電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)及其應(yīng)用

何海永

（中國神華神朔鐵路分公司，陜西 神木719316）

0 引言

近年來，我國電氣化鐵路發(fā)展迅速，越來越長的電氣化線路擔(dān)負(fù)著越來越重的運輸任務(wù)。在整個電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)是電力機車良好獲取電能和安全運行的關(guān)鍵，它是電氣化鐵路一中特殊形式的供電線路，它的任務(wù)是保證對電力機車可靠的不間斷的供應(yīng)電能，但是接觸網(wǎng)是電氣化鐵路中的薄弱環(huán)節(jié)。接觸網(wǎng)一旦發(fā)生故障，對牽引供電系統(tǒng)，受電設(shè)備及整個鐵路運輸都會造成重大損失，現(xiàn)在正值電氣化鐵路普遍提速時期，列車快速而密集，顯然故障發(fā)生后如不能及時排除，將極大影響鐵路運行安全。所以研制接觸網(wǎng)故障智能診斷技術(shù)[1-3]，對準(zhǔn)確定位故障點。故障類型判斷、縮短故障停電時間、保證鐵路安全運行具有非常重要的意義。因此，實現(xiàn)接觸網(wǎng)故障的智能診斷，已成為保障電氣化鐵路運行的一個重要課題[4-5]。

當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，短路點及附近電力設(shè)備中流過的短路電流可能突變?yōu)轭~定電流的幾倍甚至幾十倍，這將對電氣設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。而且，接觸網(wǎng)近空低 穿越地形復(fù)雜，長期暴露在環(huán)境惡劣的戶外，并且受電力機車受電弓和機械沖擊，各種尺寸結(jié)構(gòu)、連接狀態(tài)都處于動態(tài)變化之中，一旦發(fā)生故障，線路故障點的查找有很大難度。所以如果能快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行故障定位[6]，就可以保證接觸網(wǎng)的安全運行，才能面對發(fā)展高速、重載鐵路的新形勢，才能把電氣化鐵路提高到一個新水平，具有巨大的社會和經(jīng)濟效益。

1 電氣化鐵路接觸網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)的研究

1.1 傳統(tǒng)的人工處理方式

在接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，傳統(tǒng)的人工處理方式是在故障發(fā)生后，調(diào)度值班人員需要立即了解和掌握牽引網(wǎng)在什么時間、什么地點、發(fā)生了什么事情以及事故的發(fā)展過程、現(xiàn)狀和幾點保護及自動裝置的動作情況[7]。

這種運行管理的模式是，變電所的值班人員根據(jù)保護輸出的故障報告和觀察到的信號，了解故障情況，再通過電話向調(diào)度人員匯報,調(diào)度人員根據(jù)匯報的問題，立刻組織相應(yīng)人員趕赴現(xiàn)場進(jìn)行搶修。

在這種情況下，調(diào)度中心與當(dāng)?shù)刈冸娝穆?lián)系不緊密，調(diào)度端的運行人員只能靠變電所的值班人員口頭匯報進(jìn)行事故處理。事實證明，這種匯報認(rèn)為因素多，差錯率較高，信息的共享程度低，從而直接或間接的拖延了事故處理時間。調(diào)度端的技術(shù)人員并不能在第一時間得到故障信息，而更多的是在信息量并非十分充足的情況下，根據(jù)自己的知識和經(jīng)驗給出反事故措施的。因此，正是因為信息的準(zhǔn)確性、完整性和實時性得不到保證，從而對準(zhǔn)確地進(jìn)行事故分析和決策造成不利影響。這種傳統(tǒng)的人工處理方式不僅費時、費力，而且加大了線路維護人員的工作壓力。

1.2 電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)

國內(nèi)外對接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)的主要監(jiān)控手段有以下三種：

（1）通過接觸網(wǎng)動態(tài)檢測車對接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)配合關(guān)系進(jìn)行模擬實驗檢測。

（2）在機車頂部安裝便攜式的監(jiān)控設(shè)備。

（3）紅外熱像儀檢測接觸網(wǎng)。

這些檢測技術(shù)手段對接觸網(wǎng)的維護和檢修能夠提供參數(shù)和依據(jù)，但對于接觸網(wǎng)的突發(fā)性事故卻不能有效地控制。

鑒于此，本文提出一種電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由檢測終端、通信終端、后臺服務(wù)器及監(jiān)控軟件組成。該系統(tǒng)的原理是當(dāng)故障發(fā)生時，檢測終端把故障信息及線路的運行狀態(tài)（包括電流大小、電壓大小、溫度等）通過無線通信的方式發(fā)送給通信終端，通信終端通過算法判斷得到最終的故障信息，以GSM移動通信的方式將信息遠(yuǎn)傳至室內(nèi)主站的通信交換機，交換機將信息通過RS232串口發(fā)到計算機上，計算機監(jiān)控軟件上的接觸網(wǎng)線路拓?fù)鋱D對應(yīng)的故障檢測終端圖標(biāo)變色顯示。計算機發(fā)出聲音報警；監(jiān)控系統(tǒng)可設(shè)置一個或多個手機號碼，將相應(yīng)的故障信息發(fā)到管理員手機上。每組檢測終端有一個編碼地址，用來確定具體的報警點位置，便于判斷故障位置。而故障位置是在故障監(jiān)測報警點之后。

本系統(tǒng)的設(shè)計思想是在某一區(qū)域接觸網(wǎng)發(fā)生故障后，能在第一時間利用系統(tǒng)平臺采集的故障信息，并進(jìn)行智能化的實時處理，精確定位故障位置，從而給電網(wǎng)調(diào)度員提供直觀故障分析結(jié)果，因此本系統(tǒng)的設(shè)計遵循如下的基本原則：

（1）實時性

故障發(fā)生后，數(shù)據(jù)信息的采集、傳遞、分析、展示能在該平臺下迅速、有效、自動的完成，為調(diào)度員提供第一時間的有效決策信息，從而避免事故的擴大化，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行。

（2）準(zhǔn)確性

采集到故障信息后，該平臺能調(diào)用實用化的故障定位算法，分析出精確可靠的定位結(jié)果，這就要求定位算法的高準(zhǔn)確性。

（3）直觀性

平臺的建立就是要以最快的速度，給出直觀、形象的故障分析結(jié)果，提高對接觸網(wǎng)直觀認(rèn)識和對故障的第一反應(yīng)速度。

2 系統(tǒng)主要組成部分

電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)在不同的地區(qū)其管理模式不同而存在著不同的形式。有的地區(qū)設(shè)立了專門的配調(diào)中心，有的地區(qū)是地配一體化管理，因此首先要考慮系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。該系統(tǒng)主要由四大子系統(tǒng)組成，利用技術(shù)和管理相結(jié)合來提高供電可靠性和故障判斷準(zhǔn)確性。系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)組成圖

2.1 信息采集子系統(tǒng)

信息采集子系統(tǒng)，是指安裝在接觸網(wǎng)線路上的檢測終端。而檢測終端與服務(wù)器配合可以實現(xiàn)兩種遙控功能：遙測、遙信。檢測終端在遙測方面的主要功能是采集并傳送電力系統(tǒng)運行的實時參數(shù)，如母線電壓、系統(tǒng)中的線路電流等，檢測終端在遙信方面的主要功能是采集并傳送電力系統(tǒng)中線路的負(fù)荷電流、故障電流、對地電場等信息。

2.2 信息傳輸子系統(tǒng)

由于電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)中的服務(wù)器和檢測終端之間一般都有較遠(yuǎn)的距離，因而信息傳輸子系統(tǒng)也是一個重要的子系統(tǒng)。信息傳輸子系統(tǒng)，按其通信距離的不同，可分為短距離射頻傳輸系統(tǒng)和GSM公網(wǎng)傳輸系統(tǒng)兩類。

對于短距離射頻傳輸系統(tǒng)（其調(diào)制方式采用FSK、GFSK等），檢測終端輸出的數(shù)字信號必須經(jīng)過調(diào)制（數(shù)字調(diào)頻、數(shù)字調(diào)相）后才能傳輸。射頻傳輸系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)可用其衰耗-頻率特性，相移-領(lǐng)率特性、信噪比等來反映，它們都將影響到遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)的誤碼串。

對于GSM公網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，其采用現(xiàn)有的公網(wǎng)信號：移動、聯(lián)通、電信等基站信號，其傳輸路徑可通過GSM短信方式或GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的方式實現(xiàn)。

2.3 信息的收集、處理和控制子系統(tǒng)

接觸網(wǎng)系統(tǒng)往往線路繁雜，一般都會跨幾個地區(qū)、具有許多牽引變電站，為了實現(xiàn)對某一個地區(qū)整個電網(wǎng)的監(jiān)視，需要收集分散在各個變電站的實時信息，對這些信息進(jìn)行分析和處理，并將分析和處理的結(jié)果顯示給調(diào)度員或產(chǎn)生輸出命令對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

3 電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)研究的幾個關(guān)鍵技術(shù)

電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)是一種新型的接觸網(wǎng)故障檢測技術(shù)，該系統(tǒng)在研發(fā)過程中有幾個關(guān)鍵技術(shù)需要解決[8]。

3.1 故障檢測技術(shù)

故障檢測技術(shù)是基于電力線傳感器技術(shù)的一種，包含基于材料科學(xué)技術(shù)的敏感元件和基于電子技術(shù)和計算機技術(shù)的傳感器電路，我們主要從傳感技術(shù)及算法處理兩個方面，開展故障檢測技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究。

故障檢測終端分別掛接在鐵路接觸網(wǎng)的承力索、加強線和回流線上，通過電磁感應(yīng)把接觸網(wǎng)線路的大電流信號的輸出幅度與接觸網(wǎng)的在線電流，以及輸出頻率與在線電流頻率相等的小電流波形至信號處理電路。信號經(jīng)過處理之后，輸入到一個有源的二階低通濾波電路中，濾除電網(wǎng)中由于各種負(fù)載而產(chǎn)生的高頻分量，僅對低頻的穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行處理，低頻分量輸出至微處理器的ADC（模擬-數(shù)字-轉(zhuǎn)換器）腳，轉(zhuǎn)化為高精度的數(shù)字量。微處理器以實時采樣的方式進(jìn)行一次AD采集，一個周波20ms內(nèi)能采集到12個有效點。通過FFT算法將12個有效點計算出一個周波的電流大小，再由軟件算法來進(jìn)行故障的分析和判別[9－10]。

由于鐵路接觸網(wǎng)線路運行的方式不同，一般接地故障有：永久接地、斷續(xù)接地、短時接地等。針對這些接地故障，本文提出電流突變法和過流速斷定值法這兩種算法。突變電流和速斷定值法均可實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置。

電流突變法：

（1）電流突變：當(dāng)負(fù)荷電流小于等于IL時，突變電流≥ΔI；當(dāng)負(fù)荷電流大于IL時，ΔI≥1/2*IL。（IL、ΔI均可遠(yuǎn)程設(shè)置）

IL參數(shù)：正常負(fù)荷設(shè)定值（可遠(yuǎn)程設(shè)置）

ΔI參數(shù)：突變電流（可遠(yuǎn)程設(shè)置）

（2）線路“停電”（無流無壓）時間：≤10S 這里的停電需特殊說明：由于接觸網(wǎng)線路在無機車運行時，線路電流也會為0，不能單一采用電流判據(jù)做判斷。因此我們加入電場感應(yīng)測量，測量故障電流突變后的電場是否下降。

過流速斷定值法：

（1）當(dāng)線路電流ffgt;Iset(速斷值)且過流持續(xù)時間大于Tset（過流延時）

（2）當(dāng)前線路電場Ek有下降超過正常運行電場En的50%或者母線PT監(jiān)測終端有監(jiān)測到線路電壓下降。

3.2 通信技術(shù)

本系統(tǒng)故障檢測器和通信終端之間采用433MHz雙向通信，通信終端與主站系統(tǒng)之間采用GSM移動網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行無線通信。在監(jiān)控后臺可隨時查詢線路電流信息，以此達(dá)到監(jiān)控整個接觸網(wǎng)的實時運行狀態(tài)。

3.3 供電低功耗技術(shù)

本系統(tǒng)的檢測終端是實時在線監(jiān)測，不間斷檢測線路的運行電流，精確到毫秒級的，所以與不是實時性的檢測方式相比電流的消耗是有所增加。因此在檢測終端上采用太陽能取電和鋰亞電池供電相結(jié)合的供電方式。在有太陽的時候，當(dāng)太陽能獲取的電足夠使檢測終端正常運行，那么檢測終端將自動切換到太陽能取電方式；在沒有太陽的時候，那么就使用鋰亞電池供電。通過多種獲取電能的方式相結(jié)合，來保證故障檢測終端的供電可靠性及設(shè)備適應(yīng)壽命。

在通信終端部分，電源電路由蓄電池和太陽能電池結(jié)合的方式為通信終端野外工作提供一個穩(wěn)定的電源供應(yīng)。保證了在環(huán)境惡劣的情況下，通信終端也可以正常運行一段時間。通信終端設(shè)置了自檢、參數(shù)修改功能，當(dāng)檢測終端和通信終端電池低壓時，會自動把電池低壓信息反饋到后臺監(jiān)控中心，使維護人員能及時地更換。

3.4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

監(jiān)控中心軟件數(shù)據(jù)處理技術(shù)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)自動化、無人值守的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)計算、關(guān)系操作、查詢視圖等。軟件系統(tǒng)采用微軟公司的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server來存儲數(shù)據(jù)。以Transact-SQL作為它的數(shù)據(jù)庫查詢和編程語言。T-SQL是結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL的一種，它是SQL Server的核心，Transact-SQL強化了原有的SQL通過關(guān)鍵字來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取，儲存及處理等功能。從后臺數(shù)據(jù)采集到圖形區(qū)的線路監(jiān)測、編輯、短信報警、語音報警的處理流程都采用多線程控制技術(shù)。

4 電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

目前在國內(nèi)，隨著京津線、武廣線、鄭西線、京滬線等高速鐵路的相機開通運營，國內(nèi)高速鐵路發(fā)展和高速鐵路安全備受全社會關(guān)注。尤其是接觸網(wǎng)一旦發(fā)生供電事故、故障，將會導(dǎo)致動車組停車，會嚴(yán)重干擾正常運輸秩序，從而造成不良的社會影響。因此，實現(xiàn)接觸網(wǎng)故障的精確定位，對于快速排出故障，縮短故障搶修時間，減小不良社會影響具有十分重要的意義[11－12]。

4.1 工程案例

神朔鐵路西起陜西神木縣大柳塔鎮(zhèn)，東至山西朔州市，中間從山西神池縣與朔黃鐵路接軌，是雙線電氣化一級鐵路，全長278km，大柳塔至神池南為雙線全自動閉塞，雙線長216km，是我國西煤東運的第二通道。神朔線牽引供電系統(tǒng)年運量為9000萬噸。全線自西向東分設(shè)神木北、新城川、府谷、陰塔、神池南五座牽引變電所和若干分區(qū)所、AT所。由于線路長、跨度大，再加上環(huán)境原因、人為因素等的干擾，線路經(jīng)常發(fā)生故障，且故障發(fā)生后，故障查找時間長，不能及時解決，因此給鐵路部門帶來巨大的經(jīng)濟損失。于是，中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司決定在所轄神朔鐵路河西運輸段安裝故障檢測及錄波系統(tǒng)，在2012年5月份已經(jīng)安裝好了故障錄波系統(tǒng)，先了解線路的基本電流情況，系統(tǒng)安裝至今，使用效果良好。下面截取了部分線路故障時，返回的故障波形圖。

2012年11月3日23：55：08接觸網(wǎng)線路電流速斷，重合閘失敗，返回來的波形圖如下圖2中（第5組）、（第9組）的所示。

圖2 （a）（b）接觸網(wǎng)的承力索、加強線、以及回流線的線路電流隨時間的關(guān)系

通過圖2可知，在接觸網(wǎng)出現(xiàn)故障后接觸網(wǎng)的承力索、加強線以及回流線的線路電流在短時間內(nèi)會迅速增加，且增加的速度不同，并以此來對出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷。

5 結(jié)束語

中國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，需要風(fēng)馳電掣的電氣化鐵路運輸。然后電氣化鐵路由于是通過受電弓在高速行進(jìn)中的接觸網(wǎng)滑動而取電的。這種相對高度動態(tài)接觸獲取電流方式極大的增加了設(shè)備狀態(tài)的不可控性和不可預(yù)見性，給電氣化鐵路正常供電狀態(tài)的保持帶來了巨大的挑戰(zhàn)。尤其是在車列不斷增長，車流密度不斷增大的鐵路線上，一旦發(fā)生故障，造成的損失是非常巨大的。假如以前線路出現(xiàn)故障后需要派出5～10個巡線工人查找故障，需要6～10小時的巡線時間，總結(jié)一年5起故障的巡線時間在5～10天。而電氣化鐵路線路故障診斷系統(tǒng)[9]卻能在很短的時間內(nèi)準(zhǔn)確定位故障區(qū)間，并短信通知線路維護人員，及時排除故障，大大提高了線路安全運行水平，有力地保障了線路運行的可靠性，提高了工作效率。

應(yīng)用本系統(tǒng)，既可以減輕維護人員的勞動強度，及時掌握相關(guān)工作人員狀態(tài)，又可以減少因故障而造成的損失。保守估算，每年可節(jié)約上千萬的資金損失，大大提高鐵路運營水平,在全行業(yè)樹立先進(jìn)形象，為鐵路接觸網(wǎng)的安全運行提供有力支持，有著巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。實現(xiàn)電氣化鐵路接觸網(wǎng)故障監(jiān)測的社會效益十分巨大，是社會大環(huán)境對電氣化鐵路企業(yè)的要求，是電氣化鐵路企業(yè)走向競爭的必然條件，對促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義，對國民經(jīng)濟重要部門、促進(jìn)各個行業(yè)快速發(fā)展、創(chuàng)立自主電氣化鐵路管理品牌，引領(lǐng)二十一世紀(jì)電氣化鐵路技術(shù)發(fā)展方向，具有重要的發(fā)展意義。

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