新型無線遙控開關(guān)站及其應(yīng)用

拓中華，王連生，張文仁，韓 鑫，劉明光，呂繼光，耿慶凱，林 凌，高 妍，鐘鋐州，劉 鐵

新型無線遙控開關(guān)站及其應(yīng)用

拓中華，王連生，張文仁，韓 鑫，劉明光，呂繼光，耿慶凱，林 凌，高 妍，鐘鋐州，劉 鐵

在鐵路供電系統(tǒng)中，由于牽引變電所的繼電保護(hù)裝置不能識(shí)別分叉式專用線接觸網(wǎng)的故障電流，在分叉處設(shè)置開關(guān)站，可以快速切除專用線接觸網(wǎng)故障，保障干線接觸網(wǎng)的安全供電。接觸網(wǎng)故障電壓電流變化快、波形畸變較大，造成故障診斷困難。本文應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對檢測信號(hào)進(jìn)行圖像處理，采用模糊數(shù)學(xué)評判有效數(shù)據(jù)，保證診斷正確。利用GSM網(wǎng)絡(luò)短消息，使調(diào)度對開關(guān)站進(jìn)行無線遙控方便經(jīng)濟(jì)。實(shí)際運(yùn)行表明：開關(guān)站性能穩(wěn)定，滿足鐵路供電的現(xiàn)場需要。

接觸網(wǎng)；形態(tài)數(shù)學(xué)；模糊數(shù)學(xué)；遙控；開關(guān)站

0 引言

鐵路運(yùn)輸是國內(nèi)人流和物流的主要交通方式，電氣化列車的牽引動(dòng)力取自一種稱為接觸網(wǎng)的專門供電線路，接觸網(wǎng)由牽引變電所供電。根據(jù)列車密度，可分為干線鐵路和專用線鐵路。專用鐵路的接觸網(wǎng)大多從干線接觸網(wǎng)上采用“T”接分叉方式引出。目前，接觸網(wǎng)干線與專用線的電氣分割采用隔離開關(guān)或負(fù)荷開關(guān)，這樣的開關(guān)電器不能自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)切除專用線故障；牽引變電所的繼電保護(hù)裝置是依靠提取變電所饋線的電壓電流來診斷線路故障，這在理論上都不具有區(qū)分“T”接分叉線路故障的可能性。因此，實(shí)際運(yùn)營中專用鐵路的接觸網(wǎng)故障，往往造成干線鐵路的接觸網(wǎng)失電，故障位置查找困難，斷電時(shí)間較長，嚴(yán)重影響到干線鐵路上大量列車的正點(diǎn)運(yùn)營。為此，開發(fā)研制一種新型專用鐵路的接觸網(wǎng)智能開關(guān)站非常必要。

1 開關(guān)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開關(guān)站的作用和目的是控制專用鐵路的接觸網(wǎng)供電，自動(dòng)切除專用鐵路接觸網(wǎng)發(fā)生的短路故障，所以，開關(guān)站的高壓主回路控制電器選擇以斷路器作為切除短路電流的控制電器。短路故障信息通過電流互感器和電壓互感器采集，利用嵌入式微機(jī)作為數(shù)據(jù)分析與處理核心并控制斷路器的分合閘動(dòng)作?；谀壳癎SM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面覆蓋中國大地，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行非?？煽?，短信資訊費(fèi)用極低；開關(guān)站的控制只有斷路器的分閘或合閘等簡單動(dòng)作，因此，調(diào)度采用手機(jī)短信的無線遙控方式對開關(guān)站中斷路器進(jìn)行分合閘控制及其狀態(tài)信息回傳十分方便和經(jīng)濟(jì)。根據(jù)國家有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1～4]要求，為了保障開關(guān)站中斷路器和電子控制設(shè)備的工作環(huán)境，采用戶外地面密閉箱式結(jié)構(gòu)，防雨防塵，防冰雪覆蓋，箱體內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)加熱和散熱的溫度調(diào)節(jié)裝置。開關(guān)站中高壓帶電部分進(jìn)行完全封閉，檢修進(jìn)人通道部位設(shè)置非停電聯(lián)鎖報(bào)警器，避免人員誤入高壓區(qū)發(fā)生觸電事件。開關(guān)站主要設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。

圖1 開關(guān)站主要設(shè)備構(gòu)成框圖

2 短路故障智能診斷算法

威脅接觸網(wǎng)供電安全的主要故障是接地短路，診斷供電線路發(fā)生接地短路的方法有電流“閥值”法、波形梯度上升法、零序電流法等，應(yīng)用較多的是阻抗法，其工作原理如圖2所示。

圖2 阻抗法診斷供電線路接地原理電路圖

當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，通過電流互感器CT采集的故障電流i經(jīng)過“i/u變換器”和橋式整流器1Q，加載到繼電器J上；同時(shí)，通過電壓互感器PT采集的測點(diǎn)電壓u經(jīng)過橋式整流器2Q，也加載到繼電器J上。要開關(guān)分閘切除故障電流，需要繼電器J動(dòng)作來給出控制信號(hào)，繼電器J是否動(dòng)作取決于比值z：

式中，z為測點(diǎn)至接地點(diǎn)之間的線路阻抗，ku為PT的變比，kct為CT的變比，kb為“i/u變換器”的變比。

由于供電線路的結(jié)構(gòu)是固定的，線路單位長度的阻抗z0就是定值，因此，根據(jù)式（1）可推算出發(fā)生故障的接地點(diǎn)至檢測點(diǎn)之間的距離為

在式（1）中變比ku、kct、kb是定值，故障信息u、i變化非?？?，特別是鐵路牽引供電系統(tǒng)的波形畸變較大，故障電流波形混亂不夠清楚，往往會(huì)造成判斷失效，引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作。因此，對檢測信息u、i波形進(jìn)行圖像處理和智能辨識(shí)是故障診斷的關(guān)鍵。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是分析幾何形狀和結(jié)構(gòu)的一種現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，它通過數(shù)學(xué)變換可清楚地描述圖像的局部特征和基本結(jié)構(gòu)。若一個(gè)信號(hào)函數(shù)的本影為

本影集合重構(gòu)就是：

圖像的輸出為

令f(x)，x∈Rm，m = 1，2，…，M ? 1為一非負(fù)函數(shù)，M為一自然數(shù)，此時(shí)為圖像的灰度級(jí)。g(x)為一凸的結(jié)構(gòu)函數(shù)，f(x)形態(tài)譜為

顯然，圖像結(jié)構(gòu)元素半徑越大，則保留的圖像顆粒越少，PS(f, g, λ)≥0；若f(x)中圖像顆粒直徑普遍較大，則篩選后保留的數(shù)量也會(huì)越多，PS(f, g, λ)值也較大。因此，這樣的運(yùn)算就相當(dāng)于將原圖像“放大”，突出圖像的形態(tài)信息。按照上述方法對采集的如圖3 a所示線路故障電流進(jìn)行形態(tài)學(xué)運(yùn)算后，可以清楚地看到故障電流指定部位的形態(tài)譜值如圖3 b所示。

圖3 故障電流與形態(tài)譜值圖

采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法雖然將檢測信息“放大”了，有利于確定u、i的比值，但是，故障電壓電流u、i變化快，不同時(shí)刻對應(yīng)的波形不同，會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)刻的u、i比值也不同。特別是由于u、i的波形畸變，可能還會(huì)出現(xiàn)一些完全不合理的比值，例如：大于線路長度的z值，負(fù)數(shù)等，這給故障診斷帶來了新的困難。解決這一困難的方法是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)對于一次故障信息檢測獲得的一組阻抗比值進(jìn)行綜合判斷[5]。

假設(shè)：檢測獲得的一組阻抗比值z1，z2，z3，…作為評判問題，該問題的評判因素集A = {μA(z1), μA(z2), …, μA(zn)}是論域U上的模糊集，檢測獲得評判元素zn滿足正態(tài)型隸屬函數(shù)：

問題的評語集B = {μB(v1), μB(v2), …, μB(vn)}是論域V上的模糊集，評判矩陣為R，則：U×V上的模糊關(guān)系（又稱模糊變換）滿足模糊集合的“并”運(yùn)算：

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

本研究中評判問題是：阻抗比值z1，z2，z3，…是否合理，計(jì)算時(shí)按式（8）的取值還應(yīng)歸一化處理實(shí)際采用的評語集B為{b1= 好，b2= 正常，b3= 一般，b4= 異常}，評判矩陣R的元素由經(jīng)驗(yàn)給出，且對給定的一次檢測數(shù)據(jù)，按照式（8）獲得的評價(jià)結(jié)果，可采信、不采信和可用的置信水平設(shè)為

按照式（10）就可以明確采信和可用的檢測數(shù)據(jù)，丟棄不予采信的異常不合理數(shù)據(jù)。最后將檢測獲得的一組有效阻抗比值取其平均值，就是式（1）的診斷值。

至此，根據(jù)上述形態(tài)學(xué)和模糊數(shù)學(xué)判斷原理，可以準(zhǔn)確地確定線路故障信息u、i的比值。在開關(guān)站設(shè)備的硬件實(shí)施方面，將圖1中繼電器J替換為嵌入式CPU微機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)上述智能的數(shù)據(jù)分析和處理，從而控制開關(guān)站的分閘，切除線路故障接地電流。

3 通訊與遙控

開關(guān)站作為專用線接觸網(wǎng)控制，不僅需要對故障進(jìn)行診斷和自動(dòng)快速切除，還需要將斷路器的分合閘狀態(tài)、是否發(fā)生接地故障的信息上傳到變電所或調(diào)度中心。調(diào)度與開關(guān)站之間信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不是非常高，例如：調(diào)度發(fā)出合閘命令后，1 min還收不到開關(guān)站動(dòng)作的反饋信息，可以重新發(fā)布合閘命令，這并不影響專用線鐵路的運(yùn)營生產(chǎn)。這樣的分析表明：調(diào)度與開關(guān)站之間的通訊信息量很小，而且都是簡單的開關(guān)量。目前，GSM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面覆蓋中國大地，除了地震災(zāi)難等特殊情況外，GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行非?？煽?。因此，利用GSM網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)短信業(yè)務(wù)傳輸調(diào)度與開關(guān)站之間的無線通訊與控制信號(hào)，不僅通道具有保障，而且通訊經(jīng)濟(jì)，因此，本研究中選用GSM網(wǎng)絡(luò)作為開關(guān)站的無線通訊。

參考有關(guān)文獻(xiàn)[6～8]，調(diào)度與開關(guān)站之間的無線通訊模式采用2只內(nèi)嵌GSM-Modem的GSM-RTU無線終端通訊模塊DR1/DR2，利用GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的短信息業(yè)務(wù)，將開關(guān)站K與調(diào)度監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)（圖4）。GSM-RTU無線終端通訊模塊DR1/DR2的主要技術(shù)特征是：具有短信息功能，4路DI（數(shù)字輸入）接口，4路DO（數(shù)字輸出）接口，標(biāo)準(zhǔn)RS23串口，900 MHz / 1 800 MHz雙頻段，最大發(fā)射功率1 W，天線接口50 Ω / SMA，工作溫度-25°C～+60°C，工作電源DC 24 V，提供單片機(jī)和計(jì)算機(jī)編程源代碼?？梢?，通訊模塊DR1/DR2完全可以滿足無線遙控開關(guān)站的通訊功能。

圖4 基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸模式圖

實(shí)際應(yīng)用中由于斷路器分合閘的瞬間沖擊力很大，不可避免地使開關(guān)觸頭發(fā)生往復(fù)式彈跳。因此，由斷路器輔助接點(diǎn)給出的分合閘狀態(tài)會(huì)在極短的時(shí)間抖動(dòng)，導(dǎo)致終端通訊模塊DR2的DI接口上開關(guān)量也發(fā)生抖動(dòng)，極短時(shí)間內(nèi)發(fā)出多次短信，造成遠(yuǎn)方調(diào)度的計(jì)算機(jī)顯示狀態(tài)不穩(wěn)定。為此，需要對終端通訊模塊DR2的DI接口設(shè)置開關(guān)量保持與延時(shí)電路，使其達(dá)到圖5顯示的效果，其中u0為臨界高電平響應(yīng)值，0 ? t1時(shí)區(qū)為開關(guān)量響應(yīng)區(qū)，t1? t2時(shí)區(qū)為開關(guān)量保持與延時(shí)的不響應(yīng)區(qū)，t2為恢復(fù)響應(yīng)時(shí)刻。當(dāng)開關(guān)站分閘或者合閘動(dòng)作，終端通訊模塊DR2的DI的接口的開關(guān)量達(dá)到u0值并執(zhí)行之后，t1? t2時(shí)間內(nèi)不再響應(yīng)輸入，從而避免發(fā)出多次不穩(wěn)定信息。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的開關(guān)觸頭彈跳抖動(dòng)時(shí)間，調(diào)節(jié)Δt，就可解決該問題。

圖5 DI開關(guān)量保持與延時(shí)關(guān)系曲線圖

4 研制成果

按照上述思路研制的開關(guān)站，通過了國家高低壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)（檢驗(yàn)報(bào)告編號(hào)10WD739），實(shí)現(xiàn)了以下功能：

4.1 多種保護(hù)功能

（1）電流速斷保護(hù)，比變電所為躲過機(jī)車啟動(dòng)電流設(shè)置的0.1 s更快地切除故障，保證變電所不跳閘。

（2）過電流與接地保護(hù)，自動(dòng)診斷接觸網(wǎng)的短路接地故障，能夠識(shí)別臨時(shí)性接地故障。

（3）大電流脫扣保護(hù)。

（4）自適應(yīng)電流增量保護(hù)，避免諧波誤差。

（5）人工智能型過負(fù)荷保護(hù)，自動(dòng)切除多次重復(fù)性過負(fù)荷。

（6）失壓保護(hù)，延時(shí)0.3 s自動(dòng)跳閘，避免突然來電造成意外觸電事故。

（7）過電壓保護(hù)。

（8）PT斷線檢測。

（9）自動(dòng)重合閘，對臨時(shí)性故障，延時(shí)0.3 s自動(dòng)重合閘；對永久性故障跳閘自動(dòng)閉鎖，不再合閘；對失壓跳閘，重新來電后延時(shí)0.3 s自動(dòng)重合閘。

（10）防止誤入高壓帶電區(qū)的保護(hù)報(bào)警。

4.2 多種控制功能

（1）無線遙控。提供無線監(jiān)控器，能夠距

1 000 km遙控開關(guān)站，實(shí)現(xiàn)：遙控?cái)嗦菲鞣趾祥l（單向通訊時(shí)間3～10 s），并遠(yuǎn)程顯示斷路器分合狀態(tài)；遙控隔離開關(guān)的分合閘，并顯示隔離開關(guān)的分合閘狀態(tài)；遙控?zé)o線視頻攝像機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉，并通過3G或4G網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控隔離開關(guān)的分合閘動(dòng)作過程，以及監(jiān)控開關(guān)站箱體內(nèi)部狀態(tài)；操作程序自動(dòng)滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)定，避免發(fā)生誤操作錯(cuò)誤。

（2）遠(yuǎn)動(dòng)控制。提供遠(yuǎn)動(dòng)接口，通過遠(yuǎn)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)上述無線控制同樣的功能。

（3）本地控制。在開關(guān)站本地實(shí)現(xiàn)上述無線控制同樣的功能。

4.3 多種信息顯示功能

在無線監(jiān)控器上自動(dòng)、實(shí)時(shí)顯示開關(guān)站的工作狀態(tài)，包括：斷路器的分合閘狀態(tài)；隔離開關(guān)的分合閘狀態(tài)；線路實(shí)際是否帶電；是否發(fā)生接地故障；無線監(jiān)控視頻是否啟動(dòng)；開關(guān)站內(nèi)部是否進(jìn)行加熱、或者散熱；無線通信是否正常；開關(guān)站大門是否關(guān)閉或開啟。

4.4 信息自動(dòng)上傳和無線查詢功能

每天定時(shí)自動(dòng)上傳開關(guān)站的工作狀態(tài)。隨時(shí)可在無線監(jiān)控器上查詢上述顯示信息。

4.5 多路電源互為備用功能

開關(guān)站工作電源由自帶可充電逆變電源和從接觸網(wǎng)獲取電源構(gòu)成，兩路電源工作采用相互自投方式，保證可靠工作。

4.6 無線視頻監(jiān)控功能

通過3G或4G網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，視頻監(jiān)控隔離開關(guān)分合閘動(dòng)作過程，也可監(jiān)控箱體內(nèi)部狀態(tài)或環(huán)境。

4.7 專用線路負(fù)荷計(jì)量功能

對專用接觸網(wǎng)線路的用電量，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)量，方便考核。

4.8 自動(dòng)調(diào)溫功能

開關(guān)站防護(hù)等級(jí)符合國標(biāo)IP4X要求；箱體防雨、防塵，自帶溫控裝置，保障設(shè)備的最佳工作環(huán)境，延長設(shè)備使用壽命。

4.9 具有遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)對接功能

開關(guān)站和無線監(jiān)控器都帶遠(yuǎn)動(dòng)通訊接口，可以通過遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)對開關(guān)站進(jìn)行通訊與控制。

5 工程應(yīng)用

研制的開關(guān)站安裝在隴海鐵路的駱駝巷車站，無線監(jiān)控器安裝在夏官營變電所，由蘭州鐵路局供電調(diào)度指揮，以監(jiān)控榆鋼專用線接觸網(wǎng)的運(yùn)行。

2年多的實(shí)際運(yùn)行顯示：無線遙控開關(guān)站的斷路器和隔離開關(guān)的分閘、合閘動(dòng)作正確可靠，單向遙控命令傳輸時(shí)間3～10 s。斷路器和隔離開關(guān)的位置狀態(tài)、線路和設(shè)備的實(shí)際帶電狀態(tài)、箱體內(nèi)部調(diào)溫裝置啟動(dòng)、大門開啟等信息，自動(dòng)上傳到無線監(jiān)控器上顯示正確、清楚，并在信息顯示的同時(shí)發(fā)出聲音，提示值班人員進(jìn)行關(guān)注。無線監(jiān)控器上還能夠查詢開關(guān)站和隔離開關(guān)的工作狀態(tài)，操作程序自動(dòng)滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)定，操作方式符合人們習(xí)慣。特別是開關(guān)站能夠快速切除網(wǎng)上故障，變電所不再跳閘，并將故障信息準(zhǔn)確地上傳和顯示在無線監(jiān)控器上，不僅隔離和限制了故障范圍，保證了干線接觸網(wǎng)的正常運(yùn)行，而且指明了故障所在區(qū)段的位置，為及時(shí)進(jìn)行故障搶修提供了依據(jù)。

開關(guān)站的投入極大地提高了接觸網(wǎng)的自動(dòng)化管理水平。

6 結(jié)論

牽引變電所的繼電保護(hù)裝置不具有區(qū)分“T”接分叉方式接觸網(wǎng)故障的能力；在“T”接分叉處設(shè)置開關(guān)站能夠快速切除專用線接觸網(wǎng)故障電流，有利于保障鐵路干線接觸網(wǎng)的安全供電。

接觸網(wǎng)故障電壓電流變化快、波形畸變較大，利用阻抗法診斷故障，需要用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對檢測信號(hào)放大，采用模糊數(shù)學(xué)評判有效數(shù)據(jù)，可以較大地提高故障診斷正確率。

利用GSM網(wǎng)絡(luò)對開關(guān)站進(jìn)行通訊與遙控，無論是投資還是運(yùn)行費(fèi)用都十分經(jīng)濟(jì)。

實(shí)際應(yīng)用表明，對開關(guān)站的單向遙控時(shí)間為3～10 s；箱體內(nèi)部自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，工作性能穩(wěn)定，滿足運(yùn)行要求。

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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

拓中華.蘭州鐵路局蘭州供電段，工程師，電話：0931-2980229；王連生.蘭州鐵路局蘭州供電段，工程師；張文仁，韓 鑫.蘭州鐵路設(shè)計(jì)院有限公司，高級(jí)工程師；劉明光.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授；呂繼光.蘭州鐵路局蘭州供電段，工程師；耿慶凱.天水鐵路信號(hào)電力有限公司，工程師；林 凌，高 妍，鐘鋐州.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；劉 鐵.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，博士研究生。