新型无线遥控开关站及其应用

拓中华，王连生，张文仁，韩 鑫，刘明光，吕继光，耿庆凯，林 凌，高 妍，钟鋐州，刘 铁

新型无线遥控开关站及其应用

拓中华，王连生，张文仁，韩 鑫，刘明光，吕继光，耿庆凯，林 凌，高 妍，钟鋐州，刘 铁

在铁路供电系统中，由于牵引变电所的继电保护装置不能识别分叉式专用线接触网的故障电流，在分叉处设置开关站，可以快速切除专用线接触网故障，保障干线接触网的安全供电。接触网故障电压电流变化快、波形畸变较大，造成故障诊断困难。本文应用数学形态学对检测信号进行图像处理，采用模糊数学评判有效数据，保证诊断正确。利用GSM网络短消息，使调度对开关站进行无线遥控方便经济。实际运行表明：开关站性能稳定，满足铁路供电的现场需要。

接触网；形态数学；模糊数学；遥控；开关站

0 引言

铁路运输是国内人流和物流的主要交通方式，电气化列车的牵引动力取自一种称为接触网的专门供电线路，接触网由牵引变电所供电。根据列车密度，可分为干线铁路和专用线铁路。专用铁路的接触网大多从干线接触网上采用“T”接分叉方式引出。目前，接触网干线与专用线的电气分割采用隔离开关或负荷开关，这样的开关电器不能自动识别和自动切除专用线故障；牵引变电所的继电保护装置是依靠提取变电所馈线的电压电流来诊断线路故障，这在理论上都不具有区分“T”接分叉线路故障的可能性。因此，实际运营中专用铁路的接触网故障，往往造成干线铁路的接触网失电，故障位置查找困难，断电时间较长，严重影响到干线铁路上大量列车的正点运营。为此，开发研制一种新型专用铁路的接触网智能开关站非常必要。

1 开关站结构设计

开关站的作用和目的是控制专用铁路的接触网供电，自动切除专用铁路接触网发生的短路故障，所以，开关站的高压主回路控制电器选择以断路器作为切除短路电流的控制电器。短路故障信息通过电流互感器和电压互感器采集，利用嵌入式微机作为数据分析与处理核心并控制断路器的分合闸动作。基于目前GSM网络已经全面覆盖中国大地，网络运行非常可靠，短信资讯费用极低；开关站的控制只有断路器的分闸或合闸等简单动作，因此，调度采用手机短信的无线遥控方式对开关站中断路器进行分合闸控制及其状态信息回传十分方便和经济。根据国家有关技术标准[1～4]要求，为了保障开关站中断路器和电子控制设备的工作环境，采用户外地面密闭箱式结构，防雨防尘，防冰雪覆盖，箱体内部设置自动加热和散热的温度调节装置。开关站中高压带电部分进行完全封闭，检修进人通道部位设置非停电联锁报警器，避免人员误入高压区发生触电事件。开关站主要设备构成如图1所示。

图1 开关站主要设备构成框图

2 短路故障智能诊断算法

威胁接触网供电安全的主要故障是接地短路，诊断供电线路发生接地短路的方法有电流“阀值”法、波形梯度上升法、零序电流法等，应用较多的是阻抗法，其工作原理如图2所示。

图2 阻抗法诊断供电线路接地原理电路图

当线路发生接地故障时，通过电流互感器CT采集的故障电流i经过“i/u变换器”和桥式整流器1Q，加载到继电器J上；同时，通过电压互感器PT采集的测点电压u经过桥式整流器2Q，也加载到继电器J上。要开关分闸切除故障电流，需要继电器J动作来给出控制信号，继电器J是否动作取决于比值z：

式中，z为测点至接地点之间的线路阻抗，ku为PT的变比，kct为CT的变比，kb为“i/u变换器”的变比。

由于供电线路的结构是固定的，线路单位长度的阻抗z0就是定值，因此，根据式（1）可推算出发生故障的接地点至检测点之间的距离为

在式（1）中变比ku、kct、kb是定值，故障信息u、i变化非常快，特别是铁路牵引供电系统的波形畸变较大，故障电流波形混乱不够清楚，往往会造成判断失效，引起继电保护装置误动作。因此，对检测信息u、i波形进行图像处理和智能辨识是故障诊断的关键。

数学形态学是分析几何形状和结构的一种现代数学方法，它通过数学变换可清楚地描述图像的局部特征和基本结构。若一个信号函数的本影为

本影集合重构就是：

图像的输出为

令f(x)，x∈Rm，m = 1，2，…，M − 1为一非负函数，M为一自然数，此时为图像的灰度级。g(x)为一凸的结构函数，f(x)形态谱为

显然，图像结构元素半径越大，则保留的图像颗粒越少，PS(f, g, λ)≥0；若f(x)中图像颗粒直径普遍较大，则筛选后保留的数量也会越多，PS(f, g, λ)值也较大。因此，这样的运算就相当于将原图像“放大”，突出图像的形态信息。按照上述方法对采集的如图3 a所示线路故障电流进行形态学运算后，可以清楚地看到故障电流指定部位的形态谱值如图3 b所示。

图3 故障电流与形态谱值图

采用数学形态学方法虽然将检测信息“放大”了，有利于确定u、i的比值，但是，故障电压电流u、i变化快，不同时刻对应的波形不同，会导致不同时刻的u、i比值也不同。特别是由于u、i的波形畸变，可能还会出现一些完全不合理的比值，例如：大于线路长度的z值，负数等，这给故障诊断带来了新的困难。解决这一困难的方法是应用模糊数学对于一次故障信息检测获得的一组阻抗比值进行综合判断[5]。

假设：检测获得的一组阻抗比值z1，z2，z3，…作为评判问题，该问题的评判因素集A = {μA(z1), μA(z2), …, μA(zn)}是论域U上的模糊集，检测获得评判元素zn满足正态型隶属函数：

问题的评语集B = {μB(v1), μB(v2), …, μB(vn)}是论域V上的模糊集，评判矩阵为R，则：U×V上的模糊关系（又称模糊变换）满足模糊集合的“并”运算：

式中，A = (aij)n×m，R = (rjk)m×l，B = (bik)n×l，符号“∨”表示取最大值，“∧”表示取最小值。

本研究中评判问题是：阻抗比值z1，z2，z3，…是否合理，计算时按式（8）的取值还应归一化处理实际采用的评语集B为{b1= 好，b2= 正常，b3= 一般，b4= 异常}，评判矩阵R的元素由经验给出，且对给定的一次检测数据，按照式（8）获得的评价结果，可采信、不采信和可用的置信水平设为

按照式（10）就可以明确采信和可用的检测数据，丢弃不予采信的异常不合理数据。最后将检测获得的一组有效阻抗比值取其平均值，就是式（1）的诊断值。

至此，根据上述形态学和模糊数学判断原理，可以准确地确定线路故障信息u、i的比值。在开关站设备的硬件实施方面，将图1中继电器J替换为嵌入式CPU微机，就可以实现上述智能的数据分析和处理，从而控制开关站的分闸，切除线路故障接地电流。

3 通讯与遥控

开关站作为专用线接触网控制，不仅需要对故障进行诊断和自动快速切除，还需要将断路器的分合闸状态、是否发生接地故障的信息上传到变电所或调度中心。调度与开关站之间信息传输的实时性要求不是非常高，例如：调度发出合闸命令后，1 min还收不到开关站动作的反馈信息，可以重新发布合闸命令，这并不影响专用线铁路的运营生产。这样的分析表明：调度与开关站之间的通讯信息量很小，而且都是简单的开关量。目前，GSM网络已经全面覆盖中国大地，除了地震灾难等特殊情况外，GSM网络运行非常可靠。因此，利用GSM网络的手机短信业务传输调度与开关站之间的无线通讯与控制信号，不仅通道具有保障，而且通讯经济，因此，本研究中选用GSM网络作为开关站的无线通讯。

参考有关文献[6～8]，调度与开关站之间的无线通讯模式采用2只内嵌GSM-Modem的GSM-RTU无线终端通讯模块DR1/DR2，利用GSM移动通信网络的短信息业务，将开关站K与调度监控中心的计算机构成一个远距离的数据传输平台（图4）。GSM-RTU无线终端通讯模块DR1/DR2的主要技术特征是：具有短信息功能，4路DI（数字输入）接口，4路DO（数字输出）接口，标准RS23串口，900 MHz / 1 800 MHz双频段，最大发射功率1 W，天线接口50 Ω / SMA，工作温度-25°C～+60°C，工作电源DC 24 V，提供单片机和计算机编程源代码。可见，通讯模块DR1/DR2完全可以满足无线遥控开关站的通讯功能。

图4 基于GSM网络的无线传输模式图

实际应用中由于断路器分合闸的瞬间冲击力很大，不可避免地使开关触头发生往复式弹跳。因此，由断路器辅助接点给出的分合闸状态会在极短的时间抖动，导致终端通讯模块DR2的DI接口上开关量也发生抖动，极短时间内发出多次短信，造成远方调度的计算机显示状态不稳定。为此，需要对终端通讯模块DR2的DI接口设置开关量保持与延时电路，使其达到图5显示的效果，其中u0为临界高电平响应值，0 − t1时区为开关量响应区，t1− t2时区为开关量保持与延时的不响应区，t2为恢复响应时刻。当开关站分闸或者合闸动作，终端通讯模块DR2的DI的接口的开关量达到u0值并执行之后，t1− t2时间内不再响应输入，从而避免发出多次不稳定信息。根据现场实测的开关触头弹跳抖动时间，调节Δt，就可解决该问题。

图5 DI开关量保持与延时关系曲线图

4 研制成果

按照上述思路研制的开关站，通过了国家高低压电器质量监督检验中心的检验（检验报告编号10WD739），实现了以下功能：

4.1 多种保护功能

（1）电流速断保护，比变电所为躲过机车启动电流设置的0.1 s更快地切除故障，保证变电所不跳闸。

（2）过电流与接地保护，自动诊断接触网的短路接地故障，能够识别临时性接地故障。

（3）大电流脱扣保护。

（4）自适应电流增量保护，避免谐波误差。

（5）人工智能型过负荷保护，自动切除多次重复性过负荷。

（6）失压保护，延时0.3 s自动跳闸，避免突然来电造成意外触电事故。

（7）过电压保护。

（8）PT断线检测。

（9）自动重合闸，对临时性故障，延时0.3 s自动重合闸；对永久性故障跳闸自动闭锁，不再合闸；对失压跳闸，重新来电后延时0.3 s自动重合闸。

（10）防止误入高压带电区的保护报警。

4.2 多种控制功能

（1）无线遥控。提供无线监控器，能够距

1 000 km遥控开关站，实现：遥控断路器分合闸（单向通讯时间3～10 s），并远程显示断路器分合状态；遥控隔离开关的分合闸，并显示隔离开关的分合闸状态；遥控无线视频摄像机的启动与关闭，并通过3G或4G网络和无线网络服务器，远程视频监控隔离开关的分合闸动作过程，以及监控开关站箱体内部状态；操作程序自动满足有关技术规定，避免发生误操作错误。

（2）远动控制。提供远动接口，通过远动装置实现上述无线控制同样的功能。

（3）本地控制。在开关站本地实现上述无线控制同样的功能。

4.3 多种信息显示功能

在无线监控器上自动、实时显示开关站的工作状态，包括：断路器的分合闸状态；隔离开关的分合闸状态；线路实际是否带电；是否发生接地故障；无线监控视频是否启动；开关站内部是否进行加热、或者散热；无线通信是否正常；开关站大门是否关闭或开启。

4.4 信息自动上传和无线查询功能

每天定时自动上传开关站的工作状态。随时可在无线监控器上查询上述显示信息。

4.5 多路电源互为备用功能

开关站工作电源由自带可充电逆变电源和从接触网获取电源构成，两路电源工作采用相互自投方式，保证可靠工作。

4.6 无线视频监控功能

通过3G或4G网络和无线网络服务器，视频监控隔离开关分合闸动作过程，也可监控箱体内部状态或环境。

4.7 专用线路负荷计量功能

对专用接触网线路的用电量，自动进行计量，方便考核。

4.8 自动调温功能

开关站防护等级符合国标IP4X要求；箱体防雨、防尘，自带温控装置，保障设备的最佳工作环境，延长设备使用寿命。

4.9 具有远动系统对接功能

开关站和无线监控器都带远动通讯接口，可以通过远动系统对开关站进行通讯与控制。

5 工程应用

研制的开关站安装在陇海铁路的骆驼巷车站，无线监控器安装在夏官营变电所，由兰州铁路局供电调度指挥，以监控榆钢专用线接触网的运行。

2年多的实际运行显示：无线遥控开关站的断路器和隔离开关的分闸、合闸动作正确可靠，单向遥控命令传输时间3～10 s。断路器和隔离开关的位置状态、线路和设备的实际带电状态、箱体内部调温装置启动、大门开启等信息，自动上传到无线监控器上显示正确、清楚，并在信息显示的同时发出声音，提示值班人员进行关注。无线监控器上还能够查询开关站和隔离开关的工作状态，操作程序自动满足有关技术规定，操作方式符合人们习惯。特别是开关站能够快速切除网上故障，变电所不再跳闸，并将故障信息准确地上传和显示在无线监控器上，不仅隔离和限制了故障范围，保证了干线接触网的正常运行，而且指明了故障所在区段的位置，为及时进行故障抢修提供了依据。

开关站的投入极大地提高了接触网的自动化管理水平。

6 结论

牵引变电所的继电保护装置不具有区分“T”接分叉方式接触网故障的能力；在“T”接分叉处设置开关站能够快速切除专用线接触网故障电流，有利于保障铁路干线接触网的安全供电。

接触网故障电压电流变化快、波形畸变较大，利用阻抗法诊断故障，需要用数学形态学对检测信号放大，采用模糊数学评判有效数据，可以较大地提高故障诊断正确率。

利用GSM网络对开关站进行通讯与遥控，无论是投资还是运行费用都十分经济。

实际应用表明，对开关站的单向遥控时间为3～10 s；箱体内部自动调节温度，工作性能稳定，满足运行要求。

[1] GB/T17467-1998 中华人民共和国国家标准 高压/低压预装式变电站[S]. 北京：中国标准出版社，1998.

[2] GB/T11022-1999 中华人民共和国国家标准 高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求[S]. 北京：中国标准出版社，1999.

[3] TB 10009-2005 中华人民共和国行业标准 铁路电力牵引供电设计规范[S]. 北京：中国铁道出版社，2005.

[4] 中华人民共和国铁道部. 牵引变电所运行检修规程[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[5] 肖健华. 智能模式识别方法[M]. 广州：华南理工大学出版社，2006.

[6] 牛育忠，何志强. 变电站隔离开关无线遥控操作装置的开发与应用[J]. 电工技术，2007（9）：13-15.

As we all know the relay protection devices of traction substation cannot identify the fault current on branching dedicated contact lines. So we build switch station in bifurcation. It ensures both rapid faults clearing for private lines and the safety of main contact power supply. The fault voltage and current on contact lines changes quickly, which give rise to high distortion and bad waveform. It makes the faults hard to diagnose. This research use mathematical morphology method to image process the signal and adopt fuzzy mathematics to judge all of the available scientific data, so the methods can guarantee the diagnostic accuracy. The research makes use of the GSM short message which makes remote control of switch station more convenient and economic. The operation of switch station is stable , the design is able to meet the needs of railway power supply.

contact lines; mathematical morphology; fuzzy mathematics; remote control; switch station

U283

B

1007-936X(2014)04-0046-05

2014-01-19

拓中华.兰州铁路局兰州供电段，工程师，电话：0931-2980229；王连生.兰州铁路局兰州供电段，工程师；张文仁，韩 鑫.兰州铁路设计院有限公司，高级工程师；刘明光.北京交通大学电气工程学院，教授；吕继光.兰州铁路局兰州供电段，工程师；耿庆凯.天水铁路信号电力有限公司，工程师；林 凌，高 妍，钟鋐州.北京交通大学电气工程学院，硕士研究生；刘 铁.北京交通大学电气工程学院，博士研究生。