基于色流算法的貫通線帶電狀態(tài)監(jiān)控研究與實踐

王 昭，劉明光，羅學平，楊 超，胡繼光，張國化

（1.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044；2.中國鐵路武漢局集團有限公司 武漢供電段，武漢 430023）

10kV 貫通（自閉）線負責為鐵路沿途信號和通信等設(shè)備設(shè)施及其他鐵路綜合用電負荷（如沿線車站和生產(chǎn)生活部門）[1]供電，是鐵路行車必不可少的裝備。沿途供電負荷具有位置分散、地理分布廣，貫通線呈現(xiàn)里程長、分枝多的特征[2]。而貫通線的帶電情況，直接關(guān)系到鐵路行車的正點運行和人員安全，是供電運行監(jiān)控和管理的基本任務(wù)之一。

監(jiān)測貫通線帶電狀態(tài)的常用方法，是用電壓電流表進行指示，但是由于線路工作電壓高達10kV，需要先經(jīng)過10kV 的電壓和電流互感器，才能用電壓電流表進行指示。顯然，這樣的方式不夠便捷，且設(shè)備投資成本較大。隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用，可在計算機上對貫通線帶電狀態(tài)進行可視化監(jiān)控，按照實際供電接線圖顯示開關(guān)的分閘/合閘位置和特定位置的電壓電流參數(shù)等[3-7]。

對于電氣連接的導線、母排，特別是數(shù)十千米的貫通線，由于接線圖形呈線狀，各點位置的電壓電流不同，無法密集地用電壓和電流互感器來采樣顯示。如果采用深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索等算法[8-11]來遞歸和回溯判斷貫通線的帶電狀態(tài)，除需配置10kV 電壓和電流傳感器外，計算中每一步都需要遍歷整個供電網(wǎng)絡(luò)（簡稱：電網(wǎng)）的拓撲連通結(jié)構(gòu)，占用計算機內(nèi)存較大，運行耗時較長，效率不高。

為在貫通線的計算機監(jiān)控中快速顯示線路的帶電狀態(tài)，方便用戶直觀了解線路、導線和有關(guān)設(shè)備的帶電狀態(tài)，減少計算機監(jiān)控內(nèi)存占用率和搜索量，提高工作效率，本文研究一種色流算法，基于電流的流向和通道，在計算機監(jiān)控屏上直觀顯示貫通線及相關(guān)的開關(guān)、變壓器等設(shè)備的帶電狀態(tài)。

1 鐵路電網(wǎng)類型與特征

從鐵路電力供電的任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，電網(wǎng)可分為放射性結(jié)構(gòu)電網(wǎng)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)電網(wǎng)。

1.1 放射性結(jié)構(gòu)電網(wǎng)

放射性結(jié)構(gòu)電網(wǎng)通常采用單電源，通過在線路上設(shè)置大量的高壓開關(guān)，控制各個用電部門的停電/送電，電網(wǎng)呈輻射狀，具有里程長、分枝多的結(jié)構(gòu)特點，各用電點之間互不影響，主要用于某一區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)、生活類供電。

1.2 環(huán)狀結(jié)構(gòu)電網(wǎng)

環(huán)狀結(jié)構(gòu)電網(wǎng)主要為供電可靠性要求較高的一級負荷進行供電，一般情況下采用雙電源供電，或采用單電源的不同母線向環(huán)狀線路的首尾同時供電。鐵路車站的指揮和信號等設(shè)備設(shè)施的供電，不僅直接關(guān)系到行車的正點和經(jīng)濟效益，更涉及列車運行安全和旅客的人身安全。貫通線是一級負荷，采用雙電源結(jié)構(gòu)，線路上各個供電節(jié)點的控制開關(guān)采用“手拉手”方式連接，保證線路故障時仍能獲取電能，進而保障行車指揮和信號設(shè)備設(shè)施的不間斷供電。

2 色流算法

2.1 色流定義

在鐵路供電監(jiān)控管理中，為了實時、動態(tài)反映貫通線的帶電狀態(tài)，在不采用電壓和電流互感器進行監(jiān)測的條件下，較簡單、可靠的帶電狀態(tài)識別方法是：根據(jù)電流流動的路徑進行判定，有電流流動的線路或設(shè)備就會帶電工作。將配電所的母線視為電源，從母線開始搜索，如果與母線連接的開關(guān)閉合，電流就會通過開關(guān)，流向開關(guān)的非母線側(cè)線路，從而判定該線路帶電；如果與母線連接的開關(guān)斷開，電流就不會通過，進而判定開關(guān)的非母線側(cè)線路不帶電，其它線路或設(shè)備的帶電狀態(tài)也可以此類推。

綜上，采用計算機監(jiān)控供電線路及設(shè)備帶電狀態(tài)時，可利用紅色（帶電狀態(tài)）和綠色（停電狀態(tài)）2 種顏色，基于可視化圖形，直觀地表達線路或設(shè)備的帶電/停電狀態(tài)。本文在貫通線帶電狀態(tài)監(jiān)控中，將電流的流動用色流來定義和表達。將配電所母線視為抽象的色流源，供電線路視為色流管，供電的控制開關(guān)視為色流閥。按照色流定義，從色流源開始搜索，只要與色流源連接的色流閥處于打開（開關(guān)閉合）狀態(tài)，就判定色流（電流）通過，與色流閥出口連接的色流管（線路和線路上連接的設(shè)備）染色為紅色，以表示帶電。同理，與紅色的色流管連接的下一個色流閥打開，即判定色流通過，下一級色流管自動染為紅色，并以此類推。反之，若色流閥關(guān)閉或色流閥入口的色流管非紅色，則下一級色流管染為綠色，表示不帶電。

2.2 單電源供電模式的染色

在利用色流算法對供電線路帶電狀態(tài)進行搜索與染色的過程中，還需定義色流閥的入口和出口。在高壓供電控制中所有的開關(guān)電流都是一進一出的結(jié)構(gòu)，因此，色流算法中的色流閥也采用一進一出的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 色流閥結(jié)構(gòu)示意

本文用Li表示序號為i的色流管；S j表示序號為j的色流閥；Xi(k)表示色流管Li連接的色流閥序列，k為序列中的色流閥總數(shù)；Red(·)變量表示色流管或色流閥染色是否為紅色，若為紅色則Red(·)=1，若為綠色則Red(·)=0。

色流網(wǎng)絡(luò)中任何一條色流管Li+1是否染成紅色，由其連接的色流閥的開閉狀態(tài)以及色流閥上一級的色流管的染色狀態(tài)共同決定，其數(shù)學表達式為：

將公式（1）應(yīng)用到放射性結(jié)構(gòu)電網(wǎng)中搜索并判斷線路的帶電狀態(tài)。在如圖2 所示，放射性結(jié)構(gòu)電網(wǎng)中，線路L4從配電所母線獲取電能的供電路徑上包含有開關(guān)S1、S2、S4及線路L1、L2。

圖2 線路 L4供電路徑示意

其中，色流管L4連接的色流閥序列為X4(3)={1,2,4}，基于公式（1），線路L4帶電狀態(tài)的染色表達式為：

采用歸納法，單電源供電模式下供電線路帶電狀態(tài)的搜索與染色算法，可以表示為：

其中，n表示色流管的最大序號。

2.3 雙電源供電模式的染色

雙電源供電模式下的供電線路可以從2 個方向獲取電能。在色流算法中，將連接2 個配電所的母線（或同一個配電所的2 個不同母線）定義為2 個色流源，其它的搜索和判定步驟與單電源供電模式色流算法類似。

3 帶電狀態(tài)監(jiān)控與實現(xiàn)

3.1 監(jiān)控裝置構(gòu)成和工作過程

監(jiān)控鐵路貫通線帶電狀態(tài)裝置的主要硬件設(shè)備為：服務(wù)器和開關(guān)狀態(tài)采集器；主要軟件包括：SQL Server 數(shù)據(jù)庫、VS2010 可視化人機交互程序、帶電搜索與分析程序。本文采用VB.NET 技術(shù)，應(yīng)用VB編程語言開發(fā)。監(jiān)控裝置的工作過程為，開關(guān)狀態(tài)采集器實時采集鐵路貫通線上開關(guān)的分合閘狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并將其上傳至服務(wù)器，同時，SQL Server 數(shù)據(jù)庫實時更新開關(guān)狀態(tài)信息；帶電搜索與分析程序根據(jù)上傳的信息快速完成線路帶電狀態(tài)的判斷，VS 2010 可視化人機交互程序?qū)€路進行染色處理，將帶電狀態(tài)直觀顯示在顯示器上。

3.2 色流算法的程序設(shè)計

貫通線帶電狀態(tài)監(jiān)控的核心任務(wù)，是通過計算機程序自動實現(xiàn)對貫通線開關(guān)狀態(tài)的搜索、帶電分析判斷、線路染色。按照色流算法，可以分為2 步：（1）完成各開關(guān)和分段線路的帶電狀態(tài)搜索、分析與判斷，如圖3 所示；（2）完成線路的染色。

圖3 帶電狀態(tài)搜索與判斷流程

為直觀展示貫通線的帶電狀態(tài)，本文分別用VS 2010工具箱中的RectangleShape、LineShape 控件 來表示開關(guān)和分段線路，利用控件的顏色屬性來標識開關(guān)、線路的帶電/停電狀態(tài)，如表1 所示，相應(yīng)的染色步驟實現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖4 線路狀態(tài)染色流程

表1 控件顏色屬性設(shè)置

3.3 應(yīng)用

本文將帶電狀態(tài)監(jiān)控裝置應(yīng)用到了麻城—黃陂貫通線的運行監(jiān)控當中，監(jiān)控界面如圖5 所示，其中，紅色線段和設(shè)備是帶電運行的，綠色線段和設(shè)備為停電狀態(tài)。如果運行中麻城—黃陂貫通線上任一個開關(guān)分合閘變位，界面經(jīng)過0.1ms 響應(yīng)（數(shù)據(jù)采集器的響應(yīng)時間），即刻動態(tài)地反映線路與設(shè)備的帶電狀態(tài)變化。

圖5 麻城—至黃陂貫通線運行監(jiān)控界面

由于監(jiān)控屏可直觀展示麻城至黃陂貫通線各分段線路和設(shè)備的帶電情況，以及為相關(guān)車站供電的運行情況，顯著地提高了供電管理自動化程度和工作效率。例如，圖5 中顯示麻城—黃陂貫通線的甘露山箱式變壓器（簡稱：箱變）處于停電檢修狀態(tài)，檢修車間人員可以及時從監(jiān)控屏上查看到，從而盡早做好檢修準備，提高工作效率。

4 結(jié)束語

利用色流算法對貫通線及設(shè)備進行帶電狀態(tài)搜索、判斷與染色，從而對貫通線帶電狀態(tài)進行監(jiān)控，不需使用電壓和電流互感器采集監(jiān)控線路的電壓電流，且與深度優(yōu)先、廣度優(yōu)先等搜索算法相比，不需遍歷整個電網(wǎng)。因此，該方法能顯著簡化監(jiān)控裝置的硬件配置，節(jié)省監(jiān)控裝置的投資成本；占用計算機內(nèi)存少，計算簡單，運行速度快，可實時、動態(tài)地反映線路和設(shè)備的帶電情況，監(jiān)控效率更高、效果更好。