李强，王琳，王勇科，刘芮衫

（1.西安铁路局安康供电段，陕西安康 725200；2.西安铁路局供电处，陕西西安 710054；3.西安理工大学水电学院，陕西西安 710054）

在铁路10 kV电力线路上，主备供配电所出线开关保护的运行定值设定可以有几种运行方式：备自投-重合闸（重合闸-备自投）方式、单备自投方式和单重合闸方式。在备自投工作方式下如图1所示，正常运行情况下，10 kV馈线出线断路器DL1和DL4闭合，DL2、DL3断开，自闭贯通线路在供电区间采用双向电源供电方式，二者供电方向相反，互为备用，此时自闭线和贯通线供电馈线分别只有一个配电所单向供电。

图1 自闭及贯通线路单链供电模式Fig.1 Single power supply mode of the auto-blocked and run-through line

短路故障情况下，当贯通线发生故障时，保护先动作，出现断路器DL4跳闸，断开过电流，若是瞬时故障（发生在高压线路上90%的故障都是瞬时故障），经过整定时间，备送所甲检测到线路失压，直接进行备自投，故障消失，供电正常，这时贯通线的供电方向与原先的方向相反；对于发生的永久性故障，备自投失败后，全线失电，此时只有一条自闭线单向单电源向信号机供电，供电可靠性降低，难以满足铁路运输高可靠性的要求。铁路工人进行沿线查找，将该供电区间内的所有负荷开关断开，再沿着乙所贯通出线依次合上负荷开关和断路器，当合于故障时，断路器再次跳闸，由此判断出故障区间，从而断开与其相连的开关，隔离故障区间，合上正常区段的负荷开关以及变电所出线断路器DL1和DL3，此时甲、乙两个变电所均同时向贯通线路供电，这时贯通线上的供电电源有两个，其供电模式即为双链模式。

如图2所示，虽然找出故障了区段，但这种人工排查的方式费时费力，这种工作运行模式也称为单备自投模式。

图2 贯通线路双链供电模式Fig.2 Dual power supply mode of the run-through line

在进行备自投时，可利用负荷开关的过电流次数来判断故障区间，若合于永久性故障将会使线路再次受到过电流的冲击，严重影响线路的安全运行。本文提出的相间短路故障定位算法是由流经过电流的车站开关FTU向装置上传的SOE报文，通过相邻装置的两两比较，根据短路故障定位原理，完成对故障区段的分析判断和执行自动操作功能；对于单相接地故障，本文利用相邻两个车站开关的零序电流之差，进行故障定位，完成了铁路10 kV自闭及贯通线路故障的定位与隔离。

1 铁路10 kV自闭及贯通线路故障定位原理

铁路配电自动化系统主要由每个供电段的变电站RTU、车站负荷开关FTU、供电段调度中心、通信网络组成，装置与已有的铁路配电自动化系统[1-3]结构关系如图3所示。

常规的铁路配电SCADA功能，主要包括车站FTU数据的采集（遥测YC、遥信YX），报警、事件顺序记录SOE等功能。遥信主要是对负荷开关的当前位，在两端出线断路器处增设I/O模块，用来采集出线断路器的开关状态，就可以判断故障电流方向，在扩展现有的铁路调度系统的功能，在不改变调度主站资源的前提下，从通信通道中提取SOE报文和负荷开关的零序电流信息，来完成故障的定位与隔离。

图3 装置与已有的铁路配电自动化系统结构关系Fig.3 Structure of device and the existing railway power distribution automation system

由图3可知，装置与车站FTU一一对应，并且第一个和最后一个装置还要通过MOVX公司的I/O模块采集出线断路器的开关状态。将铁路馈线上的出线断路器，负荷开关当作节点依次进行编号，出线断路器的编号为S0和S15，假设中间共有n（3≤n≤10）个车站，即共有n个节点，装置的编号只是为了方便下面的说明而采取从左向右依次由小到大编号的，但在实际运行时并未对装置进行编号，只是根据设置参数时给其分配的IP地址的不同来区分，进行IP访问[4-5]的。

由于铁路局信息处给每个接入网络的接入点，如给配电所和车站FTU都分配一个唯一的IP地址，使所有的接入点能被一一识别，故装置通过IP访问就能与其所对应的车站FTU建立通信连接，提取车站FTU对远方车站负荷开关采集到的遥信量和过电流信息。第一个装置和最后一个装置需要每隔一秒采集出线断路器的I/O模块，来确定其开关状态是合闸还是分闸，从而判断供电方向。

2 短路故障定位算法

2.1 供电方向的确定

由主站通过监测供电区间两端变电所出线断路器的状态，自动识别该区间的供电方向。

I/O模块采集变电所出线断路器开关状态，两端I/O模块的IP地址就是两端变电所提供的固定IP地址。通过设置两端装置上I/O模块的IP地址参数，装置与I/O模块就可建立通信连接，采集对应出线断路器的开关量。在正常情况下，装置与装置之间的信息流向如图4所示。

图4 正常运行时装置与装置信息流向示意图Fig.4 Information flow diagram between device and device

这样每个装置都知道别的装置对应自闭线或贯通线上车站负荷开关信息以及两端出线断路器的开关状态，可以用来判断自闭线或贯通线是单向电源供电还是双向电源供电。

2.2 短路故障定位原理

相间短路故障采用过电流检测原理。发生短路故障时，若开关经历了过电流，车站高压负荷开关对应FTU将会上传电流变化的SOE（Sequence Of Event，事件顺序记录）信息帧给对应装置，相邻车站FTU对应的装置经过两两比较，由短路故障定位原理，故障区间两端的开关必定一个经历了故障电流，而另一个未经历故障电流，判断出故障区间，同时发出报警信号，发送遥控命令，断开故障区间两端负荷开关，隔离故障区间。

2.3 短路故障定位算法

甲、乙变电所之间有n个车站，车站负荷开关分别编号为1、2、…、n，对应装置也分别编号为装置1、装置2、…、装置i、…、装置n。将线路分成n-1个区间。装置与车站FTU之间，装置与装置之间、装置与I/O模块之间的通信都基于具备完善网络通信功能的以太网通信网络，采用以太网络TCP协议进行传输。TCP/IP协议采用客户（client）/服务器（server）模型，把车站FTU作为服务器端，即从站，装置作为客户端，即为主站。每个装置与所属车站FTU建立通信连接，装置与装置之间也建立通信连接，相互进行通信。

如图5所示，对应为装置上的1线，甲变电所的贯通母线向乙变电所供电。I/O模块采集甲变电所出线断路器S0开关状态，为闭合，并将该开关量信息上传给装置1，装置n与乙变电所出线断路器S15的I/O模块建立通信连接，采集出线断路器的开关状态信息，为分。I/O模块的IP地址就是两端变电所的固定IP地址。此时根据图4所示的信息流向可知，每个装置都可知供电方向是自西向东的。

图6是简化了铁路馈线一段贯通线正常情况下单链运行模式图，此时线路若发生短路故障，则有以下判定过程。

图5 正常情况下一段贯通线单链运行模式简图Fig.5 Diagram of single power supply run-through line in normal operation

图6 正常情况下一段自闭线单链运行模式示意图Fig.6 Diagram of single power supply auto-blocked line in normal operation

1）若装置i能检测到出线断路器的开关量由1变为0，且装置未收到其对应FTU发来的SOE信息帧，那么装置i对应的车站负荷开关位于供电首端，故障发生在出线断路器S0到其相邻车站开关S1之间，此时出线断路器S0已经跳闸。

2）若装置i接收到车站开关i的FTU上报的SOE信息帧，说明有过流信息；若装置i未接收到车站开关i的FTU上报的SOE信息帧，说明开关i未流过过电流。由于短路故障时，信息的传递是逆着供电方向传递的，故通过程序可实现装置2是装置1的邻站，即装置2作为服务器，装置1为客户端；同理，装置3是装置2的邻站；那么装置i是装置i-1的邻站。如果装置i-1也收到邻站装置i发来的SOE信息帧，根据短路故障定位算法：故障区间两端的开关必定一个经历了故障电流，而另一个未经历故障电流。装置i-1和装置i经过两两比较判断，此时可以判断故障不在区间i和i-1之间；如果装置i-1没收到邻站装置i发来的SOE帧，则无过流信息，经过比较，此时可以确定故障发生在贯通线区间（i-1，i）之间，此时负荷开关i不在供电段的两端（i大于等于2）。

3）若装置i对应的车站负荷开关过电流，且装置i是与I/O模块连接着的，对应的出线断路器的状态并未改发生变，则故障发生在供电末梢车站负荷开关Sn与出线断路器S15之间时，此时贯通线全线负荷开关都过电流。

这样，可对短路故障发生的位置进行准确定位，分别是出线断路器与其相邻车站高压负荷开关之间，车站与车站的高压负荷开关之间，还有一种是馈线末梢。

同理，若短路故障发生在自闭线上，其判定方法与贯通线一致。如图6所示，以铁路配电线路上一段自闭线为例，对应为装置的2线。

乙变电所的自闭母线向甲变电所供电，此时出线断路器S15为合闸状态，S0为分闸状态，如图6所示。I/O模块采集乙变电所出线断路器开关状态，为闭合，并将该开关量信息上传给装置n，装置1与甲变电所出线断路器的I/O模块建立通信连接，采集出线断路器的开关状态信息为分。I/O模块的IP地址就是两端变电所提供的固定IP地址。此时根据图4所示信息流向可知，每个装置都可知供电方向自东向西。

如图7所示，在开关4和开关5之间已经存在短路故障，铁路工人正在进行停电检修，故断开了开关4和5，此时开关4和5之间的信号机只有一条自闭线为其供电。此时两端装置检测到两端配电所的出线断路器都处于合闸状态，甲变电所的贯通线自西向东供电，供电范围为甲所到贯通线车站负荷开关S3，乙变电所的贯通线自东向西供电，供电范围为乙所到贯通线车站负荷开关S6。此时每一个装置的信息流向如图7所示，每一个装置都知道贯通线的供电方向是双向的，车站负荷开关4和5处于分闸状态，由于中间有一小段供电区间两端的负荷开关是断开的，此时可以将该供电段上的贯通线看成是两条独立供电的子贯通线，运行模式是单链模式，任一条子贯通线发生故障时，都不影响另一条的运行状态，故障定位过程可以找单链模式下的贯通线路故障定位方法进行故障查找。只是此时，由于中间有一段供电区间是停电的，故障影响供电的故障位置只有两种，一种是出线断路器与其相邻车站高压负荷开关之间，一种是车站与车站的高压负荷开关之间。

同理，自闭线若以双链模式运行时，故障定位过程也如自闭线单链运行时故障定位方法相同，只是此时，由于中间有一段供电区间是停电的，故障影响供电的故障位置只有两种，一种是出线断路器与其相邻车站高压负荷开关之间，一种是车站与车站的高压负荷开关之间。

图7 一段贯通线双链模式运行Fig.7 Diagram of dual power supply run-through line

3 故障隔离方法

相间短路故障分为瞬时性故障和永久性故障，对于瞬时性故障，装置只会显示出故障定位信息，值班人员记录并提供信息给巡线工人；而对于永久性故障在给出故障位置后，可以进行遥控断开故障区间两侧的负荷开关，报告调度中心，由调度中心对供电段两端的出线断路器发出合闸命令，分段向非故障线路供电。

通过提取车站FTU向调度主站发送的SOE报文，启动相间短路故障判定程序，一旦装置在通信信道提取到了SOE报文，装置经过两两比较，实现故障的定位。

当线路发生永久性故障后，经过备自投，全线处于失电状态，装置经过短路故障定位算法后，确定了故障位置，若故障发生在供电首端，即主供端的出线断路器和相邻车站负荷开关之间，此时出线断路器处于分闸位置，故只需要向故障间的负荷开关发出分闸的遥控命令；若故障发生在供电的末端，也只需要断开线路末端的负荷开关；若故障发生在线路中间，这时就需要向故障区间两端的负荷开关FTU发出分闸遥控命令，远程实现负荷开关的分闸，这样就隔离了故障区间。装置此时将故障定位信息上传给铁路调度中心，经过后台程序分析判断后，调度中心对该故障线路两端的出线断路器发出合闸命令，这样分段向非故障线段供电。

4 结语

提出了铁路10 kV自闭及贯通线路故障点自动隔离方法。在现有主站资源下，线路故障自动隔离装置与每一个终端RTU都一对一地建立连接，装置接收RTU上传的遥测和SOE报文，提取出故障电流信息，利用故障判断原理进行分析，判断出故障区段，然后发出遥控命令，将故障区段自动切除，自动恢复非故障区段的供电，大大地缩短线路故障查找、维修和恢复供电的时间。该装置操作简单，且判断故障可靠性高，提高了供电可靠性和自动化管理水平。

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