高速鐵路電力遠動技術的應用和思考

孫立功

0 引言

國內高速鐵路（以下簡稱高鐵）電力系統(tǒng)普遍采用遠動技術，以增強供電的可靠性。從當前電力遠動系統(tǒng)的功能看，雖然比既有線遠動系統(tǒng)有所增強，被控站增加了許多采集量，并在故障性質的判斷等方面做了一定的完善，但對故障區(qū)段、故障地點的判斷尚未給出合理的解決辦法。

本文從鄭西高鐵電力遠動系統(tǒng)既有采集量和實現的功能出發(fā)，詳細分析電力線路故障時數據的變化，提出如何從中提煉出所需要的數據，并給以正確的邏輯判斷，從而給出故障區(qū)段乃至故障點的判斷方法。

1 鄭西高鐵電力遠動系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

高速鐵路10 kV電力遠動系統(tǒng)是利用計算機、網絡和通信技術，結合鐵路電力系統(tǒng)的實際，對鐵路沿線10 kV配電所、車站10/0.4變電所及貫通電力線路實現綜合自動化監(jiān)控的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠對高、低電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因數等參數進行實時監(jiān)測，實現電力網絡運行狀況的動態(tài)顯示和遠程控制，對線路故障性質可以進行自動判斷、切除等功能。電力遠動系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 電力遠動系統(tǒng)結構示意圖

1.2 系統(tǒng)應用

在鄭州—西安高速鐵路沿線的各遠動被控端（電力箱變）設有一級、綜合貫通高低壓配電設備。

對高壓設備的監(jiān)控內容包括：高壓負荷開關的遠方控制、負荷開關狀態(tài)、遠方/就地狀態(tài)、接地報警遙測量（通過監(jiān)測零序電流互感器的二次電流實現）、高壓母線的三相電壓遙測量、高壓進出線三相電流遙測量。

對低壓設備的監(jiān)控包括：各負荷電源低壓開關的遠程控制、1路三相電壓遙測量、1路三相電流遙測量、2路單相電壓遙測量、2路單相電流遙測量、低壓開關狀態(tài)、低壓開關故障遙信、低壓相序異常報警遙信。

高鐵電力遠動系統(tǒng)相比既有線有較大的區(qū)別，主要體現在高壓設備設置了高壓電流、電壓互感器，一方面是高壓系統(tǒng)的供電質量得以監(jiān)測，另一方面為線路故障判斷和切除提供依據。

2 線路故障時的數據分析及故障判斷

2.1 數據分析

目前，高鐵10 kV貫通電力線路相鄰所間的供電一般采用接力式供電方式，如圖2所示，由甲所供電到乙所，乙所供電到丙所，依次類推。

圖2 電力線路供電示意圖

通常情況下，配電所貫通線路采用的保護及自動裝置有速斷保護、過流保護及失壓保護，一次自動重合閘和自動投入裝置。由速斷保護和過流保護完成對饋出線的保護工作，由失壓保護、一次自動重合閘、自動投入裝置完成對饋出線供電的恢復功能。

當高壓電力線路發(fā)生故障時，根據線路故障性質及配電所線路保護模塊的動作情況，各配電所及開關站數據變化如下：

（1）當線路發(fā)生瞬時故障時，只有主送所會過流或速斷保護動作。此時，無論主送所自動重合閘動作還是備用所自動投入裝置動作，均能送電成功，因此從主送所到故障點各開關分別感受到一次過電流，故障點另一側各開關都沒有感受到過電流。

（2）主、備所均設有過流、速斷保護及相應一次重合閘和備自投功能。當線路發(fā)生永久性故障時，主送所過流或速斷保護動作，然后備用所產生一次備自投、主送所產生一次自動重合閘動作或備用所先產生一次備自投后再產生一次自動重合閘動作。無論設定的方式如何，在重合或者備自投后必定會后加速跳開。在設置重合閘的一端到故障點各開關必定感受到兩次過電流，故障點另一側各開關只感受到一次過電流。

（3）主、備所均設有過流、速斷保護，且只在備用所設定了備自投而在主、備所均無重合閘。

當線路中某點發(fā)生永久性短路，主送所過流或速斷保護動作后，備用所備自投動作后必定會后加速跳開。這時線路上各開關都感受到一次過電流，但由于備自投有一定的時間延時，在故障點兩端的開關感受到的過電流時刻是不同的。

根據以上數據變化分析，在線路故障時，應當采集各開關站高壓電流值，并要求帶有故障時刻的時標。

2.2 故障判斷實例

電力線路供電系統(tǒng)構成見圖3所示。

對于鐵路電力線路發(fā)生永久性短路故障時，無論是先重合還是先自投，在沿線的各開關都可以感受到過電流，這樣只根據過電流報警不能對故障區(qū)段進行定位。由于第一次過流速斷和第二次合閘后加速跳開之間一定有延時（時間的長短是由備用電源自動投入的延時和一次重合閘的延時、以及開關的固有動作時間決定的），所以在保證沿線各RTU時間誤差小于一定值的前提下，通過分析上報的過電流報警時間可以實現故障區(qū)段的定位，故障點的位置就在第一次過電流方向的最末端和它的遠端相鄰開關之間。整個判斷的邏輯步驟如下：

（1）根據配電所的貫通饋出線重合閘動作后產生后加速跳閘，或者對端的備自投動作后，后加速動作作為故障判斷的啟動條件。

（2）監(jiān)控設備在過流速斷跳閘，備自投后加速跳閘，重合閘后加速跳閘會產生先后3次動作的報文數據。

（3）延時（可以設定，根據線路情況和重合閘或備自投的定值）。

（4）主站的故障定位軟件根據電流的流向，逐個讀取各 RTU監(jiān)測的最后一次故障跳閘時間（特定的FA信息格式，包括故障的性質和故障發(fā)生的時間，精確到毫秒級，要求各RTU間的時間誤差小于50 ms，所以對于主站的校時功能要考慮通道上的時間誤差，并進行自動的調整）。

（5）通過上述信息進行邏輯判斷，由于開關4和開關5最后一次故障的間隔時間大于200 ms（可以設定），其余相鄰開關的故障動作時間很接近，所以確定故障點在開關4和開關5之間。

（6）主站軟件提示分析結果，并跳開開關 4和5，最后合上兩端的開關（開關1和開關7）。

圖3 電力線路供電系統(tǒng)構成圖

上述判斷對遠動裝置的要求：

（1）以上各步操作可通過手動或自動方式完成，并且各步驟的操作都需要有提示并記錄下來。監(jiān)控系統(tǒng)對短路故障的區(qū)間隔離是基于后臺群判方式，所以對于通訊的要求比較高。

（2）由于對信息產生的時間要求較嚴格，因此主控站需定時對各被控站進行對時，如果各被控站裝有GPS時鐘系統(tǒng)，效果會更理想。

（3）主控站在達到故障判斷啟動條件后，應優(yōu)先對故障線路的各被控站提取數據。

（4）各被控站按短路計算值設置合適的過流定值，并在達到過流條件后準確提供報警信息，遙信的分辨率為毫秒級。

3 故障定點的幾點思考

目前，高速鐵路電力貫通線均采用電纜線路，整條線路參數穩(wěn)定，這就為電力線路的故障測距提供了有利條件：

（1）可以通過配電所采集到的短路電流值進行計算，得到短路點至保護處所的線路阻抗，進而根據電纜線路的單位阻抗算出故障距離。

（2）貫通線路行波故障測距技術可作為借鑒和使用。行波故障測距是指當線路發(fā)生故障時，在故障點產生向線路兩端運動的電壓、電流行波虛擬電源，通過行波傳播速度和行波到達兩端的時間，計算故障點的位置。行波傳播的速度接近電磁波的速度，其具體速度取決于線路分布參數。行波傳輸的時間由行波故障測距裝置采集計算。

貫通線路行波故障測距系統(tǒng)由行波采集與處理系統(tǒng)、行波綜合分析系統(tǒng)、遠程維護系統(tǒng)以及通信網絡 4部分構成。該系統(tǒng)能夠實現自動故障測距、人工波形分析、計算機輔助波形分析等功能。對于線路斷路故障和小電流接地故障均可測量，同時具有較高的可靠性和靈敏度，測距誤差能夠控制在±300 m以內。

4 結束語

鐵路電力遠動技術代表著當今鐵路電力的發(fā)展方向，為鐵路電力發(fā)展向著自動化、無人化趨勢邁進打下了堅實的基礎。經過國內多條重要鐵路干線的實際應用，以及廣大設計、施工、運營維修人員的共同努力，鐵路電力遠動系統(tǒng)技術也漸趨完善，在今后的發(fā)展中應不斷探討，加強交流，建設更加適合國內鐵路實情的電力遠動系統(tǒng)。

[1]鐵建設[2007]47號，新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規(guī)定.

[2]TB 10008-2006 鐵路電力設計規(guī)范[S].

[3]李焱.德國鐵路電力技術的成功經驗[J].中國鐵路，2006，（1）：56-57.

[4]山東科匯電氣股份有限公司.鐵路自閉/貫通線路行波故障測距技術[Z].淄博：山東科匯電氣股份有限公司，2005.