CN110729708B - 基于以太网与e1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，基于以太网与E1通道通信架构进行数据交互，装置包括：中央处理及通信插件，用于数据处理、指令控制及与其他插件之间的数据传输；面板模块，用于根据中央处理及通信插件的指令提供显示和人机接口功能；直流电源插件，用于为装置提供直流供电；交流电流电压输入插件，用于将多路交流量的采样输入传送至中央处理及通信插件；纵联光纤接口插件，用于将经由E1通道接入的数据传送至中央处理及通信插件；强电开入插件，用于将多路信号量的开入信息传送至中央处理及通信插件；继电器出口插件，用于根据中央处理及通信插件的指令提供断路器跳闸。

Description

基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置

技术领域

本发明涉及高速铁路牵引供电领域，尤其涉及基于以太网与E1通道通信架构下的一种具有高速铁路牵引网故障测距、选择性跳闸功能的装置，具体为一种基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置。

背景技术

电气化铁路已经成为我国交通运输的主要力量，在《中长期铁路网规划(2016年调整)》中指出到2020年，一批重大标志性项目建成投产，铁路网规模达到15万公里，其中高速铁路3万公里，覆盖80％以上的大城市。到2025年，铁路网规模达到17.5万公里左右，其中高速铁路3.8万公里左右。高速铁路列车速度快、行车密度大,要求牵引功率高,电力牵引成为高速铁路动力牵引的必然选择。由于全并联AT供电方式输送功率大、接触网电压损失低,因而特别适用于高速铁路电力牵引供电。针对全并联AT供电方式的牵引网故障情况进行理论分析和研究,提出合适的故障测距方法并以其为基础构成的高速铁路牵引网故障处理决策装置应用于高速铁路牵引供电系统中,对保证牵引供电系统处于良好的运行工况和铁路系统的安全、可靠、高效运输都具有重要的意义。

高速铁路牵引网故障处理决策装置能够适用于各种运行状态下的高速铁路牵引网，该装置能够实现各种运行状态下接触网各种类型故障定位、类型判别和方向判别的功能；同时在全并联运行条件下，能够快速切掉AT所并联断路器，实现开环运行，在满足故障测距条件下利用定值配合跳掉分区所并联断路器，实现上行或下行供电臂故障时的选择性跳闸。

目前，高速铁路应用的故障测距装置普遍存在着数据同步可靠性不够稳定,对网络通信环境要求苛刻；故障测距参数整定比较复杂，有时短路试验数据误差也较大，即使短路试验通过验收，后期调整参数困难，有时误差远超出预期；对于断线单端接地故障无法进行测距，一是不能识别故障，二是没有相应测距原理；故障类型、故障区段判断的准确度不够稳定，根本原因在于判断依据的选择；不支持越区故障测距。给高速铁路牵引网的维护造成了不便。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，用以解决现有技术中对网络通信环境要求苛刻、测距精度低、无法适应特殊运行条件、无法实现远程跳闸的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，基于以太网与E1通道通信架构进行数据交互，所述装置包括中央处理及通信插件、面板模块、直流电源插件、交流电流电压输入插件、纵联光纤接口插件、强电开入插件与继电器出口插件，其中：

中央处理及通信插件，包括中央处理插件及通信插件，所述中央处理插件用于数据处理及指令控制，所述通信插件用于中央处理插件与其他插件之间的数据传输；

面板模块，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于根据中央处理及通信插件的指令提供显示和人机接口功能；

直流电源插件，用于为装置提供直流供电；

交流电流电压输入插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于将多路交流量的采样输入传送至中央处理及通信插件；

纵联光纤接口插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于将经由E1通道接入的数据传送至中央处理及通信插件；

强电开入插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于将多路信号量的开入信息传送至中央处理及通信插件；

继电器出口插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于根据中央处理及通信插件的指令提供断路器跳闸。

优选地，所述装置具有机箱结构，所述机箱结构具有前面板和背板，所述前面板上设有功能按键、液晶显示器、信号指示灯和百兆以太网口，所述面板模块内设有微处理器，所述的功能按键、液晶显示器、信号指示灯及百兆以太网口分别与微处理器连接。

优选地，所述中央处理及通信插件集成了CPU+FPGA+DSP的处理模块及三个百兆以太网口，所述三个百兆以太网口用于综自系统及故障测距通道的接入。

优选地，所述纵联光纤接口插件包括两路纵联光纤接口，适用于最多两路E1通道的接入。

优选地，所述装置使用控制字设置来确定以太网与E1通道两种通信方式的优先级。

优选地，所述装置具备馈线保护功能，采用自启动方式发出远跳命令，同时也支持外部启动方式。

优选地，处于同一供电臂的各装置通过E1通道进行数据交互时，各装置通过纵联光纤接口与测距通道接口装置相连，再通过E1通道同轴电缆与铁路既有传输装置相连，实现各装置的信息交互。

优选地，处于同一供电臂的各装置通过以太网进行数据交互时，各装置通过以太网口接入以太网交换机，通过以太网交换机接入铁路既有传输网，实现信息交互。

优选地，所述装置支持SNTP对时方式。可由设置于牵引所的高速铁路牵引网故障处理决策装置作为对时源，与设置于AT所、分区所的装置进行对时,进一步保证了数据的同步性。

优选地，所述装置采用故障测距参数自动生成技术。

进一步地，利用每日凌晨动检列车对接触网例行检测的时间段，一旦发现动检车组进入本供电臂，则定时计算动车组运行位置及相应的吸上电流比、上下行电流比、横联线电流比等参数并存储到缓冲区，待动检车组离开本供电臂后装置自动对记录数据进行合理性甄选，合理的参数则存入参数遴选暂存区并发告警信息等待用户人工确认，确认后即将暂存区参数拷贝到运行参数区并录入运行日志。

本发明采用分布式系统，同一供电臂的装置可通过E1通道或者以太网通道进行数据交互。所述装置可通过纵联光纤接口与测距通道接口装置相连，再通过E1通道同轴电缆与铁路既有传输装置相连，从而达到各装置的信息交互；或通过以太网，经由铁路既有传输网达到互联效果。通信过程中，中央处理及通信插件可过滤掉误帧、重复帧，保证了数据的完整性与可靠性。所述装置设置有三个以太网口以及两路纵联光纤接口，支持单环或双环的测距通道。

当高速铁路牵引网发生故障时，位于AT所与分区所的高速铁路牵引网故障处理决策装置会将经由交流电流电压输入插件采集到的数据上送至位于牵引所的高速铁路牵引网故障处理决策装置。数据汇总后，经由中央处理插件处理，从而得出高速铁路牵引网故障类型、故障上下行别、牵引网故障点相对距离与牵引网故障点公里标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明基于以太网与E1通道通信架构进行数据交互，以太网与E1通道间可自动切换，对网络通道条件要求低，所有测距功能不依赖通道状况。

2)本发明提供一种基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，该装置在AT供电全并联模式下，牵引网发生故障时，可通过装置内的继电器出口插件快速切掉AT所并联断路器，实现开环运行，在满足故障测距条件下利用定值配合跳掉分区所并联断路器，实现上行或下行供电臂故障时的选择性跳闸。

3)本发明提供一种基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，装置之间的互联支持两种通信方式，一是采用通用的以太网(支持双网热备)，各所的故障数据同步误差在毫秒级；另一种通信方式是各所测距装置通过E1通道联接，数据同步误差在微秒级，供电臂各所的电量与开关量可传送至牵引变电所进行同步采样和录波，便于故障分析，同时为实时性较高的高级应用预留了条件，由于汇聚设备较以太网通信方式少，通信的可靠性相对提高。

附图说明

图1为根据本发明实施例的前面板示意图；

图2为根据本发明实施例的背板示意图；

图3为根据本发明实施例的组网通信示意图。

图中：1、前面板；2、功能按钮；3、显示器；4、信号指示灯；5、百兆以太网口。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，基于以太网与E1通道通信架构进行数据交互，所述装置包括：面板模块，用于提供显示、通信和人机接口功能；直流电源插件，用于提供直流供电；交流电流电压输入插件，用于提供多路交流量的采样输入；中央处理及通信插件，用于模拟量输入处理、信号开入量处理、对时处理、通信处理、故障测距计算、信号开出量处理；纵联光纤接口插件，用于提供E1通道接入；强电开入插件，用于提供多路信号量的开入；继电器出口插件，用于提供断路器跳闸功能；所述中央处理及通信插件通过总线与面板模块、直流电源插件、交流电流电压输入插件、纵联光纤接口插件、强电开入插件与继电器出口插件相连。本发明可以解决现有技术中对网络通信环境要求苛刻、测距精度低、无法适应特殊运行条件、无法实现远程跳闸的问题。

1.高速铁路牵引网故障处理决策装置的硬件结构

图1为本发明的高速铁路牵引网故障处理决策装置的前面板示意图，前面板采用一体化的前面板，由功能按键、液晶显示器、信号指示灯与一个百兆以太网口组成。前面板插件配有独立的微处理器来完成显示、通信和人机接口功能。其中信号指示灯用于告警或跳闸信号点灯，百兆以太网口用于便携式电脑调试用。

图2为本发明的高速铁路牵引网故障处理决策装置背板示意图，由直流电源插件、交流电流电压输入插件、中央处理及通信插件、纵联光纤接口插件、强电开入插件与继电器出口插件组成。

直流电源插件为装置模件提供110V/220V稳定直流供电，同时可提供±48V直流电源。

交流电流电压输入插件提供了交流采样输入、采集上行T线电压UT1、上行F线电压UF1、下行T线电压UT2、下行F线电压UF2、上行T线电流IT1、上行F线电流IF1、下行T线电流IT2、下行F线电流IF2、备用T线电流ITB、备用F线电流IFB、上行吸上电流IX1、下行吸上电流IX2，共12组交流量，供测距功能计算使用。采集的模拟量经滤波以及ADC模块后送至中央处理及通信插件。

中央处理及通信插件为装置的核心模块，包扩了装置的CPU、FPGA以及DSP模块，同时该插件上设置有三个百兆以太网口。其主要功能为模拟量输入的处理、信号开入量的处理、对时处理、通信处理、故障测距计算、信号开出量处理。该插件上设置的三个百兆以太网口用于与综自系统以及故障测距通道的接入。

纵联光纤接口插件设置有两路纵联光纤接口，适用于最多两路E1通道的接入。通过E1通道采集到的数据信息将直接上送至中央处理及通信插件中的DSP模块进行处理，大大减少了通道延时，保证了数据的同步性以及可靠性。

强电开入插件提供了上行断路器位置、下行断路器位置、并联断路器一位置、并联断路器二位置、AT1断路器位置、AT2断路器位置、越区断路器1位置、越区断路器2位置、线路备用断路器位置、装置检修以及信号复归，共11路信号量的开入。

继电器出口插件提供了断路器跳闸功能。在AT供电全并联模式下，牵引网发生故障时，高速铁路牵引网故障处理决策装置通过此插件可快速切掉AT所并联断路器，实现开环运行，在满足故障测距条件下利用定值配合跳掉分区所并联断路器，实现上行或下行供电臂故障时的选择性跳闸。

图1、图2反映了中央处理及通信插件通过总线与面板模块、直流电源插件、交流电流电压输入插件、纵联光纤接口插件、强电开入插件与继电器出口插件相连的关系。

2.高速铁路牵引网故障处理决策装置之间的通信

如图3所示，高速铁路牵引网故障处理决策装置之间的互联支持两种通信方式，一是采用通用的以太网(支持双网热备)，各所的故障数据同步误差在毫秒级，当以太网断网时可在通信恢复后采用人工召唤历史数据的方式重新触发测距，为方便校核流互极性、网络电流完整性，装置支持手动召唤负荷同步数据功能；另一种通信方式是各所测距装置通过E1通道联接，数据同步误差在微秒级，实现了供电臂各所的电量与开关量在牵引变电所同步采样和录波，便于故障分析，同时为实时性较高的高级应用预留了条件，由于汇聚设备较以太网通信方式少，通信的可靠性相对提高，装置具备通信通道质量实时监测功能，调试维护时与通信专业的接口更加清晰。

该装置使用控制字设置来确定两种通信方式的优先级。两种通信方式互为备用。当控制字“以太网优先”设置为1时，以太网通信方式为主用方式，E1通道通信方式为备用，若以太网通信发生故障，测距装置将自动切换至E1通道通信方式；当控制字“以太网优先”设置为0时，以太网通信方式为备用方式，E1通道通信方式为主用，以太网通信方式为备用，若E1通道通信发生故障，测距装置将自动切换至以太网通信方式。

该装置在以太网通信方式下支持双网热备，各所的故障数据同步误差在毫秒级，当以太网断网时可在通信恢复后采用人工召唤历史数据的方式重新触发测距，同时支持手动召唤负荷同步数据功能。可通过子站以太网延时、子站NTP对时工况监视通信质量。

该装置在E1通道通信方式下，数据同步误差在微秒级，在此方式下，供电臂各所的电量与开关量在牵引变电所同步采样和录波。可通过收信功率、通道延时监视通信质量。

3.高速铁路牵引网故障处理决策装置进行测距的原理

高速铁路牵引网故障处理决策装置适用于电气化铁路各种供电方式的牵引变电所、分区所、开闭所，实现接触网各种类型故障的定位、类型判别和方向判别的功能。装置能适应牵引供电系统冲击性、移动性负荷、谐波含量大和故障频繁的特点。本发明高速铁路牵引网故障处理决策装置用了基于异地同步数据比值组合的方法大大简化了测距公式复杂度，同时提高了该类型故障的测距精度。

高速铁路牵引网故障处理决策装置可以采用分段线性电抗原理、吸上电流比原理、上下行电流比原理、吸馈电流比原理、横联线电流比法、转移阻抗及反向电抗法等算法计算故障距离。

1)分段线性测距

分段线性测距适用直供运行方式。装置将供电臂的电抗划分为各线性区段。当故障发生时，通过电抗与距离的关系计算得出实际故障距离。

2)AT供电模式下的故障测距

A.吸上电流比原理测距

需要通信通道；适用于T-R、F-R短路故障，不适用T-F故障。T-接触网；R-钢轨；F-正馈线；

测距公式为：

式中：l－故障点到变电所(SS)的距离(km)；

Ln－变电所距第n个AT所的距离；

Dn－第n个AT与第n+1个AT之间的距离；

In，In+1－分别为第n个AT与第n+1个AT中性点的吸上电流和；

Qn，Qn+1－装置内部自适应调整的系数，无需整定。

B.上下行电流比原理测距

无需通信通道；供电臂为复线且末端并联闭环供电；重合闸时测距无效；适合各种短路形式。测距公式为：

式中：l－故障点到变电所(SS)的距离(km)；

I₁－故障方向供电臂的电流(A)；

I₂－非故障方向供电臂的电流(A)；

L₁－上行供电臂的长度(km)；

L₂－下行供电臂的长度(km)；

ΔL－修正参数。

C.横联线电流比原理测距

横联线电流比原理适用于上下行全并联AT供电方式下横联线不解裂的情况。T—R、F—R及T—F故障形式的测距公式为：

式中：l－故障点到变电所(SS)的距离(km)；

Ln－变电所距第n个AT所的距离；

Dn－第n个AT与第n+1个AT之间的距离；

IFH1、ITH1－分别为第n个AT横联线的正馈线电流和接触线电流；

IFH2、ITH2－分别为第n+1个AT横联线的正馈线电流和接触线电流。

D.吸馈电流比原理测距

无需通信通道；供电臂为单线单AT区段；适合T-R、F-R短路，不适合T-F短路。测距公式为：

式中：

Ix－所内AT中性点电流；

Itf－馈线视在电流；

D－故障AT段长度。

ΔL－修正参数。

当变电所内的自耦变压器取消时，可采用间接方法求取Ix。

E.转移阻抗原理测距

需要通信通道；供电臂为单线；T—R、F—R及T—F故障形式的测距公式为：

式中：

分别为变电所、分区所接触导线与钢轨间的电压；

为馈线视在电流；Z为牵引网单位长度阻抗。

F.反向电抗法测距

分区所的从测距装置在故障后将所内相关交流电量通过远传通道上送到牵引变电所内的主测距装置，由其通过下式计算反向测量电抗：

Utr分区所接触导线与钢轨间的电压；

Ix为分区所内AT中性点吸上电流。

4.AT供电全并联模式下选择性跳闸功能

AT供电全并联模式下，牵引网发生故障时，高速铁路牵引网故障处理决策装置可快速切掉AT所并联断路器，实现开环运行，在满足故障测距条件下利用定值配合跳掉分区所并联断路器，实现上行或下行供电臂故障时的选择性跳闸。高速铁路牵引网故障处理决策装置采集所在供电臂母线电压及上行、下行保护电流，流互线圈不足则可与保护用线圈串联使用。高速铁路牵引网故障处理决策装置具备馈线保护功能，采用自启动方式发出远跳命令，同时也支持外部启动方式。当发生故障时，位于牵引所的高速铁路牵引网故障处理决策发出装置远跳命令1，传输至位于AT所的高速铁路牵引网故障处理决策装置，位于AT所的高速铁路牵引网故障处理决策装置收到远跳命令1后，可立即启动出口继电器去跳开并联断路器或者判断AT所接触网电压低于设定值后再启动跳闸出口。远跳命令2根据设定的延时时间发出，传输至分区所本侧供电臂高速铁路牵引网故障处理决策装置，分区所高速铁路牵引网故障处理决策装置收到远跳命令2后，可立即启动出口继电器去跳开分区所并联断路器或者判断分区所接触网电压低于设定值后再启动跳闸出口。

5.高速铁路牵引网故障处理决策装置负荷数据分析功能

位于牵引所的高速铁路牵引网故障处理决策装置可触发负荷数据分析功能。位于牵引所的高速铁路牵引网故障处理决策装置此时会召唤位于AT所与分区所的高速铁路牵引网故障处理决策装置同步数据，用于负荷分析。

6.高速铁路牵引网故障处理决策装置触发重合闸前/后故障重新测距功能

位于牵引所的高速铁路牵引网故障处理决策装置可重新召唤重合闸前/后的故障数据，重新进行数据分析。此功能方便用户重新召唤故障数据进行分析，同时也避免了由通道引起的数据丢失。

本发明的高精度的故障测距可以节约铁路的人力、物力，减轻巡线人员的劳动强度；对于永久性故障，还可以缩短查找故障点的时间，快速可靠的恢复供电；瞬时性故障时可以及时查出人工难以发现的故障，发现线路的薄弱环节，消除线路隐患，降低因停电造成的经济损失和安全风险。本发明可以有效的缩短故障停电时间，提高牵引供电质量，从而有力保障电气化铁路和高铁的安全运行，产生较高的社会效益。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，基于以太网与E1通道通信架构进行数据交互，所述装置包括中央处理及通信插件、面板模块、直流电源插件、交流电流电压输入插件、纵联光纤接口插件、强电开入插件与继电器出口插件，其中：

中央处理及通信插件，包括中央处理插件及通信插件，所述中央处理插件用于数据处理及指令控制，所述通信插件用于中央处理插件与其他插件之间的数据传输；

面板模块，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于根据中央处理及通信插件的指令提供显示和人机接口功能；

直流电源插件，用于为装置提供直流供电；

交流电流电压输入插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于将多路交流量的采样输入传送至中央处理及通信插件；

纵联光纤接口插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于将经由E1通道接入的数据传送至中央处理及通信插件；所述纵联光纤接口插件包括两路纵联光纤接口，适用于最多两路E1通道的接入；

强电开入插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于将多路信号量的开入信息传送至中央处理及通信插件；

继电器出口插件，通过总线与中央处理及通信插件连接，用于根据中央处理及通信插件的指令提供断路器跳闸；

所述基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置之间的互联支持两种通信方式，且使用控制字设置来确定两种通信方式的优先级，两种通信方式互为备用；

所述基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置采用基于异地同步数据比值组合的方法实现测距；当发生故障时，位于牵引所的高速铁路牵引网故障处理决策发出装置远跳命令1，传输至位于AT所的高速铁路牵引网故障处理决策装置，位于AT所的高速铁路牵引网故障处理决策装置收到远跳命令1后，立即启动出口继电器去跳开并联断路器或者判断AT所接触网电压低于设定值后再启动跳闸出口；远跳命令2根据设定的延时时间发出，传输至分区所本侧供电臂高速铁路牵引网故障处理决策装置，分区所高速铁路牵引网故障处理决策装置收到远跳命令2后，立即启动出口继电器去跳开分区所并联断路器或者判断分区所接触网电压低于设定值后再启动跳闸出口。

2.根据权利要求1所述的基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，所述装置具有机箱结构，所述机箱结构具有前面板和背板，所述前面板上设有功能按键、液晶显示器、信号指示灯和百兆以太网口，所述面板模块内设有微处理器，所述的功能按键、液晶显示器、信号指示灯及百兆以太网口分别与微处理器连接。

3.根据权利要求1所述的基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，所述中央处理及通信插件集成了CPU+FPGA+DSP的处理模块及三个百兆以太网口，所述三个百兆以太网口用于综自系统及故障测距通道的接入。

4.根据权利要求1所述的基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，所述装置具备馈线保护功能，采用自启动方式发出远跳命令，同时也支持外部启动方式。

5.根据权利要求1所述的基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，处于同一供电臂的各装置通过E1通道进行数据交互时，各装置通过纵联光纤接口与测距通道接口装置相连，再通过E1通道同轴电缆与铁路既有传输装置相连，实现各装置的信息交互。

6.根据权利要求1所述的基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，处于同一供电臂的各装置通过以太网进行数据交互时，各装置通过以太网口接入以太网交换机，通过以太网交换机接入铁路既有传输网，实现信息交互。

7.根据权利要求1所述的基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，所述装置支持SNTP对时方式。

8.根据权利要求1所述的基于以太网与E1通道高速铁路牵引网故障处理决策装置，其特征在于，所述装置采用故障测距参数自动生成技术。

Images