改進(jìn)小波包奇異熵的地鐵牽引電流擾動(dòng)特征提取

改進(jìn)小波包奇異熵的地鐵牽引電流擾動(dòng)特征提取

0弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)與牽引電流擾動(dòng)在城市軌道交通上，大多數(shù)電力機(jī)車必須通過(guò)接觸前端的電箭和接觸線來(lái)獲得能。為了確保車輛的良好傳輸質(zhì)量，必須通過(guò)電弓和接觸網(wǎng)進(jìn)行可靠接觸。隨著列車速度不斷提高,車體振動(dòng)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(dòng)。因此,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50317:2002指出燃弧率是衡量機(jī)車受流質(zhì)量的特征指標(biāo)之一。目前,對(duì)于弓網(wǎng)燃弧的檢測(cè),主要以日本和意大利的光學(xué)檢測(cè)法為代表,均是通過(guò)對(duì)弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時(shí)伴隨的紫外光的檢測(cè)來(lái)判斷弓網(wǎng)是否離線。而國(guó)內(nèi),西南交通大學(xué)接觸網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室研制出非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)裝置,并結(jié)合列車運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)燃弧的在線檢測(cè)和精確定位。但是并非每次燃弧都會(huì)影響機(jī)車受流,文獻(xiàn)也曾指出牽引電流擾動(dòng)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(duì)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(jī)車通過(guò)時(shí)的受流情況,導(dǎo)致不能及時(shí)檢修,造成嚴(yán)重事故。然而國(guó)內(nèi)外目前又幾乎停留在對(duì)燃弧率的檢測(cè),定量分析燃弧與牽引電流擾動(dòng)的研究較少,以至于難以定位“有害”燃弧和針對(duì)性檢修接觸網(wǎng),增加線路維護(hù)成本。本文采用非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)燃弧的燃弧率、燃弧持續(xù)時(shí)間、燃弧紫外能量等參數(shù)的檢測(cè),通過(guò)對(duì)廣州地鐵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,提出一種改進(jìn)的小波包奇異熵算法和牽引電流擾動(dòng)程度指標(biāo),定量分析燃弧紫外能量與牽引電流擾動(dòng)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(shí),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(cè)系統(tǒng)是提取燃弧的光特征信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再通過(guò)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理得到燃弧檢測(cè)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(yáng)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(yáng)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(cè)的特征量,便可排除太陽(yáng)光干擾,較準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)精度。1.2基于不同光源的光柵非接觸式弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)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(shí),產(chǎn)生的弧光以點(diǎn)光源形式向外輻射,到達(dá)光學(xué)采集系統(tǒng)接收面處時(shí),被透鏡組收集、篩選出特定波段紫外光。特征光信號(hào)經(jīng)光纖由車頂傳輸進(jìn)入車內(nèi)的紫外光電傳感部分,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后對(duì)電信號(hào)處理分析,最終上傳至上位機(jī)系統(tǒng),完成顯示、存儲(chǔ)并生成報(bào)表,實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)燃弧現(xiàn)象的檢測(cè)。1.3燃弧檢測(cè)系統(tǒng)的特性弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)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(shí)所釋放的240~260nm波段紫外光對(duì)應(yīng)的能量,燃弧率定義為所測(cè)區(qū)段的燃弧持續(xù)總時(shí)間與機(jī)車運(yùn)行時(shí)間的比值。歐標(biāo)EN50317規(guī)定:燃弧檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)確定檢測(cè)的最小功率密度。本套弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)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(yáng)光下系統(tǒng)輸出值為0.3mV,因此該燃弧檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)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(dá)式式中:Wuv為燃弧紫外能量,mJ;r為檢測(cè)距離,m;U為測(cè)量電壓參數(shù),mV;t為燃弧持續(xù)時(shí)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(zhǎng)度;T1(λ)為濾光片透過(guò)率;T2為光學(xué)透鏡透過(guò)率;T3為光纖連接器透過(guò)率;T4為鏡頭入射窗的透過(guò)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(zhǎng)。由式(1)可以看出:Wuv與r2成正比,即燃弧檢測(cè)系統(tǒng)輸出同一電壓U,同一燃弧持續(xù)時(shí)間t,檢測(cè)距離越遠(yuǎn),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(cè)系統(tǒng)在同一檢測(cè)距離下,其輸出電壓越大,燃弧持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)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(dòng)程度對(duì)比分析當(dāng)?shù)罔F發(fā)生弓網(wǎng)燃弧,嚴(yán)重時(shí)將造成牽引電流擾動(dòng),會(huì)直接影響機(jī)車受流和危害電機(jī)運(yùn)作,因此,有必要提取燃弧發(fā)生時(shí)牽引電流擾動(dòng)特征,并結(jié)合燃弧檢測(cè)參數(shù),定量分析弓網(wǎng)燃弧與牽引電流的擾動(dòng)程度,綜合評(píng)價(jià)機(jī)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(guò)計(jì)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(lái)衡量機(jī)車受流質(zhì)量,這種評(píng)價(jià)方法對(duì)于平穩(wěn)牽引電流效果較好,而對(duì)于不斷波動(dòng)的牽引電流不太理想,且選取不同的正常牽引電流信號(hào)會(huì)直接影響分析結(jié)果。因此,本文提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波包熵相結(jié)合的方法,從熵的角度評(píng)價(jià)機(jī)車受流質(zhì)量,針對(duì)波動(dòng)直流信號(hào)有良好的效果。2.1信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)的分解經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是根據(jù)數(shù)據(jù)自身時(shí)間特征,自適應(yīng)將非平穩(wěn)、非線性信號(hào)分解為反映信號(hào)局部波動(dòng)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(gè)條件:①極值點(diǎn)數(shù)目與過(guò)零點(diǎn)數(shù)目相等或相差<1;②信號(hào)上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的均值為零。因此,信號(hào)X(t)可以分解為s個(gè)本征模態(tài)分量ci和1個(gè)殘余量rs,如式(2)所示,其中rn即代表信號(hào)的趨勢(shì)項(xiàng)。通過(guò)地鐵試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),燃弧發(fā)生僅會(huì)對(duì)牽引電流局部范圍內(nèi)產(chǎn)生擾動(dòng),因此,為消除牽引電流自身變化趨勢(shì)對(duì)分析結(jié)果的影響,預(yù)先對(duì)牽引電流做EMD分解,去除其趨勢(shì)項(xiàng)后重構(gòu),得到去趨勢(shì)電流,再做后續(xù)分析。2.2小波包的異化與擾動(dòng)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(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的暫態(tài)過(guò)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(diǎn)的時(shí)頻分析方法,而信息熵對(duì)信息具有較強(qiáng)的表征能力,因此小波包熵對(duì)于暫態(tài)非平穩(wěn)信號(hào)的刻畫(huà)具有良好的效果。文獻(xiàn)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(hào)的頻率分辨率,具有更好的時(shí)頻特性。因此,原始小波包奇異熵定義如下。信號(hào)x(n)經(jīng)過(guò)j層小波包分解,第j層k個(gè)結(jié)點(diǎn)系數(shù)可以組成一個(gè)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(gè)非零奇異值λi的增量奇異熵;l為非零有效奇異值個(gè)數(shù)。本文在此基礎(chǔ)上,引入滑動(dòng)時(shí)間窗,提出改進(jìn)小波包奇異熵算法,并用于燃弧對(duì)牽引電流的擾動(dòng)分析,定義改進(jìn)后的小波包奇異熵算法如下:設(shè)滑動(dòng)時(shí)間窗為Cn(qn(δ),w,δ),其中qn(δ)∈N是時(shí)間窗起始數(shù)據(jù)位置,w∈N是窗寬因子,δ∈N是滑動(dòng)步長(zhǎng)因子。設(shè)(i=1,2,…,l)是時(shí)間窗Cn內(nèi)根據(jù)小波包變換和奇異值分解得到的l個(gè)非零奇異值,依據(jù)式(4),,由于只是反映時(shí)間窗內(nèi)各個(gè)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(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)以及擾動(dòng)特征的提取。為此本文引入加權(quán)因子,能夠?qū)崟r(shí)放大信號(hào)的擾動(dòng)特征。定義:改進(jìn)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(shí)窗的滑動(dòng)而不斷變化,實(shí)時(shí)反映信號(hào)特征,從而放大了信號(hào)擾動(dòng)特征,對(duì)于提取燃弧發(fā)生時(shí)牽引電流擾動(dòng)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(cè)系統(tǒng)對(duì)廣州地鐵2、3號(hào)線的弓網(wǎng)燃弧情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集,試驗(yàn)情況如表1,表中燃弧率指整條地鐵線路所有燃弧對(duì)應(yīng)持續(xù)時(shí)間的總和與機(jī)車運(yùn)行總時(shí)間的比值,燃弧紫外總能量指整條地鐵線路所有燃弧對(duì)應(yīng)紫外能量的總和。廣州地鐵2、3號(hào)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(hào)線燃弧率幾乎都符合歐標(biāo)規(guī)定的0.1%以下,但事實(shí)上多次燃弧導(dǎo)致?tīng)恳娏鲾_動(dòng),機(jī)車受流嚴(yán)重惡化,因此僅燃弧率不能完全衡量機(jī)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(dòng)分析算法理論,提取每次燃弧信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的牽引電流信號(hào),并采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對(duì)牽引電流做去趨勢(shì)處理,如圖5所示。雖然EMD會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng),但因本文擾動(dòng)算法只針對(duì)燃弧牽引電流相對(duì)于正常時(shí)的擾動(dòng)程度,因此將所分析數(shù)據(jù)段的兩端各預(yù)留一定長(zhǎng)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(shí)間及信號(hào)波形綜合考慮,取寬窗w=64,滑動(dòng)步長(zhǎng)δ=1,對(duì)去趨勢(shì)后牽引電流進(jìn)行加窗處理,對(duì)每個(gè)時(shí)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(gè)不同尺度的信號(hào)D1,D2,…,D8,構(gòu)建時(shí)頻狀態(tài)矩陣對(duì)矩陣D作奇異值分解,采用本文改進(jìn)后的小波包奇異熵算法,并滑動(dòng)時(shí)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(huì)有不同程度的波動(dòng),原始小波包奇異熵很難明顯反映出牽引電流的擾動(dòng)特征,而改進(jìn)的小波包奇異熵通過(guò)實(shí)時(shí)放大,能夠有效提取到牽引電流的擾動(dòng)特征,且具有明顯的效果。后續(xù)均采用改進(jìn)后的小波包奇異熵算法處理分析牽引電流的擾動(dòng)。3.2燃弧發(fā)生的安全保障由于地鐵機(jī)車電機(jī)本身取流不穩(wěn)定,導(dǎo)致即使在未發(fā)生燃弧時(shí),牽引電流也會(huì)出現(xiàn)小范圍上下波動(dòng),因此,小波包奇異熵有時(shí)可能未能真實(shí)反映其擾動(dòng)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(shí)和燃弧發(fā)生后3種狀態(tài),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),燃弧持續(xù)時(shí)間均不超過(guò)150ms,因此3狀態(tài)統(tǒng)一截取150ms數(shù)據(jù)段,如圖7所示。計(jì)算3種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的去趨勢(shì)后牽引電流的小波包奇異熵,并采用式(9)(其中NT代表時(shí)窗個(gè)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(shí)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(shí)間很短,僅對(duì)牽引電流局部造成擾動(dòng),且已采用EMD分解去除了牽引電流本身變化趨勢(shì),因此,可以認(rèn)為燃弧發(fā)生前與發(fā)生后熵值沒(méi)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(shí)際燃弧發(fā)生時(shí)的狀態(tài)值的相對(duì)變化量作為牽引電流的擾動(dòng)量Γ,如式(11),量化機(jī)車受流質(zhì)量:如圖7所示的燃弧,由式(9)計(jì)算可得而對(duì)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(guò)計(jì)算得到,與燃弧發(fā)生時(shí)的Γ值相比,正常電流Γ小很多,通過(guò)多次試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)程度。為了研究燃弧對(duì)牽引電流的擾動(dòng)影響,將燃弧檢測(cè)系統(tǒng)所檢測(cè)到的燃弧紫外能量Wuv與牽引電流的擾動(dòng)指標(biāo)Γ相關(guān)聯(lián),得到圖9。表2為Wuv與對(duì)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(dòng)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(shí),對(duì)于牽引電流的影響較小,此時(shí)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(dòng)量Γ也增加,即牽引電流的擾動(dòng)程度加劇,特別是當(dāng)燃弧紫外能量超過(guò)400mJ時(shí),牽引電流擾動(dòng)量Γ急劇上升,機(jī)車受流受到嚴(yán)重影響,因?yàn)榘l(fā)生能量較大的弓網(wǎng)燃弧,嚴(yán)重時(shí)燒傷接觸線,對(duì)于弓網(wǎng)的接觸進(jìn)一步破壞,對(duì)于地鐵機(jī)車而言,這將嚴(yán)重影響機(jī)車受流質(zhì)量,因此,將燃弧紫外能量和擾動(dòng)量Γ作為線路檢修參考意見(jiàn),針對(duì)性對(duì)接觸網(wǎng)加以維護(hù),重點(diǎn)維修燃弧紫外能量和擾動(dòng)量Γ較大的線路接觸點(diǎn),排除隱患,保證機(jī)車良好的受流質(zhì)量。4影響電流擾動(dòng)的因素1)改進(jìn)后的小波包奇異熵算法能夠?qū)崟r(shí)放大擾動(dòng)特征,對(duì)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