李強(qiáng)，王琳，王勇科，劉芮衫

（1.西安鐵路局安康供電段，陜西安康 725200；2.西安鐵路局供電處，陜西西安 710054；3.西安理工大學(xué)水電學(xué)院，陜西西安 710054）

在鐵路10 kV電力線路上，主備供配電所出線開關(guān)保護(hù)的運(yùn)行定值設(shè)定可以有幾種運(yùn)行方式：備自投-重合閘（重合閘-備自投）方式、單備自投方式和單重合閘方式。在備自投工作方式下如圖1所示，正常運(yùn)行情況下，10 kV饋線出線斷路器DL1和DL4閉合，DL2、DL3斷開，自閉貫通線路在供電區(qū)間采用雙向電源供電方式，二者供電方向相反，互為備用，此時(shí)自閉線和貫通線供電饋線分別只有一個(gè)配電所單向供電。

圖1 自閉及貫通線路單鏈供電模式Fig.1 Single power supply mode of the auto-blocked and run-through line

短路故障情況下，當(dāng)貫通線發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)先動(dòng)作，出現(xiàn)斷路器DL4跳閘，斷開過電流，若是瞬時(shí)故障（發(fā)生在高壓線路上90%的故障都是瞬時(shí)故障），經(jīng)過整定時(shí)間，備送所甲檢測(cè)到線路失壓，直接進(jìn)行備自投，故障消失，供電正常，這時(shí)貫通線的供電方向與原先的方向相反；對(duì)于發(fā)生的永久性故障，備自投失敗后，全線失電，此時(shí)只有一條自閉線單向單電源向信號(hào)機(jī)供電，供電可靠性降低，難以滿足鐵路運(yùn)輸高可靠性的要求。鐵路工人進(jìn)行沿線查找，將該供電區(qū)間內(nèi)的所有負(fù)荷開關(guān)斷開，再沿著乙所貫通出線依次合上負(fù)荷開關(guān)和斷路器，當(dāng)合于故障時(shí)，斷路器再次跳閘，由此判斷出故障區(qū)間，從而斷開與其相連的開關(guān)，隔離故障區(qū)間，合上正常區(qū)段的負(fù)荷開關(guān)以及變電所出線斷路器DL1和DL3，此時(shí)甲、乙兩個(gè)變電所均同時(shí)向貫通線路供電，這時(shí)貫通線上的供電電源有兩個(gè)，其供電模式即為雙鏈模式。

如圖2所示，雖然找出故障了區(qū)段，但這種人工排查的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這種工作運(yùn)行模式也稱為單備自投模式。

圖2 貫通線路雙鏈供電模式Fig.2 Dual power supply mode of the run-through line

在進(jìn)行備自投時(shí)，可利用負(fù)荷開關(guān)的過電流次數(shù)來判斷故障區(qū)間，若合于永久性故障將會(huì)使線路再次受到過電流的沖擊，嚴(yán)重影響線路的安全運(yùn)行。本文提出的相間短路故障定位算法是由流經(jīng)過電流的車站開關(guān)FTU向裝置上傳的SOE報(bào)文，通過相鄰裝置的兩兩比較，根據(jù)短路故障定位原理，完成對(duì)故障區(qū)段的分析判斷和執(zhí)行自動(dòng)操作功能；對(duì)于單相接地故障，本文利用相鄰兩個(gè)車站開關(guān)的零序電流之差，進(jìn)行故障定位，完成了鐵路10 kV自閉及貫通線路故障的定位與隔離。

1 鐵路10 kV自閉及貫通線路故障定位原理

鐵路配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要由每個(gè)供電段的變電站RTU、車站負(fù)荷開關(guān)FTU、供電段調(diào)度中心、通信網(wǎng)絡(luò)組成，裝置與已有的鐵路配電自動(dòng)化系統(tǒng)[1-3]結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。

常規(guī)的鐵路配電SCADA功能，主要包括車站FTU數(shù)據(jù)的采集（遙測(cè)YC、遙信YX），報(bào)警、事件順序記錄SOE等功能。遙信主要是對(duì)負(fù)荷開關(guān)的當(dāng)前位，在兩端出線斷路器處增設(shè)I/O模塊，用來采集出線斷路器的開關(guān)狀態(tài)，就可以判斷故障電流方向，在擴(kuò)展現(xiàn)有的鐵路調(diào)度系統(tǒng)的功能，在不改變調(diào)度主站資源的前提下，從通信通道中提取SOE報(bào)文和負(fù)荷開關(guān)的零序電流信息，來完成故障的定位與隔離。

圖3 裝置與已有的鐵路配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.3 Structure of device and the existing railway power distribution automation system

由圖3可知，裝置與車站FTU一一對(duì)應(yīng)，并且第一個(gè)和最后一個(gè)裝置還要通過MOVX公司的I/O模塊采集出線斷路器的開關(guān)狀態(tài)。將鐵路饋線上的出線斷路器，負(fù)荷開關(guān)當(dāng)作節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行編號(hào)，出線斷路器的編號(hào)為S0和S15，假設(shè)中間共有n（3≤n≤10）個(gè)車站，即共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，裝置的編號(hào)只是為了方便下面的說明而采取從左向右依次由小到大編號(hào)的，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)并未對(duì)裝置進(jìn)行編號(hào)，只是根據(jù)設(shè)置參數(shù)時(shí)給其分配的IP地址的不同來區(qū)分，進(jìn)行IP訪問[4-5]的。

由于鐵路局信息處給每個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，如給配電所和車站FTU都分配一個(gè)唯一的IP地址，使所有的接入點(diǎn)能被一一識(shí)別，故裝置通過IP訪問就能與其所對(duì)應(yīng)的車站FTU建立通信連接，提取車站FTU對(duì)遠(yuǎn)方車站負(fù)荷開關(guān)采集到的遙信量和過電流信息。第一個(gè)裝置和最后一個(gè)裝置需要每隔一秒采集出線斷路器的I/O模塊，來確定其開關(guān)狀態(tài)是合閘還是分閘，從而判斷供電方向。

2 短路故障定位算法

2.1 供電方向的確定

由主站通過監(jiān)測(cè)供電區(qū)間兩端變電所出線斷路器的狀態(tài)，自動(dòng)識(shí)別該區(qū)間的供電方向。

I/O模塊采集變電所出線斷路器開關(guān)狀態(tài)，兩端I/O模塊的IP地址就是兩端變電所提供的固定IP地址。通過設(shè)置兩端裝置上I/O模塊的IP地址參數(shù)，裝置與I/O模塊就可建立通信連接，采集對(duì)應(yīng)出線斷路器的開關(guān)量。在正常情況下，裝置與裝置之間的信息流向如圖4所示。

圖4 正常運(yùn)行時(shí)裝置與裝置信息流向示意圖Fig.4 Information flow diagram between device and device

這樣每個(gè)裝置都知道別的裝置對(duì)應(yīng)自閉線或貫通線上車站負(fù)荷開關(guān)信息以及兩端出線斷路器的開關(guān)狀態(tài)，可以用來判斷自閉線或貫通線是單向電源供電還是雙向電源供電。

2.2 短路故障定位原理

相間短路故障采用過電流檢測(cè)原理。發(fā)生短路故障時(shí)，若開關(guān)經(jīng)歷了過電流，車站高壓負(fù)荷開關(guān)對(duì)應(yīng)FTU將會(huì)上傳電流變化的SOE（Sequence Of Event，事件順序記錄）信息幀給對(duì)應(yīng)裝置，相鄰車站FTU對(duì)應(yīng)的裝置經(jīng)過兩兩比較，由短路故障定位原理，故障區(qū)間兩端的開關(guān)必定一個(gè)經(jīng)歷了故障電流，而另一個(gè)未經(jīng)歷故障電流，判斷出故障區(qū)間，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，發(fā)送遙控命令，斷開故障區(qū)間兩端負(fù)荷開關(guān)，隔離故障區(qū)間。

2.3 短路故障定位算法

甲、乙變電所之間有n個(gè)車站，車站負(fù)荷開關(guān)分別編號(hào)為1、2、…、n，對(duì)應(yīng)裝置也分別編號(hào)為裝置1、裝置2、…、裝置i、…、裝置n。將線路分成n-1個(gè)區(qū)間。裝置與車站FTU之間，裝置與裝置之間、裝置與I/O模塊之間的通信都基于具備完善網(wǎng)絡(luò)通信功能的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，采用以太網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸。TCP/IP協(xié)議采用客戶（client）/服務(wù)器（server）模型，把車站FTU作為服務(wù)器端，即從站，裝置作為客戶端，即為主站。每個(gè)裝置與所屬車站FTU建立通信連接，裝置與裝置之間也建立通信連接，相互進(jìn)行通信。

如圖5所示，對(duì)應(yīng)為裝置上的1線，甲變電所的貫通母線向乙變電所供電。I/O模塊采集甲變電所出線斷路器S0開關(guān)狀態(tài)，為閉合，并將該開關(guān)量信息上傳給裝置1，裝置n與乙變電所出線斷路器S15的I/O模塊建立通信連接，采集出線斷路器的開關(guān)狀態(tài)信息，為分。I/O模塊的IP地址就是兩端變電所的固定IP地址。此時(shí)根據(jù)圖4所示的信息流向可知，每個(gè)裝置都可知供電方向是自西向東的。

圖6是簡(jiǎn)化了鐵路饋線一段貫通線正常情況下單鏈運(yùn)行模式圖，此時(shí)線路若發(fā)生短路故障，則有以下判定過程。

圖5 正常情況下一段貫通線單鏈運(yùn)行模式簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of single power supply run-through line in normal operation

圖6 正常情況下一段自閉線單鏈運(yùn)行模式示意圖Fig.6 Diagram of single power supply auto-blocked line in normal operation

1）若裝置i能檢測(cè)到出線斷路器的開關(guān)量由1變?yōu)?，且裝置未收到其對(duì)應(yīng)FTU發(fā)來的SOE信息幀，那么裝置i對(duì)應(yīng)的車站負(fù)荷開關(guān)位于供電首端，故障發(fā)生在出線斷路器S0到其相鄰車站開關(guān)S1之間，此時(shí)出線斷路器S0已經(jīng)跳閘。

2）若裝置i接收到車站開關(guān)i的FTU上報(bào)的SOE信息幀，說明有過流信息；若裝置i未接收到車站開關(guān)i的FTU上報(bào)的SOE信息幀，說明開關(guān)i未流過過電流。由于短路故障時(shí)，信息的傳遞是逆著供電方向傳遞的，故通過程序可實(shí)現(xiàn)裝置2是裝置1的鄰站，即裝置2作為服務(wù)器，裝置1為客戶端；同理，裝置3是裝置2的鄰站；那么裝置i是裝置i-1的鄰站。如果裝置i-1也收到鄰站裝置i發(fā)來的SOE信息幀，根據(jù)短路故障定位算法：故障區(qū)間兩端的開關(guān)必定一個(gè)經(jīng)歷了故障電流，而另一個(gè)未經(jīng)歷故障電流。裝置i-1和裝置i經(jīng)過兩兩比較判斷，此時(shí)可以判斷故障不在區(qū)間i和i-1之間；如果裝置i-1沒收到鄰站裝置i發(fā)來的SOE幀，則無過流信息，經(jīng)過比較，此時(shí)可以確定故障發(fā)生在貫通線區(qū)間（i-1，i）之間，此時(shí)負(fù)荷開關(guān)i不在供電段的兩端（i大于等于2）。

3）若裝置i對(duì)應(yīng)的車站負(fù)荷開關(guān)過電流，且裝置i是與I/O模塊連接著的，對(duì)應(yīng)的出線斷路器的狀態(tài)并未改發(fā)生變，則故障發(fā)生在供電末梢車站負(fù)荷開關(guān)Sn與出線斷路器S15之間時(shí)，此時(shí)貫通線全線負(fù)荷開關(guān)都過電流。

這樣，可對(duì)短路故障發(fā)生的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，分別是出線斷路器與其相鄰車站高壓負(fù)荷開關(guān)之間，車站與車站的高壓負(fù)荷開關(guān)之間，還有一種是饋線末梢。

同理，若短路故障發(fā)生在自閉線上，其判定方法與貫通線一致。如圖6所示，以鐵路配電線路上一段自閉線為例，對(duì)應(yīng)為裝置的2線。

乙變電所的自閉母線向甲變電所供電，此時(shí)出線斷路器S15為合閘狀態(tài)，S0為分閘狀態(tài)，如圖6所示。I/O模塊采集乙變電所出線斷路器開關(guān)狀態(tài)，為閉合，并將該開關(guān)量信息上傳給裝置n，裝置1與甲變電所出線斷路器的I/O模塊建立通信連接，采集出線斷路器的開關(guān)狀態(tài)信息為分。I/O模塊的IP地址就是兩端變電所提供的固定IP地址。此時(shí)根據(jù)圖4所示信息流向可知，每個(gè)裝置都可知供電方向自東向西。

如圖7所示，在開關(guān)4和開關(guān)5之間已經(jīng)存在短路故障，鐵路工人正在進(jìn)行停電檢修，故斷開了開關(guān)4和5，此時(shí)開關(guān)4和5之間的信號(hào)機(jī)只有一條自閉線為其供電。此時(shí)兩端裝置檢測(cè)到兩端配電所的出線斷路器都處于合閘狀態(tài)，甲變電所的貫通線自西向東供電，供電范圍為甲所到貫通線車站負(fù)荷開關(guān)S3，乙變電所的貫通線自東向西供電，供電范圍為乙所到貫通線車站負(fù)荷開關(guān)S6。此時(shí)每一個(gè)裝置的信息流向如圖7所示，每一個(gè)裝置都知道貫通線的供電方向是雙向的，車站負(fù)荷開關(guān)4和5處于分閘狀態(tài)，由于中間有一小段供電區(qū)間兩端的負(fù)荷開關(guān)是斷開的，此時(shí)可以將該供電段上的貫通線看成是兩條獨(dú)立供電的子貫通線，運(yùn)行模式是單鏈模式，任一條子貫通線發(fā)生故障時(shí)，都不影響另一條的運(yùn)行狀態(tài)，故障定位過程可以找單鏈模式下的貫通線路故障定位方法進(jìn)行故障查找。只是此時(shí)，由于中間有一段供電區(qū)間是停電的，故障影響供電的故障位置只有兩種，一種是出線斷路器與其相鄰車站高壓負(fù)荷開關(guān)之間，一種是車站與車站的高壓負(fù)荷開關(guān)之間。

同理，自閉線若以雙鏈模式運(yùn)行時(shí)，故障定位過程也如自閉線單鏈運(yùn)行時(shí)故障定位方法相同，只是此時(shí)，由于中間有一段供電區(qū)間是停電的，故障影響供電的故障位置只有兩種，一種是出線斷路器與其相鄰車站高壓負(fù)荷開關(guān)之間，一種是車站與車站的高壓負(fù)荷開關(guān)之間。

圖7 一段貫通線雙鏈模式運(yùn)行Fig.7 Diagram of dual power supply run-through line

3 故障隔離方法

相間短路故障分為瞬時(shí)性故障和永久性故障，對(duì)于瞬時(shí)性故障，裝置只會(huì)顯示出故障定位信息，值班人員記錄并提供信息給巡線工人；而對(duì)于永久性故障在給出故障位置后，可以進(jìn)行遙控?cái)嚅_故障區(qū)間兩側(cè)的負(fù)荷開關(guān)，報(bào)告調(diào)度中心，由調(diào)度中心對(duì)供電段兩端的出線斷路器發(fā)出合閘命令，分段向非故障線路供電。

通過提取車站FTU向調(diào)度主站發(fā)送的SOE報(bào)文，啟動(dòng)相間短路故障判定程序，一旦裝置在通信信道提取到了SOE報(bào)文，裝置經(jīng)過兩兩比較，實(shí)現(xiàn)故障的定位。

當(dāng)線路發(fā)生永久性故障后，經(jīng)過備自投，全線處于失電狀態(tài)，裝置經(jīng)過短路故障定位算法后，確定了故障位置，若故障發(fā)生在供電首端，即主供端的出線斷路器和相鄰車站負(fù)荷開關(guān)之間，此時(shí)出線斷路器處于分閘位置，故只需要向故障間的負(fù)荷開關(guān)發(fā)出分閘的遙控命令；若故障發(fā)生在供電的末端，也只需要斷開線路末端的負(fù)荷開關(guān)；若故障發(fā)生在線路中間，這時(shí)就需要向故障區(qū)間兩端的負(fù)荷開關(guān)FTU發(fā)出分閘遙控命令，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開關(guān)的分閘，這樣就隔離了故障區(qū)間。裝置此時(shí)將故障定位信息上傳給鐵路調(diào)度中心，經(jīng)過后臺(tái)程序分析判斷后，調(diào)度中心對(duì)該故障線路兩端的出線斷路器發(fā)出合閘命令，這樣分段向非故障線段供電。

4 結(jié)語

提出了鐵路10 kV自閉及貫通線路故障點(diǎn)自動(dòng)隔離方法。在現(xiàn)有主站資源下，線路故障自動(dòng)隔離裝置與每一個(gè)終端RTU都一對(duì)一地建立連接，裝置接收RTU上傳的遙測(cè)和SOE報(bào)文，提取出故障電流信息，利用故障判斷原理進(jìn)行分析，判斷出故障區(qū)段，然后發(fā)出遙控命令，將故障區(qū)段自動(dòng)切除，自動(dòng)恢復(fù)非故障區(qū)段的供電，大大地縮短線路故障查找、維修和恢復(fù)供電的時(shí)間。該裝置操作簡(jiǎn)單，且判斷故障可靠性高，提高了供電可靠性和自動(dòng)化管理水平。

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