郭駿麟，喻 劼

0 引言

根據(jù)國(guó)家鐵路局公布的《2020年鐵道統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)，截至2020年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.63萬(wàn)公里；復(fù)線里程8.70萬(wàn)公里，復(fù)線率59.5%；電氣化里程10.65萬(wàn)公里，電化率72.8%。電氣化鐵路一旦發(fā)生接觸網(wǎng)接地或異相短路故障，主要依靠設(shè)置在鐵路沿線的牽引變電所、分區(qū)所、AT所內(nèi)的測(cè)距裝置定位故障點(diǎn)[1]。故障精確定位的關(guān)鍵是為測(cè)距裝置提供準(zhǔn)確的供電臂電抗-距離（Q-L）定值表[2，3]。

供電臂內(nèi)存在區(qū)間和站場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員依據(jù)接觸網(wǎng)材質(zhì)以及積累的經(jīng)驗(yàn)確定接觸網(wǎng)單位自阻抗、互阻抗，再根據(jù)區(qū)間分布及長(zhǎng)度得到各區(qū)間的Q-L理論定值，根據(jù)站場(chǎng)分布及長(zhǎng)度得到各站場(chǎng)的Q-L理論定值，綜合各區(qū)間與站場(chǎng)的Q-L值得到接觸 網(wǎng)供電臂的Q-L定值表。該定值表僅為理論值，需要通過(guò)接地短路試驗(yàn)進(jìn)行校正[4，5]。但接地試驗(yàn)會(huì)對(duì)供電一次設(shè)備及鐵路沿線的通信、信號(hào)設(shè)備造成一定損傷，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中應(yīng)盡量減少或避免進(jìn)行接地短路試驗(yàn)，當(dāng)該試驗(yàn)非做不可時(shí)，每個(gè)供電臂也僅選取2或3個(gè)接地點(diǎn)，不具有廣泛代表性，特別是復(fù)線，互阻抗受多方面因素干擾。上述因素均嚴(yán)重影響Q-L定值表的準(zhǔn)確性。

由于測(cè)距裝置Q-L定值表不夠準(zhǔn)確，一旦發(fā)生接觸網(wǎng)接地或異相短路故障，即便采用最優(yōu)化的算法，根據(jù)Q-L定值表得到的故障定位點(diǎn)也并不十分精確。運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)2或3個(gè)接地點(diǎn)試驗(yàn)的供電臂，定位誤差大約為500 m；而沒(méi)有經(jīng)過(guò)接地點(diǎn)試驗(yàn)的供電臂，定位誤差甚至超過(guò)1 000 m。在實(shí)際故障處理中，較大的定位誤差延長(zhǎng)了維修人員查找故障點(diǎn)的時(shí)間，影響供電系統(tǒng)正常功能的及時(shí)恢復(fù)。國(guó)鐵集團(tuán)工電部于2019年2月19日發(fā)文要求各鐵路局集團(tuán)公司供電部門(mén)采取有效措施，對(duì)轄內(nèi)Q-L定值表進(jìn)行有效校正，更進(jìn)一步說(shuō)明了準(zhǔn)確的Q-L定值表對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的重要性。針對(duì)現(xiàn)有電氣化鐵路故障測(cè)距系統(tǒng)的參數(shù)不能有效、準(zhǔn)確整定的情況，本文提出一種基于GPS校時(shí)的電氣化鐵路故障測(cè)距參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)，可以不經(jīng)過(guò)接地短路試驗(yàn)，有效提高電氣化鐵路供電臂Q-L定值表的準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高接觸網(wǎng)故障測(cè)距的精確性。

1 基于GPS同步的故障測(cè)距參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)原理

電氣化鐵路的每個(gè)供電臂設(shè)置有1個(gè)牽引變電所（Traction Substation，SS）、1個(gè)分區(qū)所（Sectioning Post，SP）和 1 個(gè) AT 所（Autotransformer，AT），每個(gè)所內(nèi)安裝有故障測(cè)距裝置，測(cè)距裝置之間通過(guò)光纖相連，如圖1所示。一旦發(fā)生接觸網(wǎng)接地或異相短路故障，故障電流同時(shí)啟動(dòng)牽引變電所、分區(qū)所與AT所內(nèi)的測(cè)距裝置，記錄并保存穩(wěn)態(tài)故障電流數(shù)據(jù)，即牽引變電所、分區(qū)所與AT所內(nèi)的以及分區(qū)所、AT所內(nèi)的，如圖2所示。

圖1 接觸網(wǎng)供電臂故障測(cè)距結(jié)構(gòu)

圖2 接觸網(wǎng)供電臂故障電流分布

分區(qū)所與AT所測(cè)距裝置將記錄的各電流值傳送給變電所測(cè)距裝置，以變電所內(nèi)的測(cè)距裝置為主體，利用記錄的上述電流和變電所T線、F線電壓，以及故障點(diǎn)與變電所之間的距離，根據(jù)電路原理知識(shí)，即可計(jì)算出故障點(diǎn)與變電所之間的電抗值。由于供電方式及算法原理的不同，可以得到不同的計(jì)算式。

假設(shè)牽引變電所內(nèi)無(wú)自耦變壓器，采用中性點(diǎn)吸上電流比原理實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能，則可得到牽引變電所、AT所、分區(qū)所3處吸上電流分別為[6]

將每個(gè)供電臂分為兩段，變電所至AT所為一段，AT所至分區(qū)所為一段，如圖3所示，圖中的n、n+1為故障AT段兩端的吸上電流編號(hào)，Q為吸上電流比。

圖3 分段線性測(cè)距法

典型兩個(gè)AT段測(cè)距公式為

式中：Di為各AT段長(zhǎng)度，m；xi為各分段點(diǎn)距離，m；Qi為各分段點(diǎn)故障發(fā)生時(shí)的吸上電流比。

由式（3）可知，只要Qi準(zhǔn)確，發(fā)生故障時(shí)，即可得到變電所與故障點(diǎn)之間的精確距離L。反之同理，如果變電所與故障點(diǎn)之間的精確距離L已知，也可求得故障點(diǎn)所在的分段點(diǎn)吸上電流比Qi的準(zhǔn)確值。故障電流也可用負(fù)荷電流替代，以機(jī)車(chē)取流點(diǎn)代替故障點(diǎn)。換而言之，只需獲取同一時(shí)刻如圖2所示變電所、分區(qū)所、AT所的電流，以及變電所與故障點(diǎn)（或機(jī)車(chē)取流位置）之間的距離L，即可推算出準(zhǔn)確的吸上電流比Qi值。

如圖4所示，分別在變電所、分區(qū)所、AT所各設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，采集儀的時(shí)鐘通過(guò)GPS校準(zhǔn)，利用采集儀記錄各所電流值；同時(shí)，在供電臂區(qū)段內(nèi)設(shè)置1臺(tái)機(jī)車(chē)取流，攝像儀錄取機(jī)車(chē)所在位置的公里標(biāo)，將公里標(biāo)換算成帶時(shí)標(biāo)的變電所與機(jī)車(chē)的距離，綜合同一時(shí)刻各所電流值，可反推出變電所與接觸網(wǎng)之間的電抗值。隨著機(jī)車(chē)移動(dòng)，不斷重復(fù)上述過(guò)程，即可得到供電臂的Q-L定值表。

圖4 求取供電臂Q-L定值表流程

2 基于GPS同步的故障測(cè)距參數(shù)校準(zhǔn)方案

為了實(shí)現(xiàn)基于GPS同步技術(shù)的電氣化鐵路故障測(cè)距參數(shù)校準(zhǔn)功能，需要建立以計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備和后端計(jì)算機(jī)工作站組成。前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀和GPS接收天線，后端計(jì)算機(jī)工作站主要完成數(shù)據(jù)分析與處理。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀同步采集并保存一個(gè)供電臂內(nèi)變電所、AT所和分區(qū)所的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集儀配置6套高精度鉗形電流傳感器，采集變電所、AT所和分區(qū)所的各電流數(shù)據(jù)，同時(shí)配置1路GPS信號(hào)接收天線，用于校準(zhǔn)時(shí)鐘，使得采集的電流數(shù)據(jù)帶有正確時(shí)標(biāo)。每條錄波記錄時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)1 h，裝置可連續(xù)存放256條錄波記錄。錄波數(shù)據(jù)傳輸格式符合ANSI/IEEE C37.111-1991 COMTRADE的規(guī)定。

在變電所設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，將4個(gè)電流傳感器根據(jù)接線規(guī)定分別接在下行T線、下行F線、上行T線、上行F線上；在AT所和分區(qū)所各設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，AT所和分區(qū)所的5個(gè)電流傳感器根據(jù)接線規(guī)定分別接在下行T線、下行F線、上行T線、上行F線和運(yùn)行AT的吸上線處；在變電所、AT所和分區(qū)所各設(shè)置1套GPS天線，將天線拉出至控制室外場(chǎng)地，使數(shù)據(jù)采集儀以GPS基準(zhǔn)校時(shí)，每臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)均帶有時(shí)標(biāo)。

數(shù)據(jù)采集儀工作時(shí)，在供電臂AT段運(yùn)行的測(cè)試車(chē)從接觸網(wǎng)取流，在運(yùn)行的測(cè)試車(chē)上通過(guò)攝像儀攝錄窗外接觸網(wǎng)支柱桿號(hào)或車(chē)內(nèi)顯示的公里標(biāo)。測(cè)試車(chē)通過(guò)每個(gè)供電臂時(shí)，完成本供電臂的數(shù)據(jù)采集，利用工具軟件從數(shù)據(jù)采集儀導(dǎo)出各所測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像識(shí)別錄像視頻得到每個(gè)整秒時(shí)刻測(cè)試車(chē)的運(yùn)行位置。

測(cè)試車(chē)開(kāi)始運(yùn)行前，通過(guò)定值整定，同時(shí)啟動(dòng)變電所、AT所和分區(qū)所3個(gè)所數(shù)據(jù)采集儀開(kāi)始錄波，將所獲取的每個(gè)整秒時(shí)刻測(cè)試車(chē)的運(yùn)行位置、數(shù)據(jù)采集儀采集帶有時(shí)標(biāo)的電流數(shù)據(jù)均導(dǎo)入后端計(jì)算機(jī)工作站，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

后端計(jì)算機(jī)工作站數(shù)據(jù)分析與處理軟件采用3層分布式結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和客戶端軟件，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)分析與處理軟件系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：存放各類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括變電所、AT所和分區(qū)所內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀采集的實(shí)時(shí)錄波數(shù)據(jù)，機(jī)車(chē)攝像儀錄取的公里標(biāo)數(shù)據(jù)等。

測(cè)距分析組件：從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器導(dǎo)出數(shù)據(jù)，完成變電所、AT所和分區(qū)所內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀采集的實(shí)時(shí)錄波數(shù)據(jù)與機(jī)車(chē)攝像儀錄取的公里標(biāo)數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算Q-L定值表。

系統(tǒng)管理組件：實(shí)現(xiàn)用戶（組）管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)日志管理等。

數(shù)據(jù)字典組件：實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)字典項(xiàng)的維護(hù)。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件：用于管理數(shù)據(jù)連接、獲取數(shù)據(jù)集、獲取臨時(shí)數(shù)據(jù)集、執(zhí)行一條SQL語(yǔ)句、在一個(gè)事務(wù)中執(zhí)行多條SQL語(yǔ)句等。

數(shù)據(jù)分析與處理軟件客戶端人機(jī)功能由“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理”、“整定值管理”兩大功能模塊組成，各菜單功能如表1所示。

表1 人機(jī)接口各菜單功能

數(shù)據(jù)分析與處理軟件工作流程：數(shù)據(jù)采集儀采集的帶時(shí)標(biāo)的電流數(shù)據(jù)通過(guò)客戶端“批量更新”方式導(dǎo)入該表中；測(cè)試車(chē)在供電臂AT段內(nèi)運(yùn)行時(shí)，將錄像得到每個(gè)整秒時(shí)刻測(cè)試車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入表中；至此，供電臂數(shù)據(jù)表已獲得該供電臂AT段的公里標(biāo)及對(duì)應(yīng)的電流值列表，點(diǎn)擊“整定計(jì)算”，得到Q-L定值表。該Q-L定值表與真實(shí)情況基本吻合，可以提供給設(shè)置于牽引變電所、分區(qū)所內(nèi)的故障測(cè)距裝置，實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)精確的故障測(cè)距功能。

3 實(shí)例驗(yàn)證

2020年6月3日，在中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)管內(nèi)梅汕鐵路的豐順東變電所、建橋AT所及畬江北分區(qū)所3個(gè)所亭內(nèi)設(shè)置3臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并架設(shè)GPS天線，同時(shí)在該供電臂內(nèi)以120 km/h的速度行駛1輛測(cè)試車(chē)，通過(guò)攝像儀錄取實(shí)時(shí)公里標(biāo)數(shù)據(jù)。將所獲取的所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析與處理軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)分析與計(jì)算得到該區(qū)段的Q-L定值表，并將該定值表整定至該區(qū)段所亭的故障測(cè)距裝置內(nèi)，校正了該區(qū)段內(nèi)的Q-L定值表，使得故障定位誤差不超過(guò)200 m，取得了預(yù)期試驗(yàn)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究電氣化鐵路接觸網(wǎng)發(fā)生接地或異相短路故障時(shí)的測(cè)距原理，分析了接觸網(wǎng)故障定位精確度與Q-L定值表精確度的關(guān)系，以及有效提高供電臂Q-L定值表精確度的方法，提出了基于GPS同步的電氣化鐵路故障測(cè)距參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)。分別在變電所、分區(qū)所、AT所各設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀，采集儀的時(shí)鐘通過(guò)GPS校準(zhǔn)，利用采集儀記錄各所電流值；同時(shí)，在供電臂區(qū)段內(nèi)設(shè)置1臺(tái)機(jī)車(chē)取流，機(jī)車(chē)移動(dòng)時(shí)攝像儀錄取機(jī)車(chē)所在位置的公里標(biāo)，將公里標(biāo)換算成帶時(shí)標(biāo)的變電所與機(jī)車(chē)的距離，綜合同一時(shí)刻各所電流值，可以計(jì)算出供電臂Q-L定值表。該技術(shù)不需要經(jīng)過(guò)接地短路試驗(yàn)即可得到準(zhǔn)確的、多個(gè)分段的供電臂Q-L定值表。一旦發(fā)生接地或異相短路故障，能夠精確計(jì)算出故障點(diǎn)與變電所之間的距離，從而精確定位故障地點(diǎn)，誤差不超過(guò)200 m，有效提高了電氣化鐵路故障測(cè)距的精度。