鐵路10 kV自閉及貫通線故障定位與隔離裝置的研制

王琳，李強(qiáng)，王勇科，史超美

（1.西安鐵路局供電處，陜西西安 710054；2.西安鐵路局安康供電段，陜西安康 725200；3.中鐵二院西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710054）

隨著鐵路電氣化的高速發(fā)展，鐵路局各供電段鐵路沿線逐步完成電力遠(yuǎn)動改造，鐵路10 kV自閉及貫通線基本實(shí)現(xiàn)了饋線自動化監(jiān)測功能[1-5]，但線路發(fā)生故障時未能實(shí)現(xiàn)故障區(qū)間的定位和供電的快速恢復(fù)，故障查找費(fèi)時費(fèi)力，供電恢復(fù)時間長，無法滿足鐵路高速運(yùn)輸?shù)囊?。在現(xiàn)有的鐵路遠(yuǎn)動終端FTU功能的基礎(chǔ)上，研制鐵路10 kV自閉及貫通線故障定位與隔離裝置，該裝置能自動獲取線路的供電方向，為故障發(fā)生時的定位工作打下基礎(chǔ)，進(jìn)而在故障發(fā)生時迅速執(zhí)行定位與隔離工作，可縮短排除故障的時間、快速恢復(fù)供電，減少了勞動強(qiáng)度，提高鐵路供電系統(tǒng)的可靠性和自動化程度。

1 裝置硬件設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)鐵路10 kV自閉及貫通線路故障定位與隔離裝置的功能，同時解決裝置與高壓負(fù)荷開關(guān)FTU通信問題，設(shè)計了該裝置的硬件系統(tǒng)，如圖1所示。在硬件設(shè)計上，采用TMS320F2812芯片為核心[6]，采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD擴(kuò)展DSP（Digital signal processing）的外部接口，硬件TCP/IP協(xié)議棧芯片W3100A組成通信模塊[7]，設(shè)計出一種DSP與以太網(wǎng)互連的接口電路，更便捷地完成裝置與車站終端FTU通信的建立，實(shí)現(xiàn)DSP對以太網(wǎng)通信的控制。硬件平臺具有可擴(kuò)充的余地，提高了裝置的抗干擾能力。

圖1 硬件設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of the hardware

從圖1可知裝置硬件電路由以下幾個模塊組成。

主處理模塊：硬件電路的核心設(shè)計以DSP+CPLD為主，邏輯判斷、通信連接、信息顯示、鍵盤響應(yīng)等主要由DSP實(shí)現(xiàn)，外圍各個端口通過CPLD與DSP的接口相連，CPLD完成了電平轉(zhuǎn)換、地址譯碼、數(shù)據(jù)緩存等邏輯功能，并且提高了系統(tǒng)的性能，增強(qiáng)了裝置的抗干擾能力。

通信模塊：裝置與對應(yīng)負(fù)荷開關(guān)FTU采用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信，設(shè)計了W3100A作為以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，DM9161芯片作為以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了報文的接收和發(fā)送。

時鐘模塊：本裝置直接采用Dallas公司生產(chǎn)的專用硬件時鐘芯片DS1302，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補(bǔ)償功能，時鐘可工作在24 h格式或12 h（AM/PM）格式；添加了主電源和備用電源雙電源引腳，同時提供了對備用電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。

電源模塊：為裝置內(nèi)各個芯片提供電源。本課題設(shè)計選擇TI公司的電壓精度比較高的電源芯片TPS767D301，該芯片的輸入電壓為+5 V，芯片起振，正常工作之后，能夠產(chǎn)生3.3 V和1.8 V兩種電壓，分別供給DSP3.3 V的Flash電壓和1.8 V的內(nèi)核電壓；給其余芯片提供的工作電壓均為3.3 V。

鍵盤和LCD顯示模塊：輸入設(shè)備鍵盤和輸出設(shè)備液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)了裝置的人機(jī)交互功能，它的主要作用有：

1）通過按鍵執(zhí)行設(shè)置參數(shù)和選擇顯示內(nèi)容等操作；

2）LCD可以實(shí)時顯示通信狀態(tài)，采集到的遙信量，故障定位結(jié)果等內(nèi)容。

由于在通信距離、通信成本以及通信速率等方面都有著較高的要求，裝置采用快速以太網(wǎng)技術(shù)的100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，使用兩對阻抗為100 Ω的5類非屏蔽雙絞線（UTP-Unshielded Twisted Pair）與RJ45頭來組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)裝置與各車站負(fù)荷開關(guān)FTU的實(shí)時通信功能。

裝置采用硬件協(xié)議棧芯片W3100A作為以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，DM9161以太網(wǎng)物理層芯片實(shí)現(xiàn)鏈路層的物理傳輸，經(jīng)由隔離變壓器RJ-45頭接入以太網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)包發(fā)送與接收。由于W3100A是硬件協(xié)議芯片，初始化時已經(jīng)對相關(guān)的寄存器進(jìn)行了設(shè)置，芯片可自動封裝以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，DSP只需把要傳的數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，控制W 3100A芯片就可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。同時，W3100A自動把接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，將接收到的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，由DSP控制讀入接收的數(shù)據(jù)，它省去了人為編寫程序來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的封裝與解包的復(fù)雜過程。

2 裝置的軟件設(shè)計

本裝置所要達(dá)到的目標(biāo)是裝置與車站FTU、與兩端變電所安裝的I/O模塊保持穩(wěn)定的通信連接。正常情況下，裝置對自閉線及貫通線上的負(fù)荷開關(guān)以及出線斷路器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，供調(diào)度值班人員參考，并且判斷線路的供電方向；發(fā)生故障時，進(jìn)行故障定位，向值班人員發(fā)出故障報警信號，并且向故障區(qū)間對應(yīng)的兩端負(fù)荷開關(guān)發(fā)出遙控命令，斷開負(fù)荷開關(guān)，隔離故障區(qū)間。裝置設(shè)計軟件程序采用了C語言編寫，裝置的主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig.2 M ain program flow chart

裝置軟件結(jié)構(gòu)由主程序、通信連接程序、故障定位程序、LCD顯示程序、鍵盤響應(yīng)程序等模塊組成。

2.1 W 3100A初始化

在DSP中編寫程序完成對W3100A的初始化，自動完成報文的封裝與解包。初始化W3100A時，給其引腳RESET高電平進(jìn)行復(fù)位，通過設(shè)置芯片內(nèi)的控制寄存器，設(shè)置網(wǎng)關(guān)，子網(wǎng)掩碼，IP地址，以及MAC地址流程如圖3所示。

2.2 通信連接程序

采用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信連接，裝置與車站FTU之間的通信協(xié)議采用IEC60870-5-104電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)規(guī)約其與車站FTU建立連接流程如圖4所示，裝置與I/O模塊，裝置與其鄰站的通信采用Modbus TCP規(guī)約。

圖4 與車站FTU建立連接流程圖Fig.4 Flow chart of the connection establishment between the device and FTU

2.3 故障定位程序設(shè)計

正常運(yùn)行時，每個裝置都會知道自閉線及貫通線的供電方向，其信息的傳遞流程如圖5所示。供電方向的確定對故障定位的結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。鐵路局信息處給每個接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，如變電所和車站FTU都分配一個唯一的IP地址，使所有的接入點(diǎn)能被一一識別，故裝置通過IP訪問就能與其所對應(yīng)的車站FTU建立通信連接，提取遠(yuǎn)方車站負(fù)荷開關(guān)FTU采集到的遙信量和過電流信息。對于出線斷路器，第一個裝置和最后一個裝置需要每隔一秒采集I/O模塊，來確定其開關(guān)狀態(tài)是合閘還是分閘，以便裝置用來判斷自閉線或貫通線的供電方向。

2.3.1 相間短路故障定位算法

相間短路故障位置可能發(fā)生在供電首端的出線斷路器與其相鄰車站高壓負(fù)荷開關(guān)之間；也可能在中間車站與其相鄰車站的高壓負(fù)荷開關(guān)之間；或在自閉或貫通線末端的車站負(fù)荷開關(guān)和供電對端的處于分閘狀態(tài)的出線斷路器。

發(fā)生相間短路故障時，若開關(guān)經(jīng)歷了過電流，對應(yīng)FTU將會上傳車站高壓負(fù)荷開關(guān)電流變化的SOE信息幀給對應(yīng)裝置，與相鄰車站FTU對應(yīng)的裝置經(jīng)過兩兩比較，由短路故障定位原理，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(fù)荷開關(guān)，隔離故障區(qū)間。裝置i判斷線路上的相間短路故障時的判斷過程如圖6所示。

2.3.2 單相接地故障定位算法

裝置i可知供電方向，若自閉線或貫通線發(fā)生單相接地故障時，供電端的出線斷路器不跳閘，每一個裝置都會知道每個相鄰車站區(qū)間的零序電流之差[8]，其定位算法的實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）裝置i通過通信通道提取流經(jīng)對應(yīng)車站負(fù)荷開關(guān)的零序電流I觶0i，包括幅值和相位。

2）裝置i采集的零序電流I觶0i是否與零序電流容限是否有≥，若是，則啟動單相接地故障定位算法的程序。

6）那么故障區(qū)間為第K個區(qū)間。

在線路上發(fā)生單相接地故障時，所有出線的電容電流之和等于故障點(diǎn)電流，這個電流比短路故障時的過電流要小得多，不會引起供電端的出線斷路器跳閘，故車站FTU也不會對該電容電流發(fā)出報警信號，只可采集流經(jīng)開關(guān)的零序電流，并將含有零序電流的報文上傳給裝置其故障判定的流程如圖7所示。

3 結(jié)語

研制的鐵路10 kV自閉及貫通線故障定位與隔離裝置通過MOVX公司的I/O模塊采集供電臂兩端出線斷路器的開關(guān)位置來確定供電方向，考慮到鐵路局信息處給每一供電段站段FTU和變電站都分配了唯一的IP地址，采用以太網(wǎng)技術(shù)對車站FTU進(jìn)行IP訪問，對車站負(fù)荷開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，采集其對應(yīng)負(fù)荷開關(guān)遙信報文與SOE報文，對故障區(qū)間的分析判斷和執(zhí)行自動操作功能，完成鐵路10 kV自閉及貫通線故障的定位與自動隔離，完善現(xiàn)有的鐵路電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)?，F(xiàn)場運(yùn)行表明裝置與車站FTU通過以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)裝置與車站FTU之間的網(wǎng)絡(luò)通信連接，取代傳統(tǒng)串行通信或現(xiàn)場總線方式，不僅提高了通信的傳輸速率，而且其靈活性和可靠性也優(yōu)越得多。

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