改進小波包奇異熵的地鐵牽引電流擾動特征提取

改進小波包奇異熵的地鐵牽引電流擾動特征提取

0弓網(wǎng)燃弧檢測與牽引電流擾動在城市軌道交通上，大多數(shù)電力機車必須通過接觸前端的電箭和接觸線來獲得能。為了確保車輛的良好傳輸質(zhì)量，必須通過電弓和接觸網(wǎng)進行可靠接觸。隨著列車速度不斷提高,車體振動加劇,受電弓和接觸線的良好接觸遭到破壞,容易造成弓網(wǎng)脫離,從而引起弓網(wǎng)燃弧(包括電火花和電弧)發(fā)生和牽引電流擾動。因此,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50317:2002指出燃弧率是衡量機車受流質(zhì)量的特征指標(biāo)之一。目前,對于弓網(wǎng)燃弧的檢測,主要以日本和意大利的光學(xué)檢測法為代表,均是通過對弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時伴隨的紫外光的檢測來判斷弓網(wǎng)是否離線。而國內(nèi),西南交通大學(xué)接觸網(wǎng)實驗室研制出非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測裝置,并結(jié)合列車運行參數(shù),實現(xiàn)對弓網(wǎng)燃弧的在線檢測和精確定位。但是并非每次燃弧都會影響機車受流,文獻也曾指出牽引電流擾動主要是電弧引起,電火花影響較小,而弓網(wǎng)電弧與電火花很難鑒別區(qū)分;而且燃弧率是線路整體宏觀指標(biāo),很難對接觸網(wǎng)線路局部燃弧情況有效反映,比如錨段關(guān)節(jié)很容易發(fā)生燃弧,但僅從線路燃弧率難以發(fā)現(xiàn)機車通過時的受流情況,導(dǎo)致不能及時檢修,造成嚴(yán)重事故。然而國內(nèi)外目前又幾乎停留在對燃弧率的檢測,定量分析燃弧與牽引電流擾動的研究較少,以至于難以定位“有害”燃弧和針對性檢修接觸網(wǎng),增加線路維護成本。本文采用非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)實現(xiàn)對弓網(wǎng)燃弧的燃弧率、燃弧持續(xù)時間、燃弧紫外能量等參數(shù)的檢測,通過對廣州地鐵現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析,提出一種改進的小波包奇異熵算法和牽引電流擾動程度指標(biāo),定量分析燃弧紫外能量與牽引電流擾動程度的關(guān)系,為指導(dǎo)線路檢修提供數(shù)據(jù)參考。1電磁特征為光特征,電弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時,伴隨的特征主要包括光特征、熱特征和電磁特征。其中,光特征最為明顯。非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)是提取燃弧的光特征信號并轉(zhuǎn)換為電信號,再通過測量及數(shù)據(jù)處理得到燃弧檢測參數(shù)。1.1降低了光照和缺乏熒光光譜的表面元素利用光譜分析儀,可以得到太陽光和弓網(wǎng)放電產(chǎn)生弧光的光譜特性曲線,如圖1所示。由圖1可以看出,240~260nm波段處于太陽光日盲區(qū),地球表面含量極少。因此,將該波段紫外光作為燃弧檢測的特征量,便可排除太陽光干擾,較準(zhǔn)確地檢測是否有弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象發(fā)生,得到弓網(wǎng)燃弧相關(guān)參數(shù),提高系統(tǒng)檢測精度。1.2基于不同光源的光柵非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2。當(dāng)接觸線與受電弓之間發(fā)生燃弧現(xiàn)象時,產(chǎn)生的弧光以點光源形式向外輻射,到達光學(xué)采集系統(tǒng)接收面處時,被透鏡組收集、篩選出特定波段紫外光。特征光信號經(jīng)光纖由車頂傳輸進入車內(nèi)的紫外光電傳感部分,將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,然后對電信號處理分析,最終上傳至上位機系統(tǒng),完成顯示、存儲并生成報表,實現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象的檢測。1.3燃弧檢測系統(tǒng)的特性弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)檢測參數(shù)如圖3所示。其中,燃弧紫外能量是指弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時所釋放的240~260nm波段紫外光對應(yīng)的能量,燃弧率定義為所測區(qū)段的燃弧持續(xù)總時間與機車運行時間的比值。歐標(biāo)EN50317規(guī)定:燃弧檢測系統(tǒng)應(yīng)確定檢測的最小功率密度。本套弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)輸出電壓與紫外光功率密度的特性曲線如圖4,且僅太陽光下系統(tǒng)輸出值為0.3mV,因此該燃弧檢測系統(tǒng)檢測的最小功率密度為8.645×10-4μW/cm2。根據(jù)系統(tǒng)最小功率密度、光學(xué)理論以及材料參數(shù)等可以推導(dǎo)得到燃弧紫外能量的表達式式中:Wuv為燃弧紫外能量,mJ;r為檢測距離,m;U為測量電壓參數(shù),mV;t為燃弧持續(xù)時間,ms;α為系統(tǒng)修正系數(shù)。其余均為與材料相關(guān)參數(shù),G為光電倍增管增益;K為光纖束填充系數(shù);A為光纖傳輸衰減率;L為光纖長度;T1(λ)為濾光片透過率;T2為光學(xué)透鏡透過率;T3為光纖連接器透過率;T4為鏡頭入射窗的透過率;q為光學(xué)透鏡片數(shù);S為光學(xué)鏡頭接收面積;R為傳感器負(fù)載電阻;Sc為光電倍增管光譜靈敏度;λ為光波長。由式(1)可以看出:Wuv與r2成正比,即燃弧檢測系統(tǒng)輸出同一電壓U,同一燃弧持續(xù)時間t,檢測距離越遠,弓網(wǎng)燃弧所釋放的紫外能量越大;Wuv與U,t成正比,即燃弧檢測系統(tǒng)在同一檢測距離下,其輸出電壓越大,燃弧持續(xù)時間越長,對應(yīng)的弓網(wǎng)燃弧紫外能量越大。2弓網(wǎng)燃弧與牽引電流擾動程度對比分析當(dāng)?shù)罔F發(fā)生弓網(wǎng)燃弧,嚴(yán)重時將造成牽引電流擾動,會直接影響機車受流和危害電機運作,因此,有必要提取燃弧發(fā)生時牽引電流擾動特征,并結(jié)合燃弧檢測參數(shù),定量分析弓網(wǎng)燃弧與牽引電流的擾動程度,綜合評價機車受流質(zhì)量。意大利BarmadaS在小波Parseval定理的基礎(chǔ)上提出通過計算燃弧故障電流與正常牽引電流的各層能量偏差值與橫坐標(biāo)軸(小波分解層數(shù))區(qū)域面積來衡量機車受流質(zhì)量,這種評價方法對于平穩(wěn)牽引電流效果較好,而對于不斷波動的牽引電流不太理想,且選取不同的正常牽引電流信號會直接影響分析結(jié)果。因此,本文提出了基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和小波包熵相結(jié)合的方法,從熵的角度評價機車受流質(zhì)量,針對波動直流信號有良好的效果。2.1信號趨勢項的分解經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解是根據(jù)數(shù)據(jù)自身時間特征,自適應(yīng)將非平穩(wěn)、非線性信號分解為反映信號局部波動的若干階的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)。固有模態(tài)函數(shù)滿足兩個條件:①極值點數(shù)目與過零點數(shù)目相等或相差<1;②信號上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的均值為零。因此,信號X(t)可以分解為s個本征模態(tài)分量ci和1個殘余量rs,如式(2)所示,其中rn即代表信號的趨勢項。通過地鐵試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),燃弧發(fā)生僅會對牽引電流局部范圍內(nèi)產(chǎn)生擾動,因此,為消除牽引電流自身變化趨勢對分析結(jié)果的影響,預(yù)先對牽引電流做EMD分解,去除其趨勢項后重構(gòu),得到去趨勢電流,再做后續(xù)分析。2.2小波包的異化與擾動小波包奇異熵是基于奇異值分解理論,將小波包變換和信息熵結(jié)合,從而對非平穩(wěn)信號的暫態(tài)過程復(fù)雜程度的量度。小波包變換是一種具有多分辨分析特點的時頻分析方法,而信息熵對信息具有較強的表征能力,因此小波包熵對于暫態(tài)非平穩(wěn)信號的刻畫具有良好的效果。文獻給出了小波奇異熵的定義,而小波包奇異熵僅是將算法中小波變換替換成小波包變換,提高了信號的頻率分辨率,具有更好的時頻特性。因此,原始小波包奇異熵定義如下。信號x(n)經(jīng)過j層小波包分解,第j層k個結(jié)點系數(shù)可以組成一個m×n的矩陣D,其中m=2j。依據(jù)奇異值分解理論,可以得到矩陣D的奇異值λi(i=1,2,…,k),且λ1≥λ2≥…≥λk≥0,小波包奇異熵定義為:Δpi為第i個非零奇異值λi的增量奇異熵;l為非零有效奇異值個數(shù)。本文在此基礎(chǔ)上,引入滑動時間窗,提出改進小波包奇異熵算法,并用于燃弧對牽引電流的擾動分析,定義改進后的小波包奇異熵算法如下:設(shè)滑動時間窗為Cn(qn(δ),w,δ),其中qn(δ)∈N是時間窗起始數(shù)據(jù)位置,w∈N是窗寬因子,δ∈N是滑動步長因子。設(shè)(i=1,2,…,l)是時間窗Cn內(nèi)根據(jù)小波包變換和奇異值分解得到的l個非零奇異值,依據(jù)式(4),,由于只是反映時間窗內(nèi)各個奇異值的分布概率,若以此直接采用式(4),套用經(jīng)典信息熵公式,不適宜擾動信號的監(jiān)測以及擾動特征的提取。為此本文引入加權(quán)因子,能夠?qū)崟r放大信號的擾動特征。定義:改進后小波包奇異熵定義為相當(dāng)于將放大了倍,且加權(quán)因子隨著時窗的滑動而不斷變化,實時反映信號特征,從而放大了信號擾動特征,對于提取燃弧發(fā)生時牽引電流擾動特征具有良好的效果。3燃弧紫外總能量采用非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測系統(tǒng)對廣州地鐵2、3號線的弓網(wǎng)燃弧情況進行了現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)采集,試驗情況如表1,表中燃弧率指整條地鐵線路所有燃弧對應(yīng)持續(xù)時間的總和與機車運行總時間的比值,燃弧紫外總能量指整條地鐵線路所有燃弧對應(yīng)紫外能量的總和。廣州地鐵2、3號線均采用剛性接觸網(wǎng)供電方式,供電電壓為DC1500V。由表1可以看出,廣州地鐵2、3號線燃弧率幾乎都符合歐標(biāo)規(guī)定的0.1%以下,但事實上多次燃弧導(dǎo)致牽引電流擾動,機車受流嚴(yán)重惡化,因此僅燃弧率不能完全衡量機車受流質(zhì)量。3.1牽引電流的加窗優(yōu)化根據(jù)本文的擾動分析算法理論,提取每次燃弧信號及其對應(yīng)的牽引電流信號,并采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解對牽引電流做去趨勢處理,如圖5所示。雖然EMD會產(chǎn)生邊緣效應(yīng),但因本文擾動算法只針對燃弧牽引電流相對于正常時的擾動程度,因此將所分析數(shù)據(jù)段的兩端各預(yù)留一定長度的數(shù)據(jù),便可很好的消除EMD邊緣效應(yīng)。依據(jù)燃弧持續(xù)時間及信號波形綜合考慮,取寬窗w=64,滑動步長δ=1,對去趨勢后牽引電流進行加窗處理,對每個時窗Cn下的電流作小波包3層分解,并單支重構(gòu)后得到8個不同尺度的信號D1,D2,…,D8,構(gòu)建時頻狀態(tài)矩陣對矩陣D作奇異值分解,采用本文改進后的小波包奇異熵算法,并滑動時窗,得到其小波包奇異熵曲線,如圖6所示。圖6也給出了采用原始小波包奇異熵算法處理牽引電流所得到的曲線,可以看出,由于正常牽引電流也會有不同程度的波動,原始小波包奇異熵很難明顯反映出牽引電流的擾動特征,而改進的小波包奇異熵通過實時放大,能夠有效提取到牽引電流的擾動特征,且具有明顯的效果。后續(xù)均采用改進后的小波包奇異熵算法處理分析牽引電流的擾動。3.2燃弧發(fā)生的安全保障由于地鐵機車電機本身取流不穩(wěn)定,導(dǎo)致即使在未發(fā)生燃弧時,牽引電流也會出現(xiàn)小范圍上下波動,因此,小波包奇異熵有時可能未能真實反映其擾動情況。為減小這種影響,本文將每次燃弧分為燃弧發(fā)生前、燃弧發(fā)生時和燃弧發(fā)生后3種狀態(tài),根據(jù)試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),燃弧持續(xù)時間均不超過150ms,因此3狀態(tài)統(tǒng)一截取150ms數(shù)據(jù)段,如圖7所示。計算3種狀態(tài)對應(yīng)的去趨勢后牽引電流的小波包奇異熵,并采用式(9)(其中NT代表時窗個數(shù))分別得到其小波包奇異熵狀態(tài)值為用WE(a)、WE(b)、WE(c)分別代表燃弧發(fā)生前、燃弧發(fā)生時和燃弧發(fā)生后的牽引電流小波包奇異熵狀態(tài)值,由于燃弧的發(fā)生時間很短,僅對牽引電流局部造成擾動,且已采用EMD分解去除了牽引電流本身變化趨勢,因此,可以認(rèn)為燃弧發(fā)生前與發(fā)生后熵值沒有引起較大變化。于是,以燃弧發(fā)生前、后的小波包奇異熵狀態(tài)值的均值WE(def)作為參考值,如式(10),再與實際燃弧發(fā)生時的狀態(tài)值的相對變化量作為牽引電流的擾動量Γ,如式(11),量化機車受流質(zhì)量:如圖7所示的燃弧,由式(9)計算可得而對于未發(fā)生燃弧正常牽引電流,采用上述類似方法,將電流分為狀態(tài)a、b、c,如圖8。則通過計算得到,與燃弧發(fā)生時的Γ值相比,正常電流Γ小很多,通過多次試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):若牽引電流越平穩(wěn),Γ值越小;若電流發(fā)生的擾動越大,Γ值也越大。因此,Γ值能夠反映電流的穩(wěn)定情況,定量描述牽引電流的擾動程度。為了研究燃弧對牽引電流的擾動影響,將燃弧檢測系統(tǒng)所檢測到的燃弧紫外能量Wuv與牽引電流的擾動指標(biāo)Γ相關(guān)聯(lián),得到圖9。表2為Wuv與對應(yīng)Γ的部分典型值。由表2和圖9可以看出,牽引電流擾動量Γ與燃弧紫外能量Wuv大致有如下關(guān)系式式中η與β為常數(shù)。當(dāng)發(fā)生紫外能量較小的弓網(wǎng)燃弧時,對于牽引電流的影響較小,此時主要以電火花為主,而隨著燃弧紫外能量的增加,牽引電流的擾動量Γ也增加,即牽引電流的擾動程度加劇,特別是當(dāng)燃弧紫外能量超過400mJ時,牽引電流擾動量Γ急劇上升,機車受流受到嚴(yán)重影響,因為發(fā)生能量較大的弓網(wǎng)燃弧,嚴(yán)重時燒傷接觸線,對于弓網(wǎng)的接觸進一步破壞,對于地鐵機車而言,這將嚴(yán)重影響機車受流質(zhì)量,因此,將燃弧紫外能量和擾動量Γ作為線路檢修參考意見,針對性對接觸網(wǎng)加以維護,重點維修燃弧紫外能量和擾動量Γ較大的線路接觸點,排除隱患,保證機車良好的受流質(zhì)量。4影響電流擾動的因素1)改進后的小波包奇異熵算法能夠?qū)崟r放大擾動特征,對于燃弧電流特征的提取更加直觀、有效,具有良好的效果。2)牽引