详情

原文传递基于小波包和聚类分析的JTC补偿电容状态监测的研究

论文题名：	基于小波包和聚类分析的JTC补偿电容状态监测的研究
关键词：	无绝缘轨道电路;补偿电容;聚类算法;状态监测
摘要：	近年来，随着铁路技术的发展，无绝缘轨道电路因其良好的传输性能和较高的安全性能等，被广泛应用于既有线和高速铁路。其中，补偿电容作为轨道电路的重要组成部分，降低了钢轨感抗造成的影响。补偿电容故障可能导致轨道电路出现“红光带”或机车信号出现“掉码”现象，从而对轨道电路造成影响。而针对补偿电容故障，目前，我国普遍采用补偿电容故障后检测方法，该方法已不满足铁路现场从“故障修”到“状态修”的转变需求。因此，本研究立足于轨道电路系统结构和工作原理，通过建模和仿真分析，提出一种基于小波包和聚类分析实现无绝缘轨道电路补偿电容状态监测的方法。课题主要研究内容如下：　　(1)通过分析ZPW-2000A轨道电路的信号传输过程，基于传输线理论和电路原理建立轨道电路调整态和分路态的模型，从而得到轨道电路调整态接收电压和分路态分路电流的计算表达式。　　(2)基于补偿电容全部断线故障类型的调整态接收电压和分路态最小分路电流，建立轨道电路可靠性真值表，通过计算可靠性真值表中不同位置补偿电容的重要度系数，确定对轨道电路影响较大的补偿电容位置。仿真结果表明，靠近接收端的第二个和第三个补偿电容对轨道电路的影响较大。该方法可协助现场维修人员确定各补偿电容的维护优先级，为补偿电容的重点监测提供依据。　　(3)以补偿电容全部正常和发生不同故障时的归一化分路电流曲线波动规律为研究对象，提出了一种基于小波包的补偿电容故障特征分析方法。通过小波包去噪效果分析，选取最优小波基和分解层数对补偿电容全部正常、发生断线故障和容值下降故障时的归一化分路电流曲线进行分解和重构，得到对应的小波包系数曲线；将这些小波包系数曲线进行对比分析，选取故障特征明显的频段；最后，计算选出频段对应各补偿电容处的瞬时能量，通过将补偿电容全部正常时各补偿电容的瞬时能量与补偿电容发生断线故障或容值下降故障时各补偿电容的瞬时能量进行对比分析，提取补偿电容的故障特征。仿真结果表明，采用小波包可实现补偿电容的故障特征分析，且能大致估计补偿电容的容值下降百分比，从而为补偿电容状态监测提供数据支持。　　(4)以补偿电容不同容值下降百分比对应的各频段小波包能量谱为研究对象，基于改进手肘法确定补偿电容状态的最佳聚类数，并采用K-means聚类、层次聚类和模糊C均值聚类对补偿电容容值下降状态进行划分，通过对聚类结果进行分析，选择合适的划分结果。仿真结果表明，可将补偿电容状态划分为五个容值下降状态并相应设置五种预警信号颜色，从而为后续补偿电容进行状态监测和预警提供依据。　　(5)基于小波包的故障特征分析结果、聚类最终划分结果以及轨道电路补偿电容各状态对应的预警信号颜色，完成对补偿电容状态监测和预警流程的设计，同时基于现场实测数据和已知监测结果，验证算法准确性和可行性。结果表明，可用小波包和聚类算法实现补偿电容的状态监测和预警。　　综上所述，结合小波包提取的补偿电容故障特征以及聚类最终确定的划分结果，可实现补偿电容的状态监测和预警。同时，基于现场数据，验证了算法的准确性和可行性。
作者：	洪玲
专业：	交通运输工程
导师：	武晓春;张辉东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022