铁路电力线故障监控诊断与快速切除

罗学平，王 昭，郭 铭，李家喜，刘明光，黄 臻，文秋鹏，刘 猛，李 强，毛 键

0 引言

铁路电力贯通线和自闭线统称为铁路电力线，专门为沿线车站和信号等设备提供可靠电力。目前，新建和改造的铁路电力线以箱式变压器（简称箱变）为节点，将箱变工作状态信息（主要是电压电流和开关位置）通过数据网上传至电力调度中心，实现远程监控。但是，箱变中未设置继电保护装置，一旦电力线发生故障，需要电调人员根据上传的电压电流信息和工作经验判断故障位置，沿线工区人员查找和排除故障后才能够恢复供电。显然，该故障处理方式消耗时间较长，延迟恢复供电，严重时还会影响行车正点运营。

电力线故障诊断算法较多，如阻抗算法、故障测距算法、区间算法等[1～4]。然而，这些方法均基于配电所采集的电气量（电压、电流信号）进行分析和计算，并控制配电所的馈线断路器跳闸来切除线路故障。应用上述方法虽然可以切除线路故障，但线路上的用户也失去了电力供应。

为了解决以上问题，基于现行的铁路电力线结构，提出一种铁路电力线在故障状态下快速恢复供电的策略，借助强大的云计算能力，自动控制故障隔离，快速恢复供电臂上全部箱变的供电，并对研制的监控装置进行人工短路试验。

1 故障状态下快速恢复供电策略

1.1 铁路电力线结构特征

目前，新建和改造的铁路电力线主要采用10 kV 三相电缆，每隔3 km 左右设置1 台箱变。箱变中有2 台10 kV 高压开关，2 台开关串联连接电力线路；1 台10/0.4 kV 变压器T 接在2 台开关之间。电力线路两端的配电所提供电源，一端配电所为电力线供电，称为主供，另一端配电所预备供电，称为备供。由此可见，铁路电力线具有双电源分段式结构，每一供电臂均有双电源保证可靠供电，箱变中2 台开关使得电力线路分段和变压器取电方式更为灵活。

目前，通过专用数据网（例如铁路运输管理信息系统TMIS 网），将箱变中采集的电力线电压电流和开关位置等数据上传至电力调度中心，实现铁路电力线运行状态的远程监控。但是，箱变中未设置继电保护装置，不能自动诊断和切除线路故障，需要人工分析排查，延缓了故障处理时间。

1.2 故障状态下快速恢复供电策略

铁路电力线的箱变未设置继电保护装置，其原因是当电力线发生故障时，短路电流将流经主供配电所至故障点之间的所有箱变；如果箱变中设置了继电保护装置，将造成通过短路电流的所有箱变均跳闸，断电用户更多，还可能误导故障排查，增加故障排除后恢复供电的操作任务。

目前，铁路电力线的运行管理模式：对于以架空线为主的普速铁路电力线，发生故障后主供的配电所自动重新合闸（重合闸）一次，或备供的配电所自动投入送电（备自投）一次；如果重合闸或备自投不成功，则需等待人工进行故障排查处理。高铁电力线发生故障后主供配电所不允许重合闸，备供配电所也不得进行备自投，原因是高铁电力线均采用电缆，电缆绝缘为非自恢复性，故障未排除前，如果进行重合闸或备自投，第二次短路电流可能击穿电缆绝缘，导致事故范围进一步扩大。因此，高铁电力线发生故障后，需采取人工排查抢修措施，确认故障排除后，方可恢复供电。由此可见，无论是普铁还是高铁，电力线路故障的排查处理需要花费较多时间，不利于铁路电力线安全可靠供电。

基于以上情况，提出铁路电力线在故障状态下快速恢复供电策略：同时跳开故障点两侧箱变中的高压开关，实现故障自动隔离；线路两端的配电所同时重合或备自投，以便快速恢复供电臂上所有箱变的电源，从而保障供电区间的车站和信号设备设施供电。然而，该策略的实现需要借助一个多点监控、大数据计算、快速诊断和控制的平台。

2 监控平台设计

2.1 总体构架

基于铁路电力线的运行调度和管理工作集中在供电段生产指挥中心的模式，采用B/S（Browser/Server）构架，通过VB 编写的应用程序与SQL 数据库连接进行数据交互，建立如图1 所示的铁路电力线安全监控平台。

图1 铁路电力线安全监控平台

监控平台由监控层、云计算层、数据存储层、服务层、客户层等组成。由于监控对象（箱变）数量多，地理位置分散，距离供电段生产指挥中心大都在数十千米，甚至数百千米外，故各层级之间的通信由数据网完成。

2.2 系统功能

2.2.1 监控层

以每一台箱变作为一个监控对象，监测内容主要包括：箱变的10 kV 进线和出线处的三相电压、三相电流；2 台高压开关的分闸与合闸位置。考虑到电力线故障属于快速电磁暂态过程，如果信息采样装置的采样频率较低，可能漏掉有用信号，实践中选择的采样频率为50 MHz。

2.2.2 云计算层

箱变中采样装置获得的原始监测信息是大量的离散数据，可通过傅里叶变换计算将其还原成连续信号；还需要对故障信号放大和辨识，采用小波分析进行计算。由于故障电流以近似光速（300 000 km/s）传播，故障瞬间就会流经多台箱变，各箱变获得的信息需要按微秒级进行比对计算。另外，生成控制码的运算等也需要大量计算。实践表明，一台计算机进行计算不仅速度慢，而且数据堵塞死机现象频繁发生。

云计算综合运用网格数据传输、网络存储、分布式计算、并行计算、虚拟化、负载均衡化等多种技术，具有大数据的动态扩展、按需部署、高速计算、灵活处理等优点[5～7]。将铁路电力线按箱变位置划分为若干单元，每个箱变即为一个监控节点，采集的电压电流数据信息通过数据网自动上传至云计算层，借助云计算强大的数据运算能力快速完成计算，并根据计算结果分析和诊断故障位置，生成控制码，启动故障点两侧的箱变开关分闸，实现故障自动隔离[8，9]，为快速恢复供电创造条件。

2.2.3 数据存储层

利用SQL Server 数据库建立专门的gtx1 数据库，存储线路运行中各区间的带电状态信息，各箱变中开关的分闸与合闸动作数据，发生的故障类型（短路、接地、缺相）、位置和时刻等信息。所有数据都能够为客户端提供可视化显示和报告打印等服务。

2.2.4 服务层

服务层主要内容包括：

（1）权限管理。分为二级：系统管理、值班操作管理，通过密码才可登录。

（2）线路管理。设置监控线路的名称、箱变及开关名称、箱变数量和位置。

（3）数据管理。查询区间电力线带电状态、开关的操作情况（开关分闸与合闸的动作时刻）、故障报警数据（故障类型、位置、发生时刻）。对于中性点不接地系统的电力线，相关运行管理规程规定[11]：发生单相接地故障后可以继续运行1～2 h，其间合适的时刻才处理单相接地故障，因此还需要对切除单相接地故障进行管理。

（4）打印管理。电力线运行报告内容除了电压、电流、用电量、功率因数等数据外，还应包括：某一历史时间段电力线两端配电所的主供或备供运行方式，各开关的人工操作情况，开关动作状态和时刻，故障发生的类型、位置和时刻，当前（打印报告时刻）的运行方式、开关状态等。由于每一次打印的报告内容并不是所有存储的数据，需要根据关注的信息进行报告内容的选择，因此打印管理中应具有选项功能。

2.2.5 客户层

客户层是面向电力线运行管理人员的信息交互环节，需要采用可视化方式进行信息交互，主要内容：

（1）可视化显示监控的电力线运行状态，主要包括：配电所的主供或备供运行方式，箱变开关的分闸或合闸位置，开关带电状态，箱变中变压器带电状态，区间电力线带电状态，故障位置，故障类型（短路、接地、缺相）。

（2）电调值班人员通过密码登录，对箱变开关的分闸或合闸进行远程操作记录，对中性点不接地系统电力线发生的单相接地故障的切除处理进行记录。

（3）查询和打印关注的有关运行信息。

目前，铁路电力线的运行管理权限集中在供电段生产指挥中心，因此，具有人机交互和远程控制电力线开关的客户端只设置在供电段指挥中心。如果需要将电力线运行状态及信息扩大到供电段的供电车间或铁路局供电部，则可以通过专用数据网，在有关供电车间或铁路局添加只具有可视和查询权限的客户端。

3 关键技术

3.1 故障诊断

当电力线某处发生短路故障时，线路中的电流具有急剧增大的特征[11]。根据电力线路继电保护原理[12]，当线路中任意一相电流值超过速断整定值，即可判定发生了短路故障，数学表达式为

图2 电力线路故障等效模型

对式（2）进行复数分解，可推导出故障距离x为

3.2 精准控制

通过云计算分析快速判断故障位置后，需要启动故障点两侧的开关分闸，才能够实现故障自动隔离。因此，需要云计算层快速完成选择故障点两侧的箱变名称及箱变中对应的开关名称，并生成对应的开关分闸和闭锁的控制码。为保障开关动作的可靠性，需采用随机编码技术生成控制码。

4 实际运行与试验验证

按照上述方法研制的电力线故障快速隔离装置，已经在武汉供电段管辖的麻城配电所—黄陂配电所区间的贯通线上挂网运行。为验证该装置对故障处理的效果，进行了人工短路试验。试验时线路运行方式为黄陂配电所主供，麻城配电所备供，在线路停电状态下将短路接地线挂接在中驿箱变出口183#杆上，然后操作黄陂配电所送电。送电合闸瞬间，黄陂配电所馈线断路器和最靠近故障点两侧的箱变开关跳闸，自动切除故障；电调命令黄陂和麻城两所重新送电时，即恢复全区间箱变供电。试验中线路各分段带电状态、开关动作情况以及故障位置均在电调的监控机界面显示，所有信息同时记录在后台管理软件中，以便查询和打印报告。试验表明：装置对线路故障诊断准确，隔离范围最小；电调下达命令后即可立即恢复全部箱变供电，验证了铁路电力线在故障状态下快速恢复供电策略的正确性及有效性。

5 结语

（1）提出了铁路电力线在故障状态下快速恢复供电的策略：同时跳开故障点两侧箱变中的高压开关，自动隔离故障；线路两端配电所同时送电，快速恢复供电臂上全部箱变的电源，从而保障全区间的车站和信号设备设施供电。

（2）采用B/S 构架的铁路电力线安全监控平台，基于云计算能力，以箱变为监控节点，采集箱变的电压电流和开关位置等数据，通过数据网自动上传，分析计算和综合处理相关信息，能够快速完成故障诊断和隔离。

（3）在麻城配电所—黄陂配电所区间的贯通线上挂网运行该电力线故障监控装置，通过人工短路模拟试验表明：故障诊断和定位准确，故障自动隔离，能够快速恢复供电臂上全部箱变的电源，保障了对沿线车站和信号设备设施的可靠供电；同时，为故障检修指明了方向，节省了人工排查时间。