鐵路電力線路故障自動判斷與隔離系統研究

何占元

0 引言

朔黃鐵路 10 kV電力線路承擔著除牽引供電以外所有鐵路負荷的供電任務，其供電可靠性直接影響鐵路運輸的安全，而10 kV電力線路大部分地處山區、曠野，受環境影響大，每年由于天氣等原因造成的設備故障達上百件。傳統故障查找方式是故障發生后，人員到現場拉合開關進行試判斷查找故障點，因此造成設備故障延時較長，嚴重干擾了鐵路的正常運輸，為此研制“鐵路10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統”具有重要現實意義。

1 系統結構

1.1 系統硬件結構

1.1.1 站控層監控中心

站控層監控中心由硬件完成物理功能，由軟件完成其存儲及邏輯判斷功能，是“鐵路10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統”的中樞，監測控制中心在此接收各間隔層設備，即配電室監測控制平臺、室外線路監測控制平臺發來的數值信息、報警信息、狀態信息等，將信息進行數據存儲，并根據預先編制的處理規則進行運算、邏輯判斷，然后根據需要對間隔層設備下達各種指令，如招測數據、操作預置、遠程分合等。

該監測控制中心硬件采用成熟的工業控制機，配備金山信息硬件防毒防火設備，系統通過公共通信網絡接入。

1.1.2 配電所間隔層

配電所相關饋出柜設置間隔層，該間隔層包含室內監測及控制裝置，是配電所監測點的核心設備，也是連接配電所既有設備與“鐵路10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統”的橋梁，是實現配電所相關饋出柜監測功能，完成現場數據采集，建立與后臺監測控制中心的數據交換，執行監測控制中心的數據請求指令的設備。為不影響既有檢測控制設備工作，該檢測控制平臺基本與既有自動控制設備平行處理信息，不對既有設備進行當地或遠程操作。

監測平臺硬件主要由電壓、電流傳感變送模塊、模擬量采集模塊、運算控制模塊、GPRS傳輸模塊、直流開關電源等組成。

1.1.3 區間室外間隔層

系統根據線路復雜狀況合理設置間隔層分段點，在線路上加裝已經非常成熟的真空斷路器，用于執行線路的分段命令。在分段點分別設置間隔層的室外信號采集與控制平臺裝置，用于對該點線路電流、電壓的監測、上送，執行站控層下達的各種指令。

監測平臺硬件組成除擁有配電所間隔層設備外，還有室外真空斷路器、電流互感器、變壓器等配套設備。

1.1.4 GPRS傳輸網絡

配電所間隔層監控平臺裝置、區間間隔層分段點分別設置GPRS傳輸模塊，用于站控層和間隔層連接，傳輸數據報文。

1.2 系統軟件

1.2.1 監測控制中心軟件

該軟件實現對電力線路電流、電壓等模擬量的遙測，開關狀態、保護動作信號等開關量的遙信，高壓開關的遙控等功能；同時實現對控制層中各站上送故障數據報文的分析判斷，下達隔離故障區段的命令。數據庫服務器利用SQL-SERVER對實時的采樣數據進行存儲、分析，為系統提供歷史追溯功能，實現歷史數據查詢，日，月報表打印等功能。

軟件開發平臺為力控電力版 6.0版本，以及Access 2003數據庫，運行環境為Windows XP或Windows 2000。

1.2.2 配電所內監測平臺軟件

該軟件通過對采集到的電流、電壓、斷路器狀態變化、繼電保護動作信號 4方面的信息進行分析、計算、比較，由智能控制器判定出故障類型，并將故障類型標志與加有時標的故障數據報文通過無線的方式一同送往監控中心；接收來自監控層的招測指令，上送被監測對象的狀態參數；在無故障及招測指令時按周期主動上送被監測對象狀態參數。

1.2.3 室外監測控制平臺軟件

該軟件除實現配電所監測平臺軟件相應功能外，還可實現接收來自監控層遙合、遙分、故障遙分指令，控制高壓開關的分合操作。

2 系統工作原理

“鐵路 10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統”是完全獨立于現有保護系統之外的故障判斷與隔離系統。在線路發生永久性故障，本所重合及對方所備自投失敗后，才啟動故障的判斷與隔離。當線路發生瞬時故障，本所重合或對方所重合成功時，該系統只做故障區段判定，并不做相應故障隔離，因此該系統的開發完全適用鐵路10 kV電力系統現有運行模式。

2.1 故障區段的判定

當線路發生永久故障，本所重合及對方所備自投失敗后，系統判定為永久故障，首先利用小波分析手段，將數據及時段進行放大比較，準確區分數據時序，防止對方所備自投時產生的故障緊急數據與主供所第一次跳閘時的故障緊急數據重疊混亂。在數據來源和時序確定后，進行邏輯判斷。其次，以主供所向備供所方向為次序進行比較，如故障數據類型相同，則不在相應區段，如故障數據相異，則在相應的區段，從而找出故障區段。

2.2 故障區段的隔離

當系統判定為永久故障并找出故障區段后，系統進入故障區段隔離程序，根據系統設定情況，故障隔離有2種方式：一是遠程人工操作隔離。由值班人員根據系統提示，遠程遙控斷開故障區段兩側斷路器；值班人員遠程遙控操作（或配電室就地操作）合兩側配電室斷路器，恢復非故障區段的供電。二是系統自動操作隔離。系統自動下達遙控操作命令，斷開故障區段兩側斷路器；自動下達遙控操作命令，合兩側配電室斷路器，或值班人員遠程遙控操作（或配電室就地操作）合兩側配電室斷路器，恢復非故障區段的供電。

3 系統關鍵技術

3.1 線路故障及小波分析理論

系統綜合利用電力線路故障及小波分析理論實現線路故障自動判斷。當線路發生故障后，系統將各間隔層上報檢測數據進行分析比較，從而判定故障發生區段。

3.2 系統通信機制

不同數據信息通過 GPRS上報采取不同應答機制，提高主要數據在無線傳輸環境中的實時性。重要數據如開關變位、故障信息等實行間隔層主動上送，為最優先數據，監測控制中心只做收到回復；原監測控制中心周期巡檢采集的數據改為在間隔層無故障緊急數據時，按周期主動上送，監測控制中心不做回復，只做記錄，為次級優先數據；第三級數據為招測等數據，間隔層在收到監測控制中心命令時執行。

3.3 系統安全機制

3.3.1 系統操作安全

該系統實行3個級別的操作權限，維護系統修改參數、遙控線路真空斷路器等涉及到系統安全運行的操作，均需在輸入用戶名和正確的操作密碼后方可進行，并且系統自動記錄操作事項、時間、人員，實現操作的可追溯性。系統在站控層軟件設置上也采用了操作預置確認功能，防止發生誤操作。

3.3.2 系統硬件安全

與線路直接相連接的真空斷路器采用非常成熟的國家標準定型產品，同時為了不影響既有線路保護功能，對真空斷路器進行了改造，取消了原有真空斷路器過流脫口功能。二次控制系統與一次設備采用必要的安全隔離措施，如光電、磁隔離、變送器隔離等，確保二次監控系統不影響一次設備的正常運行；二次系統所有元器件均采用工業級元器件，確保符合室外工作環境；二次系統未投入、部分未投入、維護等只允許故障自動判斷與隔離的本功能失去，均不應影響原10 kV電力線路的正常運行。

3.3.3 硬件防火墻

該系統采用金山信息KingGate50防火防毒墻，其病毒/木馬的查殺采取病毒庫+主動防御+互聯網可信任認證技術的三重防護，保護該監測控制中心安全。

4 系統特點及意義

4.1 系統特點

（1）系統通訊方式選擇無線GPRS 網絡。其高速數據傳輸、永遠在線、流量計費的特點非常適合應用于突發性的、較小流量的監測系統，初期投入及運行費用也非常低。目前鐵路系統GSM-R網絡正在大規模構建，系統通信方式也可搭借此無線通信平臺，不但節省了通信費用，同時也可避免由于公網信號覆蓋問題造成系統的不穩定。

（2）人性化設計。系統不影響原供電系統的運行方式，自適應一次重合、對方備自投，適應兩側配電所任意主供。該監測控制系統為原保護自動裝置完成其功能后，代替人工下一步的工作，是既有保護自動裝置的后續工作。

（3）系統模塊化設計，各種功能模塊化，方便系統升級及嵌入新的功能模塊。

（4）采用工業級的設備，系統適應室外惡劣環境，維護量小。

4.2 系統研制意義

（1）大大縮短了故障區段隔離時間。電力線路發生故障時，如果采用傳統的人工判斷與隔離方式，在交通理想的情況下，最終隔離出故障區間，恢復非故障區間送電，時間約2 h。如采用自動故障判斷與隔離系統預期20 s即可完成。

（2）杜絕對系統和設備的沖擊，提高設備使用壽命。供電系統發生永久性故障，重合或備自投失敗后，故障自動判斷與隔離系統則自動判斷故障區間并隔離，然后恢復非故障區間的供電。在整個故障自動判斷與隔離過程中，不需要帶故障試送電，杜絕在故障查找過程中對系統和設備的沖擊。

（3）提高瞬時性故障的定性準確率。瞬時性故障時，雖然重合或備自投成功，但系統仍會采集到故障時各監控點的瞬時參數并作出區段判斷，瞬時性故障的巡視縮小了范圍，巡視變得有針對性，預防類似故障或同一故障的能力增強，可以最大程度地排除供電系統安全隱患。

（4）及時發現隱形故障，防患于未然。由于間隔層均設有電壓、電流檢測裝置，因此該系統可通過檢測電流大小監測線路絕緣水平，防止線路因絕緣降低而引起設備的隱形故障。

（5）提高自動化運行水平，為檢修維護提供方便。

5 結束語

“鐵路 10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統”利用無線GPRS網絡及小波分析理論，實現了電力線路故障自動判斷與隔離，不僅解決了電力線路故障查找效率低下以及因試送電造成的設備沖擊等難題，同時提高了電力線路自動化管理水平，因此該系統對電力線路管理特別是負荷等級高的電力線路管理具有現實意義。