劉明光,王 昭,羅學(xué)平,程永勝,楊 超,胡繼光,郭 銘,李家喜,文秋鵬,黃 臻

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京 100044； 2.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司供電部,武漢 430071； 3.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武漢供電段,武漢 430023)

高速鐵路(簡(jiǎn)稱(chēng)“高鐵”)電力線專(zhuān)門(mén)為高鐵沿線的通信信號(hào)和其他用電設(shè)備設(shè)施供電，是高鐵運(yùn)營(yíng)不可或缺的行車(chē)裝備。高鐵電力線的電壓等級(jí)為10 kV，供電采用三相系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，以電纜為干線、帶開(kāi)關(guān)的箱式變壓器(簡(jiǎn)稱(chēng)箱變)形成分段式結(jié)構(gòu)[1-2]，使用RTU(Remote Terminal Unit—遠(yuǎn)程終端單元)采集各個(gè)箱變的電壓電流信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)裝置上傳到電力調(diào)度中心，并遠(yuǎn)程控制箱變開(kāi)關(guān)完成分閘與合閘操作。

高鐵電力線里程長(zhǎng)，地理分布廣，沿途氣候和氣象環(huán)境復(fù)雜；使用的電纜絕緣(相對(duì)架空線)比較薄弱，其絕緣放電呈不可逆性；電纜頭和中間接頭的電場(chǎng)分布集中；線路的路徑也可能受到外部因素影響，例如：地面塌陷?；谝陨细鞣N原因，高鐵電力線難免會(huì)發(fā)生故障。同時(shí)，由于電纜通常敷設(shè)在地下電纜溝或電纜橋架上，線路隱蔽，故障排查和處理過(guò)程不僅要消耗較多的時(shí)間，還要花費(fèi)一定的人力物力，不利于高鐵電力供電的安全可靠。

高鐵通信信號(hào)裝置的供電可靠性，直接影響到高鐵運(yùn)營(yíng)安全，因此，保障高鐵電力線的供電可靠性顯得尤為重要。準(zhǔn)確診斷和隔離電力線故障，快速恢復(fù)供電，這是高鐵運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)中的實(shí)際需求。顯然，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵是快速準(zhǔn)確完成故障診斷和隔離。目前已有的電力線故障診斷算法較多，包括阻抗算法、行波測(cè)距算法、人工智能算法、區(qū)間算法等等[3-12]。但基于這些算法的裝置都設(shè)置在線路兩端的配電所，直接通過(guò)控制配電所的饋線斷路器跳閘來(lái)切除線路故障。故障被切除的同時(shí)，整個(gè)供電臂線路失電，造成較長(zhǎng)公里范圍的用電設(shè)備停電。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，基于電工理論的疊加原理和行波理論，探索了一種高鐵電力線故障準(zhǔn)確診斷和自動(dòng)隔離的新方法，并借助云計(jì)算的強(qiáng)大計(jì)算能力，在電力線發(fā)生故障時(shí)，能夠快速恢復(fù)供電臂上所有箱變的供電。

1 高鐵電力線運(yùn)行方式與故障隔離方案

高鐵電力線包括一級(jí)貫通線和綜合貫通線，前者為通信信號(hào)設(shè)備供電，后者為其他用電設(shè)備供電。高鐵電力線以電纜為干線，每隔2～3 km設(shè)置1臺(tái)箱變，呈分段式結(jié)構(gòu)。每臺(tái)箱變中設(shè)有2臺(tái)(甚至3臺(tái))10kV高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)，采用“手拉手”方式連接線路，在2臺(tái)負(fù)荷開(kāi)關(guān)之間“T”接1臺(tái)10/0.4 kV變壓器，為箱變所在地區(qū)的車(chē)站和通信信號(hào)等設(shè)備供電。

高鐵電力線采用兩端供電方式進(jìn)行供電，每端配電所至少有4條饋線向兩側(cè)的鐵路沿線供電，每側(cè)都設(shè)置有一級(jí)貫通線1條、綜合貫通線1條。配電所通常采用“一主一備”的供電方式，本所為一級(jí)貫通線路供電，相鄰所為綜合貫通線供電。配電所的供電臂(一級(jí)貫通線，或綜合貫通線)長(zhǎng)度與車(chē)站等設(shè)備設(shè)施相適應(yīng)，為50～60 km。

箱變負(fù)荷開(kāi)關(guān)的操作，都是由電力調(diào)度值班員采用遠(yuǎn)動(dòng)方式遙控分閘或合閘，不允許自動(dòng)跳閘。其主要原因是：一方面由于箱變的RTU[13-14]只能采集電壓電流信號(hào)，箱變沒(méi)有保護(hù)裝置，不能對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行診斷，不提供開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘的啟動(dòng)信號(hào)；另一方面，負(fù)荷開(kāi)關(guān)不具有切斷短路電流的能力，只能在線路停電之后分閘。

箱變中不設(shè)保護(hù)裝置的主要原因如下。

(1)現(xiàn)有的保護(hù)裝置不具備診斷分段線路故障的能力，無(wú)法辨識(shí)故障發(fā)生的具體區(qū)段，在箱變中投資設(shè)置保護(hù)裝置不具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(2)箱變的負(fù)荷開(kāi)關(guān)不具有切斷短路電流的能力，不能夠與保護(hù)裝置配合。

(3)保護(hù)裝置都具有重合閘功能。高鐵電力線全線敷設(shè)電纜，系統(tǒng)中性點(diǎn)采用小電阻接地方式，線路接地時(shí)短路電流極大，不允許帶接地故障重合閘送電，發(fā)揮不了保護(hù)裝置的重合閘功能。

(4)如果箱變有保護(hù)裝置，從故障點(diǎn)至主供所的線路都有短路電流經(jīng)過(guò)，短路電流經(jīng)過(guò)的所有箱變?nèi)恳l，會(huì)增大故障排查和恢復(fù)供電的工作量。

高鐵電力線現(xiàn)行的運(yùn)行管理模式[15]是：當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，主供配電所不重合閘，備供配電所不備自投。原因是供電系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)小電阻接地，如果線路發(fā)生的是永久性接地故障，配電所自動(dòng)重合閘或備自投，第二次沖擊的短路電流可能燒穿電纜絕緣，擴(kuò)大事故范圍。因此，高鐵電力線發(fā)生故障后，需等待人工排查搶修，直至確認(rèn)故障排除之后，才能夠恢復(fù)供電。顯然，這樣的運(yùn)營(yíng)模式會(huì)延緩供電恢復(fù)時(shí)間，不利于提高工作效率。

基于高鐵電力線特殊的箱變分段式結(jié)構(gòu)，可以推斷：無(wú)論高鐵電力線是否存在故障，只要保證供電線路上全部箱變都有電，就不會(huì)影響高鐵沿線所有用電負(fù)荷的供電。按照這個(gè)推論，提出高鐵電力線發(fā)生故障的狀態(tài)下，自動(dòng)隔離故障、快速恢復(fù)供電的新方案，具體步驟如下。

(1)將箱變的負(fù)荷開(kāi)關(guān)更換為具有快速切斷短路電流能力的斷路器(也可以采用同步技術(shù)裝置，讓箱變負(fù)荷開(kāi)關(guān)比配電所饋線斷路器延遲分閘)。

(2)快速診斷出故障所在區(qū)間，準(zhǔn)確度為2臺(tái)箱變之間。

(3)采用自動(dòng)控制裝置同時(shí)啟動(dòng)故障點(diǎn)兩側(cè)箱變中故障側(cè)的開(kāi)關(guān)跳閘，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)隔離。

(4)線路兩端的配電所同時(shí)重合閘或備投，就可以快速恢復(fù)供電臂上所有箱變的電源，從而保障供電臂覆蓋的全部區(qū)間的車(chē)站和通信信號(hào)等設(shè)備設(shè)施供電。

2 線路故障診斷原理

2.1 線路模型與行波理論

電力線路無(wú)論是電纜還是架空線，單相導(dǎo)線模型均可簡(jiǎn)化為圖1所示的均勻傳輸線模型[16]，其中：R0為線路單位長(zhǎng)度電阻；L0為線路單位長(zhǎng)度電感；G0為線路單位長(zhǎng)度對(duì)地泄漏電導(dǎo)；C0為線路單位長(zhǎng)度對(duì)地電容。

圖1 單相電力線模型

根據(jù)電工理論的基爾霍夫定律(KCL，KVL)，均勻傳輸線上任一點(diǎn)x處的電壓u(x，t)和電流i(x，t)沿x正方向傳播關(guān)系滿足下式

(1)

微分方程組(1)的通解為

(2)

由公式(2)可見(jiàn)：導(dǎo)線上任何一個(gè)x點(diǎn)的電壓電流都是由2個(gè)分量疊加組成。其中：u1(x-vt)分量在數(shù)學(xué)形態(tài)上表示u1朝x正方向平移vt，物理意義上表示為u1沿導(dǎo)線正方向運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為前行波；u2(x+vt)分量在數(shù)學(xué)形態(tài)上表示u2朝x負(fù)方向平移vt，物理意義上表示為u2朝導(dǎo)線負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為反行波。因此，導(dǎo)線上的行波電壓u可分解為前行波u1和反行波u2，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意如圖2所示。

圖2 導(dǎo)線上行波運(yùn)動(dòng)過(guò)程

行波沿線路傳輸時(shí)，由于導(dǎo)線存在的分布電阻要消耗能量，因此行波在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生幅值的衰減，如圖3所示，幅值由Um1降到Um2，波頭時(shí)間由τ1延遲到τ2，導(dǎo)致行波在傳輸過(guò)程中發(fā)生變形。

圖3 行波衰減變形示意

2.2 故障診斷原理

電力線發(fā)生故障的瞬變過(guò)程是：線路從正常運(yùn)行的工作電壓突然變成趨向零值電壓的非正常狀態(tài)。按照電工理論的疊加原理，電力線發(fā)生故障時(shí)(Ud=0)，可等效為沒(méi)有故障的正常狀態(tài)(Ud1=+E)與故障時(shí)的沖擊狀態(tài)(Ud2=-E)瞬時(shí)疊加的結(jié)果[17]，如圖4所示。

圖4 電力線故障發(fā)生過(guò)程分解示意

根據(jù)疊加原理，電力線發(fā)生故障時(shí)，相當(dāng)于在線路中加入了一個(gè)沖擊激勵(lì)Ud2，其值與正常狀態(tài)下的工作電壓Ud1大小相等，方向相反。對(duì)于圖1所示的單相電力線模型，故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊激勵(lì)Ud2首先給故障點(diǎn)附近的分布電容C0充電，并在其周?chē)㈦妶?chǎng)，再依次向兩側(cè)遠(yuǎn)處的線路電容充電，隨著電容C0充電的電流流過(guò)線路的分布電感L0，故障電壓波、電流波(統(tǒng)稱(chēng)故障沖擊行波)在線路中傳輸。由于線路上各點(diǎn)距離故障點(diǎn)的位置不同，故障沖擊行波到達(dá)線路各點(diǎn)的時(shí)間有所不同；同時(shí)隨著故障沖擊行波在線路中傳輸，線路上的分布電阻R0、分布電導(dǎo)G0不斷消耗能量，故障沖擊行波發(fā)生幅值的衰減。

由于故障點(diǎn)處沖擊激勵(lì)Ud2與正常工作電壓Ud1大小相等、方向相反，二者經(jīng)過(guò)疊加，造成故障點(diǎn)處的電壓為零；而在非故障點(diǎn)處由于故障行波發(fā)生不同程度的衰減，與正常狀態(tài)工作電壓疊加后仍存在一個(gè)大于零的殘余電壓，以此為依據(jù)即可診斷出線路故障。

現(xiàn)代電氣檢測(cè)技術(shù)很容易檢測(cè)到電力線正常狀態(tài)下的電壓Ud1和沖擊狀態(tài)下的電壓Ud2，因此，診斷電力線故障的判據(jù)為

Ud1+Ud2=0

(3)

2.3 基于大數(shù)據(jù)處理的監(jiān)控方案

按照上述行波理論，電力線發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊激勵(lì)(Ud2)會(huì)以前行波和反行波的形式從故障點(diǎn)向線路兩端運(yùn)動(dòng)，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著行波傳輸距離加長(zhǎng)逐漸衰減變形。對(duì)于高鐵電力線供電臂上具有多臺(tái)箱變的線路結(jié)構(gòu)而言，故障產(chǎn)生的沖擊行波將以電磁波的速度向故障點(diǎn)兩側(cè)傳播，迅速到達(dá)線路上每一個(gè)箱變以及兩端的配電所。但是，由于各箱變和配電所距離故障點(diǎn)的位置不同，故障沖擊行波到達(dá)每一個(gè)箱變和配電所的時(shí)間不同，加上傳輸過(guò)程中的衰減，行波到達(dá)每一個(gè)箱變和配電所的幅值也不同。因此，僅僅依靠配電所或箱變中設(shè)置的保護(hù)裝置，不可能準(zhǔn)確地診斷出線路故障的位置。

根據(jù)行波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，對(duì)到達(dá)箱變或配電所的故障沖擊行波信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用小波分析等工具分析監(jiān)測(cè)的行波信號(hào)，可以獲得故障診斷需要的行波到達(dá)時(shí)間和幅值信息。距離故障點(diǎn)越近的箱變或配電所，行波到達(dá)時(shí)間越短，幅值衰減越??；反之，距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)的箱變或配電所，行波到達(dá)時(shí)間越長(zhǎng)，幅值衰減越大，對(duì)以上監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行綜合分析判斷即可準(zhǔn)確診斷出故障所在的位置。顯然，采用這樣的監(jiān)測(cè)方案，需要對(duì)每一個(gè)箱變和配電所的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、比較和綜合判斷，這將是海量的計(jì)算工作，只采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)或服務(wù)器不太可能完成。

云計(jì)算[18-20]是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模分布式計(jì)算模式，云計(jì)算平臺(tái)連接有中央處理器、多臺(tái)服務(wù)器(包括應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、通信服務(wù)器等)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息發(fā)布、人機(jī)交流、打印輸出等多種設(shè)備。云計(jì)算綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)傳輸、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、并行計(jì)算等多種技術(shù)，具有大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、按需部署、高速計(jì)算、靈活處理等特點(diǎn)。

基于云計(jì)算平臺(tái)[21]已經(jīng)具備的硬件設(shè)備和大數(shù)據(jù)計(jì)算能力，將其應(yīng)用到高鐵電力線的故障診斷中。將同一個(gè)供電臂上的箱變劃分為若干單元，在每個(gè)箱變和配電所都設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示，分別采集故障定位所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：故障行波的幅值、1/2波幅的長(zhǎng)度、波頭梯度、波形振蕩系數(shù)、入射系數(shù)、反射系數(shù)、相似系數(shù)、衰減系數(shù)、變異系數(shù)、波速等參數(shù)，將這些參數(shù)通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)自動(dòng)上傳至云計(jì)算平臺(tái)。此外，還需要借助依據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的時(shí)間校準(zhǔn)功能[22-23]，對(duì)這些參數(shù)精準(zhǔn)校準(zhǔn)它們到達(dá)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻。借助云計(jì)算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能，幫助快速完成海量計(jì)算，按照故障判據(jù)公式(3)完成判斷，經(jīng)過(guò)綜合分析和比較，就可以診斷故障所在位置。這樣的診斷結(jié)果只需要確定故障點(diǎn)所在范圍，精度為2臺(tái)箱變之間，不要求達(dá)到具體的千米標(biāo)(公里標(biāo))。

確定了線路故障位置，例如圖5中的d點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)的控制裝置就會(huì)同時(shí)啟動(dòng)k和(k+1)箱變故障側(cè)的開(kāi)關(guān)跳閘閉鎖，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)隔離。完成了故障隔離，線路兩端配電所送電，就能恢復(fù)供電臂上全部箱變的電源，保證沿線負(fù)荷供電。

圖5 電力線監(jiān)測(cè)點(diǎn)劃分示意

3 應(yīng)用

按照上述方法，研制了一套電力線故障快速隔離監(jiān)控系統(tǒng)，其故障診斷和自動(dòng)隔離的流程如圖6所示。研制的裝置于2020年12月初在麻城至黃陂貫通線上掛網(wǎng)進(jìn)行試運(yùn)行考核?？己藘?nèi)容主要包括以下4個(gè)方面。

圖6 故障診斷與自動(dòng)隔離流程

(1)電磁干擾環(huán)境與氣象環(huán)境考核。裝置安裝在配電所的配電柜和箱變中，首先接受了配電所和箱變電力設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾的考核，也經(jīng)歷了嚴(yán)冬和酷暑的極端氣象環(huán)境考核。運(yùn)行表明：裝置不受電磁干擾，監(jiān)控系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。

(2)監(jiān)測(cè)與控制正確性考核。麻城至黃陂供電臂上有5臺(tái)箱變，包括貫通線兩端配電所的饋線開(kāi)關(guān)，共有12臺(tái)開(kāi)關(guān)(不含隔離開(kāi)關(guān))。監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)界面上能夠直觀地正確顯示所有開(kāi)關(guān)的分閘與合閘位置，顯示各個(gè)區(qū)段電力線路是否帶電、箱變中變壓器是否有電等狀態(tài)。在監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)界面上，遠(yuǎn)程遙控箱變和配電所饋線開(kāi)關(guān)分閘與合閘的操作次數(shù)，統(tǒng)計(jì)不少于80次，正確率100%。

(3)故障診斷與自動(dòng)隔離考核。2021年1月7日在麻城方向183號(hào)-184號(hào)電桿處，采用人工方式分別設(shè)置了短路、接地、斷線3種故障，黃陂配電所送電瞬間，故障兩側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘閉鎖，自動(dòng)隔離故障的正確率100%；1 min內(nèi)麻城和黃陂配電所再次送電，就恢復(fù)供電臂上全部箱變的供電。2021年6月8日在黃陂方向179號(hào)至180-1號(hào)電桿處，又分別設(shè)置了短路、接地、斷線3種故障，試驗(yàn)表明監(jiān)控裝置都能夠快速準(zhǔn)確地診斷和隔離故障。對(duì)于線路斷線(缺相)故障，由于配電所現(xiàn)有保護(hù)裝置采集不到故障信息，無(wú)法診斷和處理斷線故障；研制的監(jiān)控系統(tǒng)也表現(xiàn)出了準(zhǔn)確的故障診斷與自動(dòng)隔離能力，圖7就是斷線故障自動(dòng)診斷和隔離的計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面。

(4)自動(dòng)化管理考核。計(jì)算機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄了麻城至黃陂貫通線的開(kāi)關(guān)分閘與合閘動(dòng)作時(shí)刻，線路發(fā)生故障的時(shí)刻、故障類(lèi)型和所在區(qū)段位置，以及操作人員的指令內(nèi)容與操作時(shí)刻等等。所有信息可以被查詢，也可以按照A4紙規(guī)格打印選擇的信息報(bào)告。研制系統(tǒng)運(yùn)行表明：后臺(tái)記錄的數(shù)據(jù)完整，沒(méi)有遺漏，信息查詢和打印報(bào)告方便，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)化管理。

圖7 麻城—黃陂電力線運(yùn)行監(jiān)控界面

4 結(jié)論

(1)基于高鐵電力線具有箱變分段結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了故障點(diǎn)兩側(cè)箱變開(kāi)關(guān)同時(shí)跳閘閉鎖、自動(dòng)隔離故障的新方案。借助云計(jì)算快速和強(qiáng)大的計(jì)算能力，研制的監(jiān)控系統(tǒng)能夠在線路發(fā)生故障的狀態(tài)下，快速恢復(fù)供電臂上所有箱變供電。

(2)研制的裝置掛網(wǎng)運(yùn)行后，接受了電磁干擾環(huán)境的考核；經(jīng)歷了冬夏的極端氣象環(huán)境考核；進(jìn)行了不少于80次的遙控操作，開(kāi)關(guān)動(dòng)作正確率100%；人工設(shè)置的短路、接地、斷線等6次故障試驗(yàn)表明：監(jiān)控系統(tǒng)的裝置能夠快速診斷和自動(dòng)隔離故障，正確率100%，1 min內(nèi)配電所再次送電就能恢復(fù)供電臂上全部箱變的供電。實(shí)踐驗(yàn)證了本文提出的高鐵線故障狀態(tài)下快速恢復(fù)供電新方案的有效性。

(3)研制系統(tǒng)自動(dòng)記錄監(jiān)控線路的開(kāi)關(guān)分合閘動(dòng)作，線路發(fā)生故障的時(shí)刻、故障類(lèi)型和位置，以及操作人指令，能夠查詢相關(guān)數(shù)據(jù)和打印報(bào)告，方便分析，提高自動(dòng)化管理水平。