劉小平 陳進(jìn)根 上海鐵路局杭州供電段

1 概述

牽引供電系統(tǒng)作為電氣化鐵路的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)運(yùn)輸安全可靠起著重要作用。接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)的唯一無后備的部分，對(duì)牽引供電安全穩(wěn)定運(yùn)行起著舉足輕重的作用。由于采用受電弓滑動(dòng)取流，全天候運(yùn)行受天氣及沿線外界環(huán)境及地形影響較大，接觸網(wǎng)發(fā)生故障基本不可避免，而大型樞紐站場(chǎng)接觸網(wǎng)架構(gòu)復(fù)雜，尤其帶多股道分支接觸網(wǎng)線路故障點(diǎn)難以查找，故障不能及時(shí)排除導(dǎo)致嚴(yán)重影響行車安全，因此線路故障后迅速而精確地進(jìn)行故障精確定位，快速組織實(shí)施搶修是始終困擾牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的難題。

當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時(shí)，目前各牽引供電管理部門均通過牽引供電維修及生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)進(jìn)行故障排查及搶修組織。系統(tǒng)一般采用供電調(diào)度集中信息管理，各工區(qū)及車間信息共享模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引供電的運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視和應(yīng)急事故搶修決策，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)查詢、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)、事件報(bào)警、應(yīng)用分析和故障搶修決策等任務(wù)，牽引供電維修及生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)（復(fù)視系統(tǒng)）經(jīng)過多年的應(yīng)用發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，數(shù)據(jù)也不斷完善，但基于數(shù)據(jù)信息的有效數(shù)據(jù)挖掘及實(shí)際利用尚待提高。目前供電段維修調(diào)度類信息包括：各站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備故障信息、故障測(cè)距報(bào)告、在線監(jiān)測(cè)信息，視頻及環(huán)境安全監(jiān)控信息等。

當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障后，變電所饋線跳閘，維修及生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)通過安裝在牽引變電所的故障測(cè)距裝置獲得有關(guān)故障位置信息，根據(jù)故障報(bào)告初步分析確定故障原因，并組織有關(guān)人員機(jī)具及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障搶修排除。針對(duì)多分支接觸網(wǎng)線路故障，由于數(shù)據(jù)有效信息關(guān)聯(lián)度低，有效數(shù)據(jù)信息少，很難確定準(zhǔn)確故障位置，目前仍需通過富有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員進(jìn)行分析并安排多組搶修人員分赴不同地點(diǎn)進(jìn)行故障查找，從而造成較大的人力物力浪費(fèi)，且故障處置時(shí)間也很難縮短。故障排除時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到供電系統(tǒng)送電保障和運(yùn)輸安全及社會(huì)影響，排除時(shí)間越長(zhǎng)，則造成的損失越大?；诰_故障定位的快速搶修組織及策略不僅對(duì)及時(shí)修復(fù)線路和保證可靠供電至關(guān)重要，而且對(duì)鐵路運(yùn)輸安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分重要的作用。

因此，有必要結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行功能應(yīng)用擴(kuò)展，利用接觸網(wǎng)分支故障定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障快速輔助智能分析，為快速搶修提供良好的應(yīng)用平臺(tái)和技術(shù)基礎(chǔ)。

2 分支接觸網(wǎng)故障判別方案

接觸網(wǎng)故障精確定位是快速搶修的技術(shù)基礎(chǔ)，因此需要一方面提高故障測(cè)距準(zhǔn)確性，另一方面實(shí)現(xiàn)可靠的分支接觸網(wǎng)故障判別。接觸網(wǎng)故障測(cè)距目前工程實(shí)際均為標(biāo)準(zhǔn)配置，且測(cè)距原理相對(duì)成熟，重點(diǎn)是加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度核查和定期根據(jù)實(shí)際故障進(jìn)行參數(shù)修正，本文不做細(xì)述。針對(duì)接觸網(wǎng)分支線路故障的區(qū)段判別，目前工程上尚未實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行研究。本文將重點(diǎn)分析分支接觸網(wǎng)故障判別技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案。

根據(jù)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了滿足接觸網(wǎng)供電的靈活性和可靠性及故障時(shí)縮小停電事故范圍要求，一般接觸網(wǎng)都設(shè)計(jì)有電氣分段。電氣分段分縱向分段和橫向分段兩大類。縱向電分段主要是電分相，橫向電分段是根據(jù)股道應(yīng)用所設(shè)，通過隔離開關(guān)與正線連接，大多設(shè)在站場(chǎng)裝卸線、專用線等場(chǎng)合。還有通過T接方式或電連接直接與正線連接的分支線路。站場(chǎng)軟橫跨區(qū)段比較復(fù)雜，分絕緣連接和非絕緣連接，絕緣連接無須考慮，針對(duì)非絕緣連接一般按同一供電線路考慮在站場(chǎng)及大型樞紐供電時(shí)都要進(jìn)行電氣分段。接觸網(wǎng)典型供電示意如圖1。

圖1 分支接觸網(wǎng)典型供電示意

從圖1可以看出，需要區(qū)分接觸網(wǎng)分支故障的位置主要包括上網(wǎng)點(diǎn)、大型樞紐及站場(chǎng)，網(wǎng)上T接線路等，線路之間電氣連接方式主要包括接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電連接及直接連接。

要區(qū)分具體故障線路，就要準(zhǔn)確獲取相關(guān)線路的具體實(shí)時(shí)電氣參數(shù)，即故障電流數(shù)值。既需要通過具體方式獲取各分支接觸網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行電流，當(dāng)電流超過一定限值時(shí)，判斷為故障并能提供告警信息。

目前國(guó)內(nèi)已有單位在專用線引入點(diǎn)或接觸網(wǎng)T接位置通過安裝獨(dú)立的斷路器、負(fù)荷開關(guān)及配套的電流保護(hù)監(jiān)測(cè)單元和信息遠(yuǎn)傳單元實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段的區(qū)分和隔離，但實(shí)現(xiàn)方案投資較大，只適合重要分支線路實(shí)施，不適合上網(wǎng)點(diǎn)、站場(chǎng)多股道等場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。

針對(duì)既有接觸網(wǎng)通過隔離開關(guān)連接方式，在正常狀態(tài)下，隔離開關(guān)閉合，分支線路機(jī)車受電弓可帶電滑行通過，當(dāng)該線路接觸網(wǎng)故障或需檢修停電時(shí)，可打開對(duì)應(yīng)的隔離開關(guān)將該區(qū)域接觸網(wǎng)隔離斷電，其它區(qū)域接觸網(wǎng)不受影響可繼續(xù)帶電工作。因此，可利用此處的電動(dòng)隔離開關(guān)引出線安裝故障電流監(jiān)測(cè)單元實(shí)現(xiàn)短路電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生在該支路時(shí)，由安裝在該支路電動(dòng)隔離開關(guān)處的故障電流監(jiān)測(cè)單元判斷并動(dòng)作，給出報(bào)警信息。

對(duì)直接上網(wǎng)無電動(dòng)隔離開關(guān)分段的線路，可依照接觸網(wǎng)架構(gòu)特點(diǎn)及電氣性能，在電連接或載流承力索上安裝故障電流監(jiān)測(cè)單元，軟連接通過全部故障電流，載流承力索通過部分故障電流，可利用載流承力索和接觸線分流關(guān)系合理設(shè)置故障電流定值，保證當(dāng)機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)，安裝的故障電流監(jiān)測(cè)單元不會(huì)誤動(dòng)作，當(dāng)發(fā)生在該支路短路故障時(shí)監(jiān)測(cè)單元可靠動(dòng)作報(bào)警。

由于接觸網(wǎng)為高壓線路，且有一定設(shè)備限界要求，因此，故障報(bào)警應(yīng)通過無線方式將短路電流信息就近傳送到當(dāng)?shù)胤治鎏幚韱卧?，再由通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)故障信息分析、顯示和報(bào)警。

供電維護(hù)管理及搶修人員則可依照饋線故障測(cè)距結(jié)果和該報(bào)警信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)決策，從而精確判斷實(shí)際故障位置，為快速搶修提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)硬軟件構(gòu)成及組網(wǎng)

依據(jù)分支接觸網(wǎng)故障判別方案，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障判別，必須區(qū)分故障線路，這就需要安裝故障電流監(jiān)測(cè)單元，故障電流監(jiān)測(cè)單元需要固定在電連接或承力索等高壓導(dǎo)線上，所以必須采用高壓等電位安裝方式，供電電源不能通過外部提供，通信也必須采用無線模式。

電流采集一般采用鉗型霍爾傳感模式，即采集單元將導(dǎo)線穿過鉗型霍爾傳感器，被測(cè)導(dǎo)線為一次主線圈，當(dāng)有電流通過時(shí)，傳感器鐵芯感應(yīng)磁場(chǎng)，鐵芯上纏繞的二次線圈感應(yīng)與導(dǎo)線電流成比例的二次電流，通過放大后進(jìn)入A/D采集回路，智能采集單元采樣后與設(shè)定定值進(jìn)行比較，當(dāng)電流增量超過設(shè)定值且滿足時(shí)間條件，則發(fā)出故障告警信息，通過無線發(fā)射器發(fā)出。故障電流采集單元供電采用微太陽(yáng)能電池結(jié)合渦流取電技術(shù)為內(nèi)置鋰電池供電。

由于樞紐站場(chǎng)區(qū)分支線路多，故障電流監(jiān)測(cè)單元每條支路都需要安裝，無線通信管理單元采用一對(duì)多設(shè)置，即在站場(chǎng)咽喉區(qū)接觸網(wǎng)支柱上設(shè)置一臺(tái)無線通信管理單元，與該區(qū)域設(shè)置的多臺(tái)故障電流監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)通信，定時(shí)巡檢各單元的運(yùn)行狀況并可實(shí)時(shí)接收故障監(jiān)測(cè)單元上送故障信號(hào)，通過GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳故障信息。無線通信管理單元供電可采用太陽(yáng)能電池板結(jié)合蓄電池方式，無需進(jìn)行電纜敷設(shè)。遠(yuǎn)方監(jiān)控主機(jī)可以單獨(dú)設(shè)置也可在既有供電復(fù)視終端或維修及生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)上功能擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。輔助分析工作站與供電段復(fù)視系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用總線型結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議，傳輸媒介采用高品質(zhì)的超5類雙絞線，通信速率1000/100 Mbps。各工區(qū)的事故搶修通過OA自動(dòng)化辦公網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的接收。現(xiàn)場(chǎng)人員可通過手持無線智能終端接入網(wǎng)絡(luò)。

故障搶修決策輔助分析軟件需要和既有復(fù)視系統(tǒng)軟件有機(jī)交互信息，獲取故障報(bào)告和故障測(cè)距報(bào)文信息。軟件符合網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用要求，形成供電段（調(diào)度）、工區(qū)、現(xiàn)場(chǎng)手持終端三級(jí)無縫連接，支持廣域的分布部署能力，從而能夠建立、部署和維護(hù)靈活、安全的信息共享及圖像、語(yǔ)音、文字的互相傳遞。故障分析信息、接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)與電子地圖有機(jī)結(jié)合，當(dāng)發(fā)生故障后可快速在電子地圖上顯示實(shí)際故障位置和接觸網(wǎng)桿號(hào)對(duì)照信息，并給出最優(yōu)搶修路線、最近工區(qū)及相關(guān)負(fù)責(zé)人聯(lián)系信息，滿足快速故障搶修決策的基礎(chǔ)信息要求。當(dāng)搶修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，可以通過手持3G圖文終端設(shè)備與指揮人員及時(shí)聯(lián)絡(luò)，提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況信息，便于調(diào)度指揮人員直觀了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和做出科學(xué)合理決策。

系統(tǒng)總體組網(wǎng)示意如圖2。

圖2 分支接觸網(wǎng)故障定位輔助分析系統(tǒng)組網(wǎng)

4 工程應(yīng)用

基于無線網(wǎng)絡(luò)的接觸網(wǎng)故障定位輔助分析系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用：

（1）接觸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障電流分析

線路資料建立數(shù)據(jù)庫(kù)，首先將線路有關(guān)參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，可通過及時(shí)獲取的故障測(cè)距裝置數(shù)據(jù)自動(dòng)形成供電臂網(wǎng)孔電流分布及短路示意圖，并直觀顯示具體故障位置，當(dāng)配置站場(chǎng)及樞紐區(qū)故障精確定位輔助設(shè)備后，可通過測(cè)距報(bào)告及故障區(qū)段精確定位信息準(zhǔn)確確定線路實(shí)際故障位置，自動(dòng)分析計(jì)算并彈出直觀的供電臂電流分布畫面及故障詳細(xì)分析結(jié)果，指導(dǎo)下一步事故判斷及搶修決策。

（2）故障短路點(diǎn)的可視畫面監(jiān)控

在給定供電臂故障確定界面里，當(dāng)故障所在位置附近有視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)時(shí)，可通過安全監(jiān)控工作站獲取現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息，便于直觀查看現(xiàn)場(chǎng)故障狀況。

（3）搶修路線交通的優(yōu)化指引

對(duì)確定故障點(diǎn)的實(shí)際地理位置進(jìn)行預(yù)置電子地圖檢索，可及時(shí)提供到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的最優(yōu)路線及有關(guān)附近設(shè)施信息，如橋梁、隧道、高壓跨越供電線路等，并可提供最近工區(qū)、搶修材料情況、人員信息情況等信息，便于事故針對(duì)性分析及搶修人員及時(shí)到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)搶修與供電段指揮的雙向互動(dòng)

通過聯(lián)網(wǎng)手持智能終端，可在現(xiàn)場(chǎng)與供電段調(diào)度指揮端進(jìn)行雙向文字、語(yǔ)音、圖像傳輸，便于遠(yuǎn)程指揮及指導(dǎo)事故分析及搶修實(shí)施。

5 結(jié)論

對(duì)多分支線路接觸網(wǎng)故障，如何及時(shí)準(zhǔn)確判斷故障位置是實(shí)現(xiàn)快速搶修的基礎(chǔ)，本文通過分析提出分支接觸網(wǎng)故障的判斷方法和軟硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，通過實(shí)際工程應(yīng)用可有效提高故障定位精確度及事故搶修管理決策水平，提升生產(chǎn)調(diào)度指揮、事故搶修、綜合維修等工作效率，保障牽引供電的穩(wěn)定運(yùn)行，為鐵路運(yùn)輸安全提供技術(shù)保證。