铁路电力线路故障自动判断与隔离系统研究

何占元

0 引言

朔黄铁路 10 kV电力线路承担着除牵引供电以外所有铁路负荷的供电任务，其供电可靠性直接影响铁路运输的安全，而10 kV电力线路大部分地处山区、旷野，受环境影响大，每年由于天气等原因造成的设备故障达上百件。传统故障查找方式是故障发生后，人员到现场拉合开关进行试判断查找故障点，因此造成设备故障延时较长，严重干扰了铁路的正常运输，为此研制“铁路10 kV电力线路故障自动判断与隔离系统”具有重要现实意义。

1 系统结构

1.1 系统硬件结构

1.1.1 站控层监控中心

站控层监控中心由硬件完成物理功能，由软件完成其存储及逻辑判断功能，是“铁路10 kV电力线路故障自动判断与隔离系统”的中枢，监测控制中心在此接收各间隔层设备，即配电室监测控制平台、室外线路监测控制平台发来的数值信息、报警信息、状态信息等，将信息进行数据存储，并根据预先编制的处理规则进行运算、逻辑判断，然后根据需要对间隔层设备下达各种指令，如招测数据、操作预置、远程分合等。

该监测控制中心硬件采用成熟的工业控制机，配备金山信息硬件防毒防火设备，系统通过公共通信网络接入。

1.1.2 配电所间隔层

配电所相关馈出柜设置间隔层，该间隔层包含室内监测及控制装置，是配电所监测点的核心设备，也是连接配电所既有设备与“铁路10 kV电力线路故障自动判断与隔离系统”的桥梁，是实现配电所相关馈出柜监测功能，完成现场数据采集，建立与后台监测控制中心的数据交换，执行监测控制中心的数据请求指令的设备。为不影响既有检测控制设备工作，该检测控制平台基本与既有自动控制设备平行处理信息，不对既有设备进行当地或远程操作。

监测平台硬件主要由电压、电流传感变送模块、模拟量采集模块、运算控制模块、GPRS传输模块、直流开关电源等组成。

1.1.3 区间室外间隔层

系统根据线路复杂状况合理设置间隔层分段点，在线路上加装已经非常成熟的真空断路器，用于执行线路的分段命令。在分段点分别设置间隔层的室外信号采集与控制平台装置，用于对该点线路电流、电压的监测、上送，执行站控层下达的各种指令。

监测平台硬件组成除拥有配电所间隔层设备外，还有室外真空断路器、电流互感器、变压器等配套设备。

1.1.4 GPRS传输网络

配电所间隔层监控平台装置、区间间隔层分段点分别设置GPRS传输模块，用于站控层和间隔层连接，传输数据报文。

1.2 系统软件

1.2.1 监测控制中心软件

该软件实现对电力线路电流、电压等模拟量的遥测，开关状态、保护动作信号等开关量的遥信，高压开关的遥控等功能；同时实现对控制层中各站上送故障数据报文的分析判断，下达隔离故障区段的命令。数据库服务器利用SQL-SERVER对实时的采样数据进行存储、分析，为系统提供历史追溯功能，实现历史数据查询，日，月报表打印等功能。

软件开发平台为力控电力版 6.0版本，以及Access 2003数据库，运行环境为Windows XP或Windows 2000。

1.2.2 配电所内监测平台软件

该软件通过对采集到的电流、电压、断路器状态变化、继电保护动作信号 4方面的信息进行分析、计算、比较，由智能控制器判定出故障类型，并将故障类型标志与加有时标的故障数据报文通过无线的方式一同送往监控中心；接收来自监控层的招测指令，上送被监测对象的状态参数；在无故障及招测指令时按周期主动上送被监测对象状态参数。

1.2.3 室外监测控制平台软件

该软件除实现配电所监测平台软件相应功能外，还可实现接收来自监控层遥合、遥分、故障遥分指令，控制高压开关的分合操作。

2 系统工作原理

“铁路 10 kV电力线路故障自动判断与隔离系统”是完全独立于现有保护系统之外的故障判断与隔离系统。在线路发生永久性故障，本所重合及对方所备自投失败后，才启动故障的判断与隔离。当线路发生瞬时故障，本所重合或对方所重合成功时，该系统只做故障区段判定，并不做相应故障隔离，因此该系统的开发完全适用铁路10 kV电力系统现有运行模式。

2.1 故障区段的判定

当线路发生永久故障，本所重合及对方所备自投失败后，系统判定为永久故障，首先利用小波分析手段，将数据及时段进行放大比较，准确区分数据时序，防止对方所备自投时产生的故障紧急数据与主供所第一次跳闸时的故障紧急数据重叠混乱。在数据来源和时序确定后，进行逻辑判断。其次，以主供所向备供所方向为次序进行比较，如故障数据类型相同，则不在相应区段，如故障数据相异，则在相应的区段，从而找出故障区段。

2.2 故障区段的隔离

当系统判定为永久故障并找出故障区段后，系统进入故障区段隔离程序，根据系统设定情况，故障隔离有2种方式：一是远程人工操作隔离。由值班人员根据系统提示，远程遥控断开故障区段两侧断路器；值班人员远程遥控操作（或配电室就地操作）合两侧配电室断路器，恢复非故障区段的供电。二是系统自动操作隔离。系统自动下达遥控操作命令，断开故障区段两侧断路器；自动下达遥控操作命令，合两侧配电室断路器，或值班人员远程遥控操作（或配电室就地操作）合两侧配电室断路器，恢复非故障区段的供电。

3 系统关键技术

3.1 线路故障及小波分析理论

系统综合利用电力线路故障及小波分析理论实现线路故障自动判断。当线路发生故障后，系统将各间隔层上报检测数据进行分析比较，从而判定故障发生区段。

3.2 系统通信机制

不同数据信息通过 GPRS上报采取不同应答机制，提高主要数据在无线传输环境中的实时性。重要数据如开关变位、故障信息等实行间隔层主动上送，为最优先数据，监测控制中心只做收到回复；原监测控制中心周期巡检采集的数据改为在间隔层无故障紧急数据时，按周期主动上送，监测控制中心不做回复，只做记录，为次级优先数据；第三级数据为招测等数据，间隔层在收到监测控制中心命令时执行。

3.3 系统安全机制

3.3.1 系统操作安全

该系统实行3个级别的操作权限，维护系统修改参数、遥控线路真空断路器等涉及到系统安全运行的操作，均需在输入用户名和正确的操作密码后方可进行，并且系统自动记录操作事项、时间、人员，实现操作的可追溯性。系统在站控层软件设置上也采用了操作预置确认功能，防止发生误操作。

3.3.2 系统硬件安全

与线路直接相连接的真空断路器采用非常成熟的国家标准定型产品，同时为了不影响既有线路保护功能，对真空断路器进行了改造，取消了原有真空断路器过流脱口功能。二次控制系统与一次设备采用必要的安全隔离措施，如光电、磁隔离、变送器隔离等，确保二次监控系统不影响一次设备的正常运行；二次系统所有元器件均采用工业级元器件，确保符合室外工作环境；二次系统未投入、部分未投入、维护等只允许故障自动判断与隔离的本功能失去，均不应影响原10 kV电力线路的正常运行。

3.3.3 硬件防火墙

该系统采用金山信息KingGate50防火防毒墙，其病毒/木马的查杀采取病毒库+主动防御+互联网可信任认证技术的三重防护，保护该监测控制中心安全。

4 系统特点及意义

4.1 系统特点

（1）系统通讯方式选择无线GPRS 网络。其高速数据传输、永远在线、流量计费的特点非常适合应用于突发性的、较小流量的监测系统，初期投入及运行费用也非常低。目前铁路系统GSM-R网络正在大规模构建，系统通信方式也可搭借此无线通信平台，不但节省了通信费用，同时也可避免由于公网信号覆盖问题造成系统的不稳定。

（2）人性化设计。系统不影响原供电系统的运行方式，自适应一次重合、对方备自投，适应两侧配电所任意主供。该监测控制系统为原保护自动装置完成其功能后，代替人工下一步的工作，是既有保护自动装置的后续工作。

（3）系统模块化设计，各种功能模块化，方便系统升级及嵌入新的功能模块。

（4）采用工业级的设备，系统适应室外恶劣环境，维护量小。

4.2 系统研制意义

（1）大大缩短了故障区段隔离时间。电力线路发生故障时，如果采用传统的人工判断与隔离方式，在交通理想的情况下，最终隔离出故障区间，恢复非故障区间送电，时间约2 h。如采用自动故障判断与隔离系统预期20 s即可完成。

（2）杜绝对系统和设备的冲击，提高设备使用寿命。供电系统发生永久性故障，重合或备自投失败后，故障自动判断与隔离系统则自动判断故障区间并隔离，然后恢复非故障区间的供电。在整个故障自动判断与隔离过程中，不需要带故障试送电，杜绝在故障查找过程中对系统和设备的冲击。

（3）提高瞬时性故障的定性准确率。瞬时性故障时，虽然重合或备自投成功，但系统仍会采集到故障时各监控点的瞬时参数并作出区段判断，瞬时性故障的巡视缩小了范围，巡视变得有针对性，预防类似故障或同一故障的能力增强，可以最大程度地排除供电系统安全隐患。

（4）及时发现隐形故障，防患于未然。由于间隔层均设有电压、电流检测装置，因此该系统可通过检测电流大小监测线路绝缘水平，防止线路因绝缘降低而引起设备的隐形故障。

（5）提高自动化运行水平，为检修维护提供方便。

5 结束语

“铁路 10 kV电力线路故障自动判断与隔离系统”利用无线GPRS网络及小波分析理论，实现了电力线路故障自动判断与隔离，不仅解决了电力线路故障查找效率低下以及因试送电造成的设备冲击等难题，同时提高了电力线路自动化管理水平，因此该系统对电力线路管理特别是负荷等级高的电力线路管理具有现实意义。