0、引言

朔黄铁路西起山西省神池县，东至河北省黄骅港，全长近600公里，是由神华集团控股、铁道部和河北省共同出资建设的双线电气化铁路，是我国西煤东运的第二条大通道。2012年煤炭运量1.97亿吨，预计2013年运量达2.34亿吨。根据国家能源需求和神华集团发展战略，朔黄铁路实施了3.5亿吨扩能改造工程，为适应开行2万吨列车的需要，目前正在进行铁路专用移动通信系统（LTE-R）工程的建设。充分利用LTE-R的数据传输通道，实现10Kv电力贯通（自闭）线路故障的快速查找与排除，对于提高其供电可靠性，保证正常的运输秩序具有十分重要的意义。

1、10KV电力贯通（自闭）线路的特点

铁路10kv电力贯通（自闭）线路承担着除牵引供电以外所有铁路负荷的供电任务，包括信号系统、通信系统、生产、车站、供水系统以及生活等铁路用电负荷，其供电可靠性直接影响铁路运输的安全。

铁路10kv电力贯通线路现场应用有其特殊性，主要体现在以下几个方面：

1.1、运输生产对其供电可靠性要求高。

铁路10kv电力贯通（自闭）线路虽然电压等级较低，但对供电可靠性的要求却非常高，其所带负荷自动闭塞信号电源要求不间断供电，否则，将会导致供电区间的自动闭塞信号灯变为红灯。LTE-R移动通信网络失去电源，将使基于LTE-R移动通信网络的2万吨列车同步操纵系统不能正常工作，对正常的铁路运输造成极其严重的后果。

1.2、线路周围环境复杂，易发生故障。

铁路10kv电力贯通（自闭）线路虽然对运输生产起着重要的作用,但并不是像接触网线路一样在铁路路基上分布,而是在铁路两侧随地形分布，其线路路径周围环境十分复杂, 多处山区、旷野，供电点多且分散、供电臂长，树木侵害，交叉跨越多，加之绝缘等级低，抗雷水平低，易发生树害、雷害等各类故障。比如朔黄铁路小觉—西柏坡10kv电力贯通线，线路全长约48km，有348个电杆基位，线路基本分布在大山里，像白家庄中大桥、古月隧道等线路桥梁和隧道有34座之多，而电力贯通线路只能在铁路附近随地形分布在河槽、大山中，有的因地形限制，距离铁路线路达四五千米，环境非常复杂。

1.3、故障切除困难、时间长。

铁路10kv电力线路发生故障时，故障查找困难，人力、物力消耗大，时间长，主要因为：

1.3.1、没有快速的故障切除系统。故障切除全部靠人工在约50km的范围内来回拉合开关、巡视线路、登杆检查。

1.3.2、电线路长、交通困难。铁路10kv电力贯通线路每个供电臂都长约50km，线路在野外分布，远离城市及工作场所、地理环境复杂、交通道路不便。

1.3.3、恶劣天气影响。铁路10kv电力贯通线路发生故障时，往往都是大风、雷雨、大雪等恶劣天气，在不考虑雨雪等恶劣天气、山区交通困难等条件下，往往也需很长时间才能找到故障点，恶劣天气则往往需要一两天时间。

1.3.4、故障特征不明显。除树害、断线故障特征明显外，许多故障是隐性故障，如瓷瓶绝缘降低、电缆击穿等，这时必须逐个登杆检查，查找时间则更长。

综上所述，铁路10kv电力贯通线路的供电性质决定了其重要性，供电特点及分布决定了其易发生故障，同时也决定了其故障查找的难度。

2、现有故障查找方法

2.1、 人工查找法

铁路对10Kv电力贯通（自闭）线路的故障切除及恢复方式主要是依靠人工二分之一试送法依次进行试送操作，直到找到故障点为止，这是我国铁路10Kv电力贯通（自闭）线目前最普遍的故障处理方式。

以朔黄铁路小觉—西柏坡为例，如图1所示电力线路（线路中标出几个主要的隔离开关）：

假设在K点发生故障，则

（1）查找故障人员需要到温塘站，断开246隔离开关，两边配电所分别试送，此时西柏坡变电所合闸成功，小觉变电所保护动作跳闸，确定故障在小觉变电所—246号之间；

（2）查找故障人员一部分留在246号，另一部分则须到古月站断开152隔离开关，分别由小觉变电所和246号隔开合闸试送，此时246合闸成功，小觉变电所保护动作跳闸，确定故障区间在小觉变电所—152之间；

（3）断开98隔离开关，合152，西柏坡跳闸，确定故障在98-152之间。

这种方式的缺点很多：

（1）人力、物力、时间消耗巨大。

铁路线长、点多，很多区段地形复杂。一旦电力线路出现故障，查找故障人员就要在整个供电臂之间来回拉合试验，花费大量的人力物力，且恢复供电的时间长，特别是山区交通不便或天气恶劣的情况下，查找切除故障区段尤为困难，难以适应现代铁路运输的要求。

（2）对系统和用户冲击大。

线路出现故障后，为了提高供电可靠性，一般要求主供所进行一次三相自动重合，或由备供所进行备自投，此时如果故障是永久性故障，则对系统已经造成了二次冲击。而在紧接下来的故障查找中，又要进行多次试送，才能查找到故障区间，对系统和用户造成多次冲击，严重时会造成系统振荡。

（3）对硬件设备使用寿命造成重大损伤。

传统的故障查找方式还会使配电所断路器连续多次分断故障电流，工作条件恶化，电使用寿命急剧缩短（真空断路器的额定短路电流开断次数为30次）；故障点设备和故障点所在供电臂经受若干次的短路电流，由于短路电流的电动力及发热、电弧破坏，容易造成事故面的扩大，引起供电臂其它绝缘薄弱设备（如变压器、电缆头等）新的损坏；线路隔离开关试送瞬间，本无分断负荷能力的开关要承受短路电流的冲击，容易引起开关触头电弧烧损等。

（4）不利于瞬时性故障的预防。

瞬时性故障在配电所进行一次三相重合或备自投时因其绝缘恢复而恢复供电。维护人员由于不能确定故障区间，所以只能对整个供电臂进行全面巡视，属于盲目性的大面积巡视，无任何针对性。所以效果一般都非常差，时间及人力浪费严重。这样，对预防类似故障或同一故障的能力就非常弱，甚至经常出现一个供电臂连续几次跳闸而找不到原因的情况，给供电系统留下安全隐患。

2.2、 故障指示器及故障定位系统

故障指示器安装在架空线、电力电缆上，通过检测故障电流指示故障所在的出线、分支和区段。线路发生故障后，巡检人员可借助指示器的报警指示，迅速确定故障区段，并找出故障点。带通信的故障指示器，可实现故障信号的远传和故障定位，构成故障定位系统。该系统解决了人工重合试送对电网的冲击，但是，检修维护人员需要去现场隔离定位的故障区间，对于及时切除故障区间、并恢复系统供电仍然未能提出彻底的解决方案。

2.3、 基于GPRS的故障处理及远程控制系统

该系统利用GPRS(通用无线分组业务)信号，实现了对沿线各站点的实时监测与远程控制。线路故障时，依据反馈信号能够及时的判断故障区间，并隔离该区间。但是，由于GPRS为无线运营商（联通、移动、电信）提供的服务，对于山区等信号盲点，无法实现信号监测与反馈功能，并且运营商的设备故障对系统的稳定运行产生一定的影响。

3、基于LTE—R的铁路10KV供电线路故障诊断及恢复系统

本系统在对各站点进行实时监控的同时，利用基于LTE技术的无线网络，实现了对整个长大线路的无盲点监视，同时后备电源的无缝切换，保证了无线网络的稳定运行，为供电线路故障诊断与恢复系统的数据链路提供稳定的通道。

3.1、 系统基本原理

10Kv贯通线路如图2所示。配电所A为主供所，配电所B为备供所，供电臂间带有4台为铁路信号和LTE无线网络提供电源的变压器。本系统在变压器的线路两端分别加装10kv真空开关（1—8），在真空开关的下方安装监测控制终端设备（1—8）。假设线路K点发生短路故障时，配电所A跳闸，监测终端将采集到的高压线路电流、电压瞬时突变量主动上送至调度中心（监控中心），调度中心依据各点参数的变化，自动分析判断出故障区间，并下达控制指令切除真空开关4、5，在确认开关变位后，合配电所A、B，恢复线路正常供电。

3.2、对于铁路供电线路运行方式的自适应研究

当线路出现故障时，如图2所示，配电所A在跳闸后500毫秒内进行一次重合闸，如跳闸，再隔500毫秒，备供所（配电所B）进行合闸，俗称备供所备自投。如备供所再跳闸，就认为永久性故障，不再进行动作。对于发生故障时，不同状态下参数的瞬时变化的捕捉与锁定是进行故障判别的重要前提。

监控中心在收到各监测终端送来的三组数据（初始故障数据、一次重合后的变化数据、对方所备自投后的变化数据）时，进行系统的分析判断：

3.2.1、如果初始故障发生后，一次重合后的变化数据未发生电参数突变，并且配电室的保护未发生动作，则提示该故障为瞬时性故障，指示故障区间。

3.2.2、 如果初始故障发生后，一次重合后的变化数据发生电参数突变，并且配电室的保护发生动作，对方配电所备自投的变化数据未发生电参数突变，并且配电室的保护未发生动作，则仍提示该故障为瞬时性故障，指示故障区间。

3.2.3、 如果初始故障发生后，一次重合后的变化数据发生电参数突变，并且配电室的保护发生动作，对方配电所备自投的变化数据发生电参数突变，并且配电室的保护再次发生动作，则仍提示该故障为永久性故障，指示故障区间。

3.3、基于LTE—R技术的无线网络系统与铁路供电线路故障诊断及恢复系统的交互式应用。

基于LTE—R技术的无线网络系统为铁路供电线路故障诊断及恢复系统提供稳定可靠的无线传输通道，设备监测终端与调度中心（监控中心）的数据交互全部依赖于LTE—R。LTE—R基站的供电电源全部取自铁路10Kv供电线路，铁路供电线路的稳定与否将直接对无线网络系统的可靠运行产生重要的影响。因此，设备的终端装置既依赖于LTE-R ,同时实时监测LTE-R的供电电源，一旦供电电源出现故障或者电源失电（由于10Kv线路故障或者低压电源故障），立即切除该电源，并无缝切换至备用电源。对于双回路供电线路则切换至另一回路，对于单回路供电电源则切换至设备监测终端的后备电源（蓄电池组）。如图4所示

3.4、现有调度远动系统与铁路供电线路故障诊断与恢复系统的嵌入式分析

朔黄铁路现有的调度远动系统利用光纤通讯的方式实现了对各配电室的电力运行状态的实时监测与控制，各配电室的保护动作信号、定值参数、保护功能投切、配电室开关状态、远动开关控制等都可以通过调度中心来完成。因此，调度远动系统能够为铁路供电线路故障诊断与恢复系统提供大量的数据参数，为系统的故障判别与恢复提供可靠的依据。同时，铁路供电线路故障诊断与恢复系统为调度远动系统的提供更精确的故障区段定位，并及时切除区间，恢复系统供电。具体实现如图5所示，将铁路供电线路故障诊断与恢复系统作为整个调度远动系统的子模块，嵌入调度监控中心，同时开放OPC客户服务端，允许调度远动系统与自身系统的数据交互。               

3.5、系统结构

    3.5.1、监控中心实现对各站点的数据采集，以及线路故障时各站点上送突变量的数据分析以及故障区段判别、切除，以及自动恢复供电功能；监控中心嵌入了强大的数据库，记录该站点历史事件，以及线路故障时的电参数瞬时变化的微观变化曲线，为线路故障的诊断与分析提供数据支持；调度远动系统利用开放OPC接口，可以对系统进行访问与控制。

3.5.2、无线数据承载网络采用LTE-R技术，系统由核心网EPC和无线接入网E-UTRAN构成。其中，核心网EPC主要由移动管理实体（MME）、归属签约用户服务器（HSS)、服务网关（S-GW）、分组数据网网关（P-GW)等网元组成。无线接入网E-UTRAN由LTE-R基站(eNodeB)组成。该数据专用网络实现对监控中心与电力监测终端的数据交互功能，4G的无线网络通道，保证了电力监测终端与监控中心的数据进行实时交互。

3.5.3、电力监测终端实现对供电线路的运行状态进行实时监测（监测的状态包括高压线路的两相电流、三相电压、真空开关的分合状态、储能状态、低压侧的三相电流、三相电压、低压馈出至LTE-R基站的三相电流、三相电压等）；对于各电参数的突发状态，及时主动上送数据报文；接收来自监控中心的遥测、控制指令；同时，实时监测所在站点的LTE-R基站的供电电源，实现基站电源的备自投功能。

3.5.4、 10Kv真空开关实现对高压线路的分断、联络功能。

4 结束语

    本文着重于从逻辑控制与现实应用的角度，对铁路10KV供电线路的故障诊断、故障切除以及供电自动恢复提出了可行的方法；同时，既利用了基于LTE-R技术的无线传输网络作为信号传输的通道，也为该网络的稳定运行提供了可靠的保障；第三，利用OPC将本系统嵌入调度监控中心，解决了对整个线路、配电室统一调度规划的问题。

参考文献：

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