何占元

0 引言

朔黃鐵路 10 kV電力線路承擔著除牽引供電以外所有鐵路負荷的供電任務，其供電可靠性直接影響鐵路運輸?shù)陌踩?，?0 kV電力線路大部分地處山區(qū)、曠野，受環(huán)境影響大，每年由于天氣等原因造成的設備故障達上百件。傳統(tǒng)故障查找方式是故障發(fā)生后，人員到現(xiàn)場拉合開關進行試判斷查找故障點，因此造成設備故障延時較長，嚴重干擾了鐵路的正常運輸，為此研制“鐵路10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統(tǒng)”具有重要現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)結構

1.1 系統(tǒng)硬件結構

1.1.1 站控層監(jiān)控中心

站控層監(jiān)控中心由硬件完成物理功能，由軟件完成其存儲及邏輯判斷功能，是“鐵路10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統(tǒng)”的中樞，監(jiān)測控制中心在此接收各間隔層設備，即配電室監(jiān)測控制平臺、室外線路監(jiān)測控制平臺發(fā)來的數(shù)值信息、報警信息、狀態(tài)信息等，將信息進行數(shù)據(jù)存儲，并根據(jù)預先編制的處理規(guī)則進行運算、邏輯判斷，然后根據(jù)需要對間隔層設備下達各種指令，如招測數(shù)據(jù)、操作預置、遠程分合等。

該監(jiān)測控制中心硬件采用成熟的工業(yè)控制機，配備金山信息硬件防毒防火設備，系統(tǒng)通過公共通信網(wǎng)絡接入。

1.1.2 配電所間隔層

配電所相關饋出柜設置間隔層，該間隔層包含室內(nèi)監(jiān)測及控制裝置，是配電所監(jiān)測點的核心設備，也是連接配電所既有設備與“鐵路10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統(tǒng)”的橋梁，是實現(xiàn)配電所相關饋出柜監(jiān)測功能，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，建立與后臺監(jiān)測控制中心的數(shù)據(jù)交換，執(zhí)行監(jiān)測控制中心的數(shù)據(jù)請求指令的設備。為不影響既有檢測控制設備工作，該檢測控制平臺基本與既有自動控制設備平行處理信息，不對既有設備進行當?shù)鼗蜻h程操作。

監(jiān)測平臺硬件主要由電壓、電流傳感變送模塊、模擬量采集模塊、運算控制模塊、GPRS傳輸模塊、直流開關電源等組成。

1.1.3 區(qū)間室外間隔層

系統(tǒng)根據(jù)線路復雜狀況合理設置間隔層分段點，在線路上加裝已經(jīng)非常成熟的真空斷路器，用于執(zhí)行線路的分段命令。在分段點分別設置間隔層的室外信號采集與控制平臺裝置，用于對該點線路電流、電壓的監(jiān)測、上送，執(zhí)行站控層下達的各種指令。

監(jiān)測平臺硬件組成除擁有配電所間隔層設備外，還有室外真空斷路器、電流互感器、變壓器等配套設備。

1.1.4 GPRS傳輸網(wǎng)絡

配電所間隔層監(jiān)控平臺裝置、區(qū)間間隔層分段點分別設置GPRS傳輸模塊，用于站控層和間隔層連接，傳輸數(shù)據(jù)報文。

1.2 系統(tǒng)軟件

1.2.1 監(jiān)測控制中心軟件

該軟件實現(xiàn)對電力線路電流、電壓等模擬量的遙測，開關狀態(tài)、保護動作信號等開關量的遙信，高壓開關的遙控等功能；同時實現(xiàn)對控制層中各站上送故障數(shù)據(jù)報文的分析判斷，下達隔離故障區(qū)段的命令。數(shù)據(jù)庫服務器利用SQL-SERVER對實時的采樣數(shù)據(jù)進行存儲、分析，為系統(tǒng)提供歷史追溯功能，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢，日，月報表打印等功能。

軟件開發(fā)平臺為力控電力版 6.0版本，以及Access 2003數(shù)據(jù)庫，運行環(huán)境為Windows XP或Windows 2000。

1.2.2 配電所內(nèi)監(jiān)測平臺軟件

該軟件通過對采集到的電流、電壓、斷路器狀態(tài)變化、繼電保護動作信號 4方面的信息進行分析、計算、比較，由智能控制器判定出故障類型，并將故障類型標志與加有時標的故障數(shù)據(jù)報文通過無線的方式一同送往監(jiān)控中心；接收來自監(jiān)控層的招測指令，上送被監(jiān)測對象的狀態(tài)參數(shù)；在無故障及招測指令時按周期主動上送被監(jiān)測對象狀態(tài)參數(shù)。

1.2.3 室外監(jiān)測控制平臺軟件

該軟件除實現(xiàn)配電所監(jiān)測平臺軟件相應功能外，還可實現(xiàn)接收來自監(jiān)控層遙合、遙分、故障遙分指令，控制高壓開關的分合操作。

2 系統(tǒng)工作原理

“鐵路 10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統(tǒng)”是完全獨立于現(xiàn)有保護系統(tǒng)之外的故障判斷與隔離系統(tǒng)。在線路發(fā)生永久性故障，本所重合及對方所備自投失敗后，才啟動故障的判斷與隔離。當線路發(fā)生瞬時故障，本所重合或對方所重合成功時，該系統(tǒng)只做故障區(qū)段判定，并不做相應故障隔離，因此該系統(tǒng)的開發(fā)完全適用鐵路10 kV電力系統(tǒng)現(xiàn)有運行模式。

2.1 故障區(qū)段的判定

當線路發(fā)生永久故障，本所重合及對方所備自投失敗后，系統(tǒng)判定為永久故障，首先利用小波分析手段，將數(shù)據(jù)及時段進行放大比較，準確區(qū)分數(shù)據(jù)時序，防止對方所備自投時產(chǎn)生的故障緊急數(shù)據(jù)與主供所第一次跳閘時的故障緊急數(shù)據(jù)重疊混亂。在數(shù)據(jù)來源和時序確定后，進行邏輯判斷。其次，以主供所向備供所方向為次序進行比較，如故障數(shù)據(jù)類型相同，則不在相應區(qū)段，如故障數(shù)據(jù)相異，則在相應的區(qū)段，從而找出故障區(qū)段。

2.2 故障區(qū)段的隔離

當系統(tǒng)判定為永久故障并找出故障區(qū)段后，系統(tǒng)進入故障區(qū)段隔離程序，根據(jù)系統(tǒng)設定情況，故障隔離有2種方式：一是遠程人工操作隔離。由值班人員根據(jù)系統(tǒng)提示，遠程遙控斷開故障區(qū)段兩側斷路器；值班人員遠程遙控操作（或配電室就地操作）合兩側配電室斷路器，恢復非故障區(qū)段的供電。二是系統(tǒng)自動操作隔離。系統(tǒng)自動下達遙控操作命令，斷開故障區(qū)段兩側斷路器；自動下達遙控操作命令，合兩側配電室斷路器，或值班人員遠程遙控操作（或配電室就地操作）合兩側配電室斷路器，恢復非故障區(qū)段的供電。

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 線路故障及小波分析理論

系統(tǒng)綜合利用電力線路故障及小波分析理論實現(xiàn)線路故障自動判斷。當線路發(fā)生故障后，系統(tǒng)將各間隔層上報檢測數(shù)據(jù)進行分析比較，從而判定故障發(fā)生區(qū)段。

3.2 系統(tǒng)通信機制

不同數(shù)據(jù)信息通過 GPRS上報采取不同應答機制，提高主要數(shù)據(jù)在無線傳輸環(huán)境中的實時性。重要數(shù)據(jù)如開關變位、故障信息等實行間隔層主動上送，為最優(yōu)先數(shù)據(jù)，監(jiān)測控制中心只做收到回復；原監(jiān)測控制中心周期巡檢采集的數(shù)據(jù)改為在間隔層無故障緊急數(shù)據(jù)時，按周期主動上送，監(jiān)測控制中心不做回復，只做記錄，為次級優(yōu)先數(shù)據(jù)；第三級數(shù)據(jù)為招測等數(shù)據(jù)，間隔層在收到監(jiān)測控制中心命令時執(zhí)行。

3.3 系統(tǒng)安全機制

3.3.1 系統(tǒng)操作安全

該系統(tǒng)實行3個級別的操作權限，維護系統(tǒng)修改參數(shù)、遙控線路真空斷路器等涉及到系統(tǒng)安全運行的操作，均需在輸入用戶名和正確的操作密碼后方可進行，并且系統(tǒng)自動記錄操作事項、時間、人員，實現(xiàn)操作的可追溯性。系統(tǒng)在站控層軟件設置上也采用了操作預置確認功能，防止發(fā)生誤操作。

3.3.2 系統(tǒng)硬件安全

與線路直接相連接的真空斷路器采用非常成熟的國家標準定型產(chǎn)品，同時為了不影響既有線路保護功能，對真空斷路器進行了改造，取消了原有真空斷路器過流脫口功能。二次控制系統(tǒng)與一次設備采用必要的安全隔離措施，如光電、磁隔離、變送器隔離等，確保二次監(jiān)控系統(tǒng)不影響一次設備的正常運行；二次系統(tǒng)所有元器件均采用工業(yè)級元器件，確保符合室外工作環(huán)境；二次系統(tǒng)未投入、部分未投入、維護等只允許故障自動判斷與隔離的本功能失去，均不應影響原10 kV電力線路的正常運行。

3.3.3 硬件防火墻

該系統(tǒng)采用金山信息KingGate50防火防毒墻，其病毒/木馬的查殺采取病毒庫+主動防御+互聯(lián)網(wǎng)可信任認證技術的三重防護，保護該監(jiān)測控制中心安全。

4 系統(tǒng)特點及意義

4.1 系統(tǒng)特點

（1）系統(tǒng)通訊方式選擇無線GPRS 網(wǎng)絡。其高速數(shù)據(jù)傳輸、永遠在線、流量計費的特點非常適合應用于突發(fā)性的、較小流量的監(jiān)測系統(tǒng)，初期投入及運行費用也非常低。目前鐵路系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡正在大規(guī)模構建，系統(tǒng)通信方式也可搭借此無線通信平臺，不但節(jié)省了通信費用，同時也可避免由于公網(wǎng)信號覆蓋問題造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

（2）人性化設計。系統(tǒng)不影響原供電系統(tǒng)的運行方式，自適應一次重合、對方備自投，適應兩側配電所任意主供。該監(jiān)測控制系統(tǒng)為原保護自動裝置完成其功能后，代替人工下一步的工作，是既有保護自動裝置的后續(xù)工作。

（3）系統(tǒng)模塊化設計，各種功能模塊化，方便系統(tǒng)升級及嵌入新的功能模塊。

（4）采用工業(yè)級的設備，系統(tǒng)適應室外惡劣環(huán)境，維護量小。

4.2 系統(tǒng)研制意義

（1）大大縮短了故障區(qū)段隔離時間。電力線路發(fā)生故障時，如果采用傳統(tǒng)的人工判斷與隔離方式，在交通理想的情況下，最終隔離出故障區(qū)間，恢復非故障區(qū)間送電，時間約2 h。如采用自動故障判斷與隔離系統(tǒng)預期20 s即可完成。

（2）杜絕對系統(tǒng)和設備的沖擊，提高設備使用壽命。供電系統(tǒng)發(fā)生永久性故障，重合或備自投失敗后，故障自動判斷與隔離系統(tǒng)則自動判斷故障區(qū)間并隔離，然后恢復非故障區(qū)間的供電。在整個故障自動判斷與隔離過程中，不需要帶故障試送電，杜絕在故障查找過程中對系統(tǒng)和設備的沖擊。

（3）提高瞬時性故障的定性準確率。瞬時性故障時，雖然重合或備自投成功，但系統(tǒng)仍會采集到故障時各監(jiān)控點的瞬時參數(shù)并作出區(qū)段判斷，瞬時性故障的巡視縮小了范圍，巡視變得有針對性，預防類似故障或同一故障的能力增強，可以最大程度地排除供電系統(tǒng)安全隱患。

（4）及時發(fā)現(xiàn)隱形故障，防患于未然。由于間隔層均設有電壓、電流檢測裝置，因此該系統(tǒng)可通過檢測電流大小監(jiān)測線路絕緣水平，防止線路因絕緣降低而引起設備的隱形故障。

（5）提高自動化運行水平，為檢修維護提供方便。

5 結束語

“鐵路 10 kV電力線路故障自動判斷與隔離系統(tǒng)”利用無線GPRS網(wǎng)絡及小波分析理論，實現(xiàn)了電力線路故障自動判斷與隔離，不僅解決了電力線路故障查找效率低下以及因試送電造成的設備沖擊等難題，同時提高了電力線路自動化管理水平，因此該系統(tǒng)對電力線路管理特別是負荷等級高的電力線路管理具有現(xiàn)實意義。