基于GPS同步的電氣化鐵路故障測距參數校準技術研究

郭駿麟，喻 劼

0 引言

根據國家鐵路局公布的《2020年鐵道統計公報》數據，截至2020年底，全國鐵路營業里程達14.63萬公里；復線里程8.70萬公里，復線率59.5%；電氣化里程10.65萬公里，電化率72.8%。電氣化鐵路一旦發生接觸網接地或異相短路故障，主要依靠設置在鐵路沿線的牽引變電所、分區所、AT所內的測距裝置定位故障點[1]。故障精確定位的關鍵是為測距裝置提供準確的供電臂電抗-距離（Q-L）定值表[2，3]。

供電臂內存在區間和站場，設計人員依據接觸網材質以及積累的經驗確定接觸網單位自阻抗、互阻抗，再根據區間分布及長度得到各區間的Q-L理論定值，根據站場分布及長度得到各站場的Q-L理論定值，綜合各區間與站場的Q-L值得到接觸 網供電臂的Q-L定值表。該定值表僅為理論值，需要通過接地短路試驗進行校正[4，5]。但接地試驗會對供電一次設備及鐵路沿線的通信、信號設備造成一定損傷，在實際運營中應盡量減少或避免進行接地短路試驗，當該試驗非做不可時，每個供電臂也僅選取2或3個接地點，不具有廣泛代表性，特別是復線，互阻抗受多方面因素干擾。上述因素均嚴重影響Q-L定值表的準確性。

由于測距裝置Q-L定值表不夠準確，一旦發生接觸網接地或異相短路故障，即便采用最優化的算法，根據Q-L定值表得到的故障定位點也并不十分精確。運營經驗表明，經過2或3個接地點試驗的供電臂，定位誤差大約為500 m；而沒有經過接地點試驗的供電臂，定位誤差甚至超過1 000 m。在實際故障處理中，較大的定位誤差延長了維修人員查找故障點的時間，影響供電系統正常功能的及時恢復。國鐵集團工電部于2019年2月19日發文要求各鐵路局集團公司供電部門采取有效措施，對轄內Q-L定值表進行有效校正，更進一步說明了準確的Q-L定值表對運營安全的重要性。針對現有電氣化鐵路故障測距系統的參數不能有效、準確整定的情況，本文提出一種基于GPS校時的電氣化鐵路故障測距參數校準技術，可以不經過接地短路試驗，有效提高電氣化鐵路供電臂Q-L定值表的準確度，進而提高接觸網故障測距的精確性。

1 基于GPS同步的故障測距參數校準技術原理

電氣化鐵路的每個供電臂設置有1個牽引變電所（Traction Substation，SS）、1個分區所（Sectioning Post，SP）和 1 個 AT 所（Autotransformer，AT），每個所內安裝有故障測距裝置，測距裝置之間通過光纖相連，如圖1所示。一旦發生接觸網接地或異相短路故障，故障電流同時啟動牽引變電所、分區所與AT所內的測距裝置，記錄并保存穩態故障電流數據，即牽引變電所、分區所與AT所內的以及分區所、AT所內的，如圖2所示。

圖1 接觸網供電臂故障測距結構

圖2 接觸網供電臂故障電流分布

分區所與AT所測距裝置將記錄的各電流值傳送給變電所測距裝置，以變電所內的測距裝置為主體，利用記錄的上述電流和變電所T線、F線電壓，以及故障點與變電所之間的距離，根據電路原理知識，即可計算出故障點與變電所之間的電抗值。由于供電方式及算法原理的不同，可以得到不同的計算式。

假設牽引變電所內無自耦變壓器，采用中性點吸上電流比原理實現測距功能，則可得到牽引變電所、AT所、分區所3處吸上電流分別為[6]

將每個供電臂分為兩段，變電所至AT所為一段，AT所至分區所為一段，如圖3所示，圖中的n、n+1為故障AT段兩端的吸上電流編號，Q為吸上電流比。

圖3 分段線性測距法

典型兩個AT段測距公式為

式中：Di為各AT段長度，m；xi為各分段點距離，m；Qi為各分段點故障發生時的吸上電流比。

由式（3）可知，只要Qi準確，發生故障時，即可得到變電所與故障點之間的精確距離L。反之同理，如果變電所與故障點之間的精確距離L已知，也可求得故障點所在的分段點吸上電流比Qi的準確值。故障電流也可用負荷電流替代，以機車取流點代替故障點。換而言之，只需獲取同一時刻如圖2所示變電所、分區所、AT所的電流，以及變電所與故障點（或機車取流位置）之間的距離L，即可推算出準確的吸上電流比Qi值。

如圖4所示，分別在變電所、分區所、AT所各設置1臺數據采集儀，采集儀的時鐘通過GPS校準，利用采集儀記錄各所電流值；同時，在供電臂區段內設置1臺機車取流，攝像儀錄取機車所在位置的公里標，將公里標換算成帶時標的變電所與機車的距離，綜合同一時刻各所電流值，可反推出變電所與接觸網之間的電抗值。隨著機車移動，不斷重復上述過程，即可得到供電臂的Q-L定值表。

圖4 求取供電臂Q-L定值表流程

2 基于GPS同步的故障測距參數校準方案

為了實現基于GPS同步技術的電氣化鐵路故障測距參數校準功能，需要建立以計算機軟硬件技術為基礎的應用系統，該系統由前端數據采集設備和后端計算機工作站組成。前端數據采集設備包括數據采集儀和GPS接收天線，后端計算機工作站主要完成數據分析與處理。

2.1 數據采集

數據采集是指通過數據采集儀同步采集并保存一個供電臂內變電所、AT所和分區所的實時數據。數據采集儀配置6套高精度鉗形電流傳感器，采集變電所、AT所和分區所的各電流數據，同時配置1路GPS信號接收天線，用于校準時鐘，使得采集的電流數據帶有正確時標。每條錄波記錄時間最長可達1 h，裝置可連續存放256條錄波記錄。錄波數據傳輸格式符合ANSI/IEEE C37.111-1991 COMTRADE的規定。

在變電所設置1臺數據采集儀，將4個電流傳感器根據接線規定分別接在下行T線、下行F線、上行T線、上行F線上；在AT所和分區所各設置1臺數據采集儀，AT所和分區所的5個電流傳感器根據接線規定分別接在下行T線、下行F線、上行T線、上行F線和運行AT的吸上線處；在變電所、AT所和分區所各設置1套GPS天線，將天線拉出至控制室外場地，使數據采集儀以GPS基準校時，每臺數據采集儀采集的數據均帶有時標。

數據采集儀工作時，在供電臂AT段運行的測試車從接觸網取流，在運行的測試車上通過攝像儀攝錄窗外接觸網支柱桿號或車內顯示的公里標。測試車通過每個供電臂時，完成本供電臂的數據采集，利用工具軟件從數據采集儀導出各所測試數據，通過圖像識別錄像視頻得到每個整秒時刻測試車的運行位置。

測試車開始運行前，通過定值整定，同時啟動變電所、AT所和分區所3個所數據采集儀開始錄波，將所獲取的每個整秒時刻測試車的運行位置、數據采集儀采集帶有時標的電流數據均導入后端計算機工作站，進行數據分析與處理。

2.2 數據分析與處理

后端計算機工作站數據分析與處理軟件采用3層分布式結構，包括數據庫服務器、應用服務器和客戶端軟件，如圖5所示。

圖5 數據分析與處理軟件系統架構

數據庫服務器：存放各類型的基礎數據，包括變電所、AT所和分區所內數據采集儀采集的實時錄波數據，機車攝像儀錄取的公里標數據等。

測距分析組件：從數據庫服務器導出數據，完成變電所、AT所和分區所內數據采集儀采集的實時錄波數據與機車攝像儀錄取的公里標數據的分析，計算Q-L定值表。

系統管理組件：實現用戶（組）管理、權限管理、系統日志管理等。

數據字典組件：實現所有數據字典項的維護。

數據訪問組件：用于管理數據連接、獲取數據集、獲取臨時數據集、執行一條SQL語句、在一個事務中執行多條SQL語句等。

數據分析與處理軟件客戶端人機功能由“基礎數據管理”、“整定值管理”兩大功能模塊組成，各菜單功能如表1所示。

表1 人機接口各菜單功能

數據分析與處理軟件工作流程：數據采集儀采集的帶時標的電流數據通過客戶端“批量更新”方式導入該表中；測試車在供電臂AT段內運行時，將錄像得到每個整秒時刻測試車的運行數據輸入表中；至此，供電臂數據表已獲得該供電臂AT段的公里標及對應的電流值列表，點擊“整定計算”，得到Q-L定值表。該Q-L定值表與真實情況基本吻合，可以提供給設置于牽引變電所、分區所內的故障測距裝置，實現牽引網精確的故障測距功能。

3 實例驗證

2020年6月3日，在中國鐵路廣州局集團管內梅汕鐵路的豐順東變電所、建橋AT所及畬江北分區所3個所亭內設置3臺數據采集儀采集實時數據，并架設GPS天線，同時在該供電臂內以120 km/h的速度行駛1輛測試車，通過攝像儀錄取實時公里標數據。將所獲取的所有數據導入數據分析與處理軟件的數據庫，通過分析與計算得到該區段的Q-L定值表，并將該定值表整定至該區段所亭的故障測距裝置內，校正了該區段內的Q-L定值表，使得故障定位誤差不超過200 m，取得了預期試驗效果。

4 結語

通過研究電氣化鐵路接觸網發生接地或異相短路故障時的測距原理，分析了接觸網故障定位精確度與Q-L定值表精確度的關系，以及有效提高供電臂Q-L定值表精確度的方法，提出了基于GPS同步的電氣化鐵路故障測距參數校準技術。分別在變電所、分區所、AT所各設置1臺數據采集儀，采集儀的時鐘通過GPS校準，利用采集儀記錄各所電流值；同時，在供電臂區段內設置1臺機車取流，機車移動時攝像儀錄取機車所在位置的公里標，將公里標換算成帶時標的變電所與機車的距離，綜合同一時刻各所電流值，可以計算出供電臂Q-L定值表。該技術不需要經過接地短路試驗即可得到準確的、多個分段的供電臂Q-L定值表。一旦發生接地或異相短路故障，能夠精確計算出故障點與變電所之間的距離，從而精確定位故障地點，誤差不超過200 m，有效提高了電氣化鐵路故障測距的精度。