chen Lerui1Pan Qiuping1Kong Jinsheng2
（1. Department of Electrical，Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，Zhengzhou 450052；2. School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450000）

Aiming at the problem of Electric contact line disconnection fault location，the paper used improved ERSS algorithm，which pretreated and improved weighting factors in RSSI and cancroids method. Simulation results shows that under the same test conditions，this algorithm can improved the positioning accuracy and reduce the cost，also it provides powerful guarantee for rapid repair of the contact line and the recovery of the train operation.

electric line； disconnection； improved ERSS； fault location

陈乐瑞（1985-），男，河南南阳人，助教，硕士，从事电气化接触网性能研究工作。

河南省科技厅科技攻关项目（132102210397）