电气化铁路线路故障诊断系统及其应用

何海永

（中国神华神朔铁路分公司，陕西 神木719316）

0 引言

近年来，我国电气化铁路发展迅速，越来越长的电气化线路担负着越来越重的运输任务。在整个电气化铁路中，接触网是电力机车良好获取电能和安全运行的关键，它是电气化铁路一中特殊形式的供电线路，它的任务是保证对电力机车可靠的不间断的供应电能，但是接触网是电气化铁路中的薄弱环节。接触网一旦发生故障，对牵引供电系统，受电设备及整个铁路运输都会造成重大损失，现在正值电气化铁路普遍提速时期，列车快速而密集，显然故障发生后如不能及时排除，将极大影响铁路运行安全。所以研制接触网故障智能诊断技术[1-3]，对准确定位故障点。故障类型判断、缩短故障停电时间、保证铁路安全运行具有非常重要的意义。因此，实现接触网故障的智能诊断，已成为保障电气化铁路运行的一个重要课题[4-5]。

当接触网发生故障时，短路点及附近电力设备中流过的短路电流可能突变为额定电流的几倍甚至几十倍，这将对电气设备造成严重损坏。而且，接触网近空低 穿越地形复杂，长期暴露在环境恶劣的户外，并且受电力机车受电弓和机械冲击，各种尺寸结构、连接状态都处于动态变化之中，一旦发生故障，线路故障点的查找有很大难度。所以如果能快速、准确的进行故障定位[6]，就可以保证接触网的安全运行，才能面对发展高速、重载铁路的新形势，才能把电气化铁路提高到一个新水平，具有巨大的社会和经济效益。

1 电气化铁路接触网故障诊断系统的研究

1.1 传统的人工处理方式

在接触网发生故障时，传统的人工处理方式是在故障发生后，调度值班人员需要立即了解和掌握牵引网在什么时间、什么地点、发生了什么事情以及事故的发展过程、现状和几点保护及自动装置的动作情况[7]。

这种运行管理的模式是，变电所的值班人员根据保护输出的故障报告和观察到的信号，了解故障情况，再通过电话向调度人员汇报,调度人员根据汇报的问题，立刻组织相应人员赶赴现场进行抢修。

在这种情况下，调度中心与当地变电所的联系不紧密，调度端的运行人员只能靠变电所的值班人员口头汇报进行事故处理。事实证明，这种汇报认为因素多，差错率较高，信息的共享程度低，从而直接或间接的拖延了事故处理时间。调度端的技术人员并不能在第一时间得到故障信息，而更多的是在信息量并非十分充足的情况下，根据自己的知识和经验给出反事故措施的。因此，正是因为信息的准确性、完整性和实时性得不到保证，从而对准确地进行事故分析和决策造成不利影响。这种传统的人工处理方式不仅费时、费力，而且加大了线路维护人员的工作压力。

1.2 电气化铁路线路故障诊断系统

国内外对接触网的运行状态的主要监控手段有以下三种：

（1）通过接触网动态检测车对接触网的弓网配合关系进行模拟实验检测。

（2）在机车顶部安装便携式的监控设备。

（3）红外热像仪检测接触网。

这些检测技术手段对接触网的维护和检修能够提供参数和依据，但对于接触网的突发性事故却不能有效地控制。

鉴于此，本文提出一种电气化铁路线路故障诊断系统，系统主要由检测终端、通信终端、后台服务器及监控软件组成。该系统的原理是当故障发生时，检测终端把故障信息及线路的运行状态（包括电流大小、电压大小、温度等）通过无线通信的方式发送给通信终端，通信终端通过算法判断得到最终的故障信息，以GSM移动通信的方式将信息远传至室内主站的通信交换机，交换机将信息通过RS232串口发到计算机上，计算机监控软件上的接触网线路拓扑图对应的故障检测终端图标变色显示。计算机发出声音报警；监控系统可设置一个或多个手机号码，将相应的故障信息发到管理员手机上。每组检测终端有一个编码地址，用来确定具体的报警点位置，便于判断故障位置。而故障位置是在故障监测报警点之后。

本系统的设计思想是在某一区域接触网发生故障后，能在第一时间利用系统平台采集的故障信息，并进行智能化的实时处理，精确定位故障位置，从而给电网调度员提供直观故障分析结果，因此本系统的设计遵循如下的基本原则：

（1）实时性

故障发生后，数据信息的采集、传递、分析、展示能在该平台下迅速、有效、自动的完成，为调度员提供第一时间的有效决策信息，从而避免事故的扩大化，保证电网系统的安全可靠运行。

（2）准确性

采集到故障信息后，该平台能调用实用化的故障定位算法，分析出精确可靠的定位结果，这就要求定位算法的高准确性。

（3）直观性

平台的建立就是要以最快的速度，给出直观、形象的故障分析结果，提高对接触网直观认识和对故障的第一反应速度。

2 系统主要组成部分

电气化铁路线路故障诊断系统在不同的地区其管理模式不同而存在着不同的形式。有的地区设立了专门的配调中心，有的地区是地配一体化管理，因此首先要考虑系统的自适应能力。该系统主要由四大子系统组成，利用技术和管理相结合来提高供电可靠性和故障判断准确性。系统组成图如图1所示。

图1 电气化铁路线路故障诊断系统组成图

2.1 信息采集子系统

信息采集子系统，是指安装在接触网线路上的检测终端。而检测终端与服务器配合可以实现两种遥控功能：遥测、遥信。检测终端在遥测方面的主要功能是采集并传送电力系统运行的实时参数，如母线电压、系统中的线路电流等，检测终端在遥信方面的主要功能是采集并传送电力系统中线路的负荷电流、故障电流、对地电场等信息。

2.2 信息传输子系统

由于电气化铁路线路故障诊断系统中的服务器和检测终端之间一般都有较远的距离，因而信息传输子系统也是一个重要的子系统。信息传输子系统，按其通信距离的不同，可分为短距离射频传输系统和GSM公网传输系统两类。

对于短距离射频传输系统（其调制方式采用FSK、GFSK等），检测终端输出的数字信号必须经过调制（数字调频、数字调相）后才能传输。射频传输系统的质量指标可用其衰耗-频率特性，相移-领率特性、信噪比等来反映，它们都将影响到远动数据的误码串。

对于GSM公网传输系统，其采用现有的公网信号：移动、联通、电信等基站信号，其传输路径可通过GSM短信方式或GPRS网络通信的方式实现。

2.3 信息的收集、处理和控制子系统

接触网系统往往线路繁杂，一般都会跨几个地区、具有许多牵引变电站，为了实现对某一个地区整个电网的监视，需要收集分散在各个变电站的实时信息，对这些信息进行分析和处理，并将分析和处理的结果显示给调度员或产生输出命令对系统进行监控。

3 电气化铁路线路故障诊断系统研究的几个关键技术

电气化铁路线路故障诊断系统是一种新型的接触网故障检测技术，该系统在研发过程中有几个关键技术需要解决[8]。

3.1 故障检测技术

故障检测技术是基于电力线传感器技术的一种，包含基于材料科学技术的敏感元件和基于电子技术和计算机技术的传感器电路，我们主要从传感技术及算法处理两个方面，开展故障检测技术应用的基础研究。

故障检测终端分别挂接在铁路接触网的承力索、加强线和回流线上，通过电磁感应把接触网线路的大电流信号的输出幅度与接触网的在线电流，以及输出频率与在线电流频率相等的小电流波形至信号处理电路。信号经过处理之后，输入到一个有源的二阶低通滤波电路中，滤除电网中由于各种负载而产生的高频分量，仅对低频的稳态分量进行处理，低频分量输出至微处理器的ADC（模拟-数字-转换器）脚，转化为高精度的数字量。微处理器以实时采样的方式进行一次AD采集，一个周波20ms内能采集到12个有效点。通过FFT算法将12个有效点计算出一个周波的电流大小，再由软件算法来进行故障的分析和判别[9－10]。

由于铁路接触网线路运行的方式不同，一般接地故障有：永久接地、断续接地、短时接地等。针对这些接地故障，本文提出电流突变法和过流速断定值法这两种算法。突变电流和速断定值法均可实现远程设置。

电流突变法：

（1）电流突变：当负荷电流小于等于IL时，突变电流≥ΔI；当负荷电流大于IL时，ΔI≥1/2*IL。（IL、ΔI均可远程设置）

IL参数：正常负荷设定值（可远程设置）

ΔI参数：突变电流（可远程设置）

（2）线路“停电”（无流无压）时间：≤10S 这里的停电需特殊说明：由于接触网线路在无机车运行时，线路电流也会为0，不能单一采用电流判据做判断。因此我们加入电场感应测量，测量故障电流突变后的电场是否下降。

过流速断定值法：

（1）当线路电流ffgt;Iset(速断值)且过流持续时间大于Tset（过流延时）

（2）当前线路电场Ek有下降超过正常运行电场En的50%或者母线PT监测终端有监测到线路电压下降。

3.2 通信技术

本系统故障检测器和通信终端之间采用433MHz双向通信，通信终端与主站系统之间采用GSM移动网络方式进行无线通信。在监控后台可随时查询线路电流信息，以此达到监控整个接触网的实时运行状态。

3.3 供电低功耗技术

本系统的检测终端是实时在线监测，不间断检测线路的运行电流，精确到毫秒级的，所以与不是实时性的检测方式相比电流的消耗是有所增加。因此在检测终端上采用太阳能取电和锂亚电池供电相结合的供电方式。在有太阳的时候，当太阳能获取的电足够使检测终端正常运行，那么检测终端将自动切换到太阳能取电方式；在没有太阳的时候，那么就使用锂亚电池供电。通过多种获取电能的方式相结合，来保证故障检测终端的供电可靠性及设备适应寿命。

在通信终端部分，电源电路由蓄电池和太阳能电池结合的方式为通信终端野外工作提供一个稳定的电源供应。保证了在环境恶劣的情况下，通信终端也可以正常运行一段时间。通信终端设置了自检、参数修改功能，当检测终端和通信终端电池低压时，会自动把电池低压信息反馈到后台监控中心，使维护人员能及时地更换。

3.4 数据处理技术

监控中心软件数据处理技术是该系统的关键技术之一，是实现自动化、无人值守的关键。数据处理包括：数据采集、数据存储、数据编辑、数据计算、关系操作、查询视图等。软件系统采用微软公司的数据库管理系统SQL Server来存储数据。以Transact-SQL作为它的数据库查询和编程语言。T-SQL是结构化查询语言SQL的一种，它是SQL Server的核心，Transact-SQL强化了原有的SQL通过关键字来进行数据的存取，储存及处理等功能。从后台数据采集到图形区的线路监测、编辑、短信报警、语音报警的处理流程都采用多线程控制技术。

4 电气化铁路线路故障诊断系统的应用

目前在国内，随着京津线、武广线、郑西线、京沪线等高速铁路的相机开通运营，国内高速铁路发展和高速铁路安全备受全社会关注。尤其是接触网一旦发生供电事故、故障，将会导致动车组停车，会严重干扰正常运输秩序，从而造成不良的社会影响。因此，实现接触网故障的精确定位，对于快速排出故障，缩短故障抢修时间，减小不良社会影响具有十分重要的意义[11－12]。

4.1 工程案例

神朔铁路西起陕西神木县大柳塔镇，东至山西朔州市，中间从山西神池县与朔黄铁路接轨，是双线电气化一级铁路，全长278km，大柳塔至神池南为双线全自动闭塞，双线长216km，是我国西煤东运的第二通道。神朔线牵引供电系统年运量为9000万吨。全线自西向东分设神木北、新城川、府谷、阴塔、神池南五座牵引变电所和若干分区所、AT所。由于线路长、跨度大，再加上环境原因、人为因素等的干扰，线路经常发生故障，且故障发生后，故障查找时间长，不能及时解决，因此给铁路部门带来巨大的经济损失。于是，中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司决定在所辖神朔铁路河西运输段安装故障检测及录波系统，在2012年5月份已经安装好了故障录波系统，先了解线路的基本电流情况，系统安装至今，使用效果良好。下面截取了部分线路故障时，返回的故障波形图。

2012年11月3日23：55：08接触网线路电流速断，重合闸失败，返回来的波形图如下图2中（第5组）、（第9组）的所示。

图2 （a）（b）接触网的承力索、加强线、以及回流线的线路电流随时间的关系

通过图2可知，在接触网出现故障后接触网的承力索、加强线以及回流线的线路电流在短时间内会迅速增加，且增加的速度不同，并以此来对出现的故障进行诊断。

5 结束语

中国经济的蓬勃发展，需要风驰电掣的电气化铁路运输。然后电气化铁路由于是通过受电弓在高速行进中的接触网滑动而取电的。这种相对高度动态接触获取电流方式极大的增加了设备状态的不可控性和不可预见性，给电气化铁路正常供电状态的保持带来了巨大的挑战。尤其是在车列不断增长，车流密度不断增大的铁路线上，一旦发生故障，造成的损失是非常巨大的。假如以前线路出现故障后需要派出5～10个巡线工人查找故障，需要6～10小时的巡线时间，总结一年5起故障的巡线时间在5～10天。而电气化铁路线路故障诊断系统[9]却能在很短的时间内准确定位故障区间，并短信通知线路维护人员，及时排除故障，大大提高了线路安全运行水平，有力地保障了线路运行的可靠性，提高了工作效率。

应用本系统，既可以减轻维护人员的劳动强度，及时掌握相关工作人员状态，又可以减少因故障而造成的损失。保守估算，每年可节约上千万的资金损失，大大提高铁路运营水平,在全行业树立先进形象，为铁路接触网的安全运行提供有力支持，有着巨大的经济效益和社会效益。实现电气化铁路接触网故障监测的社会效益十分巨大，是社会大环境对电气化铁路企业的要求，是电气化铁路企业走向竞争的必然条件，对促进国民经济发展具有重大战略意义，对国民经济重要部门、促进各个行业快速发展、创立自主电气化铁路管理品牌，引领二十一世纪电气化铁路技术发展方向，具有重要的发展意义。

［1］徐章遂，房立清,王溪武,左宪章.故障信息诊断原理及应用[M].北京：国防工业出版社,2000.

［2］黄采伦,樊晓平,陈特放.列车故障在线诊断技术及应用[M].国防工业出版社,2006.

［3］Huang Cailun,Fan Xiaoping and Chen Tefang,Online Train Fault Diagnosis Technology and Application[M].Beijing：National Defense Industry Press,2005.

［4］刘志刚,钟炜,邓云川,曲昌军.牵引变电站故障的基于模型诊断方法[J].中国电机工程学报，2010(34).

［5］Wang Yongxiang,Wang Lide and Wang Baohua.Display screens in the cabs for the fault diagnosis systems on locomotives[J].Journal of the china Railway Society,2006，28：67-70.

［6］王敏珍，李伟,王玉刚.铁路配电网自闭贯通线路故障定位系统[J].电网技术，2009(16).

［7］李夏青,鲍林栋.电气化铁路牵引变电设备运行状态综合评判模型[J].铁道学报，1994(04)

［8］胡晓悦.电气化铁路接触网管理和状态修系统的研究[J].铁道运营技术，2009(04).

［9］刘淼,石东源,杨雄平.计及电气化铁路两相交流供电系统不对称性的输电网实用故障计算方法比较研究[J].继电器，2007(08).

［10］刘淼.计及电气化铁路供电系统不对称性的电网故障计算及整定计算研究[D].华中科技大学，2007.

［11］毕天姝,倪以信,杨奇逊.人工智能技术在输电网络故障诊断中的应用述评[J].电力系统自动化，2000(02).

［12］Varma,Anil,and ICArus.Design and deployment of a case-based reasoning system for locomotive diagnostics [J].Engineering Applications of Aritificial Intelligence,1999，12，12：681－690.