鐵路電力線路故障自動(dòng)判斷與隔離系統(tǒng)研究

何占元

0 引言

朔黃鐵路 10 kV電力線路承擔(dān)著除牽引供電以外所有鐵路負(fù)荷的供電任務(wù)，其供電可靠性直接影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，?0 kV電力線路大部分地處山區(qū)、曠野，受環(huán)境影響大，每年由于天氣等原因造成的設(shè)備故障達(dá)上百件。傳統(tǒng)故障查找方式是故障發(fā)生后，人員到現(xiàn)場拉合開關(guān)進(jìn)行試判斷查找故障點(diǎn)，因此造成設(shè)備故障延時(shí)較長，嚴(yán)重干擾了鐵路的正常運(yùn)輸，為此研制“鐵路10 kV電力線路故障自動(dòng)判斷與隔離系統(tǒng)”具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 站控層監(jiān)控中心

站控層監(jiān)控中心由硬件完成物理功能，由軟件完成其存儲(chǔ)及邏輯判斷功能，是“鐵路10 kV電力線路故障自動(dòng)判斷與隔離系統(tǒng)”的中樞，監(jiān)測控制中心在此接收各間隔層設(shè)備，即配電室監(jiān)測控制平臺(tái)、室外線路監(jiān)測控制平臺(tái)發(fā)來的數(shù)值信息、報(bào)警信息、狀態(tài)信息等，將信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并根據(jù)預(yù)先編制的處理規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算、邏輯判斷，然后根據(jù)需要對間隔層設(shè)備下達(dá)各種指令，如招測數(shù)據(jù)、操作預(yù)置、遠(yuǎn)程分合等。

該監(jiān)測控制中心硬件采用成熟的工業(yè)控制機(jī)，配備金山信息硬件防毒防火設(shè)備，系統(tǒng)通過公共通信網(wǎng)絡(luò)接入。

1.1.2 配電所間隔層

配電所相關(guān)饋出柜設(shè)置間隔層，該間隔層包含室內(nèi)監(jiān)測及控制裝置，是配電所監(jiān)測點(diǎn)的核心設(shè)備，也是連接配電所既有設(shè)備與“鐵路10 kV電力線路故障自動(dòng)判斷與隔離系統(tǒng)”的橋梁，是實(shí)現(xiàn)配電所相關(guān)饋出柜監(jiān)測功能，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，建立與后臺(tái)監(jiān)測控制中心的數(shù)據(jù)交換，執(zhí)行監(jiān)測控制中心的數(shù)據(jù)請求指令的設(shè)備。為不影響既有檢測控制設(shè)備工作，該檢測控制平臺(tái)基本與既有自動(dòng)控制設(shè)備平行處理信息，不對既有設(shè)備進(jìn)行當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)程操作。

監(jiān)測平臺(tái)硬件主要由電壓、電流傳感變送模塊、模擬量采集模塊、運(yùn)算控制模塊、GPRS傳輸模塊、直流開關(guān)電源等組成。

1.1.3 區(qū)間室外間隔層

系統(tǒng)根據(jù)線路復(fù)雜狀況合理設(shè)置間隔層分段點(diǎn)，在線路上加裝已經(jīng)非常成熟的真空斷路器，用于執(zhí)行線路的分段命令。在分段點(diǎn)分別設(shè)置間隔層的室外信號(hào)采集與控制平臺(tái)裝置，用于對該點(diǎn)線路電流、電壓的監(jiān)測、上送，執(zhí)行站控層下達(dá)的各種指令。

監(jiān)測平臺(tái)硬件組成除擁有配電所間隔層設(shè)備外，還有室外真空斷路器、電流互感器、變壓器等配套設(shè)備。

1.1.4 GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)

配電所間隔層監(jiān)控平臺(tái)裝置、區(qū)間間隔層分段點(diǎn)分別設(shè)置GPRS傳輸模塊，用于站控層和間隔層連接，傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文。

1.2 系統(tǒng)軟件

1.2.1 監(jiān)測控制中心軟件

該軟件實(shí)現(xiàn)對電力線路電流、電壓等模擬量的遙測，開關(guān)狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等開關(guān)量的遙信，高壓開關(guān)的遙控等功能；同時(shí)實(shí)現(xiàn)對控制層中各站上送故障數(shù)據(jù)報(bào)文的分析判斷，下達(dá)隔離故障區(qū)段的命令。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器利用SQL-SERVER對實(shí)時(shí)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，為系統(tǒng)提供歷史追溯功能，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，日，月報(bào)表打印等功能。

軟件開發(fā)平臺(tái)為力控電力版 6.0版本，以及Access 2003數(shù)據(jù)庫，運(yùn)行環(huán)境為Windows XP或Windows 2000。

1.2.2 配電所內(nèi)監(jiān)測平臺(tái)軟件

該軟件通過對采集到的電流、電壓、斷路器狀態(tài)變化、繼電保護(hù)動(dòng)作信號(hào) 4方面的信息進(jìn)行分析、計(jì)算、比較，由智能控制器判定出故障類型，并將故障類型標(biāo)志與加有時(shí)標(biāo)的故障數(shù)據(jù)報(bào)文通過無線的方式一同送往監(jiān)控中心；接收來自監(jiān)控層的招測指令，上送被監(jiān)測對象的狀態(tài)參數(shù)；在無故障及招測指令時(shí)按周期主動(dòng)上送被監(jiān)測對象狀態(tài)參數(shù)。

1.2.3 室外監(jiān)測控制平臺(tái)軟件

該軟件除實(shí)現(xiàn)配電所監(jiān)測平臺(tái)軟件相應(yīng)功能外，還可實(shí)現(xiàn)接收來自監(jiān)控層遙合、遙分、故障遙分指令，控制高壓開關(guān)的分合操作。

2 系統(tǒng)工作原理

“鐵路 10 kV電力線路故障自動(dòng)判斷與隔離系統(tǒng)”是完全獨(dú)立于現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)之外的故障判斷與隔離系統(tǒng)。在線路發(fā)生永久性故障，本所重合及對方所備自投失敗后，才啟動(dòng)故障的判斷與隔離。當(dāng)線路發(fā)生瞬時(shí)故障，本所重合或?qū)Ψ剿睾铣晒r(shí)，該系統(tǒng)只做故障區(qū)段判定，并不做相應(yīng)故障隔離，因此該系統(tǒng)的開發(fā)完全適用鐵路10 kV電力系統(tǒng)現(xiàn)有運(yùn)行模式。

2.1 故障區(qū)段的判定

當(dāng)線路發(fā)生永久故障，本所重合及對方所備自投失敗后，系統(tǒng)判定為永久故障，首先利用小波分析手段，將數(shù)據(jù)及時(shí)段進(jìn)行放大比較，準(zhǔn)確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)序，防止對方所備自投時(shí)產(chǎn)生的故障緊急數(shù)據(jù)與主供所第一次跳閘時(shí)的故障緊急數(shù)據(jù)重疊混亂。在數(shù)據(jù)來源和時(shí)序確定后，進(jìn)行邏輯判斷。其次，以主供所向備供所方向?yàn)榇涡蜻M(jìn)行比較，如故障數(shù)據(jù)類型相同，則不在相應(yīng)區(qū)段，如故障數(shù)據(jù)相異，則在相應(yīng)的區(qū)段，從而找出故障區(qū)段。

2.2 故障區(qū)段的隔離

當(dāng)系統(tǒng)判定為永久故障并找出故障區(qū)段后，系統(tǒng)進(jìn)入故障區(qū)段隔離程序，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定情況，故障隔離有2種方式：一是遠(yuǎn)程人工操作隔離。由值班人員根據(jù)系統(tǒng)提示，遠(yuǎn)程遙控?cái)嚅_故障區(qū)段兩側(cè)斷路器；值班人員遠(yuǎn)程遙控操作（或配電室就地操作）合兩側(cè)配電室斷路器，恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。二是系統(tǒng)自動(dòng)操作隔離。系統(tǒng)自動(dòng)下達(dá)遙控操作命令，斷開故障區(qū)段兩側(cè)斷路器；自動(dòng)下達(dá)遙控操作命令，合兩側(cè)配電室斷路器，或值班人員遠(yuǎn)程遙控操作（或配電室就地操作）合兩側(cè)配電室斷路器，恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 線路故障及小波分析理論

系統(tǒng)綜合利用電力線路故障及小波分析理論實(shí)現(xiàn)線路故障自動(dòng)判斷。當(dāng)線路發(fā)生故障后，系統(tǒng)將各間隔層上報(bào)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，從而判定故障發(fā)生區(qū)段。

3.2 系統(tǒng)通信機(jī)制

不同數(shù)據(jù)信息通過 GPRS上報(bào)采取不同應(yīng)答機(jī)制，提高主要數(shù)據(jù)在無線傳輸環(huán)境中的實(shí)時(shí)性。重要數(shù)據(jù)如開關(guān)變位、故障信息等實(shí)行間隔層主動(dòng)上送，為最優(yōu)先數(shù)據(jù)，監(jiān)測控制中心只做收到回復(fù)；原監(jiān)測控制中心周期巡檢采集的數(shù)據(jù)改為在間隔層無故障緊急數(shù)據(jù)時(shí)，按周期主動(dòng)上送，監(jiān)測控制中心不做回復(fù)，只做記錄，為次級(jí)優(yōu)先數(shù)據(jù)；第三級(jí)數(shù)據(jù)為招測等數(shù)據(jù)，間隔層在收到監(jiān)測控制中心命令時(shí)執(zhí)行。

3.3 系統(tǒng)安全機(jī)制

3.3.1 系統(tǒng)操作安全

該系統(tǒng)實(shí)行3個(gè)級(jí)別的操作權(quán)限，維護(hù)系統(tǒng)修改參數(shù)、遙控線路真空斷路器等涉及到系統(tǒng)安全運(yùn)行的操作，均需在輸入用戶名和正確的操作密碼后方可進(jìn)行，并且系統(tǒng)自動(dòng)記錄操作事項(xiàng)、時(shí)間、人員，實(shí)現(xiàn)操作的可追溯性。系統(tǒng)在站控層軟件設(shè)置上也采用了操作預(yù)置確認(rèn)功能，防止發(fā)生誤操作。

3.3.2 系統(tǒng)硬件安全

與線路直接相連接的真空斷路器采用非常成熟的國家標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，同時(shí)為了不影響既有線路保護(hù)功能，對真空斷路器進(jìn)行了改造，取消了原有真空斷路器過流脫口功能。二次控制系統(tǒng)與一次設(shè)備采用必要的安全隔離措施，如光電、磁隔離、變送器隔離等，確保二次監(jiān)控系統(tǒng)不影響一次設(shè)備的正常運(yùn)行；二次系統(tǒng)所有元器件均采用工業(yè)級(jí)元器件，確保符合室外工作環(huán)境；二次系統(tǒng)未投入、部分未投入、維護(hù)等只允許故障自動(dòng)判斷與隔離的本功能失去，均不應(yīng)影響原10 kV電力線路的正常運(yùn)行。

3.3.3 硬件防火墻

該系統(tǒng)采用金山信息KingGate50防火防毒墻，其病毒/木馬的查殺采取病毒庫+主動(dòng)防御+互聯(lián)網(wǎng)可信任認(rèn)證技術(shù)的三重防護(hù)，保護(hù)該監(jiān)測控制中心安全。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)及意義

4.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)通訊方式選擇無線GPRS 網(wǎng)絡(luò)。其高速數(shù)據(jù)傳輸、永遠(yuǎn)在線、流量計(jì)費(fèi)的特點(diǎn)非常適合應(yīng)用于突發(fā)性的、較小流量的監(jiān)測系統(tǒng)，初期投入及運(yùn)行費(fèi)用也非常低。目前鐵路系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)正在大規(guī)模構(gòu)建，系統(tǒng)通信方式也可搭借此無線通信平臺(tái)，不但節(jié)省了通信費(fèi)用，同時(shí)也可避免由于公網(wǎng)信號(hào)覆蓋問題造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

（2）人性化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)不影響原供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，自適應(yīng)一次重合、對方備自投，適應(yīng)兩側(cè)配電所任意主供。該監(jiān)測控制系統(tǒng)為原保護(hù)自動(dòng)裝置完成其功能后，代替人工下一步的工作，是既有保護(hù)自動(dòng)裝置的后續(xù)工作。

（3）系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，各種功能模塊化，方便系統(tǒng)升級(jí)及嵌入新的功能模塊。

（4）采用工業(yè)級(jí)的設(shè)備，系統(tǒng)適應(yīng)室外惡劣環(huán)境，維護(hù)量小。

4.2 系統(tǒng)研制意義

（1）大大縮短了故障區(qū)段隔離時(shí)間。電力線路發(fā)生故障時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的人工判斷與隔離方式，在交通理想的情況下，最終隔離出故障區(qū)間，恢復(fù)非故障區(qū)間送電，時(shí)間約2 h。如采用自動(dòng)故障判斷與隔離系統(tǒng)預(yù)期20 s即可完成。

（2）杜絕對系統(tǒng)和設(shè)備的沖擊，提高設(shè)備使用壽命。供電系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，重合或備自投失敗后，故障自動(dòng)判斷與隔離系統(tǒng)則自動(dòng)判斷故障區(qū)間并隔離，然后恢復(fù)非故障區(qū)間的供電。在整個(gè)故障自動(dòng)判斷與隔離過程中，不需要帶故障試送電，杜絕在故障查找過程中對系統(tǒng)和設(shè)備的沖擊。

（3）提高瞬時(shí)性故障的定性準(zhǔn)確率。瞬時(shí)性故障時(shí)，雖然重合或備自投成功，但系統(tǒng)仍會(huì)采集到故障時(shí)各監(jiān)控點(diǎn)的瞬時(shí)參數(shù)并作出區(qū)段判斷，瞬時(shí)性故障的巡視縮小了范圍，巡視變得有針對性，預(yù)防類似故障或同一故障的能力增強(qiáng)，可以最大程度地排除供電系統(tǒng)安全隱患。

（4）及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱形故障，防患于未然。由于間隔層均設(shè)有電壓、電流檢測裝置，因此該系統(tǒng)可通過檢測電流大小監(jiān)測線路絕緣水平，防止線路因絕緣降低而引起設(shè)備的隱形故障。

（5）提高自動(dòng)化運(yùn)行水平，為檢修維護(hù)提供方便。

5 結(jié)束語

“鐵路 10 kV電力線路故障自動(dòng)判斷與隔離系統(tǒng)”利用無線GPRS網(wǎng)絡(luò)及小波分析理論，實(shí)現(xiàn)了電力線路故障自動(dòng)判斷與隔離，不僅解決了電力線路故障查找效率低下以及因試送電造成的設(shè)備沖擊等難題，同時(shí)提高了電力線路自動(dòng)化管理水平，因此該系統(tǒng)對電力線路管理特別是負(fù)荷等級(jí)高的電力線路管理具有現(xiàn)實(shí)意義。