鐵路電力線故障監(jiān)控診斷與快速切除

羅學(xué)平，王 昭，郭 銘，李家喜，劉明光，黃 臻，文秋鵬，劉 猛，李 強(qiáng)，毛 鍵

0 引言

鐵路電力貫通線和自閉線統(tǒng)稱為鐵路電力線，專門為沿線車站和信號等設(shè)備提供可靠電力。目前，新建和改造的鐵路電力線以箱式變壓器（簡稱箱變）為節(jié)點(diǎn)，將箱變工作狀態(tài)信息（主要是電壓電流和開關(guān)位置）通過數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至電力調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是，箱變中未設(shè)置繼電保護(hù)裝置，一旦電力線發(fā)生故障，需要電調(diào)人員根據(jù)上傳的電壓電流信息和工作經(jīng)驗(yàn)判斷故障位置，沿線工區(qū)人員查找和排除故障后才能夠恢復(fù)供電。顯然，該故障處理方式消耗時間較長，延遲恢復(fù)供電，嚴(yán)重時還會影響行車正點(diǎn)運(yùn)營。

電力線故障診斷算法較多，如阻抗算法、故障測距算法、區(qū)間算法等[1～4]。然而，這些方法均基于配電所采集的電氣量（電壓、電流信號）進(jìn)行分析和計算，并控制配電所的饋線斷路器跳閘來切除線路故障。應(yīng)用上述方法雖然可以切除線路故障，但線路上的用戶也失去了電力供應(yīng)。

為了解決以上問題，基于現(xiàn)行的鐵路電力線結(jié)構(gòu)，提出一種鐵路電力線在故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電的策略，借助強(qiáng)大的云計算能力，自動控制故障隔離，快速恢復(fù)供電臂上全部箱變的供電，并對研制的監(jiān)控裝置進(jìn)行人工短路試驗(yàn)。

1 故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電策略

1.1 鐵路電力線結(jié)構(gòu)特征

目前，新建和改造的鐵路電力線主要采用10 kV 三相電纜，每隔3 km 左右設(shè)置1 臺箱變。箱變中有2 臺10 kV 高壓開關(guān)，2 臺開關(guān)串聯(lián)連接電力線路；1 臺10/0.4 kV 變壓器T 接在2 臺開關(guān)之間。電力線路兩端的配電所提供電源，一端配電所為電力線供電，稱為主供，另一端配電所預(yù)備供電，稱為備供。由此可見，鐵路電力線具有雙電源分段式結(jié)構(gòu)，每一供電臂均有雙電源保證可靠供電，箱變中2 臺開關(guān)使得電力線路分段和變壓器取電方式更為靈活。

目前，通過專用數(shù)據(jù)網(wǎng)（例如鐵路運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)TMIS 網(wǎng)），將箱變中采集的電力線電壓電流和開關(guān)位置等數(shù)據(jù)上傳至電力調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)鐵路電力線運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是，箱變中未設(shè)置繼電保護(hù)裝置，不能自動診斷和切除線路故障，需要人工分析排查，延緩了故障處理時間。

1.2 故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電策略

鐵路電力線的箱變未設(shè)置繼電保護(hù)裝置，其原因是當(dāng)電力線發(fā)生故障時，短路電流將流經(jīng)主供配電所至故障點(diǎn)之間的所有箱變；如果箱變中設(shè)置了繼電保護(hù)裝置，將造成通過短路電流的所有箱變均跳閘，斷電用戶更多，還可能誤導(dǎo)故障排查，增加故障排除后恢復(fù)供電的操作任務(wù)。

目前，鐵路電力線的運(yùn)行管理模式：對于以架空線為主的普速鐵路電力線，發(fā)生故障后主供的配電所自動重新合閘（重合閘）一次，或備供的配電所自動投入送電（備自投）一次；如果重合閘或備自投不成功，則需等待人工進(jìn)行故障排查處理。高鐵電力線發(fā)生故障后主供配電所不允許重合閘，備供配電所也不得進(jìn)行備自投，原因是高鐵電力線均采用電纜，電纜絕緣為非自恢復(fù)性，故障未排除前，如果進(jìn)行重合閘或備自投，第二次短路電流可能擊穿電纜絕緣，導(dǎo)致事故范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，高鐵電力線發(fā)生故障后，需采取人工排查搶修措施，確認(rèn)故障排除后，方可恢復(fù)供電。由此可見，無論是普鐵還是高鐵，電力線路故障的排查處理需要花費(fèi)較多時間，不利于鐵路電力線安全可靠供電。

基于以上情況，提出鐵路電力線在故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電策略：同時跳開故障點(diǎn)兩側(cè)箱變中的高壓開關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障自動隔離；線路兩端的配電所同時重合或備自投，以便快速恢復(fù)供電臂上所有箱變的電源，從而保障供電區(qū)間的車站和信號設(shè)備設(shè)施供電。然而，該策略的實(shí)現(xiàn)需要借助一個多點(diǎn)監(jiān)控、大數(shù)據(jù)計算、快速診斷和控制的平臺。

2 監(jiān)控平臺設(shè)計

2.1 總體構(gòu)架

基于鐵路電力線的運(yùn)行調(diào)度和管理工作集中在供電段生產(chǎn)指揮中心的模式，采用B/S（Browser/Server）構(gòu)架，通過VB 編寫的應(yīng)用程序與SQL 數(shù)據(jù)庫連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，建立如圖1 所示的鐵路電力線安全監(jiān)控平臺。

圖1 鐵路電力線安全監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺由監(jiān)控層、云計算層、數(shù)據(jù)存儲層、服務(wù)層、客戶層等組成。由于監(jiān)控對象（箱變）數(shù)量多，地理位置分散，距離供電段生產(chǎn)指揮中心大都在數(shù)十千米，甚至數(shù)百千米外，故各層級之間的通信由數(shù)據(jù)網(wǎng)完成。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 監(jiān)控層

以每一臺箱變作為一個監(jiān)控對象，監(jiān)測內(nèi)容主要包括：箱變的10 kV 進(jìn)線和出線處的三相電壓、三相電流；2 臺高壓開關(guān)的分閘與合閘位置。考慮到電力線故障屬于快速電磁暫態(tài)過程，如果信息采樣裝置的采樣頻率較低，可能漏掉有用信號，實(shí)踐中選擇的采樣頻率為50 MHz。

2.2.2 云計算層

箱變中采樣裝置獲得的原始監(jiān)測信息是大量的離散數(shù)據(jù)，可通過傅里葉變換計算將其還原成連續(xù)信號；還需要對故障信號放大和辨識，采用小波分析進(jìn)行計算。由于故障電流以近似光速（300 000 km/s）傳播，故障瞬間就會流經(jīng)多臺箱變，各箱變獲得的信息需要按微秒級進(jìn)行比對計算。另外，生成控制碼的運(yùn)算等也需要大量計算。實(shí)踐表明，一臺計算機(jī)進(jìn)行計算不僅速度慢，而且數(shù)據(jù)堵塞死機(jī)現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

云計算綜合運(yùn)用網(wǎng)格數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)存儲、分布式計算、并行計算、虛擬化、負(fù)載均衡化等多種技術(shù)，具有大數(shù)據(jù)的動態(tài)擴(kuò)展、按需部署、高速計算、靈活處理等優(yōu)點(diǎn)[5～7]。將鐵路電力線按箱變位置劃分為若干單元，每個箱變即為一個監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，采集的電壓電流數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)網(wǎng)自動上傳至云計算層，借助云計算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力快速完成計算，并根據(jù)計算結(jié)果分析和診斷故障位置，生成控制碼，啟動故障點(diǎn)兩側(cè)的箱變開關(guān)分閘，實(shí)現(xiàn)故障自動隔離[8，9]，為快速恢復(fù)供電創(chuàng)造條件。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲層

利用SQL Server 數(shù)據(jù)庫建立專門的gtx1 數(shù)據(jù)庫，存儲線路運(yùn)行中各區(qū)間的帶電狀態(tài)信息，各箱變中開關(guān)的分閘與合閘動作數(shù)據(jù)，發(fā)生的故障類型（短路、接地、缺相）、位置和時刻等信息。所有數(shù)據(jù)都能夠?yàn)榭蛻舳颂峁┛梢暬@示和報告打印等服務(wù)。

2.2.4 服務(wù)層

服務(wù)層主要內(nèi)容包括：

（1）權(quán)限管理。分為二級：系統(tǒng)管理、值班操作管理，通過密碼才可登錄。

（2）線路管理。設(shè)置監(jiān)控線路的名稱、箱變及開關(guān)名稱、箱變數(shù)量和位置。

（3）數(shù)據(jù)管理。查詢區(qū)間電力線帶電狀態(tài)、開關(guān)的操作情況（開關(guān)分閘與合閘的動作時刻）、故障報警數(shù)據(jù)（故障類型、位置、發(fā)生時刻）。對于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的電力線，相關(guān)運(yùn)行管理規(guī)程規(guī)定[11]：發(fā)生單相接地故障后可以繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，其間合適的時刻才處理單相接地故障，因此還需要對切除單相接地故障進(jìn)行管理。

（4）打印管理。電力線運(yùn)行報告內(nèi)容除了電壓、電流、用電量、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)外，還應(yīng)包括：某一歷史時間段電力線兩端配電所的主供或備供運(yùn)行方式，各開關(guān)的人工操作情況，開關(guān)動作狀態(tài)和時刻，故障發(fā)生的類型、位置和時刻，當(dāng)前（打印報告時刻）的運(yùn)行方式、開關(guān)狀態(tài)等。由于每一次打印的報告內(nèi)容并不是所有存儲的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)關(guān)注的信息進(jìn)行報告內(nèi)容的選擇，因此打印管理中應(yīng)具有選項(xiàng)功能。

2.2.5 客戶層

客戶層是面向電力線運(yùn)行管理人員的信息交互環(huán)節(jié)，需要采用可視化方式進(jìn)行信息交互，主要內(nèi)容：

（1）可視化顯示監(jiān)控的電力線運(yùn)行狀態(tài)，主要包括：配電所的主供或備供運(yùn)行方式，箱變開關(guān)的分閘或合閘位置，開關(guān)帶電狀態(tài)，箱變中變壓器帶電狀態(tài)，區(qū)間電力線帶電狀態(tài)，故障位置，故障類型（短路、接地、缺相）。

（2）電調(diào)值班人員通過密碼登錄，對箱變開關(guān)的分閘或合閘進(jìn)行遠(yuǎn)程操作記錄，對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電力線發(fā)生的單相接地故障的切除處理進(jìn)行記錄。

（3）查詢和打印關(guān)注的有關(guān)運(yùn)行信息。

目前，鐵路電力線的運(yùn)行管理權(quán)限集中在供電段生產(chǎn)指揮中心，因此，具有人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制電力線開關(guān)的客戶端只設(shè)置在供電段指揮中心。如果需要將電力線運(yùn)行狀態(tài)及信息擴(kuò)大到供電段的供電車間或鐵路局供電部，則可以通過專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，在有關(guān)供電車間或鐵路局添加只具有可視和查詢權(quán)限的客戶端。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 故障診斷

當(dāng)電力線某處發(fā)生短路故障時，線路中的電流具有急劇增大的特征[11]。根據(jù)電力線路繼電保護(hù)原理[12]，當(dāng)線路中任意一相電流值超過速斷整定值，即可判定發(fā)生了短路故障，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖2 電力線路故障等效模型

對式（2）進(jìn)行復(fù)數(shù)分解，可推導(dǎo)出故障距離x為

3.2 精準(zhǔn)控制

通過云計算分析快速判斷故障位置后，需要啟動故障點(diǎn)兩側(cè)的開關(guān)分閘，才能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動隔離。因此，需要云計算層快速完成選擇故障點(diǎn)兩側(cè)的箱變名稱及箱變中對應(yīng)的開關(guān)名稱，并生成對應(yīng)的開關(guān)分閘和閉鎖的控制碼。為保障開關(guān)動作的可靠性，需采用隨機(jī)編碼技術(shù)生成控制碼。

4 實(shí)際運(yùn)行與試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述方法研制的電力線故障快速隔離裝置，已經(jīng)在武漢供電段管轄的麻城配電所—黃陂配電所區(qū)間的貫通線上掛網(wǎng)運(yùn)行。為驗(yàn)證該裝置對故障處理的效果，進(jìn)行了人工短路試驗(yàn)。試驗(yàn)時線路運(yùn)行方式為黃陂配電所主供，麻城配電所備供，在線路停電狀態(tài)下將短路接地線掛接在中驛箱變出口183#桿上，然后操作黃陂配電所送電。送電合閘瞬間，黃陂配電所饋線斷路器和最靠近故障點(diǎn)兩側(cè)的箱變開關(guān)跳閘，自動切除故障；電調(diào)命令黃陂和麻城兩所重新送電時，即恢復(fù)全區(qū)間箱變供電。試驗(yàn)中線路各分段帶電狀態(tài)、開關(guān)動作情況以及故障位置均在電調(diào)的監(jiān)控機(jī)界面顯示，所有信息同時記錄在后臺管理軟件中，以便查詢和打印報告。試驗(yàn)表明：裝置對線路故障診斷準(zhǔn)確，隔離范圍最小；電調(diào)下達(dá)命令后即可立即恢復(fù)全部箱變供電，驗(yàn)證了鐵路電力線在故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電策略的正確性及有效性。

5 結(jié)語

（1）提出了鐵路電力線在故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電的策略：同時跳開故障點(diǎn)兩側(cè)箱變中的高壓開關(guān)，自動隔離故障；線路兩端配電所同時送電，快速恢復(fù)供電臂上全部箱變的電源，從而保障全區(qū)間的車站和信號設(shè)備設(shè)施供電。

（2）采用B/S 構(gòu)架的鐵路電力線安全監(jiān)控平臺，基于云計算能力，以箱變?yōu)楸O(jiān)控節(jié)點(diǎn)，采集箱變的電壓電流和開關(guān)位置等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)自動上傳，分析計算和綜合處理相關(guān)信息，能夠快速完成故障診斷和隔離。

（3）在麻城配電所—黃陂配電所區(qū)間的貫通線上掛網(wǎng)運(yùn)行該電力線故障監(jiān)控裝置，通過人工短路模擬試驗(yàn)表明：故障診斷和定位準(zhǔn)確，故障自動隔離，能夠快速恢復(fù)供電臂上全部箱變的電源，保障了對沿線車站和信號設(shè)備設(shè)施的可靠供電；同時，為故障檢修指明了方向，節(jié)省了人工排查時間。