新型無線遙控開關站及其應用

拓中華，王連生，張文仁，韓 鑫，劉明光，呂繼光，耿慶凱，林 凌，高 妍，鐘鋐州，劉 鐵

新型無線遙控開關站及其應用

拓中華，王連生，張文仁，韓 鑫，劉明光，呂繼光，耿慶凱，林 凌，高 妍，鐘鋐州，劉 鐵

在鐵路供電系統中，由于牽引變電所的繼電保護裝置不能識別分叉式專用線接觸網的故障電流，在分叉處設置開關站，可以快速切除專用線接觸網故障，保障干線接觸網的安全供電。接觸網故障電壓電流變化快、波形畸變較大，造成故障診斷困難。本文應用數學形態學對檢測信號進行圖像處理，采用模糊數學評判有效數據，保證診斷正確。利用GSM網絡短消息，使調度對開關站進行無線遙控方便經濟。實際運行表明：開關站性能穩定，滿足鐵路供電的現場需要。

接觸網；形態數學；模糊數學；遙控；開關站

0 引言

鐵路運輸是國內人流和物流的主要交通方式，電氣化列車的牽引動力取自一種稱為接觸網的專門供電線路，接觸網由牽引變電所供電。根據列車密度，可分為干線鐵路和專用線鐵路。專用鐵路的接觸網大多從干線接觸網上采用“T”接分叉方式引出。目前，接觸網干線與專用線的電氣分割采用隔離開關或負荷開關，這樣的開關電器不能自動識別和自動切除專用線故障；牽引變電所的繼電保護裝置是依靠提取變電所饋線的電壓電流來診斷線路故障，這在理論上都不具有區分“T”接分叉線路故障的可能性。因此，實際運營中專用鐵路的接觸網故障，往往造成干線鐵路的接觸網失電，故障位置查找困難，斷電時間較長，嚴重影響到干線鐵路上大量列車的正點運營。為此，開發研制一種新型專用鐵路的接觸網智能開關站非常必要。

1 開關站結構設計

開關站的作用和目的是控制專用鐵路的接觸網供電，自動切除專用鐵路接觸網發生的短路故障，所以，開關站的高壓主回路控制電器選擇以斷路器作為切除短路電流的控制電器。短路故障信息通過電流互感器和電壓互感器采集，利用嵌入式微機作為數據分析與處理核心并控制斷路器的分合閘動作?；谀壳癎SM網絡已經全面覆蓋中國大地，網絡運行非?？煽?，短信資訊費用極低；開關站的控制只有斷路器的分閘或合閘等簡單動作，因此，調度采用手機短信的無線遙控方式對開關站中斷路器進行分合閘控制及其狀態信息回傳十分方便和經濟。根據國家有關技術標準[1～4]要求，為了保障開關站中斷路器和電子控制設備的工作環境，采用戶外地面密閉箱式結構，防雨防塵，防冰雪覆蓋，箱體內部設置自動加熱和散熱的溫度調節裝置。開關站中高壓帶電部分進行完全封閉，檢修進人通道部位設置非停電聯鎖報警器，避免人員誤入高壓區發生觸電事件。開關站主要設備構成如圖1所示。

圖1 開關站主要設備構成框圖

2 短路故障智能診斷算法

威脅接觸網供電安全的主要故障是接地短路，診斷供電線路發生接地短路的方法有電流“閥值”法、波形梯度上升法、零序電流法等，應用較多的是阻抗法，其工作原理如圖2所示。

圖2 阻抗法診斷供電線路接地原理電路圖

當線路發生接地故障時，通過電流互感器CT采集的故障電流i經過“i/u變換器”和橋式整流器1Q，加載到繼電器J上；同時，通過電壓互感器PT采集的測點電壓u經過橋式整流器2Q，也加載到繼電器J上。要開關分閘切除故障電流，需要繼電器J動作來給出控制信號，繼電器J是否動作取決于比值z：

式中，z為測點至接地點之間的線路阻抗，ku為PT的變比，kct為CT的變比，kb為“i/u變換器”的變比。

由于供電線路的結構是固定的，線路單位長度的阻抗z0就是定值，因此，根據式（1）可推算出發生故障的接地點至檢測點之間的距離為

在式（1）中變比ku、kct、kb是定值，故障信息u、i變化非常快，特別是鐵路牽引供電系統的波形畸變較大，故障電流波形混亂不夠清楚，往往會造成判斷失效，引起繼電保護裝置誤動作。因此，對檢測信息u、i波形進行圖像處理和智能辨識是故障診斷的關鍵。

數學形態學是分析幾何形狀和結構的一種現代數學方法，它通過數學變換可清楚地描述圖像的局部特征和基本結構。若一個信號函數的本影為

本影集合重構就是：

圖像的輸出為

令f(x)，x∈Rm，m = 1，2，…，M ? 1為一非負函數，M為一自然數，此時為圖像的灰度級。g(x)為一凸的結構函數，f(x)形態譜為

顯然，圖像結構元素半徑越大，則保留的圖像顆粒越少，PS(f, g, λ)≥0；若f(x)中圖像顆粒直徑普遍較大，則篩選后保留的數量也會越多，PS(f, g, λ)值也較大。因此，這樣的運算就相當于將原圖像“放大”，突出圖像的形態信息。按照上述方法對采集的如圖3 a所示線路故障電流進行形態學運算后，可以清楚地看到故障電流指定部位的形態譜值如圖3 b所示。

圖3 故障電流與形態譜值圖

采用數學形態學方法雖然將檢測信息“放大”了，有利于確定u、i的比值，但是，故障電壓電流u、i變化快，不同時刻對應的波形不同，會導致不同時刻的u、i比值也不同。特別是由于u、i的波形畸變，可能還會出現一些完全不合理的比值，例如：大于線路長度的z值，負數等，這給故障診斷帶來了新的困難。解決這一困難的方法是應用模糊數學對于一次故障信息檢測獲得的一組阻抗比值進行綜合判斷[5]。

假設：檢測獲得的一組阻抗比值z1，z2，z3，…作為評判問題，該問題的評判因素集A = {μA(z1), μA(z2), …, μA(zn)}是論域U上的模糊集，檢測獲得評判元素zn滿足正態型隸屬函數：

問題的評語集B = {μB(v1), μB(v2), …, μB(vn)}是論域V上的模糊集，評判矩陣為R，則：U×V上的模糊關系（又稱模糊變換）滿足模糊集合的“并”運算：

式中，A = (aij)n×m，R = (rjk)m×l，B = (bik)n×l，符號“∨”表示取最大值，“∧”表示取最小值。

本研究中評判問題是：阻抗比值z1，z2，z3，…是否合理，計算時按式（8）的取值還應歸一化處理實際采用的評語集B為{b1= 好，b2= 正常，b3= 一般，b4= 異常}，評判矩陣R的元素由經驗給出，且對給定的一次檢測數據，按照式（8）獲得的評價結果，可采信、不采信和可用的置信水平設為

按照式（10）就可以明確采信和可用的檢測數據，丟棄不予采信的異常不合理數據。最后將檢測獲得的一組有效阻抗比值取其平均值，就是式（1）的診斷值。

至此，根據上述形態學和模糊數學判斷原理，可以準確地確定線路故障信息u、i的比值。在開關站設備的硬件實施方面，將圖1中繼電器J替換為嵌入式CPU微機，就可以實現上述智能的數據分析和處理，從而控制開關站的分閘，切除線路故障接地電流。

3 通訊與遙控

開關站作為專用線接觸網控制，不僅需要對故障進行診斷和自動快速切除，還需要將斷路器的分合閘狀態、是否發生接地故障的信息上傳到變電所或調度中心。調度與開關站之間信息傳輸的實時性要求不是非常高，例如：調度發出合閘命令后，1 min還收不到開關站動作的反饋信息，可以重新發布合閘命令，這并不影響專用線鐵路的運營生產。這樣的分析表明：調度與開關站之間的通訊信息量很小，而且都是簡單的開關量。目前，GSM網絡已經全面覆蓋中國大地，除了地震災難等特殊情況外，GSM網絡運行非常可靠。因此，利用GSM網絡的手機短信業務傳輸調度與開關站之間的無線通訊與控制信號，不僅通道具有保障，而且通訊經濟，因此，本研究中選用GSM網絡作為開關站的無線通訊。

參考有關文獻[6～8]，調度與開關站之間的無線通訊模式采用2只內嵌GSM-Modem的GSM-RTU無線終端通訊模塊DR1/DR2，利用GSM移動通信網絡的短信息業務，將開關站K與調度監控中心的計算機構成一個遠距離的數據傳輸平臺（圖4）。GSM-RTU無線終端通訊模塊DR1/DR2的主要技術特征是：具有短信息功能，4路DI（數字輸入）接口，4路DO（數字輸出）接口，標準RS23串口，900 MHz / 1 800 MHz雙頻段，最大發射功率1 W，天線接口50 Ω / SMA，工作溫度-25°C～+60°C，工作電源DC 24 V，提供單片機和計算機編程源代碼?？梢姡ㄓ嵞KDR1/DR2完全可以滿足無線遙控開關站的通訊功能。

圖4 基于GSM網絡的無線傳輸模式圖

實際應用中由于斷路器分合閘的瞬間沖擊力很大，不可避免地使開關觸頭發生往復式彈跳。因此，由斷路器輔助接點給出的分合閘狀態會在極短的時間抖動，導致終端通訊模塊DR2的DI接口上開關量也發生抖動，極短時間內發出多次短信，造成遠方調度的計算機顯示狀態不穩定。為此，需要對終端通訊模塊DR2的DI接口設置開關量保持與延時電路，使其達到圖5顯示的效果，其中u0為臨界高電平響應值，0 ? t1時區為開關量響應區，t1? t2時區為開關量保持與延時的不響應區，t2為恢復響應時刻。當開關站分閘或者合閘動作，終端通訊模塊DR2的DI的接口的開關量達到u0值并執行之后，t1? t2時間內不再響應輸入，從而避免發出多次不穩定信息。根據現場實測的開關觸頭彈跳抖動時間，調節Δt，就可解決該問題。

圖5 DI開關量保持與延時關系曲線圖

4 研制成果

按照上述思路研制的開關站，通過了國家高低壓電器質量監督檢驗中心的檢驗（檢驗報告編號10WD739），實現了以下功能：

4.1 多種保護功能

（1）電流速斷保護，比變電所為躲過機車啟動電流設置的0.1 s更快地切除故障，保證變電所不跳閘。

（2）過電流與接地保護，自動診斷接觸網的短路接地故障，能夠識別臨時性接地故障。

（3）大電流脫扣保護。

（4）自適應電流增量保護，避免諧波誤差。

（5）人工智能型過負荷保護，自動切除多次重復性過負荷。

（6）失壓保護，延時0.3 s自動跳閘，避免突然來電造成意外觸電事故。

（7）過電壓保護。

（8）PT斷線檢測。

（9）自動重合閘，對臨時性故障，延時0.3 s自動重合閘；對永久性故障跳閘自動閉鎖，不再合閘；對失壓跳閘，重新來電后延時0.3 s自動重合閘。

（10）防止誤入高壓帶電區的保護報警。

4.2 多種控制功能

（1）無線遙控。提供無線監控器，能夠距

1 000 km遙控開關站，實現：遙控斷路器分合閘（單向通訊時間3～10 s），并遠程顯示斷路器分合狀態；遙控隔離開關的分合閘，并顯示隔離開關的分合閘狀態；遙控無線視頻攝像機的啟動與關閉，并通過3G或4G網絡和無線網絡服務器，遠程視頻監控隔離開關的分合閘動作過程，以及監控開關站箱體內部狀態；操作程序自動滿足有關技術規定，避免發生誤操作錯誤。

（2）遠動控制。提供遠動接口，通過遠動裝置實現上述無線控制同樣的功能。

（3）本地控制。在開關站本地實現上述無線控制同樣的功能。

4.3 多種信息顯示功能

在無線監控器上自動、實時顯示開關站的工作狀態，包括：斷路器的分合閘狀態；隔離開關的分合閘狀態；線路實際是否帶電；是否發生接地故障；無線監控視頻是否啟動；開關站內部是否進行加熱、或者散熱；無線通信是否正常；開關站大門是否關閉或開啟。

4.4 信息自動上傳和無線查詢功能

每天定時自動上傳開關站的工作狀態。隨時可在無線監控器上查詢上述顯示信息。

4.5 多路電源互為備用功能

開關站工作電源由自帶可充電逆變電源和從接觸網獲取電源構成，兩路電源工作采用相互自投方式，保證可靠工作。

4.6 無線視頻監控功能

通過3G或4G網絡和無線網絡服務器，視頻監控隔離開關分合閘動作過程，也可監控箱體內部狀態或環境。

4.7 專用線路負荷計量功能

對專用接觸網線路的用電量，自動進行計量，方便考核。

4.8 自動調溫功能

開關站防護等級符合國標IP4X要求；箱體防雨、防塵，自帶溫控裝置，保障設備的最佳工作環境，延長設備使用壽命。

4.9 具有遠動系統對接功能

開關站和無線監控器都帶遠動通訊接口，可以通過遠動系統對開關站進行通訊與控制。

5 工程應用

研制的開關站安裝在隴海鐵路的駱駝巷車站，無線監控器安裝在夏官營變電所，由蘭州鐵路局供電調度指揮，以監控榆鋼專用線接觸網的運行。

2年多的實際運行顯示：無線遙控開關站的斷路器和隔離開關的分閘、合閘動作正確可靠，單向遙控命令傳輸時間3～10 s。斷路器和隔離開關的位置狀態、線路和設備的實際帶電狀態、箱體內部調溫裝置啟動、大門開啟等信息，自動上傳到無線監控器上顯示正確、清楚，并在信息顯示的同時發出聲音，提示值班人員進行關注。無線監控器上還能夠查詢開關站和隔離開關的工作狀態，操作程序自動滿足有關技術規定，操作方式符合人們習慣。特別是開關站能夠快速切除網上故障，變電所不再跳閘，并將故障信息準確地上傳和顯示在無線監控器上，不僅隔離和限制了故障范圍，保證了干線接觸網的正常運行，而且指明了故障所在區段的位置，為及時進行故障搶修提供了依據。

開關站的投入極大地提高了接觸網的自動化管理水平。

6 結論

牽引變電所的繼電保護裝置不具有區分“T”接分叉方式接觸網故障的能力；在“T”接分叉處設置開關站能夠快速切除專用線接觸網故障電流，有利于保障鐵路干線接觸網的安全供電。

接觸網故障電壓電流變化快、波形畸變較大，利用阻抗法診斷故障，需要用數學形態學對檢測信號放大，采用模糊數學評判有效數據，可以較大地提高故障診斷正確率。

利用GSM網絡對開關站進行通訊與遙控，無論是投資還是運行費用都十分經濟。

實際應用表明，對開關站的單向遙控時間為3～10 s；箱體內部自動調節溫度，工作性能穩定，滿足運行要求。

[1] GB/T17467-1998 中華人民共和國國家標準 高壓/低壓預裝式變電站[S]. 北京：中國標準出版社，1998.

[2] GB/T11022-1999 中華人民共和國國家標準 高壓開關設備和控制設備標準的共同技術要求[S]. 北京：中國標準出版社，1999.

[3] TB 10009-2005 中華人民共和國行業標準 鐵路電力牽引供電設計規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] 中華人民共和國鐵道部. 牽引變電所運行檢修規程[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[5] 肖健華. 智能模式識別方法[M]. 廣州：華南理工大學出版社，2006.

[6] 牛育忠，何志強. 變電站隔離開關無線遙控操作裝置的開發與應用[J]. 電工技術，2007（9）：13-15.

As we all know the relay protection devices of traction substation cannot identify the fault current on branching dedicated contact lines. So we build switch station in bifurcation. It ensures both rapid faults clearing for private lines and the safety of main contact power supply. The fault voltage and current on contact lines changes quickly, which give rise to high distortion and bad waveform. It makes the faults hard to diagnose. This research use mathematical morphology method to image process the signal and adopt fuzzy mathematics to judge all of the available scientific data, so the methods can guarantee the diagnostic accuracy. The research makes use of the GSM short message which makes remote control of switch station more convenient and economic. The operation of switch station is stable , the design is able to meet the needs of railway power supply.

contact lines; mathematical morphology; fuzzy mathematics; remote control; switch station

U283

B

1007-936X(2014)04-0046-05

2014-01-19

拓中華.蘭州鐵路局蘭州供電段，工程師，電話：0931-2980229；王連生.蘭州鐵路局蘭州供電段，工程師；張文仁，韓 鑫.蘭州鐵路設計院有限公司，高級工程師；劉明光.北京交通大學電氣工程學院，教授；呂繼光.蘭州鐵路局蘭州供電段，工程師；耿慶凱.天水鐵路信號電力有限公司，工程師；林 凌，高 妍，鐘鋐州.北京交通大學電氣工程學院，碩士研究生；劉 鐵.北京交通大學電氣工程學院，博士研究生。