基于無線網絡的接觸網故障定位及搶修輔助分析系統

劉小平 陳進根 上海鐵路局杭州供電段

1 概述

牽引供電系統作為電氣化鐵路的關鍵設備，對運輸安全可靠起著重要作用。接觸網作為牽引供電系統的唯一無后備的部分，對牽引供電安全穩定運行起著舉足輕重的作用。由于采用受電弓滑動取流，全天候運行受天氣及沿線外界環境及地形影響較大，接觸網發生故障基本不可避免，而大型樞紐站場接觸網架構復雜，尤其帶多股道分支接觸網線路故障點難以查找，故障不能及時排除導致嚴重影響行車安全，因此線路故障后迅速而精確地進行故障精確定位，快速組織實施搶修是始終困擾牽引供電系統安全穩定運行的難題。

當發生接觸網故障時，目前各牽引供電管理部門均通過牽引供電維修及生產調度指揮系統進行故障排查及搶修組織。系統一般采用供電調度集中信息管理，各工區及車間信息共享模式，實現對牽引供電的運行設備的實時狀態監視和應急事故搶修決策，以實現數據采集、設備狀態查詢、測量、參數調節、事件報警、應用分析和故障搶修決策等任務，牽引供電維修及生產調度指揮系統（復視系統）經過多年的應用發展，技術日趨成熟，數據也不斷完善，但基于數據信息的有效數據挖掘及實際利用尚待提高。目前供電段維修調度類信息包括：各站設備運行狀態、設備故障信息、故障測距報告、在線監測信息，視頻及環境安全監控信息等。

當接觸網發生故障后，變電所饋線跳閘，維修及生產調度指揮系統通過安裝在牽引變電所的故障測距裝置獲得有關故障位置信息，根據故障報告初步分析確定故障原因，并組織有關人員機具及時趕到現場進行故障搶修排除。針對多分支接觸網線路故障，由于數據有效信息關聯度低，有效數據信息少，很難確定準確故障位置，目前仍需通過富有經驗的技術人員進行分析并安排多組搶修人員分赴不同地點進行故障查找，從而造成較大的人力物力浪費，且故障處置時間也很難縮短。故障排除時間的長短直接影響到供電系統送電保障和運輸安全及社會影響，排除時間越長，則造成的損失越大。基于精確故障定位的快速搶修組織及策略不僅對及時修復線路和保證可靠供電至關重要，而且對鐵路運輸安全和經濟運行都有十分重要的作用。

因此，有必要結合現有技術平臺進行功能應用擴展，利用接觸網分支故障定位技術實現故障快速輔助智能分析，為快速搶修提供良好的應用平臺和技術基礎。

2 分支接觸網故障判別方案

接觸網故障精確定位是快速搶修的技術基礎，因此需要一方面提高故障測距準確性，另一方面實現可靠的分支接觸網故障判別。接觸網故障測距目前工程實際均為標準配置，且測距原理相對成熟，重點是加強基礎數據準確度核查和定期根據實際故障進行參數修正，本文不做細述。針對接觸網分支線路故障的區段判別，目前工程上尚未實現，需要進行研究。本文將重點分析分支接觸網故障判別技術和實現方案。

根據供電系統結構特點，為了滿足接觸網供電的靈活性和可靠性及故障時縮小停電事故范圍要求，一般接觸網都設計有電氣分段。電氣分段分縱向分段和橫向分段兩大類。縱向電分段主要是電分相，橫向電分段是根據股道應用所設，通過隔離開關與正線連接，大多設在站場裝卸線、專用線等場合。還有通過T接方式或電連接直接與正線連接的分支線路。站場軟橫跨區段比較復雜，分絕緣連接和非絕緣連接，絕緣連接無須考慮，針對非絕緣連接一般按同一供電線路考慮在站場及大型樞紐供電時都要進行電氣分段。接觸網典型供電示意如圖1。

圖1 分支接觸網典型供電示意

從圖1可以看出，需要區分接觸網分支故障的位置主要包括上網點、大型樞紐及站場，網上T接線路等，線路之間電氣連接方式主要包括接觸網隔離開關、電連接及直接連接。

要區分具體故障線路，就要準確獲取相關線路的具體實時電氣參數，即故障電流數值。既需要通過具體方式獲取各分支接觸網實際運行電流，當電流超過一定限值時，判斷為故障并能提供告警信息。

目前國內已有單位在專用線引入點或接觸網T接位置通過安裝獨立的斷路器、負荷開關及配套的電流保護監測單元和信息遠傳單元實現故障區段的區分和隔離，但實現方案投資較大，只適合重要分支線路實施，不適合上網點、站場多股道等場合廣泛應用。

針對既有接觸網通過隔離開關連接方式，在正常狀態下，隔離開關閉合，分支線路機車受電弓可帶電滑行通過，當該線路接觸網故障或需檢修停電時，可打開對應的隔離開關將該區域接觸網隔離斷電，其它區域接觸網不受影響可繼續帶電工作。因此，可利用此處的電動隔離開關引出線安裝故障電流監測單元實現短路電流實時監測，當故障發生在該支路時，由安裝在該支路電動隔離開關處的故障電流監測單元判斷并動作，給出報警信息。

對直接上網無電動隔離開關分段的線路，可依照接觸網架構特點及電氣性能，在電連接或載流承力索上安裝故障電流監測單元，軟連接通過全部故障電流，載流承力索通過部分故障電流，可利用載流承力索和接觸線分流關系合理設置故障電流定值，保證當機車正常運行時，安裝的故障電流監測單元不會誤動作，當發生在該支路短路故障時監測單元可靠動作報警。

由于接觸網為高壓線路，且有一定設備限界要求，因此，故障報警應通過無線方式將短路電流信息就近傳送到當地分析處理單元，再由通信網絡傳送到遠程監測主機，實現故障信息分析、顯示和報警。

供電維護管理及搶修人員則可依照饋線故障測距結果和該報警信息進行關聯決策，從而精確判斷實際故障位置，為快速搶修提供依據。

3 系統硬軟件構成及組網

依據分支接觸網故障判別方案，要實現準確故障判別，必須區分故障線路，這就需要安裝故障電流監測單元，故障電流監測單元需要固定在電連接或承力索等高壓導線上，所以必須采用高壓等電位安裝方式，供電電源不能通過外部提供，通信也必須采用無線模式。

電流采集一般采用鉗型霍爾傳感模式，即采集單元將導線穿過鉗型霍爾傳感器，被測導線為一次主線圈，當有電流通過時，傳感器鐵芯感應磁場，鐵芯上纏繞的二次線圈感應與導線電流成比例的二次電流，通過放大后進入A/D采集回路，智能采集單元采樣后與設定定值進行比較，當電流增量超過設定值且滿足時間條件，則發出故障告警信息，通過無線發射器發出。故障電流采集單元供電采用微太陽能電池結合渦流取電技術為內置鋰電池供電。

由于樞紐站場區分支線路多，故障電流監測單元每條支路都需要安裝，無線通信管理單元采用一對多設置，即在站場咽喉區接觸網支柱上設置一臺無線通信管理單元，與該區域設置的多臺故障電流監測單元實時通信，定時巡檢各單元的運行狀況并可實時接收故障監測單元上送故障信號，通過GSM網絡遠傳故障信息。無線通信管理單元供電可采用太陽能電池板結合蓄電池方式，無需進行電纜敷設。遠方監控主機可以單獨設置也可在既有供電復視終端或維修及生產調度指揮系統上功能擴展實現。輔助分析工作站與供電段復視系統通過以太網連接，網絡結構采用總線型結構，采用TCP/IP協議，傳輸媒介采用高品質的超5類雙絞線，通信速率1000/100 Mbps。各工區的事故搶修通過OA自動化辦公網絡實現信息的接收。現場人員可通過手持無線智能終端接入網絡。

故障搶修決策輔助分析軟件需要和既有復視系統軟件有機交互信息，獲取故障報告和故障測距報文信息。軟件符合網絡化應用要求，形成供電段（調度）、工區、現場手持終端三級無縫連接，支持廣域的分布部署能力，從而能夠建立、部署和維護靈活、安全的信息共享及圖像、語音、文字的互相傳遞。故障分析信息、接觸網數據庫與電子地圖有機結合，當發生故障后可快速在電子地圖上顯示實際故障位置和接觸網桿號對照信息，并給出最優搶修路線、最近工區及相關負責人聯系信息，滿足快速故障搶修決策的基礎信息要求。當搶修人員到達現場后，可以通過手持3G圖文終端設備與指揮人員及時聯絡，提供現場實際狀況信息，便于調度指揮人員直觀了解現場實際情況和做出科學合理決策。

系統總體組網示意如圖2。

圖2 分支接觸網故障定位輔助分析系統組網

4 工程應用

基于無線網絡的接觸網故障定位輔助分析系統主要可以實現以下應用：

（1）接觸網網絡故障電流分析

線路資料建立數據庫，首先將線路有關參數錄入數據庫。當線路發生短路故障時，可通過及時獲取的故障測距裝置數據自動形成供電臂網孔電流分布及短路示意圖，并直觀顯示具體故障位置，當配置站場及樞紐區故障精確定位輔助設備后，可通過測距報告及故障區段精確定位信息準確確定線路實際故障位置，自動分析計算并彈出直觀的供電臂電流分布畫面及故障詳細分析結果，指導下一步事故判斷及搶修決策。

（2）故障短路點的可視畫面監控

在給定供電臂故障確定界面里，當故障所在位置附近有視頻監控攝像機時，可通過安全監控工作站獲取現場的視頻信息，便于直觀查看現場故障狀況。

（3）搶修路線交通的優化指引

對確定故障點的實際地理位置進行預置電子地圖檢索，可及時提供到達現場的最優路線及有關附近設施信息，如橋梁、隧道、高壓跨越供電線路等，并可提供最近工區、搶修材料情況、人員信息情況等信息，便于事故針對性分析及搶修人員及時到達事故現場。

（4）現場搶修與供電段指揮的雙向互動

通過聯網手持智能終端，可在現場與供電段調度指揮端進行雙向文字、語音、圖像傳輸，便于遠程指揮及指導事故分析及搶修實施。

5 結論

對多分支線路接觸網故障，如何及時準確判斷故障位置是實現快速搶修的基礎，本文通過分析提出分支接觸網故障的判斷方法和軟硬件系統實現方案，通過實際工程應用可有效提高故障定位精確度及事故搶修管理決策水平，提升生產調度指揮、事故搶修、綜合維修等工作效率，保障牽引供電的穩定運行，為鐵路運輸安全提供技術保證。