李強，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.西安理工大學水電學院，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)保護的運行定值設(shè)定可以有幾種運行方式：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，此時自閉線和貫通線供電饋線分別只有一個配電所單向供電。

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，當貫通線發(fā)生故障時，保護先動作，出現(xiàn)斷路器DL4跳閘，斷開過電流，若是瞬時故障（發(fā)生在高壓線路上90%的故障都是瞬時故障），經(jīng)過整定時間，備送所甲檢測到線路失壓，直接進行備自投，故障消失，供電正常，這時貫通線的供電方向與原先的方向相反；對于發(fā)生的永久性故障，備自投失敗后，全線失電，此時只有一條自閉線單向單電源向信號機供電，供電可靠性降低，難以滿足鐵路運輸高可靠性的要求。鐵路工人進行沿線查找，將該供電區(qū)間內(nèi)的所有負荷開關(guān)斷開，再沿著乙所貫通出線依次合上負荷開關(guān)和斷路器，當合于故障時，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)段的負荷開關(guān)以及變電所出線斷路器DL1和DL3，此時甲、乙兩個變電所均同時向貫通線路供電，這時貫通線上的供電電源有兩個，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時費力，這種工作運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

在進行備自投時，可利用負荷開關(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使線路再次受到過電流的沖擊，嚴重影響線路的安全運行。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，完成對故障區(qū)段的分析判斷和執(zhí)行自動操作功能；對于單相接地故障，本文利用相鄰兩個車站開關(guān)的零序電流之差，進行故障定位，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

鐵路配電自動化系統(tǒng)主要由每個供電段的變電站RTU、車站負荷開關(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YC、遙信YX），報警、事件順序記錄SOE等功能。遙信主要是對負荷開關(guān)的當前位，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報文和負荷開關(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一一對應，并且第一個和最后一個裝置還要通過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，負荷開關(guān)當作節(jié)點依次進行編號，出線斷路器的編號為S0和S15，假設(shè)中間共有n（3≤n≤10）個車站，即共有n個節(jié)點，裝置的編號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的，但在實際運行時并未對裝置進行編號，只是根據(jù)設(shè)置參數(shù)時給其分配的IP地址的不同來區(qū)分，進行IP訪問[4-5]的。

由于鐵路局信息處給每個接入網(wǎng)絡(luò)的接入點，如給配電所和車站FTU都分配一個唯一的IP地址，使所有的接入點能被一一識別，故裝置通過IP訪問就能與其所對應的車站FTU建立通信連接，提取車站FTU對遠方車站負荷開關(guān)采集到的遙信量和過電流信息。第一個裝置和最后一個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)測供電區(qū)間兩端變電所出線斷路器的狀態(tài)，自動識別該區(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，采集對應出線斷路器的開關(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 正常運行時裝置與裝置信息流向示意圖Fig.4 Information flow diagram between device and device

這樣每個裝置都知道別的裝置對應自閉線或貫通線上車站負荷開關(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原理。發(fā)生短路故障時，若開關(guān)經(jīng)歷了過電流，車站高壓負荷開關(guān)對應FTU將會上傳電流變化的SOE（Sequence Of Event，事件順序記錄）信息幀給對應裝置，相鄰車站FTU對應的裝置經(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)必定一個經(jīng)歷了故障電流，而另一個未經(jīng)歷故障電流，判斷出故障區(qū)間，同時發(fā)出報警信號，發(fā)送遙控命令，斷開故障區(qū)間兩端負荷開關(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個車站，車站負荷開關(guān)分別編號為1、2、…、n，對應裝置也分別編號為裝置1、裝置2、…、裝置i、…、裝置n。將線路分成n-1個區(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，相互進行通信。

如圖5所示，對應為裝置上的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。此時根據(jù)圖4所示的信息流向可知，每個裝置都可知供電方向是自西向東的。

圖6是簡化了鐵路饋線一段貫通線正常情況下單鏈運行模式圖，此時線路若發(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行模式簡圖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能檢測到出線斷路器的開關(guān)量由1變?yōu)?，且裝置未收到其對應FTU發(fā)來的SOE信息幀，那么裝置i對應的車站負荷開關(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上報的SOE信息幀，說明開關(guān)i未流過過電流。由于短路故障時，信息的傳遞是逆著供電方向傳遞的，故通過程序可實現(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)必定一個經(jīng)歷了故障電流，而另一個未經(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，此時可以確定故障發(fā)生在貫通線區(qū)間（i-1，i）之間，此時負荷開關(guān)i不在供電段的兩端（i大于等于2）。

3）若裝置i對應的車站負荷開關(guān)過電流，且裝置i是與I/O模塊連接著的，對應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荷開關(guān)Sn與出線斷路器S15之間時，此時貫通線全線負荷開關(guān)都過電流。

這樣，可對短路故障發(fā)生的位置進行準確定位，分別是出線斷路器與其相鄰車站高壓負荷開關(guān)之間，車站與車站的高壓負荷開關(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，對應為裝置的2線。

乙變電所的自閉母線向甲變電所供電，此時出線斷路器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。此時根據(jù)圖4所示信息流向可知，每個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，鐵路工人正在進行停電檢修，故斷開了開關(guān)4和5，此時開關(guān)4和5之間的信號機只有一條自閉線為其供電。此時兩端裝置檢測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荷開關(guān)S6。此時每一個裝置的信息流向如圖7所示，每一個裝置都知道貫通線的供電方向是雙向的，車站負荷開關(guān)4和5處于分閘狀態(tài)，由于中間有一小段供電區(qū)間兩端的負荷開關(guān)是斷開的，此時可以將該供電段上的貫通線看成是兩條獨立供電的子貫通線，運行模式是單鏈模式，任一條子貫通線發(fā)生故障時，都不影響另一條的運行狀態(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行故障查找。只是此時，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荷開關(guān)之間，一種是車站與車站的高壓負荷開關(guān)之間。

同理，自閉線若以雙鏈模式運行時，故障定位過程也如自閉線單鏈運行時故障定位方法相同，只是此時，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荷開關(guān)之間，一種是車站與車站的高壓負荷開關(guān)之間。

圖7 一段貫通線雙鏈模式運行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性故障和永久性故障，對于瞬時性故障，裝置只會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；而對于永久性故障在給出故障位置后，可以進行遙控斷開故障區(qū)間兩側(cè)的負荷開關(guān)，報告調(diào)度中心，由調(diào)度中心對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報文，啟動相間短路故障判定程序，一旦裝置在通信信道提取到了SOE報文，裝置經(jīng)過兩兩比較，實現(xiàn)故障的定位。

當線路發(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荷開關(guān)之間，此時出線斷路器處于分閘位置，故只需要向故障間的負荷開關(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荷開關(guān)；若故障發(fā)生在線路中間，這時就需要向故障區(qū)間兩端的負荷開關(guān)FTU發(fā)出分閘遙控命令，遠程實現(xiàn)負荷開關(guān)的分閘，這樣就隔離了故障區(qū)間。裝置此時將故障定位信息上傳給鐵路調(diào)度中心，經(jīng)過后臺程序分析判斷后，調(diào)度中心對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自動隔離方法。在現(xiàn)有主站資源下，線路故障自動隔離裝置與每一個終端RTU都一對一地建立連接，裝置接收RTU上傳的遙測和SOE報文，提取出故障電流信息，利用故障判斷原理進行分析，判斷出故障區(qū)段，然后發(fā)出遙控命令，將故障區(qū)段自動切除，自動恢復非故障區(qū)段的供電，大大地縮短線路故障查找、維修和恢復供電的時間。該裝置操作簡單，且判斷故障可靠性高，提高了供電可靠性和自動化管理水平。

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