高鐵電氣系統中的GMD干擾監測與信號消噪策略分析

史小利

（中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心,山東 青島 266111）

高鐵運行過程中對電力牽引有較大的依賴性。尤其在高鐵系統規模日益擴大的背景下，電磁干擾對高鐵電氣系統運行質量所產生的影響不應忽視。GDM實質是太陽活動所致電磁擾動問題，該擾動因素雖然不常發生，但若不提前對其進行動態監測，會對高鐵電氣系統的安全運行產生隱患。本文即以高鐵電氣系統為例，針對高鐵電氣系統運行過程中存在的GMD干擾問題及監測信號的消噪問題展開系統分析與闡述。

1 高鐵電氣系統影響

圖1所示為GIC在高鐵電氣牽引供電系統中的流通路徑。結合圖1來看，受到地球磁場擾動作用力的影響，地面感應電場直接作用于與帶蒂連接的牽引主變壓器接地極以及自耦變壓器AT重點，進而在高鐵電氣系統牽引網中產生流通GIC信號。在高鐵電氣系統中，軌道電路兩端機械絕緣節包含2條鋼軌所對應扼流電壓器裝置，以保障牽引電流回流不會受到絕緣節的影響。同時，對于扼流變壓器而言，其重點連接貫通地線，感應地電場直接于牽引變電所與AT所間鋼軌兩接地點，進而在鋼軌中產生流通GIC信號。

圖1 高鐵電氣系統牽引供電GIC流通路徑示意圖

2 GMD干擾監測研究

在高鐵電氣系統中，整套GMD干擾監測裝置應當將干擾監測覆蓋至高鐵電氣系統牽引網以及軌道鐵路監測范疇中，支持實時性、動態性監測功能的實現。同時，直觀顯示數據庫存儲、信息處理以及圖形表格，并搭載網絡通信系統實現監測中心中相關信息的共享與顯示。當然，在高鐵電氣系統中，GMD故障發生率相對較低，但高鐵電氣系統周邊電磁環境比較復雜，因此所設計GMD干擾監測系統應當支持閾值報警功能的實現，以便工作人員能夠動態分析并掌握高鐵電氣系統受GMD干擾的影響。整套GMD干擾監測系統的組成應當涵蓋采集傳感器裝置、主機、通信模塊以及聲光報警電路等多個方面。同時，考慮到高鐵電氣系統中GMD干擾信號準直流頻率在0.0001～0.01Hz范圍內，常規意義上的電磁傳感器裝置無法對原邊直流分量進行變化，在實際運行中可能發生直流偏磁飽和問題。因此，為了在解決上述問題的同時，提高干擾監測數據的精確性，GMD干擾監測系統的設計開發可以嘗試應用霍爾傳感器裝置，以發揮其在成本低廉、測量靈敏度高、頻率范圍廣以及交直流信號監測適用性強等方面的優勢。

在高鐵電氣系統GMD干擾監測過程中，還需要將專門的集中接地箱設置于牽引變電所內，負責對電氣系統中牽引回流的收集工作。集中接地箱采用獨立箱式結構，內部涵蓋眾多導線線路，包括扼流變電器重點引線線路、PW保護線線路、貫通地線線路等。牽引主變壓器接地極與集中接地箱連接，可用于牽引電流的回流工作。為了能夠客觀反映高鐵軌道電路鋼軌中GIG水平并對牽引網運行動態進行全面監測，考慮將開環傳感器裝置安裝于集中接地箱與牽引主變壓器接地極、鋼軌連接電纜上，對鋼軌回流以及牽引主變壓器接地極直流信號進行動態采集。在高鐵電氣系統中，開環傳感器共采集10路信號，其中8路信號為牽引變電所內牽引主變壓器接地極直流信號，主變壓器每個接地極對應2路直流信號，傳感器裝置可直接測量牽引網回路中流經牽引主變壓器二次側直流信號，可以客觀反映直流對牽引主變壓器直流偏磁所產生的影響，另2路信號為鋼軌回流直流信號，傳感器裝置可以直接測量鋼軌回路中流經二流變壓器的直流信號數據，從而客觀評估扼流變壓器受直流信號的影響。

3 信號消噪策略分析

在高鐵電氣系統中，取樣信號內所對應GIC相較于各次諧波信號以及牽引電流信號而言幅值相對偏低。同時，考慮到干擾噪音對GIC的影響，取樣信號的信噪比相對偏低。傳統模式下對信號噪音的消除是通過低通濾波器過濾的方式實現，雖然能夠在一定程度上消除噪音干擾，但還會使信號中有價值的成分變得模糊。小波分析方法作為一種典型局部化分析方法，具有時域窗、地域窗大小可變的特點，被大量研究證實可有效去除信號內部局部高頻噪音干擾問題。界于上述優勢，本文提出基于小波分析的信號消噪策略，在小波分解的基礎之上，對小波系數進行閾值處理最后重構信號，得到剔除噪音同時有效成分最大限度保留的信號。具體處理步驟如下。

第一步，小波分解。假定母函數為?(t)，同時定義伸縮平移因子為s、k，小波基函數以?s，k表示，則三者間對應關系可表示為：

對于函數f（t）而言，所對應小波變化為?s，k(f )，該小波變化是f（t）在對應函數上的分解，兩者間可形成如下關系：

通過AD采集的方式可以將轉換為數字形式的取樣信號利用冪級數格式進行離散變化，最終可得：

第二步，小波系數閾值處理。小波去噪是否能夠取得理想效果，直接受到閾值選擇是否合理，以及小波系數閾值量化情況的影響。在原信號基礎之上，可確定各層對應閾值如下：

該式中，定義信號長度（采樣點數）為n，MATLAB中求矩陣中值函數定義為madina（），小波分解環節中對應高頻系數定義為dj(k)；根據所確定的閾值，可分別應用硬、軟兩種方法對小波系數進行閾值處理。

第三步，信號重構。信號經降噪處理后結果可進行小波逆變化加工，根據各個尺度細節的修改情況對原信號進行重構。此過程中，假定兩者間為傅里葉變化關系，則小波逆變換的過程可表示為：

4 結語

高鐵電氣系統在結構設置以及運行功能上有一定特殊性，尤其高鐵電氣系統一次側并未布置專門的GIC流通路徑，導致高鐵軌道電路以及牽引網會在一定程度上直接受到GMD的影響。在高鐵電氣系統實際運行過程中，GMD可能會借助于GIC的方式對高鐵運行產生干擾與影響，因此必須結合高鐵電氣系統的實際特點，開發設計可用于GMD信號監測的系統裝置。同時，由于電氣系統內部有用信號的強度相對不足，所采集信號在一定程度上會受到噪音干擾的影響，因此本文還提出了基于小波變化方法對信號進行消噪處理的方法與策略，在GMD干擾信號及其消噪處理方面取得了非?？煽康男Чc價值。

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