高鐵電力線故障自動隔離研究與實踐

劉明光,王 昭,羅學平,程永勝,楊 超,胡繼光,郭 銘,李家喜,文秋鵬,黃 臻

(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供電部,武漢 430071； 3.中國鐵路武漢局集團有限公司武漢供電段,武漢 430023)

高速鐵路(簡稱“高鐵”)電力線專門為高鐵沿線的通信信號和其他用電設(shè)備設(shè)施供電，是高鐵運營不可或缺的行車裝備。高鐵電力線的電壓等級為10 kV，供電采用三相系統(tǒng)中性點經(jīng)小電阻接地方式，以電纜為干線、帶開關(guān)的箱式變壓器(簡稱箱變)形成分段式結(jié)構(gòu)[1-2]，使用RTU(Remote Terminal Unit—遠程終端單元)采集各個箱變的電壓電流信號，通過遠動裝置上傳到電力調(diào)度中心，并遠程控制箱變開關(guān)完成分閘與合閘操作。

高鐵電力線里程長，地理分布廣，沿途氣候和氣象環(huán)境復(fù)雜；使用的電纜絕緣(相對架空線)比較薄弱，其絕緣放電呈不可逆性；電纜頭和中間接頭的電場分布集中；線路的路徑也可能受到外部因素影響，例如：地面塌陷。基于以上各種原因，高鐵電力線難免會發(fā)生故障。同時，由于電纜通常敷設(shè)在地下電纜溝或電纜橋架上，線路隱蔽，故障排查和處理過程不僅要消耗較多的時間，還要花費一定的人力物力，不利于高鐵電力供電的安全可靠。

高鐵通信信號裝置的供電可靠性，直接影響到高鐵運營安全，因此，保障高鐵電力線的供電可靠性顯得尤為重要。準確診斷和隔離電力線故障，快速恢復(fù)供電，這是高鐵運營生產(chǎn)中的實際需求。顯然，實現(xiàn)這個目標的關(guān)鍵是快速準確完成故障診斷和隔離。目前已有的電力線故障診斷算法較多，包括阻抗算法、行波測距算法、人工智能算法、區(qū)間算法等等[3-12]。但基于這些算法的裝置都設(shè)置在線路兩端的配電所，直接通過控制配電所的饋線斷路器跳閘來切除線路故障。故障被切除的同時，整個供電臂線路失電，造成較長公里范圍的用電設(shè)備停電。

為了解決這個問題，基于電工理論的疊加原理和行波理論，探索了一種高鐵電力線故障準確診斷和自動隔離的新方法，并借助云計算的強大計算能力，在電力線發(fā)生故障時，能夠快速恢復(fù)供電臂上所有箱變的供電。

1 高鐵電力線運行方式與故障隔離方案

高鐵電力線包括一級貫通線和綜合貫通線，前者為通信信號設(shè)備供電，后者為其他用電設(shè)備供電。高鐵電力線以電纜為干線，每隔2～3 km設(shè)置1臺箱變，呈分段式結(jié)構(gòu)。每臺箱變中設(shè)有2臺(甚至3臺)10kV高壓負荷開關(guān)，采用“手拉手”方式連接線路，在2臺負荷開關(guān)之間“T”接1臺10/0.4 kV變壓器，為箱變所在地區(qū)的車站和通信信號等設(shè)備供電。

高鐵電力線采用兩端供電方式進行供電，每端配電所至少有4條饋線向兩側(cè)的鐵路沿線供電，每側(cè)都設(shè)置有一級貫通線1條、綜合貫通線1條。配電所通常采用“一主一備”的供電方式，本所為一級貫通線路供電，相鄰所為綜合貫通線供電。配電所的供電臂(一級貫通線，或綜合貫通線)長度與車站等設(shè)備設(shè)施相適應(yīng)，為50～60 km。

箱變負荷開關(guān)的操作，都是由電力調(diào)度值班員采用遠動方式遙控分閘或合閘，不允許自動跳閘。其主要原因是：一方面由于箱變的RTU[13-14]只能采集電壓電流信號，箱變沒有保護裝置，不能對故障狀態(tài)進行診斷，不提供開關(guān)自動跳閘的啟動信號；另一方面，負荷開關(guān)不具有切斷短路電流的能力，只能在線路停電之后分閘。

箱變中不設(shè)保護裝置的主要原因如下。

(1)現(xiàn)有的保護裝置不具備診斷分段線路故障的能力，無法辨識故障發(fā)生的具體區(qū)段，在箱變中投資設(shè)置保護裝置不具有技術(shù)和經(jīng)濟價值。

(2)箱變的負荷開關(guān)不具有切斷短路電流的能力，不能夠與保護裝置配合。

(3)保護裝置都具有重合閘功能。高鐵電力線全線敷設(shè)電纜，系統(tǒng)中性點采用小電阻接地方式，線路接地時短路電流極大，不允許帶接地故障重合閘送電，發(fā)揮不了保護裝置的重合閘功能。

(4)如果箱變有保護裝置，從故障點至主供所的線路都有短路電流經(jīng)過，短路電流經(jīng)過的所有箱變?nèi)恳l，會增大故障排查和恢復(fù)供電的工作量。

高鐵電力線現(xiàn)行的運行管理模式[15]是：當線路發(fā)生故障時，主供配電所不重合閘，備供配電所不備自投。原因是供電系統(tǒng)中性點經(jīng)過小電阻接地，如果線路發(fā)生的是永久性接地故障，配電所自動重合閘或備自投，第二次沖擊的短路電流可能燒穿電纜絕緣，擴大事故范圍。因此，高鐵電力線發(fā)生故障后，需等待人工排查搶修，直至確認故障排除之后，才能夠恢復(fù)供電。顯然，這樣的運營模式會延緩供電恢復(fù)時間，不利于提高工作效率。

基于高鐵電力線特殊的箱變分段式結(jié)構(gòu)，可以推斷：無論高鐵電力線是否存在故障，只要保證供電線路上全部箱變都有電，就不會影響高鐵沿線所有用電負荷的供電。按照這個推論，提出高鐵電力線發(fā)生故障的狀態(tài)下，自動隔離故障、快速恢復(fù)供電的新方案，具體步驟如下。

(1)將箱變的負荷開關(guān)更換為具有快速切斷短路電流能力的斷路器(也可以采用同步技術(shù)裝置，讓箱變負荷開關(guān)比配電所饋線斷路器延遲分閘)。

(2)快速診斷出故障所在區(qū)間，準確度為2臺箱變之間。

(3)采用自動控制裝置同時啟動故障點兩側(cè)箱變中故障側(cè)的開關(guān)跳閘，實現(xiàn)故障自動隔離。

(4)線路兩端的配電所同時重合閘或備投，就可以快速恢復(fù)供電臂上所有箱變的電源，從而保障供電臂覆蓋的全部區(qū)間的車站和通信信號等設(shè)備設(shè)施供電。

2 線路故障診斷原理

2.1 線路模型與行波理論

電力線路無論是電纜還是架空線，單相導線模型均可簡化為圖1所示的均勻傳輸線模型[16]，其中：R0為線路單位長度電阻；L0為線路單位長度電感；G0為線路單位長度對地泄漏電導；C0為線路單位長度對地電容。

圖1 單相電力線模型

根據(jù)電工理論的基爾霍夫定律(KCL，KVL)，均勻傳輸線上任一點x處的電壓u(x，t)和電流i(x，t)沿x正方向傳播關(guān)系滿足下式

(1)

微分方程組(1)的通解為

(2)

由公式(2)可見：導線上任何一個x點的電壓電流都是由2個分量疊加組成。其中：u1(x-vt)分量在數(shù)學形態(tài)上表示u1朝x正方向平移vt，物理意義上表示為u1沿導線正方向運動，稱為前行波；u2(x+vt)分量在數(shù)學形態(tài)上表示u2朝x負方向平移vt，物理意義上表示為u2朝導線負方向運動，稱為反行波。因此，導線上的行波電壓u可分解為前行波u1和反行波u2，其運動過程示意如圖2所示。

圖2 導線上行波運動過程

行波沿線路傳輸時，由于導線存在的分布電阻要消耗能量，因此行波在傳輸過程中會發(fā)生幅值的衰減，如圖3所示，幅值由Um1降到Um2，波頭時間由τ1延遲到τ2，導致行波在傳輸過程中發(fā)生變形。

圖3 行波衰減變形示意

2.2 故障診斷原理

電力線發(fā)生故障的瞬變過程是：線路從正常運行的工作電壓突然變成趨向零值電壓的非正常狀態(tài)。按照電工理論的疊加原理，電力線發(fā)生故障時(Ud=0)，可等效為沒有故障的正常狀態(tài)(Ud1=+E)與故障時的沖擊狀態(tài)(Ud2=-E)瞬時疊加的結(jié)果[17]，如圖4所示。

圖4 電力線故障發(fā)生過程分解示意

根據(jù)疊加原理，電力線發(fā)生故障時，相當于在線路中加入了一個沖擊激勵Ud2，其值與正常狀態(tài)下的工作電壓Ud1大小相等，方向相反。對于圖1所示的單相電力線模型，故障時產(chǎn)生的沖擊激勵Ud2首先給故障點附近的分布電容C0充電，并在其周圍建立電場，再依次向兩側(cè)遠處的線路電容充電，隨著電容C0充電的電流流過線路的分布電感L0，故障電壓波、電流波(統(tǒng)稱故障沖擊行波)在線路中傳輸。由于線路上各點距離故障點的位置不同，故障沖擊行波到達線路各點的時間有所不同；同時隨著故障沖擊行波在線路中傳輸，線路上的分布電阻R0、分布電導G0不斷消耗能量，故障沖擊行波發(fā)生幅值的衰減。

由于故障點處沖擊激勵Ud2與正常工作電壓Ud1大小相等、方向相反，二者經(jīng)過疊加，造成故障點處的電壓為零；而在非故障點處由于故障行波發(fā)生不同程度的衰減，與正常狀態(tài)工作電壓疊加后仍存在一個大于零的殘余電壓，以此為依據(jù)即可診斷出線路故障。

現(xiàn)代電氣檢測技術(shù)很容易檢測到電力線正常狀態(tài)下的電壓Ud1和沖擊狀態(tài)下的電壓Ud2，因此，診斷電力線故障的判據(jù)為

Ud1+Ud2=0

(3)

2.3 基于大數(shù)據(jù)處理的監(jiān)控方案

按照上述行波理論，電力線發(fā)生故障時產(chǎn)生的沖擊激勵(Ud2)會以前行波和反行波的形式從故障點向線路兩端運動，而且在運動過程中，隨著行波傳輸距離加長逐漸衰減變形。對于高鐵電力線供電臂上具有多臺箱變的線路結(jié)構(gòu)而言，故障產(chǎn)生的沖擊行波將以電磁波的速度向故障點兩側(cè)傳播，迅速到達線路上每一個箱變以及兩端的配電所。但是，由于各箱變和配電所距離故障點的位置不同，故障沖擊行波到達每一個箱變和配電所的時間不同，加上傳輸過程中的衰減，行波到達每一個箱變和配電所的幅值也不同。因此，僅僅依靠配電所或箱變中設(shè)置的保護裝置，不可能準確地診斷出線路故障的位置。

根據(jù)行波傳輸?shù)奶攸c，對到達箱變或配電所的故障沖擊行波信號進行監(jiān)測，利用小波分析等工具分析監(jiān)測的行波信號，可以獲得故障診斷需要的行波到達時間和幅值信息。距離故障點越近的箱變或配電所，行波到達時間越短，幅值衰減越小；反之，距離故障點越遠的箱變或配電所，行波到達時間越長，幅值衰減越大，對以上監(jiān)測信號進行綜合分析判斷即可準確診斷出故障所在的位置。顯然，采用這樣的監(jiān)測方案，需要對每一個箱變和配電所的監(jiān)測信號進行分析、比較和綜合判斷，這將是海量的計算工作，只采用一臺計算機或服務(wù)器不太可能完成。

云計算[18-20]是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模分布式計算模式，云計算平臺連接有中央處理器、多臺服務(wù)器(包括應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器等)、數(shù)據(jù)存儲、信息發(fā)布、人機交流、打印輸出等多種設(shè)備。云計算綜合運用網(wǎng)絡(luò)傳輸、網(wǎng)絡(luò)存儲、分布式計算、并行計算等多種技術(shù)，具有大數(shù)據(jù)的動態(tài)擴展、按需部署、高速計算、靈活處理等特點。

基于云計算平臺[21]已經(jīng)具備的硬件設(shè)備和大數(shù)據(jù)計算能力，將其應(yīng)用到高鐵電力線的故障診斷中。將同一個供電臂上的箱變劃分為若干單元，在每個箱變和配電所都設(shè)置監(jiān)測點，如圖5所示，分別采集故障定位所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：故障行波的幅值、1/2波幅的長度、波頭梯度、波形振蕩系數(shù)、入射系數(shù)、反射系數(shù)、相似系數(shù)、衰減系數(shù)、變異系數(shù)、波速等參數(shù)，將這些參數(shù)通過遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)自動上傳至云計算平臺。此外，還需要借助依據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的時間校準功能[22-23]，對這些參數(shù)精準校準它們到達各個監(jiān)測點的時刻。借助云計算強大的數(shù)據(jù)運算功能，幫助快速完成海量計算，按照故障判據(jù)公式(3)完成判斷，經(jīng)過綜合分析和比較，就可以診斷故障所在位置。這樣的診斷結(jié)果只需要確定故障點所在范圍，精度為2臺箱變之間，不要求達到具體的千米標(公里標)。

確定了線路故障位置，例如圖5中的d點，監(jiān)控系統(tǒng)的控制裝置就會同時啟動k和(k+1)箱變故障側(cè)的開關(guān)跳閘閉鎖，實現(xiàn)故障自動隔離。完成了故障隔離，線路兩端配電所送電，就能恢復(fù)供電臂上全部箱變的電源，保證沿線負荷供電。

圖5 電力線監(jiān)測點劃分示意

3 應(yīng)用

按照上述方法，研制了一套電力線故障快速隔離監(jiān)控系統(tǒng)，其故障診斷和自動隔離的流程如圖6所示。研制的裝置于2020年12月初在麻城至黃陂貫通線上掛網(wǎng)進行試運行考核。考核內(nèi)容主要包括以下4個方面。

圖6 故障診斷與自動隔離流程

(1)電磁干擾環(huán)境與氣象環(huán)境考核。裝置安裝在配電所的配電柜和箱變中，首先接受了配電所和箱變電力設(shè)備產(chǎn)生的強電磁干擾的考核，也經(jīng)歷了嚴冬和酷暑的極端氣象環(huán)境考核。運行表明：裝置不受電磁干擾，監(jiān)控系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。

(2)監(jiān)測與控制正確性考核。麻城至黃陂供電臂上有5臺箱變，包括貫通線兩端配電所的饋線開關(guān)，共有12臺開關(guān)(不含隔離開關(guān))。監(jiān)控系統(tǒng)的計算機界面上能夠直觀地正確顯示所有開關(guān)的分閘與合閘位置，顯示各個區(qū)段電力線路是否帶電、箱變中變壓器是否有電等狀態(tài)。在監(jiān)控系統(tǒng)的計算機界面上，遠程遙控箱變和配電所饋線開關(guān)分閘與合閘的操作次數(shù)，統(tǒng)計不少于80次，正確率100%。

(3)故障診斷與自動隔離考核。2021年1月7日在麻城方向183號-184號電桿處，采用人工方式分別設(shè)置了短路、接地、斷線3種故障，黃陂配電所送電瞬間，故障兩側(cè)開關(guān)跳閘閉鎖，自動隔離故障的正確率100%；1 min內(nèi)麻城和黃陂配電所再次送電，就恢復(fù)供電臂上全部箱變的供電。2021年6月8日在黃陂方向179號至180-1號電桿處，又分別設(shè)置了短路、接地、斷線3種故障，試驗表明監(jiān)控裝置都能夠快速準確地診斷和隔離故障。對于線路斷線(缺相)故障，由于配電所現(xiàn)有保護裝置采集不到故障信息，無法診斷和處理斷線故障；研制的監(jiān)控系統(tǒng)也表現(xiàn)出了準確的故障診斷與自動隔離能力，圖7就是斷線故障自動診斷和隔離的計算機監(jiān)控界面。

(4)自動化管理考核。計算機后臺數(shù)據(jù)庫記錄了麻城至黃陂貫通線的開關(guān)分閘與合閘動作時刻，線路發(fā)生故障的時刻、故障類型和所在區(qū)段位置，以及操作人員的指令內(nèi)容與操作時刻等等。所有信息可以被查詢，也可以按照A4紙規(guī)格打印選擇的信息報告。研制系統(tǒng)運行表明：后臺記錄的數(shù)據(jù)完整，沒有遺漏，信息查詢和打印報告方便，實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的自動化管理。

圖7 麻城—黃陂電力線運行監(jiān)控界面

4 結(jié)論

(1)基于高鐵電力線具有箱變分段結(jié)構(gòu)的特點，提出了故障點兩側(cè)箱變開關(guān)同時跳閘閉鎖、自動隔離故障的新方案。借助云計算快速和強大的計算能力，研制的監(jiān)控系統(tǒng)能夠在線路發(fā)生故障的狀態(tài)下，快速恢復(fù)供電臂上所有箱變供電。

(2)研制的裝置掛網(wǎng)運行后，接受了電磁干擾環(huán)境的考核；經(jīng)歷了冬夏的極端氣象環(huán)境考核；進行了不少于80次的遙控操作，開關(guān)動作正確率100%；人工設(shè)置的短路、接地、斷線等6次故障試驗表明：監(jiān)控系統(tǒng)的裝置能夠快速診斷和自動隔離故障，正確率100%，1 min內(nèi)配電所再次送電就能恢復(fù)供電臂上全部箱變的供電。實踐驗證了本文提出的高鐵線故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電新方案的有效性。

(3)研制系統(tǒng)自動記錄監(jiān)控線路的開關(guān)分合閘動作，線路發(fā)生故障的時刻、故障類型和位置，以及操作人指令，能夠查詢相關(guān)數(shù)據(jù)和打印報告，方便分析，提高自動化管理水平。