CN100381319C - 铁路自闭/贯通线路故障定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路自闭/贯通线路故障定位装置，它的配电所主控单元(1)及开关站处理单元(4)上，均设有外连无线通信器(10)的数字处理模块(DSP)；配电所主控单元(1)通过信号注入源控制板(SIC)与信号注入源(3)相连；配电所主控单元(1)、开关站处理单元(4)按所处地理位置分区段，每一区段设置由若干无线节点(11)组成的无线节点局域子网(12)，无线节点(11)在自闭/贯通输电线上呈横向三相平行、纵向等距离分布。具有可靠性高，能快速、准确、自动地确定故障点等优点。

Description

铁路自闭/贯通线路故障定位装置

所属技术领域

本发明属于电力网小电流接地系统故障定位装置。

背景技术

据统计，铁路自闭/贯通线路故障中80％是单相接地故障。对于单相接地故障，由于自闭/贯通线路特殊的供电方式和系统结构，沿线不均匀的挂接负荷设备，大地阻抗的不可确定性，架空线与电缆混合线形式，以及电压、电流变换器误差等，使传统的基于稳态电量(三序电量)、暂态电量或谐波信号的测距原理方法(如阻抗、行波等)并不适用于自闭/贯通线路，中国发明专利号200410023966.3已公开的一种针对铁路自闭/贯通线进行研究的《铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法》(双端行波法)，也因未能考虑到实际应用中的诸多细节问题，而误差较大，效果不佳；国内部分水电站虽然装设了基于线路自动化系统的故障分段系统，可以自动定位短路故障和接地故障所在区段，但仍然不能给出故障点的具体位置：另外一些利用人工神经网络、专家系统等智能分析方法和手段的测距方法，还需要一段漫长的研究过程。

文献《运用重合性分段隔离开关实现10kV贯通自闭线事故的自动定位》提出了区段查找法，通过安装在馈线上具有测量和通信功能的馈线终端检测各分段开关处内的电气量，来进行故障区段的判断，实现故障区段的判断和迅速隔离，在一定程度上减小了故障影响范围，缩短了故障查找时间，但，故障电流数值较小，影响其判断结果准确性，而且它仅将故障点定位在两个分段开关之间，精度还不能满足实际的要求。

在装置方面，现阶段的故障定位产品实际应用效果普遍不佳，铁路配电网的故障测距装置目前实际投入运行的很少，并且也是沿用电力配电网的产品，没有提出针对铁路自闭贯通线路的特殊解决方案，其测量精度难以保证，误差相当大；部分装置在进行故障点查找定位时，通常使用人工手持探测器沿线查找，虽然具有一定可靠性，但耗时费力，无法适应当今自动化的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种铁路自闭/贯通线路故障定位装置，该种故障定位装置可靠性高，能快速、准确、自动地确定故障点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种铁路自闭/贯通线路故障定位装置，含有配电所主控单元、户外测量设备、信号注入源、开关站处理单元及后台信息处理计算机；配电所主控单元和开关站处理单元各自通过采集信号传输线与户外测量设备相连；配电所主控单元与信号注入源相连，通过光纤与若干开关站处理单元相连，还通过通用接口与后台信息处理计算机相连。其结构特点是：配电所主控单元及开关站处理单元上，均设有外连无线通信器的数字处理模块；配电所主控单元通过信号注入源控制板与信号注入源相连；配电所主控单元、开关站处理单元按所处地理位置分区段，每一区段设置由若干无线节点组成的无线节点局域子网，无线节点在自闭/贯通输电线上呈横向三相平行、纵向等距离分布。

本发明的工作过程为：

当铁路自闭/贯通输电线发生故障时，配电所主控单元根据户外测量设备直接传来的测量信息或根据开关站处理单元转来的户外测量设备的测量信息，判断故障类型、故障线路和故障相，如判定为永久性单相接地故障，则主控单元通过信号注入源控制板控制信号注入源向故障相注入220赫兹的检测信号，该检测信号将在接地故障处被短路接地，位于故障接地处前的该相线路上有检测信号流过，而故障接地处后的线路不会有检测信号流过。主控单元在向故障相注入检测信号的同时，通过其上的无线通信器广播通知输电线上的所有无线节点检测注入信号；配电所主控单元区段的无线节点通过无线节点局域子网传回检测结果，开关站处理单元区段的无线节点通过无线节点局域子网、开关站与配电所间的光纤通信网向配电所主控单元传回检测结果。根据检测结果，故障点定位在最远一个检测到注入信号的无线节点与最近一个不能检测到注入信号的无线节点之间，故障定位成功。

但如果一段时间内，未收到任何信息，则配电所主控单元控制信号注入源重新发送检测信号，在信号注入装置重复两次注入工作后，仍未收到任何信息时，说明输电线路极长，发生高阻接地或者定位装置某些部位发生故障。此时，配电所主控单元控制信号注入源注入-16.67(50/3)赫兹低频信号，并启动配电所主控单元与开关站处理单元的测距功能，启动信号提取及测距算法，据此获得故障点的大体位置，故障定位成功。

当铁路自闭/贯通线出现相间短路故障时，线路自身会流过短路故障大电流，无线节点自启动，将检测到短路故障大电流，并将相间短路信息传回配电所主控单元或开关站处理单元。而短路点之后(离配电所主控单元更远)的线路无大电流流过，无线节点检测不到短路大电流信息。根据检测结果，故障点定位在离配电所主控单元最远一个能检测到故障大电流的节点与最近一个不能检测到故障大电流信号的无线节点之间，故障定位成功。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果是：在配电所主控单元、开关站处理单元的控制下，由线路上的无线节点自动进行线路的单相接地故障和相间短路故障的检测，将检测结果以无线通信方式传回配电所主控单元，由配电所主控单元计算确定故障位置。较之现有的人工故障巡线发现故障，有线通信方式传输故障信息，具有自动、快速、高效、故障点定位准确、高可靠性等优点。

上述的无线节点局域子网中的无线节点使用单向中继传输方式上传数据。这样较之双向中继传输及直接传输方式，无线节点的上传信息量少、干扰小、鲁棒性好、能耗低。

上述的非接触式信号检测器由感应线圈及感应线圈上连接的三个选频电路及单片机组成，三个选频电路分别为220赫兹的注入信号选频电路、50赫兹短路大电流选频电路和50赫兹工频供电选频电路。

220赫兹的注入信号选频电路能够选择性的检测出信号注入源的检测信号，使本发明单相接地故障检测更准确、有效；50赫兹短路大电流选频电路能够选择性的检测出短路故障大电流，则使本发明相间短路故障检测更准确、有效；50赫兹工频供电选频电路提供无线节点的工作电源，常规状态下无需另配电源，既使硬件结构简单，又适合铁路沿线长期野外工作的需要，保证本发明的工作可靠性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构示意图。

图2为本发明实施例的无线节点的结构示意图。

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式为：一种铁路自闭/贯通线路故障定位装置，含有配电所主控单元1、户外测量设备2、信号注入源3、开关站处理单元4及后台信息处理计算机5；配电所主控单元和开关站处理单元各自通过采集信号传输线6与户外测量设备2相连；配电所主控单元1与信号注入源3相连，通过光纤8与若干开关站处理单元4相连，还通过通用接口与后台信息处理计算机5相连。

配电所主控单元1及开关站处理单元4上，均设有外连无线通信器10的数字处理模块DSP；配电所主控单元1通过信号注入源控制板SIC与信号注入源3相连；配电所主控单元1、开关站处理单元4按所处地理位置分区段，每一区段设置由若干无线节点11组成的无线节点局域子网12，无线节点11在自闭/贯通输电线上呈横向三相平行、纵向等距离分布。

无线节点局域子网12中的无线节点11使用单向中继传输方式上传数据。

更具体而言：

配电所主控单元1及各开关站处理单元4分别与对应区段内的无线节点11组成若干个无线局域子网12，分别以配电所主控单元1或开关站处理单元4的无线通信器10作为终节点，区段内各无线节点11检测并生成信息通过无线通信实现向配电所方向单向中继通信上传，进而经由开关站处理单元4与配电所主控单元1组成的光纤网络向配电所主控单元1汇集，实现基本的故障定位任务，同时经由通用接口将实时信息上传至配电所后台计算机5，并由后台计算机5的故障处理软件实现更完善地一系列功能。

根据线路中配电所及开关站的总个数相应组成多个子网络区域，每个子网络中，以配电所或开关站无线通信器10为终节点，线路上每隔一定距离布置一组横向三相平行、纵向等距离的无线节点11。每个子网12为一链状网络，保证节点在传输数据上的失效概率很小，满足故障定位可靠性的需求；本发明在布置节点11时，可将节点11地址编号严格按地理拓扑位置编号排序，由地址编号即可知无线节点11与配电所或开关站的距离；各子网12通过配电所与开关站之间的光纤8通信网络上传数据，各子网12之间不再进行无线联网通信。

采用横向三相平行、纵向等距离的无线节点11成组布置方式时，当无线节点11出现下列失效情况时，也能保证完成故障定位任务。

第一，当节点11前向三个节点11中失效1～2个并不会影响故障定位的实现，所剩1～2个有效节点11可分担失效节点11的工作，代替其实现中继上传信息作用。

第二，配电所主控单元通过对各无线局域子网12内无线节点11上传信息及各开关站处理单元4所检测信息的综合处理，可实现“伪故障点”的识别。假如非故障区段一组或几组节点11全部失效，则此区段该组节点11之后所有节点11信息均无法上传到终节点，该无线局域子网12有可能根据这些信息误判出故障点(“伪故障点”)，此时，配电所通过对各开关站上传数据进行融合处理，如发现此区段之后的开关站单元4或无线节点11仍旧能检测到所注信号，则表明此处有误判情况，并说明该区段某组节点11失效；同样，如果某开关站单元4失效，未能检测出信号电流，而其后开关站单元4或无线节点11却能检测并上传信息，则系统通过对这些信息的融合处理，也能辨别出开关站处理单元4失效，同时完成正常故障定位任务。

第三，针对故障区段内某组无线节点11集体失效的情况，系统考虑以故障区段开关站的单频测距信号提取及算法启动，借助软件算法通过故障测距辅助解决的办法；并为增强系统的可靠性，系统实施定期的信号注入检测实验，对线路上所有无线节点11进行监视检测，有助于尽早查清线路上无效节点11，排除故障定位的隐患。

当某一无线节点11上传信息时，一般只设前向(往配电所主控单元4方向)三个节点11(可根据环境、可靠性要求增减)，会接收其信息进行中继操作(配电所主控单元上的无线通信器广播信息特殊处理，不在此类)。并且在该节点的中继过程中，前向节点11根据该节点地址编号对所在同一条线路上挂接的节点11所发信息有优先处理权，这样保证该节点也即始节点所发信息可经由同条线路上挂接的中继节点11最快速地上传至终节点11一般而言经由同条线路节点中继路由最短)，仅当始节点11前向某些节点11失效时才经由另两条线路上挂接节点11来中继。

另外系统所有节点11均可由故障电流驱动或由配电所主控单元1广播信息启动而周期性进行检测及收发，非故障相节点11可不作检测发送自身信息而仅作中继，且当节点11收到有比自身更靠近故障位置的节点11(根据节点地址编号区分)发送来的信息时，本身不再对线路检测及发送所检信息，只作后边节点11的中继转发，最终只有故障点所在相上最近的节点进行周期性发射信息，其余节点仅作中继。这样使得本发明传输数据量大为减少，系统工作更可靠、高效。

图2示出，本实施例的无线节点11由无线通信器10和非接触式信号检测器13组成。非接触式信号检测器13由感应线圈13L及感应线圈13L上连接的三个选频电路13a、13b、13c及单片机13P组成，三个选频电路分别为220赫兹的注入信号选频电路13a、50赫兹短路大电流选频电路13b和50赫兹工频供电选频电路13c。

各个选频电路选择出的故障信息传送于单片机13P进行处理；单片机13P也控制无线通信器10进行信息的收发、中继。

单片机13P通过I/O口接收选频电路13a、13b选择检测出的注入信号检测和短路大电流表检测开关量信息，经过处理判断后再由I/O口发送至无线通信器10，另外单片机13P的I/O口控制无线通信器10的发射控制、频道转换和低功耗的控制。单片机13P选用MCS-51系列产品，并用扩展64千字节的SRAM和64千字节的EEPROM存储数据和程序。单片机13P通过I/O口(三线方式)和无线通信器10连接，用于发送数据和接收其他单元传送过来的数据。

本实施例使用磁感应电源由50赫兹工频供电选频电路13c供电，在线路负荷电流小时(＜3安培)，本发明也可采用电池供电或太阳能供电。线路断电或阴雨天气时，由电池短时供电，确保节点11不失电，保证长期野外工作；50赫兹工频供电选频电路13c通过感应线圈13L对线路电流所产生磁场进行感应，再通过整流、滤波、稳压电路获取所需电能。

非接触式信号检测器13的工作过程为，感应线圈13L将故障相的电流所产生的磁场接收耦合下来，经过不同选频电路13a、13b将220赫兹检测电流或50赫兹工频电流从谐波噪声中提取出来并与设定的电平比较，再经过光电耦合生成开关量信息送进单片机13P的I/O口进行判断处理。最后由单片机13P的I/O口将按照通信协议编制好的数据包发送至无线通信器10，并由其将数据包采用FSK调制的方式发送出去。

无线通信器10采用微发射功率(最大100毫瓦)，天线高度＞3米，可靠传输距离＞300米，最大传输距离可达600米；经过分析认为以载频频率429～438兆赫兹ISM频段作为工作频率较好，无需申请频点，免去通信使用费用；基于FSK的调制方式具有高抗干扰能力和低误码率的优点：支持点对点、点对多点、多点对多点通信；具有低功耗及休眠功能。

无线节点11平时处于休眠状态，当接收到主控单元1广播启动信息、后向节点11上传信息或满足故障大电流硬件启动条件时，从休眠转为工作模式。

当节点11接收到主控单元1无线通信器10的广播启动信息之后，开始检测判断线路有否注入特定信号，如能够检测到并获取开关量信息之后，则结合节点11地址编号生成故障信息，调用无线通信子程序进行前向上传发送。

如节点11满足大电流的硬件启动条件，则启用计时器进行计时，若故障电流持续时间满足大于20个周期的条件，则产生一开关量信息，并结合节点地址编号生成故障信息，调用无线通信子程序进行前向上传发送。

若节点11有收到其它节点11信息，则送入单片机13P进行处理。若为前向节点11信息且非广播信息，则予以丢弃，若为后向节点11所检测有效信息，则停止本身的检测及信息生成工作，同时将此信息立即上传。

本实施例的配电所主控单元1的组成与选用器件为：原有配电所主控单元设备上添加数字处理模块DSP板、无线通信器10、信号注入源控制板SIC以及作为人机界面的指示灯、按钮、液晶显示及键盘输入单元等。其中，中央处理DSP芯片选用TI公司的32位DSP芯片TMS320F2812芯片，具有集数据采集、数据处理、逻辑判断、控制输出于一体，运算速度快、精度高、抗干扰能力强、自检及自恢复能力强等特点，并采用智能化软件技术，有助于主控单元各种功能的实现。

DSP芯片利用丰富的外设总线接口资源可以提供高速I/O的数据接口及所有外部芯片包括液晶芯片、键盘、通信芯片、实时日历时钟芯片及电源管理芯片的片选。如以显示控制器及时间控制器控制液晶显示器，以键盘控制器及其逻辑控制软件控制仪器面板键盘逻辑，以声光信号控制器控制指示灯及响铃，实现故障线路信息的查询与显示，并进行声光报警；以信号源接口控制器控制信号注入源控制板SIC，发送命令控制信号源启停及注入何相；以无线通信控制器控制无线通信器，与无线节点组网实现节点检测信息的收集及广播启动各节点工作。

本实施例的配电所主控单元1的软件的工作过程简要说明如下：

主程序中的初始化程序主要是使整个系统为正常工作做好准备，主要有以下几个方面的工作：主控单元1的CPU初始化；对必要的参数设置默认值，防止装置刚刚投入运行时，固定值未设置好而造成的装置误动作；对DSP外设初始化，写入控制字，确定工作方式。

正常运行时，来自母线户外检测装置及馈线户外检测装置(电流电压互感器)二次侧的电量首先经过截止频率为200千赫兹的低通滤波器，然后输出模拟量和一个设定电平进行比较，如开口三角形输出电压(零序电压)大于正常相电压的30％，即U₀≥0.3U_ψ，则表明发生单相接地故障，如线路电流大于正常负荷电流的某个最小倍数，表示发生短路故障，则给出故障启动信号；否则，不发出故障启动信号。当没有故障时，主控单元1的A/D数据采集单元不断的进行A/D转换，但是CPU不读取该采样数据。只有收到故障启动信号后，主控单元的CPU读取A/D数据采集单元的数据，并置故障位为“1”，进而采用更精确故障判据进行确认(如短路故障时用突变量启动判据进行确认)，同时将这些数据进行短暂存储或传送于后台计算机5，用于分析、存储和显示打印。

如故障位为“1”，则针对A/D数据采集单元采集的数据调用故障类型判别子程序进行故障类型判别，同时启用声光信号进行报警。当主控单元1判明故障为单相接地故障，则调用判相子程序进行故障相的识别，随即调用信号源注入控制子程序，控制信号注入源7启动，对故障相注入信号电流，同时向线路上的所有无线节点11广播信息，使之从“休眠”进入“工作”模式。如判明是相间短路故障，则启用判据进行短路故障类型的判别。同时启用光纤通信和无线通信子程序，对开关站处理单元4通过光纤8网上传信息或辖区内无线节点11上传信息进行接收，进而启用信息处理主程序对这些信息进行融合处理，并将定位结果送显示子程序进行显示输出。

如故障位为“0”，表示系统无故障发生，则随时对键盘进行侦听，检测是否有键盘指令信息输入(参数整定等)，如有则调用按键处理子程序进行相应处理，如果没有按键信息，则按秒进行时间的刷新，并送显示子程序进行显示输出。

本实施例的信号注入源3的工作过程：

信号注入源3接于母线户外测量装置即电压互感器的二次侧，由此处将220赫兹检测信号电流以电磁耦合的形式注入电网故障相，这样受一次侧故障距离、过渡电阻及负荷变化的影响较小。

信号注入源3宜采用恒流源，这样注入电流值较为恒定，对检测有利，其输出功率小于采用恒压源方式，且功率便于调节，装置易于实现，从经济上(功耗及制造成本)考虑也较为优越；从信号电流在线路上衰减，回避基频和其它磁场千扰，及制造成本方面考虑，宜选择170～270赫兹，并离基频四五次谐波有一定差距的信号频率，在考虑制造成本及互感器容量的前提下，本系统中取f₀＝220±1赫兹；，基波幅值取6±1安培。

本实施例的开关站处理单元4的构成及工作过程为：

本实施例的开关站处理单元4在原有开关站设备上添加了DSP板和无线通信器10，DSP板的核心芯片可改用TI公司的高性能DSP芯片TMS320F2407芯片，芯片自带程序存储器、随机存储器也足够应用需要，不需对其扩展，其它硬件与配电所主控单元完全一致。

本实施例的开关站处理单元软件功能为：

开关站处理单元4在线路正常运行时与配电所主控单元1一样，A/D数据采集单元也采集电流电压互感器的信息，但不一定读取。当配电所主控单元1下达命令或有节点11上传信息时，则分别调用光纤通信子程序或无线通信子程序进行接收，进而启用故障信息处理程序进行对应处理，最终调用光纤通信子程序将处理结果通过光纤8上传至配电所主控单元1。但定位不成功时，在接收到主控单元1命令之后读取A/D数据采集单元采集的信息，调用信号提取及备用测距算法，完成测距任务，将测距结果经由光纤8上传至配电所主控单元1。

本实施例的后台计算机5信息处理软件工作流程为：

后台机5故障信息处理软件的主要功能就是实时接收配电所主控单元1的信息数据，并进行分类存储和计算分析等。不同供电模式及无线节点11改向上传数据时，能够区分管理由配电所两端不同方向多个开关站及子网络上传的数据，并能扩展，与现有铁路SCADA光纤系统相结合。通过与主控单元1实时通讯接收各故障信息，能够及时进行故障点定位，经由GIS将其可视化，指示工作人员及时修复，自动或人工遥控开关操作进行故障隔离，并通过综合各装置节点动作信息形成总故障报告。系统管理程序人机界面友好，以WINDOWS为操作系统，并用多媒体进行信息的描述。

本实施例装置的技术指标如下

1、装置

(1)适用检测回路数：无限制

(2)报警输出：单相接地报警、相间短路故障报警、装置故障报警

(3)故障定位实现时间：单相接地故障时小于10分钟；相间短路故障时小于10分钟

2、无线节点

(1)工作条件：线路负荷电流大于3安培时可实现感应充电工作

(2)微发射功率：最大100毫瓦

(3)ISM频段工作频率：无需申请频点，，免通信使用费用，载频频率429～438兆赫兹(一般433兆赫兹)

(4)调制方式：FSK，高抗干扰能力和低误码率

(5)通讯协议：双向发射/接收功能

(6)传输距离：在视距情况下，天线高度＞3米，可靠传输距离＞300米，最大传输距离可达600米(BER＝10-3/1200bps)

(7)灵敏度：感应线圈与线路故障相垂直、f＝f₀、L＝35厘米时，50/50毫安

(8)线圈格数：50格

(9)线圈有效距离范围：3～35厘米

(10)磁棒线圈与线路相的有效角度范围：80°～100°

(11)线路故障时电流值有效检测范围：单相接地故障高频信号电流35毫安以上，相间短路故障电流15安培到500安培

(12)线圈可承受线路工频电流：小于500安培，大于500安培时持续时间不超过400毫秒，最大5千安不超过10周波

3、开关站处理单元

故障定位实现时间：单相接地故障时间小于8分钟

相间短路故障时小于8分钟

4、信号注入源

(1)信号源发送特殊信号电流基波幅值：一般为6±1安培，基波频率f₀＝220±1赫兹；

(2)功率：小于100瓦特

5、后台计算机信息处理软件

有实时数据的画面整幅调出响应时间：画面调入时间≤2秒，数据刷新时间≤1秒(可设定)本发明研制的铁路自闭贯通线故障定位装置能实现故障接地监测与检测功能，适用于铁路自闭/贯通线路，包括6千伏特～35千伏特中性点不接地，或经消弧线圈接地电网。中性点不直接接地系统的单相接地选线及定点监测。可望全面解决自闭/贯通线单相接地故障查找困难、排除时间长的问题，且定位精度高。基于该原理的系统的成功研制，将对缩短故障查找时间、节省人力和物力、提高供电可靠性都起到积极的作用。

Claims (4)

1.一种铁路自闭/贯通线路故障定位装置，含有配电所主控单元(1)、户外测量设备(2)、信号注入源(3)、开关站处理单元(4)及后台信息处理计算机(5)；配电所主控单元和开关站处理单元各自通过采集信号传输线(6)与户外测量设备(2)相连；配电所主控单元(1)与信号注入源(3)相连，通过光纤(8)与若干开关站处理单元(4)相连，还通过通用接口与后台信息处理计算机(5)相连；其特征在于：

所述的配电所主控单元(1)及开关站处理单元(4)上，均设有外连无线通信器(10)的数字处理模块即DSP；配电所主控单元(1)通过信号注入源控制板即SIC与信号注入源(3)相连；配电所主控单元(1)、开关站处理单元(4)按所处地理位置分区段，每一区段设置由若干无线节点(11)组成的无线节点局域子网(12)，无线节点(11)在自闭/贯通输电线上呈横向三相平行、纵向等距离分布。

2.根据权利要求1所述的自闭/贯通线故障定位装置，其特征在于，所述的无线节点局域子网(12)中的无线节点(11)使用单向中继传输方式上传数据。

3.根据权利要求2所述的自闭/贯通线故障定位装置，其特征在于，所述的无线节点(11)由无线通信器(10)和非接触式信号检测器(13)组成。

4.根据权利要求3所述的自闭/贯通线故障定位装置，其特征在于，所述的非接触式信号检测器(13)由感应线圈(13L)及感应线圈(13L)上连接的三个选频电路及单片机(13P)组成，三个选频电路(13a、13b、13c)分别为220赫兹的注入信号选频电路(13a)、50赫兹短路大电流选频电路(13b)和50赫兹工频供电选频电路(13c)。

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