基于GPS同步的電氣化鐵路故障測距參數(shù)校準技術(shù)研究

郭駿麟，喻 劼

0 引言

根據(jù)國家鐵路局公布的《2020年鐵道統(tǒng)計公報》數(shù)據(jù)，截至2020年底，全國鐵路營業(yè)里程達14.63萬公里；復線里程8.70萬公里，復線率59.5%；電氣化里程10.65萬公里，電化率72.8%。電氣化鐵路一旦發(fā)生接觸網(wǎng)接地或異相短路故障，主要依靠設(shè)置在鐵路沿線的牽引變電所、分區(qū)所、AT所內(nèi)的測距裝置定位故障點[1]。故障精確定位的關(guān)鍵是為測距裝置提供準確的供電臂電抗-距離（Q-L）定值表[2，3]。

供電臂內(nèi)存在區(qū)間和站場，設(shè)計人員依據(jù)接觸網(wǎng)材質(zhì)以及積累的經(jīng)驗確定接觸網(wǎng)單位自阻抗、互阻抗，再根據(jù)區(qū)間分布及長度得到各區(qū)間的Q-L理論定值，根據(jù)站場分布及長度得到各站場的Q-L理論定值，綜合各區(qū)間與站場的Q-L值得到接觸 網(wǎng)供電臂的Q-L定值表。該定值表僅為理論值，需要通過接地短路試驗進行校正[4，5]。但接地試驗會對供電一次設(shè)備及鐵路沿線的通信、信號設(shè)備造成一定損傷，在實際運營中應盡量減少或避免進行接地短路試驗，當該試驗非做不可時，每個供電臂也僅選取2或3個接地點，不具有廣泛代表性，特別是復線，互阻抗受多方面因素干擾。上述因素均嚴重影響Q-L定值表的準確性。

由于測距裝置Q-L定值表不夠準確，一旦發(fā)生接觸網(wǎng)接地或異相短路故障，即便采用最優(yōu)化的算法，根據(jù)Q-L定值表得到的故障定位點也并不十分精確。運營經(jīng)驗表明，經(jīng)過2或3個接地點試驗的供電臂，定位誤差大約為500 m；而沒有經(jīng)過接地點試驗的供電臂，定位誤差甚至超過1 000 m。在實際故障處理中，較大的定位誤差延長了維修人員查找故障點的時間，影響供電系統(tǒng)正常功能的及時恢復。國鐵集團工電部于2019年2月19日發(fā)文要求各鐵路局集團公司供電部門采取有效措施，對轄內(nèi)Q-L定值表進行有效校正，更進一步說明了準確的Q-L定值表對運營安全的重要性。針對現(xiàn)有電氣化鐵路故障測距系統(tǒng)的參數(shù)不能有效、準確整定的情況，本文提出一種基于GPS校時的電氣化鐵路故障測距參數(shù)校準技術(shù)，可以不經(jīng)過接地短路試驗，有效提高電氣化鐵路供電臂Q-L定值表的準確度，進而提高接觸網(wǎng)故障測距的精確性。

1 基于GPS同步的故障測距參數(shù)校準技術(shù)原理

電氣化鐵路的每個供電臂設(shè)置有1個牽引變電所（Traction Substation，SS）、1個分區(qū)所（Sectioning Post，SP）和 1 個 AT 所（Autotransformer，AT），每個所內(nèi)安裝有故障測距裝置，測距裝置之間通過光纖相連，如圖1所示。一旦發(fā)生接觸網(wǎng)接地或異相短路故障，故障電流同時啟動牽引變電所、分區(qū)所與AT所內(nèi)的測距裝置，記錄并保存穩(wěn)態(tài)故障電流數(shù)據(jù)，即牽引變電所、分區(qū)所與AT所內(nèi)的以及分區(qū)所、AT所內(nèi)的，如圖2所示。

圖1 接觸網(wǎng)供電臂故障測距結(jié)構(gòu)

圖2 接觸網(wǎng)供電臂故障電流分布

分區(qū)所與AT所測距裝置將記錄的各電流值傳送給變電所測距裝置，以變電所內(nèi)的測距裝置為主體，利用記錄的上述電流和變電所T線、F線電壓，以及故障點與變電所之間的距離，根據(jù)電路原理知識，即可計算出故障點與變電所之間的電抗值。由于供電方式及算法原理的不同，可以得到不同的計算式。

假設(shè)牽引變電所內(nèi)無自耦變壓器，采用中性點吸上電流比原理實現(xiàn)測距功能，則可得到牽引變電所、AT所、分區(qū)所3處吸上電流分別為[6]

將每個供電臂分為兩段，變電所至AT所為一段，AT所至分區(qū)所為一段，如圖3所示，圖中的n、n+1為故障AT段兩端的吸上電流編號，Q為吸上電流比。

圖3 分段線性測距法

典型兩個AT段測距公式為

式中：Di為各AT段長度，m；xi為各分段點距離，m；Qi為各分段點故障發(fā)生時的吸上電流比。

由式（3）可知，只要Qi準確，發(fā)生故障時，即可得到變電所與故障點之間的精確距離L。反之同理，如果變電所與故障點之間的精確距離L已知，也可求得故障點所在的分段點吸上電流比Qi的準確值。故障電流也可用負荷電流替代，以機車取流點代替故障點。換而言之，只需獲取同一時刻如圖2所示變電所、分區(qū)所、AT所的電流，以及變電所與故障點（或機車取流位置）之間的距離L，即可推算出準確的吸上電流比Qi值。

如圖4所示，分別在變電所、分區(qū)所、AT所各設(shè)置1臺數(shù)據(jù)采集儀，采集儀的時鐘通過GPS校準，利用采集儀記錄各所電流值；同時，在供電臂區(qū)段內(nèi)設(shè)置1臺機車取流，攝像儀錄取機車所在位置的公里標，將公里標換算成帶時標的變電所與機車的距離，綜合同一時刻各所電流值，可反推出變電所與接觸網(wǎng)之間的電抗值。隨著機車移動，不斷重復上述過程，即可得到供電臂的Q-L定值表。

圖4 求取供電臂Q-L定值表流程

2 基于GPS同步的故障測距參數(shù)校準方案

為了實現(xiàn)基于GPS同步技術(shù)的電氣化鐵路故障測距參數(shù)校準功能，需要建立以計算機軟硬件技術(shù)為基礎(chǔ)的應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備和后端計算機工作站組成。前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀和GPS接收天線，后端計算機工作站主要完成數(shù)據(jù)分析與處理。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指通過數(shù)據(jù)采集儀同步采集并保存一個供電臂內(nèi)變電所、AT所和分區(qū)所的實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集儀配置6套高精度鉗形電流傳感器，采集變電所、AT所和分區(qū)所的各電流數(shù)據(jù)，同時配置1路GPS信號接收天線，用于校準時鐘，使得采集的電流數(shù)據(jù)帶有正確時標。每條錄波記錄時間最長可達1 h，裝置可連續(xù)存放256條錄波記錄。錄波數(shù)據(jù)傳輸格式符合ANSI/IEEE C37.111-1991 COMTRADE的規(guī)定。

在變電所設(shè)置1臺數(shù)據(jù)采集儀，將4個電流傳感器根據(jù)接線規(guī)定分別接在下行T線、下行F線、上行T線、上行F線上；在AT所和分區(qū)所各設(shè)置1臺數(shù)據(jù)采集儀，AT所和分區(qū)所的5個電流傳感器根據(jù)接線規(guī)定分別接在下行T線、下行F線、上行T線、上行F線和運行AT的吸上線處；在變電所、AT所和分區(qū)所各設(shè)置1套GPS天線，將天線拉出至控制室外場地，使數(shù)據(jù)采集儀以GPS基準校時，每臺數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)均帶有時標。

數(shù)據(jù)采集儀工作時，在供電臂AT段運行的測試車從接觸網(wǎng)取流，在運行的測試車上通過攝像儀攝錄窗外接觸網(wǎng)支柱桿號或車內(nèi)顯示的公里標。測試車通過每個供電臂時，完成本供電臂的數(shù)據(jù)采集，利用工具軟件從數(shù)據(jù)采集儀導出各所測試數(shù)據(jù)，通過圖像識別錄像視頻得到每個整秒時刻測試車的運行位置。

測試車開始運行前，通過定值整定，同時啟動變電所、AT所和分區(qū)所3個所數(shù)據(jù)采集儀開始錄波，將所獲取的每個整秒時刻測試車的運行位置、數(shù)據(jù)采集儀采集帶有時標的電流數(shù)據(jù)均導入后端計算機工作站，進行數(shù)據(jù)分析與處理。

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

后端計算機工作站數(shù)據(jù)分析與處理軟件采用3層分布式結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器和客戶端軟件，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析與處理軟件系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫服務器：存放各類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括變電所、AT所和分區(qū)所內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀采集的實時錄波數(shù)據(jù)，機車攝像儀錄取的公里標數(shù)據(jù)等。

測距分析組件：從數(shù)據(jù)庫服務器導出數(shù)據(jù)，完成變電所、AT所和分區(qū)所內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀采集的實時錄波數(shù)據(jù)與機車攝像儀錄取的公里標數(shù)據(jù)的分析，計算Q-L定值表。

系統(tǒng)管理組件：實現(xiàn)用戶（組）管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)日志管理等。

數(shù)據(jù)字典組件：實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)字典項的維護。

數(shù)據(jù)訪問組件：用于管理數(shù)據(jù)連接、獲取數(shù)據(jù)集、獲取臨時數(shù)據(jù)集、執(zhí)行一條SQL語句、在一個事務中執(zhí)行多條SQL語句等。

數(shù)據(jù)分析與處理軟件客戶端人機功能由“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理”、“整定值管理”兩大功能模塊組成，各菜單功能如表1所示。

表1 人機接口各菜單功能

數(shù)據(jù)分析與處理軟件工作流程：數(shù)據(jù)采集儀采集的帶時標的電流數(shù)據(jù)通過客戶端“批量更新”方式導入該表中；測試車在供電臂AT段內(nèi)運行時，將錄像得到每個整秒時刻測試車的運行數(shù)據(jù)輸入表中；至此，供電臂數(shù)據(jù)表已獲得該供電臂AT段的公里標及對應的電流值列表，點擊“整定計算”，得到Q-L定值表。該Q-L定值表與真實情況基本吻合，可以提供給設(shè)置于牽引變電所、分區(qū)所內(nèi)的故障測距裝置，實現(xiàn)牽引網(wǎng)精確的故障測距功能。

3 實例驗證

2020年6月3日，在中國鐵路廣州局集團管內(nèi)梅汕鐵路的豐順東變電所、建橋AT所及畬江北分區(qū)所3個所亭內(nèi)設(shè)置3臺數(shù)據(jù)采集儀采集實時數(shù)據(jù)，并架設(shè)GPS天線，同時在該供電臂內(nèi)以120 km/h的速度行駛1輛測試車，通過攝像儀錄取實時公里標數(shù)據(jù)。將所獲取的所有數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)分析與處理軟件的數(shù)據(jù)庫，通過分析與計算得到該區(qū)段的Q-L定值表，并將該定值表整定至該區(qū)段所亭的故障測距裝置內(nèi)，校正了該區(qū)段內(nèi)的Q-L定值表，使得故障定位誤差不超過200 m，取得了預期試驗效果。

4 結(jié)語

通過研究電氣化鐵路接觸網(wǎng)發(fā)生接地或異相短路故障時的測距原理，分析了接觸網(wǎng)故障定位精確度與Q-L定值表精確度的關(guān)系，以及有效提高供電臂Q-L定值表精確度的方法，提出了基于GPS同步的電氣化鐵路故障測距參數(shù)校準技術(shù)。分別在變電所、分區(qū)所、AT所各設(shè)置1臺數(shù)據(jù)采集儀，采集儀的時鐘通過GPS校準，利用采集儀記錄各所電流值；同時，在供電臂區(qū)段內(nèi)設(shè)置1臺機車取流，機車移動時攝像儀錄取機車所在位置的公里標，將公里標換算成帶時標的變電所與機車的距離，綜合同一時刻各所電流值，可以計算出供電臂Q-L定值表。該技術(shù)不需要經(jīng)過接地短路試驗即可得到準確的、多個分段的供電臂Q-L定值表。一旦發(fā)生接地或異相短路故障，能夠精確計算出故障點與變電所之間的距離，從而精確定位故障地點，誤差不超過200 m，有效提高了電氣化鐵路故障測距的精度。