高速铁路电力远动技术的应用和思考

孙立功

0 引言

国内高速铁路（以下简称高铁）电力系统普遍采用远动技术，以增强供电的可靠性。从当前电力远动系统的功能看，虽然比既有线远动系统有所增强，被控站增加了许多采集量，并在故障性质的判断等方面做了一定的完善，但对故障区段、故障地点的判断尚未给出合理的解决办法。

本文从郑西高铁电力远动系统既有采集量和实现的功能出发，详细分析电力线路故障时数据的变化，提出如何从中提炼出所需要的数据，并给以正确的逻辑判断，从而给出故障区段乃至故障点的判断方法。

1 郑西高铁电力远动系统

1.1 系统简介

高速铁路10 kV电力远动系统是利用计算机、网络和通信技术，结合铁路电力系统的实际，对铁路沿线10 kV配电所、车站10/0.4变电所及贯通电力线路实现综合自动化监控的系统。该系统能够对高、低电压、电流、有功功率、无功功率及功率因数等参数进行实时监测，实现电力网络运行状况的动态显示和远程控制，对线路故障性质可以进行自动判断、切除等功能。电力远动系统结构见图1。

图1 电力远动系统结构示意图

1.2 系统应用

在郑州—西安高速铁路沿线的各远动被控端（电力箱变）设有一级、综合贯通高低压配电设备。

对高压设备的监控内容包括：高压负荷开关的远方控制、负荷开关状态、远方/就地状态、接地报警遥测量（通过监测零序电流互感器的二次电流实现）、高压母线的三相电压遥测量、高压进出线三相电流遥测量。

对低压设备的监控包括：各负荷电源低压开关的远程控制、1路三相电压遥测量、1路三相电流遥测量、2路单相电压遥测量、2路单相电流遥测量、低压开关状态、低压开关故障遥信、低压相序异常报警遥信。

高铁电力远动系统相比既有线有较大的区别，主要体现在高压设备设置了高压电流、电压互感器，一方面是高压系统的供电质量得以监测，另一方面为线路故障判断和切除提供依据。

2 线路故障时的数据分析及故障判断

2.1 数据分析

目前，高铁10 kV贯通电力线路相邻所间的供电一般采用接力式供电方式，如图2所示，由甲所供电到乙所，乙所供电到丙所，依次类推。

图2 电力线路供电示意图

通常情况下，配电所贯通线路采用的保护及自动装置有速断保护、过流保护及失压保护，一次自动重合闸和自动投入装置。由速断保护和过流保护完成对馈出线的保护工作，由失压保护、一次自动重合闸、自动投入装置完成对馈出线供电的恢复功能。

当高压电力线路发生故障时，根据线路故障性质及配电所线路保护模块的动作情况，各配电所及开关站数据变化如下：

（1）当线路发生瞬时故障时，只有主送所会过流或速断保护动作。此时，无论主送所自动重合闸动作还是备用所自动投入装置动作，均能送电成功，因此从主送所到故障点各开关分别感受到一次过电流，故障点另一侧各开关都没有感受到过电流。

（2）主、备所均设有过流、速断保护及相应一次重合闸和备自投功能。当线路发生永久性故障时，主送所过流或速断保护动作，然后备用所产生一次备自投、主送所产生一次自动重合闸动作或备用所先产生一次备自投后再产生一次自动重合闸动作。无论设定的方式如何，在重合或者备自投后必定会后加速跳开。在设置重合闸的一端到故障点各开关必定感受到两次过电流，故障点另一侧各开关只感受到一次过电流。

（3）主、备所均设有过流、速断保护，且只在备用所设定了备自投而在主、备所均无重合闸。

当线路中某点发生永久性短路，主送所过流或速断保护动作后，备用所备自投动作后必定会后加速跳开。这时线路上各开关都感受到一次过电流，但由于备自投有一定的时间延时，在故障点两端的开关感受到的过电流时刻是不同的。

根据以上数据变化分析，在线路故障时，应当采集各开关站高压电流值，并要求带有故障时刻的时标。

2.2 故障判断实例

电力线路供电系统构成见图3所示。

对于铁路电力线路发生永久性短路故障时，无论是先重合还是先自投，在沿线的各开关都可以感受到过电流，这样只根据过电流报警不能对故障区段进行定位。由于第一次过流速断和第二次合闸后加速跳开之间一定有延时（时间的长短是由备用电源自动投入的延时和一次重合闸的延时、以及开关的固有动作时间决定的），所以在保证沿线各RTU时间误差小于一定值的前提下，通过分析上报的过电流报警时间可以实现故障区段的定位，故障点的位置就在第一次过电流方向的最末端和它的远端相邻开关之间。整个判断的逻辑步骤如下：

（1）根据配电所的贯通馈出线重合闸动作后产生后加速跳闸，或者对端的备自投动作后，后加速动作作为故障判断的启动条件。

（2）监控设备在过流速断跳闸，备自投后加速跳闸，重合闸后加速跳闸会产生先后3次动作的报文数据。

（3）延时（可以设定，根据线路情况和重合闸或备自投的定值）。

（4）主站的故障定位软件根据电流的流向，逐个读取各 RTU监测的最后一次故障跳闸时间（特定的FA信息格式，包括故障的性质和故障发生的时间，精确到毫秒级，要求各RTU间的时间误差小于50 ms，所以对于主站的校时功能要考虑通道上的时间误差，并进行自动的调整）。

（5）通过上述信息进行逻辑判断，由于开关4和开关5最后一次故障的间隔时间大于200 ms（可以设定），其余相邻开关的故障动作时间很接近，所以确定故障点在开关4和开关5之间。

（6）主站软件提示分析结果，并跳开开关 4和5，最后合上两端的开关（开关1和开关7）。

图3 电力线路供电系统构成图

上述判断对远动装置的要求：

（1）以上各步操作可通过手动或自动方式完成，并且各步骤的操作都需要有提示并记录下来。监控系统对短路故障的区间隔离是基于后台群判方式，所以对于通讯的要求比较高。

（2）由于对信息产生的时间要求较严格，因此主控站需定时对各被控站进行对时，如果各被控站装有GPS时钟系统，效果会更理想。

（3）主控站在达到故障判断启动条件后，应优先对故障线路的各被控站提取数据。

（4）各被控站按短路计算值设置合适的过流定值，并在达到过流条件后准确提供报警信息，遥信的分辨率为毫秒级。

3 故障定点的几点思考

目前，高速铁路电力贯通线均采用电缆线路，整条线路参数稳定，这就为电力线路的故障测距提供了有利条件：

（1）可以通过配电所采集到的短路电流值进行计算，得到短路点至保护处所的线路阻抗，进而根据电缆线路的单位阻抗算出故障距离。

（2）贯通线路行波故障测距技术可作为借鉴和使用。行波故障测距是指当线路发生故障时，在故障点产生向线路两端运动的电压、电流行波虚拟电源，通过行波传播速度和行波到达两端的时间，计算故障点的位置。行波传播的速度接近电磁波的速度，其具体速度取决于线路分布参数。行波传输的时间由行波故障测距装置采集计算。

贯通线路行波故障测距系统由行波采集与处理系统、行波综合分析系统、远程维护系统以及通信网络 4部分构成。该系统能够实现自动故障测距、人工波形分析、计算机辅助波形分析等功能。对于线路断路故障和小电流接地故障均可测量，同时具有较高的可靠性和灵敏度，测距误差能够控制在±300 m以内。

4 结束语

铁路电力远动技术代表着当今铁路电力的发展方向，为铁路电力发展向着自动化、无人化趋势迈进打下了坚实的基础。经过国内多条重要铁路干线的实际应用，以及广大设计、施工、运营维修人员的共同努力，铁路电力远动系统技术也渐趋完善，在今后的发展中应不断探讨，加强交流，建设更加适合国内铁路实情的电力远动系统。

[1]铁建设[2007]47号，新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定.

[2]TB 10008-2006 铁路电力设计规范[S].

[3]李焱.德国铁路电力技术的成功经验[J].中国铁路，2006，（1）：56-57.

[4]山东科汇电气股份有限公司.铁路自闭/贯通线路行波故障测距技术[Z].淄博：山东科汇电气股份有限公司，2005.