高铁电力线故障自动隔离研究与实践

刘明光,王 昭,罗学平,程永胜,杨 超,胡继光,郭 铭,李家喜,文秋鹏,黄 臻

(1.北京交通大学电气工程学院,北京 100044； 2.中国铁路武汉局集团有限公司供电部,武汉 430071； 3.中国铁路武汉局集团有限公司武汉供电段,武汉 430023)

高速铁路(简称“高铁”)电力线专门为高铁沿线的通信信号和其他用电设备设施供电，是高铁运营不可或缺的行车装备。高铁电力线的电压等级为10 kV，供电采用三相系统中性点经小电阻接地方式，以电缆为干线、带开关的箱式变压器(简称箱变)形成分段式结构[1-2]，使用RTU(Remote Terminal Unit—远程终端单元)采集各个箱变的电压电流信号，通过远动装置上传到电力调度中心，并远程控制箱变开关完成分闸与合闸操作。

高铁电力线里程长，地理分布广，沿途气候和气象环境复杂；使用的电缆绝缘(相对架空线)比较薄弱，其绝缘放电呈不可逆性；电缆头和中间接头的电场分布集中；线路的路径也可能受到外部因素影响，例如：地面塌陷。基于以上各种原因，高铁电力线难免会发生故障。同时，由于电缆通常敷设在地下电缆沟或电缆桥架上，线路隐蔽，故障排查和处理过程不仅要消耗较多的时间，还要花费一定的人力物力，不利于高铁电力供电的安全可靠。

高铁通信信号装置的供电可靠性，直接影响到高铁运营安全，因此，保障高铁电力线的供电可靠性显得尤为重要。准确诊断和隔离电力线故障，快速恢复供电，这是高铁运营生产中的实际需求。显然，实现这个目标的关键是快速准确完成故障诊断和隔离。目前已有的电力线故障诊断算法较多，包括阻抗算法、行波测距算法、人工智能算法、区间算法等等[3-12]。但基于这些算法的装置都设置在线路两端的配电所，直接通过控制配电所的馈线断路器跳闸来切除线路故障。故障被切除的同时，整个供电臂线路失电，造成较长公里范围的用电设备停电。

为了解决这个问题，基于电工理论的叠加原理和行波理论，探索了一种高铁电力线故障准确诊断和自动隔离的新方法，并借助云计算的强大计算能力，在电力线发生故障时，能够快速恢复供电臂上所有箱变的供电。

1 高铁电力线运行方式与故障隔离方案

高铁电力线包括一级贯通线和综合贯通线，前者为通信信号设备供电，后者为其他用电设备供电。高铁电力线以电缆为干线，每隔2～3 km设置1台箱变，呈分段式结构。每台箱变中设有2台(甚至3台)10kV高压负荷开关，采用“手拉手”方式连接线路，在2台负荷开关之间“T”接1台10/0.4 kV变压器，为箱变所在地区的车站和通信信号等设备供电。

高铁电力线采用两端供电方式进行供电，每端配电所至少有4条馈线向两侧的铁路沿线供电，每侧都设置有一级贯通线1条、综合贯通线1条。配电所通常采用“一主一备”的供电方式，本所为一级贯通线路供电，相邻所为综合贯通线供电。配电所的供电臂(一级贯通线，或综合贯通线)长度与车站等设备设施相适应，为50～60 km。

箱变负荷开关的操作，都是由电力调度值班员采用远动方式遥控分闸或合闸，不允许自动跳闸。其主要原因是：一方面由于箱变的RTU[13-14]只能采集电压电流信号，箱变没有保护装置，不能对故障状态进行诊断，不提供开关自动跳闸的启动信号；另一方面，负荷开关不具有切断短路电流的能力，只能在线路停电之后分闸。

箱变中不设保护装置的主要原因如下。

(1)现有的保护装置不具备诊断分段线路故障的能力，无法辨识故障发生的具体区段，在箱变中投资设置保护装置不具有技术和经济价值。

(2)箱变的负荷开关不具有切断短路电流的能力，不能够与保护装置配合。

(3)保护装置都具有重合闸功能。高铁电力线全线敷设电缆，系统中性点采用小电阻接地方式，线路接地时短路电流极大，不允许带接地故障重合闸送电，发挥不了保护装置的重合闸功能。

(4)如果箱变有保护装置，从故障点至主供所的线路都有短路电流经过，短路电流经过的所有箱变全部要跳闸，会增大故障排查和恢复供电的工作量。

高铁电力线现行的运行管理模式[15]是：当线路发生故障时，主供配电所不重合闸，备供配电所不备自投。原因是供电系统中性点经过小电阻接地，如果线路发生的是永久性接地故障，配电所自动重合闸或备自投，第二次冲击的短路电流可能烧穿电缆绝缘，扩大事故范围。因此，高铁电力线发生故障后，需等待人工排查抢修，直至确认故障排除之后，才能够恢复供电。显然，这样的运营模式会延缓供电恢复时间，不利于提高工作效率。

基于高铁电力线特殊的箱变分段式结构，可以推断：无论高铁电力线是否存在故障，只要保证供电线路上全部箱变都有电，就不会影响高铁沿线所有用电负荷的供电。按照这个推论，提出高铁电力线发生故障的状态下，自动隔离故障、快速恢复供电的新方案，具体步骤如下。

(1)将箱变的负荷开关更换为具有快速切断短路电流能力的断路器(也可以采用同步技术装置，让箱变负荷开关比配电所馈线断路器延迟分闸)。

(2)快速诊断出故障所在区间，准确度为2台箱变之间。

(3)采用自动控制装置同时启动故障点两侧箱变中故障侧的开关跳闸，实现故障自动隔离。

(4)线路两端的配电所同时重合闸或备投，就可以快速恢复供电臂上所有箱变的电源，从而保障供电臂覆盖的全部区间的车站和通信信号等设备设施供电。

2 线路故障诊断原理

2.1 线路模型与行波理论

电力线路无论是电缆还是架空线，单相导线模型均可简化为图1所示的均匀传输线模型[16]，其中：R0为线路单位长度电阻；L0为线路单位长度电感；G0为线路单位长度对地泄漏电导；C0为线路单位长度对地电容。

图1 单相电力线模型

根据电工理论的基尔霍夫定律(KCL，KVL)，均匀传输线上任一点x处的电压u(x，t)和电流i(x，t)沿x正方向传播关系满足下式

(1)

微分方程组(1)的通解为

(2)

由公式(2)可见：导线上任何一个x点的电压电流都是由2个分量叠加组成。其中：u1(x-vt)分量在数学形态上表示u1朝x正方向平移vt，物理意义上表示为u1沿导线正方向运动，称为前行波；u2(x+vt)分量在数学形态上表示u2朝x负方向平移vt，物理意义上表示为u2朝导线负方向运动，称为反行波。因此，导线上的行波电压u可分解为前行波u1和反行波u2，其运动过程示意如图2所示。

图2 导线上行波运动过程

行波沿线路传输时，由于导线存在的分布电阻要消耗能量，因此行波在传输过程中会发生幅值的衰减，如图3所示，幅值由Um1降到Um2，波头时间由τ1延迟到τ2，导致行波在传输过程中发生变形。

图3 行波衰减变形示意

2.2 故障诊断原理

电力线发生故障的瞬变过程是：线路从正常运行的工作电压突然变成趋向零值电压的非正常状态。按照电工理论的叠加原理，电力线发生故障时(Ud=0)，可等效为没有故障的正常状态(Ud1=+E)与故障时的冲击状态(Ud2=-E)瞬时叠加的结果[17]，如图4所示。

图4 电力线故障发生过程分解示意

根据叠加原理，电力线发生故障时，相当于在线路中加入了一个冲击激励Ud2，其值与正常状态下的工作电压Ud1大小相等，方向相反。对于图1所示的单相电力线模型，故障时产生的冲击激励Ud2首先给故障点附近的分布电容C0充电，并在其周围建立电场，再依次向两侧远处的线路电容充电，随着电容C0充电的电流流过线路的分布电感L0，故障电压波、电流波(统称故障冲击行波)在线路中传输。由于线路上各点距离故障点的位置不同，故障冲击行波到达线路各点的时间有所不同；同时随着故障冲击行波在线路中传输，线路上的分布电阻R0、分布电导G0不断消耗能量，故障冲击行波发生幅值的衰减。

由于故障点处冲击激励Ud2与正常工作电压Ud1大小相等、方向相反，二者经过叠加，造成故障点处的电压为零；而在非故障点处由于故障行波发生不同程度的衰减，与正常状态工作电压叠加后仍存在一个大于零的残余电压，以此为依据即可诊断出线路故障。

现代电气检测技术很容易检测到电力线正常状态下的电压Ud1和冲击状态下的电压Ud2，因此，诊断电力线故障的判据为

Ud1+Ud2=0

(3)

2.3 基于大数据处理的监控方案

按照上述行波理论，电力线发生故障时产生的冲击激励(Ud2)会以前行波和反行波的形式从故障点向线路两端运动，而且在运动过程中，随着行波传输距离加长逐渐衰减变形。对于高铁电力线供电臂上具有多台箱变的线路结构而言，故障产生的冲击行波将以电磁波的速度向故障点两侧传播，迅速到达线路上每一个箱变以及两端的配电所。但是，由于各箱变和配电所距离故障点的位置不同，故障冲击行波到达每一个箱变和配电所的时间不同，加上传输过程中的衰减，行波到达每一个箱变和配电所的幅值也不同。因此，仅仅依靠配电所或箱变中设置的保护装置，不可能准确地诊断出线路故障的位置。

根据行波传输的特点，对到达箱变或配电所的故障冲击行波信号进行监测，利用小波分析等工具分析监测的行波信号，可以获得故障诊断需要的行波到达时间和幅值信息。距离故障点越近的箱变或配电所，行波到达时间越短，幅值衰减越小；反之，距离故障点越远的箱变或配电所，行波到达时间越长，幅值衰减越大，对以上监测信号进行综合分析判断即可准确诊断出故障所在的位置。显然，采用这样的监测方案，需要对每一个箱变和配电所的监测信号进行分析、比较和综合判断，这将是海量的计算工作，只采用一台计算机或服务器不太可能完成。

云计算[18-20]是一种基于互联网的大规模分布式计算模式，云计算平台连接有中央处理器、多台服务器(包括应用程序服务器、数据库服务器、通信服务器等)、数据存储、信息发布、人机交流、打印输出等多种设备。云计算综合运用网络传输、网络存储、分布式计算、并行计算等多种技术，具有大数据的动态扩展、按需部署、高速计算、灵活处理等特点。

基于云计算平台[21]已经具备的硬件设备和大数据计算能力，将其应用到高铁电力线的故障诊断中。将同一个供电臂上的箱变划分为若干单元，在每个箱变和配电所都设置监测点，如图5所示，分别采集故障定位所需要的相关数据，包括：故障行波的幅值、1/2波幅的长度、波头梯度、波形振荡系数、入射系数、反射系数、相似系数、衰减系数、变异系数、波速等参数，将这些参数通过远动数据网自动上传至云计算平台。此外，还需要借助依据北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的时间校准功能[22-23]，对这些参数精准校准它们到达各个监测点的时刻。借助云计算强大的数据运算功能，帮助快速完成海量计算，按照故障判据公式(3)完成判断，经过综合分析和比较，就可以诊断故障所在位置。这样的诊断结果只需要确定故障点所在范围，精度为2台箱变之间，不要求达到具体的千米标(公里标)。

确定了线路故障位置，例如图5中的d点，监控系统的控制装置就会同时启动k和(k+1)箱变故障侧的开关跳闸闭锁，实现故障自动隔离。完成了故障隔离，线路两端配电所送电，就能恢复供电臂上全部箱变的电源，保证沿线负荷供电。

图5 电力线监测点划分示意

3 应用

按照上述方法，研制了一套电力线故障快速隔离监控系统，其故障诊断和自动隔离的流程如图6所示。研制的装置于2020年12月初在麻城至黄陂贯通线上挂网进行试运行考核。考核内容主要包括以下4个方面。

图6 故障诊断与自动隔离流程

(1)电磁干扰环境与气象环境考核。装置安装在配电所的配电柜和箱变中，首先接受了配电所和箱变电力设备产生的强电磁干扰的考核，也经历了严冬和酷暑的极端气象环境考核。运行表明：装置不受电磁干扰，监控系统工作性能稳定。

(2)监测与控制正确性考核。麻城至黄陂供电臂上有5台箱变，包括贯通线两端配电所的馈线开关，共有12台开关(不含隔离开关)。监控系统的计算机界面上能够直观地正确显示所有开关的分闸与合闸位置，显示各个区段电力线路是否带电、箱变中变压器是否有电等状态。在监控系统的计算机界面上，远程遥控箱变和配电所馈线开关分闸与合闸的操作次数，统计不少于80次，正确率100%。

(3)故障诊断与自动隔离考核。2021年1月7日在麻城方向183号-184号电杆处，采用人工方式分别设置了短路、接地、断线3种故障，黄陂配电所送电瞬间，故障两侧开关跳闸闭锁，自动隔离故障的正确率100%；1 min内麻城和黄陂配电所再次送电，就恢复供电臂上全部箱变的供电。2021年6月8日在黄陂方向179号至180-1号电杆处，又分别设置了短路、接地、断线3种故障，试验表明监控装置都能够快速准确地诊断和隔离故障。对于线路断线(缺相)故障，由于配电所现有保护装置采集不到故障信息，无法诊断和处理断线故障；研制的监控系统也表现出了准确的故障诊断与自动隔离能力，图7就是断线故障自动诊断和隔离的计算机监控界面。

(4)自动化管理考核。计算机后台数据库记录了麻城至黄陂贯通线的开关分闸与合闸动作时刻，线路发生故障的时刻、故障类型和所在区段位置，以及操作人员的指令内容与操作时刻等等。所有信息可以被查询，也可以按照A4纸规格打印选择的信息报告。研制系统运行表明：后台记录的数据完整，没有遗漏，信息查询和打印报告方便，实现了监控数据的自动化管理。

图7 麻城—黄陂电力线运行监控界面

4 结论

(1)基于高铁电力线具有箱变分段结构的特点，提出了故障点两侧箱变开关同时跳闸闭锁、自动隔离故障的新方案。借助云计算快速和强大的计算能力，研制的监控系统能够在线路发生故障的状态下，快速恢复供电臂上所有箱变供电。

(2)研制的装置挂网运行后，接受了电磁干扰环境的考核；经历了冬夏的极端气象环境考核；进行了不少于80次的遥控操作，开关动作正确率100%；人工设置的短路、接地、断线等6次故障试验表明：监控系统的装置能够快速诊断和自动隔离故障，正确率100%，1 min内配电所再次送电就能恢复供电臂上全部箱变的供电。实践验证了本文提出的高铁线故障状态下快速恢复供电新方案的有效性。

(3)研制系统自动记录监控线路的开关分合闸动作，线路发生故障的时刻、故障类型和位置，以及操作人指令，能够查询相关数据和打印报告，方便分析，提高自动化管理水平。