基于无线网络的接触网故障定位及抢修辅助分析系统

2013-06-21刘小平陈进根上海铁路局杭州供电段

上海铁道增刊 2013年3期

刘小平陈进根上海铁路局杭州供电段

1 概述

牵引供电系统作为电气化铁路的关键设备，对运输安全可靠起着重要作用。接触网作为牵引供电系统的唯一无后备的部分，对牵引供电安全稳定运行起着举足轻重的作用。由于采用受电弓滑动取流，全天候运行受天气及沿线外界环境及地形影响较大，接触网发生故障基本不可避免，而大型枢纽站场接触网架构复杂，尤其带多股道分支接触网线路故障点难以查找，故障不能及时排除导致严重影响行车安全，因此线路故障后迅速而精确地进行故障精确定位，快速组织实施抢修是始终困扰牵引供电系统安全稳定运行的难题。

当发生接触网故障时，目前各牵引供电管理部门均通过牵引供电维修及生产调度指挥系统进行故障排查及抢修组织。系统一般采用供电调度集中信息管理，各工区及车间信息共享模式，实现对牵引供电的运行设备的实时状态监视和应急事故抢修决策，以实现数据采集、设备状态查询、测量、参数调节、事件报警、应用分析和故障抢修决策等任务，牵引供电维修及生产调度指挥系统（复视系统）经过多年的应用发展，技术日趋成熟，数据也不断完善，但基于数据信息的有效数据挖掘及实际利用尚待提高。目前供电段维修调度类信息包括：各站设备运行状态、设备故障信息、故障测距报告、在线监测信息，视频及环境安全监控信息等。

当接触网发生故障后，变电所馈线跳闸，维修及生产调度指挥系统通过安装在牵引变电所的故障测距装置获得有关故障位置信息，根据故障报告初步分析确定故障原因，并组织有关人员机具及时赶到现场进行故障抢修排除。针对多分支接触网线路故障，由于数据有效信息关联度低，有效数据信息少，很难确定准确故障位置，目前仍需通过富有经验的技术人员进行分析并安排多组抢修人员分赴不同地点进行故障查找，从而造成较大的人力物力浪费，且故障处置时间也很难缩短。故障排除时间的长短直接影响到供电系统送电保障和运输安全及社会影响，排除时间越长，则造成的损失越大。基于精确故障定位的快速抢修组织及策略不仅对及时修复线路和保证可靠供电至关重要，而且对铁路运输安全和经济运行都有十分重要的作用。

因此，有必要结合现有技术平台进行功能应用扩展，利用接触网分支故障定位技术实现故障快速辅助智能分析，为快速抢修提供良好的应用平台和技术基础。

2 分支接触网故障判别方案

接触网故障精确定位是快速抢修的技术基础，因此需要一方面提高故障测距准确性，另一方面实现可靠的分支接触网故障判别。接触网故障测距目前工程实际均为标准配置，且测距原理相对成熟，重点是加强基础数据准确度核查和定期根据实际故障进行参数修正，本文不做细述。针对接触网分支线路故障的区段判别，目前工程上尚未实现，需要进行研究。本文将重点分析分支接触网故障判别技术和实现方案。

根据供电系统结构特点，为了满足接触网供电的灵活性和可靠性及故障时缩小停电事故范围要求，一般接触网都设计有电气分段。电气分段分纵向分段和横向分段两大类。纵向电分段主要是电分相，横向电分段是根据股道应用所设，通过隔离开关与正线连接，大多设在站场装卸线、专用线等场合。还有通过T接方式或电连接直接与正线连接的分支线路。站场软横跨区段比较复杂，分绝缘连接和非绝缘连接，绝缘连接无须考虑，针对非绝缘连接一般按同一供电线路考虑在站场及大型枢纽供电时都要进行电气分段。接触网典型供电示意如图1。

图1 分支接触网典型供电示意

从图1可以看出，需要区分接触网分支故障的位置主要包括上网点、大型枢纽及站场，网上T接线路等，线路之间电气连接方式主要包括接触网隔离开关、电连接及直接连接。

要区分具体故障线路，就要准确获取相关线路的具体实时电气参数，即故障电流数值。既需要通过具体方式获取各分支接触网实际运行电流，当电流超过一定限值时，判断为故障并能提供告警信息。

目前国内已有单位在专用线引入点或接触网T接位置通过安装独立的断路器、负荷开关及配套的电流保护监测单元和信息远传单元实现故障区段的区分和隔离，但实现方案投资较大，只适合重要分支线路实施，不适合上网点、站场多股道等场合广泛应用。

针对既有接触网通过隔离开关连接方式，在正常状态下，隔离开关闭合，分支线路机车受电弓可带电滑行通过，当该线路接触网故障或需检修停电时，可打开对应的隔离开关将该区域接触网隔离断电，其它区域接触网不受影响可继续带电工作。因此，可利用此处的电动隔离开关引出线安装故障电流监测单元实现短路电流实时监测，当故障发生在该支路时，由安装在该支路电动隔离开关处的故障电流监测单元判断并动作，给出报警信息。

对直接上网无电动隔离开关分段的线路，可依照接触网架构特点及电气性能，在电连接或载流承力索上安装故障电流监测单元，软连接通过全部故障电流，载流承力索通过部分故障电流，可利用载流承力索和接触线分流关系合理设置故障电流定值，保证当机车正常运行时，安装的故障电流监测单元不会误动作，当发生在该支路短路故障时监测单元可靠动作报警。

由于接触网为高压线路，且有一定设备限界要求，因此，故障报警应通过无线方式将短路电流信息就近传送到当地分析处理单元，再由通信网络传送到远程监测主机，实现故障信息分析、显示和报警。

供电维护管理及抢修人员则可依照馈线故障测距结果和该报警信息进行关联决策，从而精确判断实际故障位置，为快速抢修提供依据。

3 系统硬软件构成及组网

依据分支接触网故障判别方案，要实现准确故障判别，必须区分故障线路，这就需要安装故障电流监测单元，故障电流监测单元需要固定在电连接或承力索等高压导线上，所以必须采用高压等电位安装方式，供电电源不能通过外部提供，通信也必须采用无线模式。

电流采集一般采用钳型霍尔传感模式，即采集单元将导线穿过钳型霍尔传感器，被测导线为一次主线圈，当有电流通过时，传感器铁芯感应磁场，铁芯上缠绕的二次线圈感应与导线电流成比例的二次电流，通过放大后进入A/D采集回路，智能采集单元采样后与设定定值进行比较，当电流增量超过设定值且满足时间条件，则发出故障告警信息，通过无线发射器发出。故障电流采集单元供电采用微太阳能电池结合涡流取电技术为内置锂电池供电。

由于枢纽站场区分支线路多，故障电流监测单元每条支路都需要安装，无线通信管理单元采用一对多设置，即在站场咽喉区接触网支柱上设置一台无线通信管理单元，与该区域设置的多台故障电流监测单元实时通信，定时巡检各单元的运行状况并可实时接收故障监测单元上送故障信号，通过GSM网络远传故障信息。无线通信管理单元供电可采用太阳能电池板结合蓄电池方式，无需进行电缆敷设。远方监控主机可以单独设置也可在既有供电复视终端或维修及生产调度指挥系统上功能扩展实现。辅助分析工作站与供电段复视系统通过以太网连接，网络结构采用总线型结构，采用TCP/IP协议，传输媒介采用高品质的超5类双绞线，通信速率1000/100 Mbps。各工区的事故抢修通过OA自动化办公网络实现信息的接收。现场人员可通过手持无线智能终端接入网络。

故障抢修决策辅助分析软件需要和既有复视系统软件有机交互信息，获取故障报告和故障测距报文信息。软件符合网络化应用要求，形成供电段（调度）、工区、现场手持终端三级无缝连接，支持广域的分布部署能力，从而能够建立、部署和维护灵活、安全的信息共享及图像、语音、文字的互相传递。故障分析信息、接触网数据库与电子地图有机结合，当发生故障后可快速在电子地图上显示实际故障位置和接触网杆号对照信息，并给出最优抢修路线、最近工区及相关负责人联系信息，满足快速故障抢修决策的基础信息要求。当抢修人员到达现场后，可以通过手持3G图文终端设备与指挥人员及时联络，提供现场实际状况信息，便于调度指挥人员直观了解现场实际情况和做出科学合理决策。

系统总体组网示意如图2。

图2 分支接触网故障定位辅助分析系统组网

4 工程应用

基于无线网络的接触网故障定位辅助分析系统主要可以实现以下应用：

（1）接触网网络故障电流分析

线路资料建立数据库，首先将线路有关参数录入数据库。当线路发生短路故障时，可通过及时获取的故障测距装置数据自动形成供电臂网孔电流分布及短路示意图，并直观显示具体故障位置，当配置站场及枢纽区故障精确定位辅助设备后，可通过测距报告及故障区段精确定位信息准确确定线路实际故障位置，自动分析计算并弹出直观的供电臂电流分布画面及故障详细分析结果，指导下一步事故判断及抢修决策。

（2）故障短路点的可视画面监控

在给定供电臂故障确定界面里，当故障所在位置附近有视频监控摄像机时，可通过安全监控工作站获取现场的视频信息，便于直观查看现场故障状况。

（3）抢修路线交通的优化指引

对确定故障点的实际地理位置进行预置电子地图检索，可及时提供到达现场的最优路线及有关附近设施信息，如桥梁、隧道、高压跨越供电线路等，并可提供最近工区、抢修材料情况、人员信息情况等信息，便于事故针对性分析及抢修人员及时到达事故现场。

（4）现场抢修与供电段指挥的双向互动

通过联网手持智能终端，可在现场与供电段调度指挥端进行双向文字、语音、图像传输，便于远程指挥及指导事故分析及抢修实施。