铁路10 kV自闭及贯通线故障定位与隔离装置的研制

王琳，李强，王勇科，史超美

（1.西安铁路局供电处，陕西西安 710054；2.西安铁路局安康供电段，陕西安康 725200；3.中铁二院西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西西安 710054）

随着铁路电气化的高速发展，铁路局各供电段铁路沿线逐步完成电力远动改造，铁路10 kV自闭及贯通线基本实现了馈线自动化监测功能[1-5]，但线路发生故障时未能实现故障区间的定位和供电的快速恢复，故障查找费时费力，供电恢复时间长，无法满足铁路高速运输的要求。在现有的铁路远动终端FTU功能的基础上，研制铁路10 kV自闭及贯通线故障定位与隔离装置，该装置能自动获取线路的供电方向，为故障发生时的定位工作打下基础，进而在故障发生时迅速执行定位与隔离工作，可缩短排除故障的时间、快速恢复供电，减少了劳动强度，提高铁路供电系统的可靠性和自动化程度。

1 装置硬件设计

为实现铁路10 kV自闭及贯通线路故障定位与隔离装置的功能，同时解决装置与高压负荷开关FTU通信问题，设计了该装置的硬件系统，如图1所示。在硬件设计上，采用TMS320F2812芯片为核心[6]，采用复杂可编程逻辑器件CPLD扩展DSP（Digital signal processing）的外部接口，硬件TCP/IP协议栈芯片W3100A组成通信模块[7]，设计出一种DSP与以太网互连的接口电路，更便捷地完成装置与车站终端FTU通信的建立，实现DSP对以太网通信的控制。硬件平台具有可扩充的余地，提高了装置的抗干扰能力。

图1 硬件设计框图Fig.1 Block diagram of the hardware

从图1可知装置硬件电路由以下几个模块组成。

主处理模块：硬件电路的核心设计以DSP+CPLD为主，逻辑判断、通信连接、信息显示、键盘响应等主要由DSP实现，外围各个端口通过CPLD与DSP的接口相连，CPLD完成了电平转换、地址译码、数据缓存等逻辑功能，并且提高了系统的性能，增强了装置的抗干扰能力。

通信模块：装置与对应负荷开关FTU采用以太网技术进行通信，设计了W3100A作为以太网协议转换器，DM9161芯片作为以太网物理层收发器，实现了报文的接收和发送。

时钟模块：本装置直接采用Dallas公司生产的专用硬件时钟芯片DS1302，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，时钟可工作在24 h格式或12 h（AM/PM）格式；添加了主电源和备用电源双电源引脚，同时提供了对备用电源进行涓细电流充电的能力。

电源模块：为装置内各个芯片提供电源。本课题设计选择TI公司的电压精度比较高的电源芯片TPS767D301，该芯片的输入电压为+5 V，芯片起振，正常工作之后，能够产生3.3 V和1.8 V两种电压，分别供给DSP3.3 V的Flash电压和1.8 V的内核电压；给其余芯片提供的工作电压均为3.3 V。

键盘和LCD显示模块：输入设备键盘和输出设备液晶显示屏实现了装置的人机交互功能，它的主要作用有：

1）通过按键执行设置参数和选择显示内容等操作；

2）LCD可以实时显示通信状态，采集到的遥信量，故障定位结果等内容。

由于在通信距离、通信成本以及通信速率等方面都有着较高的要求，装置采用快速以太网技术的100BASE-TX标准，拓扑结构为星型，使用两对阻抗为100 Ω的5类非屏蔽双绞线（UTP-Unshielded Twisted Pair）与RJ45头来组网，实现装置与各车站负荷开关FTU的实时通信功能。

装置采用硬件协议栈芯片W3100A作为以太网络协议转换器，DM9161以太网物理层芯片实现链路层的物理传输，经由隔离变压器RJ-45头接入以太网络，完成数据包发送与接收。由于W3100A是硬件协议芯片，初始化时已经对相关的寄存器进行了设置，芯片可自动封装以太网数据包，DSP只需把要传的数据输入到相应的数据存储区域，控制W 3100A芯片就可以自动进行数据的传送。同时，W3100A自动把接收到的以太网数据包进行解包，将接收到的数据存入相应的数据存储区域，由DSP控制读入接收的数据，它省去了人为编写程序来实现以太网数据包的封装与解包的复杂过程。

2 装置的软件设计

本装置所要达到的目标是装置与车站FTU、与两端变电所安装的I/O模块保持稳定的通信连接。正常情况下，装置对自闭线及贯通线上的负荷开关以及出线断路器的开关状态进行监控，供调度值班人员参考，并且判断线路的供电方向；发生故障时，进行故障定位，向值班人员发出故障报警信号，并且向故障区间对应的两端负荷开关发出遥控命令，断开负荷开关，隔离故障区间。装置设计软件程序采用了C语言编写，装置的主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程图Fig.2 M ain program flow chart

装置软件结构由主程序、通信连接程序、故障定位程序、LCD显示程序、键盘响应程序等模块组成。

2.1 W 3100A初始化

在DSP中编写程序完成对W3100A的初始化，自动完成报文的封装与解包。初始化W3100A时，给其引脚RESET高电平进行复位，通过设置芯片内的控制寄存器，设置网关，子网掩码，IP地址，以及MAC地址流程如图3所示。

2.2 通信连接程序

采用以太网技术进行通信连接，装置与车站FTU之间的通信协议采用IEC60870-5-104电力远动系统规约其与车站FTU建立连接流程如图4所示，装置与I/O模块，装置与其邻站的通信采用Modbus TCP规约。

图4 与车站FTU建立连接流程图Fig.4 Flow chart of the connection establishment between the device and FTU

2.3 故障定位程序设计

正常运行时，每个装置都会知道自闭线及贯通线的供电方向，其信息的传递流程如图5所示。供电方向的确定对故障定位的结果起着至关重要的作用。铁路局信息处给每个接入以太网网络的接入点，如变电所和车站FTU都分配一个唯一的IP地址，使所有的接入点能被一一识别，故装置通过IP访问就能与其所对应的车站FTU建立通信连接，提取远方车站负荷开关FTU采集到的遥信量和过电流信息。对于出线断路器，第一个装置和最后一个装置需要每隔一秒采集I/O模块，来确定其开关状态是合闸还是分闸，以便装置用来判断自闭线或贯通线的供电方向。

2.3.1 相间短路故障定位算法

相间短路故障位置可能发生在供电首端的出线断路器与其相邻车站高压负荷开关之间；也可能在中间车站与其相邻车站的高压负荷开关之间；或在自闭或贯通线末端的车站负荷开关和供电对端的处于分闸状态的出线断路器。

发生相间短路故障时，若开关经历了过电流，对应FTU将会上传车站高压负荷开关电流变化的SOE信息帧给对应装置，与相邻车站FTU对应的装置经过两两比较，由短路故障定位原理，判断出故障区间，同时发出报警信号，发送遥控命令，断开故障区间两端负荷开关，隔离故障区间。装置i判断线路上的相间短路故障时的判断过程如图6所示。

2.3.2 单相接地故障定位算法

装置i可知供电方向，若自闭线或贯通线发生单相接地故障时，供电端的出线断路器不跳闸，每一个装置都会知道每个相邻车站区间的零序电流之差[8]，其定位算法的实现过程如下：

1）装置i通过通信通道提取流经对应车站负荷开关的零序电流I觶0i，包括幅值和相位。

2）装置i采集的零序电流I觶0i是否与零序电流容限是否有≥，若是，则启动单相接地故障定位算法的程序。

6）那么故障区间为第K个区间。

在线路上发生单相接地故障时，所有出线的电容电流之和等于故障点电流，这个电流比短路故障时的过电流要小得多，不会引起供电端的出线断路器跳闸，故车站FTU也不会对该电容电流发出报警信号，只可采集流经开关的零序电流，并将含有零序电流的报文上传给装置其故障判定的流程如图7所示。

3 结语

研制的铁路10 kV自闭及贯通线故障定位与隔离装置通过MOVX公司的I/O模块采集供电臂两端出线断路器的开关位置来确定供电方向，考虑到铁路局信息处给每一供电段站段FTU和变电站都分配了唯一的IP地址，采用以太网技术对车站FTU进行IP访问，对车站负荷开关运行状态进行监控，采集其对应负荷开关遥信报文与SOE报文，对故障区间的分析判断和执行自动操作功能，完成铁路10 kV自闭及贯通线故障的定位与自动隔离，完善现有的铁路电力远动系统。现场运行表明装置与车站FTU通过以太网连接，实现装置与车站FTU之间的网络通信连接，取代传统串行通信或现场总线方式，不仅提高了通信的传输速率，而且其灵活性和可靠性也优越得多。

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