基于行波测距的高速铁路全电缆贯通线路故障定位系统

基于行波测距的高速铁路全电缆贯通线路故障定位系统

崔健1韩成2马峰超3

（1.中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055）

摘要：为了提高高速铁路全电缆线路故障定位系统的测量精度，本文将以行波测距为基础，介绍了高速铁路全电缆线路故障定位的软、硬件平台，并与以PSCAD为基础进行模拟分析。实验结果表明本文的方法具有较高的计算精度。

关键词：高速铁路；故障定位；行波

随着我国高速铁路建设的不断提速，铁路电力供电系统正逐步向全电力电缆线路发展，而电缆运行维护中出现故障的几率也随之增加，为提高铁路电力供电系统的可靠性，对于快速、准确定位高速铁路电力电缆故障的需求也越来越迫切。

20世纪60年代，日本学者提出了脉冲电流检测法，该方法只适用于没有分支线路的电缆故障测距。20世纪90年代，美国科研人员提出高压脉冲检测法，该方法只适用于离线检测。20世纪70年代末，G.W.Swift等科学家通过研究发现了行波频率与故障距离之间的关系，利用相关算法计算行波传播时间从而求得故障距离。行波测距法不受故障点过渡电阻、线路结构等因素的影响，测距精度高，适用范围广。2000年以来，中国电科院、清华大学电机系研制出利用行波进行故障测距的装置，并将其应用于电网高压架空输电线路的故障定位，但针对电缆线路的故障定位仍处于发展阶段。

综合以上原因，需要对高速铁路全电缆贯通线路故障定位系统进行研究，研发出一种可靠、有效、准确的电力电缆故障定位装置，对提高高速铁路全电缆线路的供电可靠性具有重要的意义。

1行波测距原理

电缆故障测距法中行波法应用广泛，它通过行波的波速及其在故障点和测量点之间的运行时间来进行故障定位。设故障初始行波波头到达电缆两端测量点的时间分别为和，如图1所示。

图1双端行波定位原理图

通过在电力电缆S及R端安装行波采集器，采集故障初始行波波头到达两端S及R处的时间，则故障点到S及R端的距离可以表示为：

（1）

（2）

式中：为电缆全长；为暂态行波在电缆中的传播速度。

双端行波定位原理只检测故障产生的初始行波波头到达时间，不需要考虑后续的反射与透射行波，原理简单，定位结果可靠。但是双端行波故障定位的实现要求在电缆两端装设行波采集装置以及时间同步装置（一般采用GPS同步时钟），并且两侧要进行通信，以交换记录到的故障初始行波到达时间信息。

2行波测距模型搭建

2.1软件配置设计

系统总共由三个软件模块构成，包括：通信程序、主控程序和人机界面程序，如图2所示。

图2软件模块配置图

2.2主程序流程设计

1）系统定时器——秒线程

图3秒线程逻辑图图4主线程逻辑图

软件系统的秒线程在程序控制中有着非常广泛的使用，主要负责网络监测、程序启动、报文接收发送等任务间隔时间的控制。秒线程通过准确、有效的控制各线程中功能模块的启动和结束时间，从而实现上述功能模块的控制运行，线程逻辑图如图3所示。

通过在秒线程中修改控制代码，主系统各个模块的定时功能均可实现，保证了系统的实时性、可靠性及精确性。简化了程序编写，提高了程序模块化设计。

2）主线程的设计

发送线程和接受线程都是由主线程启动并完成，接受线程程序运行后，等待并接收时间报文，主进程启动后进行授权检测，并在结束前给接收线程发出退出命令。发送线程可以多次启动，这样可以同时检测网络中的多条线路和多个设备的线路延时。主控制线程和发送、接收线程的运行，是主程序的核心线程。其逻辑图如图4所示。

2.3系统硬件设计

大量数据的高速采集、存储以及测量端的数据同步是行波故障测距硬件系统设计中应注意的几个关键性技术问题。系统硬件框架图如图5所示。

图5硬件系统框架图

3行波测距现场试验

3.1试验方案

通过软件、硬件设计后，在高速铁路进行现场试验，试验所在区段的电力供电系统示意图如图6所示，现场试验方案示意图见图7。

图6试验区段电力供电系统示意图

图7试验方案示意图

试验现场行波检测装置接线如图8所示，模拟故障接线如图9所示。

图875#箱变及80#箱变接入行波检测装置图977#箱变模拟故障现场

3.2试验结果

试验测得的波形如图10、图11所示。

图10B相接地行波测距结果图11AB相短路故障行波测距结果

由图10以及图11可知，故障点的位置距M端3.1km，距N端4.5km。

3.3仿真分析

应用PSCAD对系统仿真模型进行B相接地和AB相短路的仿真分析。

图12B相接地M端故障电流波形图13B相接地M端故障电压波形

图14B相接地N端故障电流波形图15B相接地N端故障电压波形

对该模型进行B相接地故障仿真分析得到M端故障电流波形如图12所示；M端故障电压波形如图13所示，N端故障电流波形如图14所示；N端故障电压波形如图15所示。B相接地故障小波变换分析后可以确定故障点为距M点3145米处，距N端的距离为4500米。

3.4数据对照分析

在铁路现场进行的试验测得的故障位置为距M端3100米，距N端4500米；现场提供的放线数据为75#箱变至77#箱变放线长度3140米，77#箱变至80#箱变放线长度4500米；仿真分析结果为故障位置距M端的距离为3145米，距N端的距离为4500米。

综合以上三组数据可知，现场试验较实际放线的误差为40米，误差基本控制在1.5%；现场试验较仿真分析的误差为5米，误差基本控制在0.2%，达到预计效果。

4结论

通过对高速铁路全电缆贯通线路故障测距方法进行研究，确定了基于行波测距和小波变换理论的总体思路和基本要求，搭建了故障定位系统模型，完成了软件设计和硬件架构，在高速铁路进行了现场试验，并应用PSCAD软件进行了仿真分析，通过比较仿真结果、试验数据及现场实际放线数据，验证了系统模型及故障定位系统的可行性和准确性，从而为高速铁路全电缆贯通线路故障定位装置的产业化奠定了理论和实践基础。

参考文献：

[1]夏璐璐.基于行波固有频率的输电网故障测距方法[D].西南交通大学，2011.

[2]马秉宇.基于行波法的电缆故障测距研究[D].杭州电子科技大学，2016.

[3]何军娜.基于小波及排列熵奇异性检测的行波故障测距研究[D].华东交通大学，2015.