铁路电力贯通自闭线路gprs或cdma远程控制与故障处理系统的制作方法

专利名称：铁路电力贯通自闭线路gprs或cdma远程控制与故障处理系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及远程控制与故障处理技术，具体涉及到铁路电力系统复杂的 暂态分析、继电保护原理、及先进的GPRS或CDMA远程数据传输技术，是应用 GPRS或CDMA实现铁路电力贯通自闭线路远程控制及故障处理系统。
背景技术：
目前，铁路电力贯通(自闭)线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、生产、车站、供水系统以及生活等铁路用电负荷，其供电 可靠性不仅直接影响铁路运输的安全运行，还关系到很多铁路职能部门的正常工 作。铁路供电系统由于使用的特殊性，在系统构成和功能上都有一些有别于其它电力系统的特点，主要体现在以下两个方面(1) 、供电可靠性要求高。铁路供电系统虽然电压等级较低，但对供电可靠 性的要求却非常高。从理论而言，其负荷(自动闭塞信号)的供电中断时间不能 超过150ms，否则，将会导致所有供电区间的自动闭塞信号灯变为红灯，影响铁 路的正常运输。(2) 系统接线形式特殊。铁路供电系统的接线就像铁路一样，是一个沿铁 路敷设的单一辐射网，各配(变)电所沿线基本均匀分布，并且互相连接，构成 手拉手供电方式。重要及繁忙的铁路干线一般有两回供电线， 一回称作自闭线， 另一回称作贯通线，有时也有称一、二回贯通线的； 一般地，铁路干线都有一l':'] 电力贯通线，车站信号等重要负荷由当地农电提供备用电源或千脆就没有备用电 源。其接线形式如图l所示。由于上述供电的重要性，目前，在铁路供电系统中已经采取了多种方法来保 证供电的可靠性。如配(变)电所采用单母线双电源分段运行方式、贯通(自闭) 线供电臂两端配电所开关柜安装备用电源自动投入装置、信号等重要负荷点采用 贯通、自闭(或农电)双回横向互投供电方式等等。但是，由于这些方法有的是
局限于配电所范围内，有的是在负荷用电点由用户进行双电源投入，所以，对其 最重要的贯通线或自闭线出现永久性故障时却没有任何隔离、定位和快速恢复的 方法，这就必然导致一旦发生上述情况，电力贯通线或自闭线将较长时间失电退 出运行，大大影响着系统的可靠性。而铁路供电系统的特点乂决定了其贯通(自 闭)线在野外分布，线路供电点多且分散、供电臂长，线路周围环境复杂，多处 山区、旷野，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。但由于远离城市及工作场所、交通道路不便、地理环境复 杂等，给故障査找带来很大困难。综上所述，电力贯通(自闭)线的供电性质决定 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。目前，在大部分铁路供电段，对于电力贯通(自闭)线査找故障的方法，釆 用的是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。以某供电段甲配电所——乙配电所间贯通线路为例，如图2所示，假设当贯通线路在甲 配电所——1号站间的K点出现永久性故障的时候，其采用的是人工二分之一试送法，则需要进行以下步骤(1) 査找故障人员需要到2号站，断开G^隔离开关，两边配电所分别试送， 此时乙配电所合闸成功，甲配电所保护动作跳闸，确定故障在甲配电所——2站 G2—2之间；(2) 査找故障人员一部分留在Gw处，另一部分则须到3号断幵Gw隔离开 关，分别由甲配电所和G^合闸试送，此时G^合闸成功，甲配电所保护动作跳 闸，确定故障区间在甲配电所——3号站Gw之间；(3) 断开G卜i隔离幵关，合G,,，成功，确定故障在甲配电所——3号站Gh之间。这种査找故障的方式存在以下重大缺陷(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，査找故障人 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，査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査找中，如上所列例子，又要牺牲系统稳定性 进行多次试送，才能査找到故障区间，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。 传统的故障査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，电使用寿命急剧縮短(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。除上述人工处理办法外，目前也有少数地方采用电压时间型和电流计数型无通信自动切除故障系统，或利用光纤、载波通讯的远,制及故障处理技术，通过实践和理论分析，这些系统分别存在如下的不足1)采用载波通讯受到电力磁场的干扰、频率范围的限制等，在通讯方面缺 少可靠性和稳定性。 2) 采用电压时间型和电流计数型无通信自动切除故障系统，对设备的损伤 大、故障切除存在误动的隐患。3) 采用光缆通讯的远程控制系统，投入成本非常高，并且需要后续的大量费用作为光缆的维护成本。上述主要原因阻碍了其推广应用。 发明内容本实用新型的目的是克服现有铁路电力贯通(自闭)线路监测、故障处理系 统存在的问题和不足，提供工作可靠和稳定、对供电设备无损伤，投入和维护成 本较低，以及能够自动、快速、准确判断并切除故障区间，及时恢复非故障区段 的供电，压縮故障抢修时间，为设备检修带来方便，提高供电线路自动化运行水平的铁路电力线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理系统。 为了实现上述目的本实用新型的技术方案是-本实用新型铁路电力贯通自闭线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理系 统，由监控中心、各个站点与配电所的控制单元、及现场设备组成，监控中心对 各个站点与配电所的控制单元进行监测，监控中心与控制单元数据的信息交换通 过GPRS或CDMA无线通讯方式联系，控制单元通过硬接线的方式控制现场设备； 控制单元将采集到的电流、电压进行分析、计算、比较，判定出故障类型，并将 故障类型标志与加有时标的故障数据报文，通过GPRS/CDMA无线通信网络一同送 往监控中心；同时，监控中心对控制单元各站上送的故障数据报文进行分析判断， 通过GPRS或CDMA无线通讯的方式发出控制命令至控制单元，控制单元以硬 接线的方式控制现场设备，即各个站点与配电所的高压开吴，准确地切除故障区 间，迅速恢复非故障区间的正常供电。所述的监控中心包括数据库服务器、实时监测服务器、网络服务器，各服务 器由以太网线连接组成局域网。 所述的控制单元作为连接监控中心和现场设备的中枢，在整个系统中属核心设备；控制单元由遥测采集模块、直流变送模块、A/D模数变换模块、遥信采集 模块、遥控输出模块、智能控制器和GPRS通讯网络模块、UPS、蓄电池、中间继 电器、空气开关等组成；由各类传感器、变送器，完成对一次高压设备的电流、 电压的采样，信号传输给遥测采集模块，遥测采集模块连接直流变送模块，并转 换成0—5V的直流信号，然后再连接A/D模数转换模块，将电压信号转换成数字信 号，通过数据带连接并传送至智能控制器。智能控制器同时连接GPRS/CDMA无线 通讯模块、遥信采集模块和遥控输出模块。GPRS/CDMA模块接收数据后，透明转 发至智能控制器，智能控制器对接收到的数据报文进行解析，根据解析的结果应 答监控中心；或者智能控制器对现场采样的进行分析判断后，如发现现场设备异 常，则将相关数据编码发送至GPRS/CDMA无线通讯模块。GPRS/CDMA无线通讯模块透明转发数据报文至监控制中心；智能控制器除了担负着与监控中心的通讯之 外，还同通过遥控输出模块对现场设备的进行控制，市电或蓄电池供UPS不间断 电源，由UPS不间断电源向智能控制器供电。在市电消失的情况下，UPS不间断电 源和蓄电池组为控制设备及断路器提供了可靠的工作电源。确保线路停电后，能 够进行正常的分、合闸操作，从而恢复系统供电。所述的现场设备包括各类传感器、变送器、10kV高压开关；传感器、变送器将线路的大电流、电压信号线性转换成小电流、电压信号，而10kV高压开关用来对线路一次性分断和连接。本实用新型铁路电力线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理系统与现有的远 程控制及故障处理的方面技术和方法相比，首先解决了由于无通讯造成的系统误 闭锁现象。其次，利用GPRS或CDMA的无线通讯方式极大地降低了一次性的投入成 本，同时，也使维护费用大大的降低。第三，在可靠性方面，我们采用了双网冗 余的技术，始终保持有一个通道处于热备用状态，可以完成通道间的无缝切换， 提高了系统的稳定性。第四，在电力系统暂态信号分析中应用了小波分析，极大 地提高了故障分析的准确性和可靠性。具有突出的实质性特点和显著 步 是
(1) 大大縮短了故障区段切除时间。以图2所示的某贯通线路为例，仍将故障区间假设在配电所A——站1之间， 如果采用传统的人工处理方式，根据我们的经验，在交通理想的情况下，最终切 除出故障区间，恢复非故障区间送电，时间也在一个小时左右，而从我们研发的处理系统的试验结果来看，故障处理系统仅用20秒即完成，时间之比是3600: 20，这对于繁忙的铁路运输来说，争取到了极为宝贵的时间。铁路沿线还有一-大部分地区是汽车交通不便地区，加上天气影响，传统的人工切除故障时间更长， 远程控制及故障处理系统使用后所取得的效果会更好。(2) 杜绝了对系统和用户的冲击。供电系统发生永久性故障，重合或备自投失败后，故障处理系统则自动判断 故障区间，并切除，然后恢复非故障区间的供电。在整个故障处理过程中，不需 要再牺牲电源的可靠性进行带故障试送电，杜绝了在故障查找过程中对系统和用 户的冲击。(3) 杜绝了对电力设备造成新的损害。如上所述，故障处理系统不需要带电向故障线路试送电，所以在此过程中， 杜绝了对电力设备造成新的损害，尤其是提高了断路器的电使用寿命。(4) 提高瞬时性故障的定性准确率。瞬时性故障时，虽然重合或备自投成功，但系统仍会采集到故障时各监控点 的瞬时参数，瞬时性故障的巡视縮小了很大范围，巡视变得有针对性，对预防类 似故障或同一故障的能力增强，可以最大程度地排除供电系统安全隐患。(5) 提高自动化运行水平，为检修维护提供方便。(6) 经济效益A、 大幅度降低对行车的干扰。信号供电中断时，对行车的干扰损失，减少行车千扰而产生的经济效益是非 常可观的。B、 降低故障切除的直接成本。根据运行经验， 一个供电臂出现故障往往需要两到三个班组的配合共同査 找，动用人员一般都在二十人以上。动用汽车等交通工具- -般都在2—3辆。按半天时间估计，人工及交通工具成本约在2000元左右。故障处理系统切除故障 成本几乎为零。C、 降低设备额外的检修成本。一台断路器(不含柜体)的成本约为3—5万元钱，按30次的电使用寿命， 每次电使用寿命约为1600元，按一次故障处理试验合闸三次计算，约需成本4800 元。再加上隔离开关、线路其它设备的检修成本，约在7000元左右。故障处理 系统可以使这种额外成本降到几乎为零。D、 初期投资及维护运行费用低。本故障切除系统由于采用了热备份的先进GPRS或CDMA传输通道，在保证通 道可靠稳定的前题下，做到了投资最少，维护使用费用最低。 一般情况下， 一个 监控点的光纤、载波通讯都在30万元，年维护运行费用都在万元左右，而GPRS 的初期投资成本仅200元，年维护运^1费用约需250元左右。初期投资成本约为 光纤、载波通讯方式的0.6%，维护运行费用约为2. 5%。从上述分析来看，无论是实用价值还是经济效益，该远程控制及故障处理系 统是非常值得推广的。


图l是铁路供电系统示意图；图2是铁路供电系统故障示意图；图3是铁路电力线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理系统示意图； 图4是系统控制单元的电路原理图；图5是贯通线路或自闭线路供电线路故障分析示意图；图6是GPRS与Internet连接原理图。
具体实施方式

以下结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式
图3所示，本实用新型铁路电力线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理系统
示意图。监测与控制对象由若干个站点和配电所构成的电力贯通线或自闭线，以
及各站点和配电所内的高压开关，供电变压器，CT， PT等。系统包括监控中心、 各个站点与配电所的控制单元、及现场设备。监控中心对各个站点与配电所的控 制单元进行监测，监控中心与控制单元数据的信息交换通过GPRS或CDMA无线通 讯方式联系，控制单元通过硬接线的方式控制现场设备。控制单元将采集到的电 流、电压进行分析、计算、比较，判定出故障类型，并将故障类型标志与加有时 标的故障数据报文，通过GPRS/CDMA无线通信网络一同送往监控中心；同时，监 控中心对控制单元各站上送的故障数据报文进行分析判断，通过GPRS或CDMA 无线通讯的方式发出控制命令至控制单元，控制单元以硬接线的方式控制现场设 备，即各个站点与配电所的高压开关，准确地切除故障区间，迅速恢复非故障区 间的正常供电。
所述的监控中心由数据库服务器、实时监测服务器、网络服务器组成。其 作用和功能如下
a) 、出于安全性考虑，监控中心主站设在局域网中，不直接连在頂TERNET 网上，而是通过网络服务器来负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转；
b) 、实时监测服务器用于对贯通线路或自闭线路的电流、电压等模拟量进行 遥测，开关状态、储能状态开关量的遥控，以及高压开关的遥控；
c) 、实时监测服务器对控制单元中各站上送的故障数据报文进行分析判断， 准确的切除故障区间，确保非故障区间的正常供电；
d) 、数据库服务器利用强大SQL-SERVER的后台数据库对实时的采样数据进 行存储、分析；为系统提供了历史追溯功能，实现历史数据査询，H，月报表打 印等功能。
所述的控制单元由遥测采集模块、直流变送模块、A/D模数变换模块、 遥信采集模块、遥控输出模块、智能控制器和GPRS模块组成，其作用和功能如
下
a) 、通过遥测采集模块对采集到的电流、电压测量值，由智能控制器进行分 析、计算、比较，判定出故障类型，并将故障类型标志与加有时标的故障数据报 文通过无线的方式一同送往监控中心；
b) 、接收来自监控中心遥合、遥分、故障遥分指令，并控制现场设备层的高 压开关的分合操作；
c) 、接收来启监控中心的招测指令，上送各站的状态参数；(电流、电H(、 开关状态位等)
d) 、每三分钟(可根据需要从l一5分钟任意设置)主动上送所在站的状态 参数(电流、电压、开关状态位等)。
所述的现场设备由各类传感器、变送器、10kV线路断路器、配电所开关柜
断路器、分布式终端控制单元、线路CT、 PT (可利用供电变压器)等组成。传感 器、变送器将线路的大电流、电压信号线性转换成小电流、电压信号，而10kV 高压开关用来对线路一次性分断和连接。
图4所示，是系统的控制单元的电路原理图；控制单元作为连接监控中心和 现场设备的中枢，在整个系统中属核心设备；控制单元由遥测采集模块、直流变 送模块、A/D模数变换模块、遥信采集模块、遥控输出模块、智能控制器和GPRS 无线通讯模块UPS、蓄电池、中间继电器、空气开关等组成；由各类传感器、变 送器，完成对一次高压设备的电流、电压的采样，信号传输给遥测采集模块，遥 测采集模块连接直流变送模块，并转换成0—5V的直流信号，然后再连接A/D模数 变换模块，将电压信号转换成数字信号，通过数据带连接并传送至智能控制器， 智能控制器同时连接GPRS无线通讯模块、遥信采集模块和遥控输出模块， GPRS/CDMA模块接收数据后，透明转发至智能控制器，智能控制器对接收到的数 据报文进行解析，根据解析的结果应答监控中心；或者智能控制器对现场采样的 进行分析判断后，如发现现场设备异常，则将相关数据编码发送至GPRS/CDMA无 线通讯模块。GPRS/CDMA无线通讯模块透明转发数据报文至监控制中心；智能控 制器除了担负着与监控中心的通讯之外，还同通过遥控输出模块对现场设备的进
行控制，市电或蓄电池供UPS不间断电源，由UPS不间断电源向智能控制器供电。 在市电消失的情况下，UPS和蓄电池组为控制设备及断路器提供了可靠的工作电 源。确保线路停电后，能够进行正常的分、合闸操作，从而恢复系统供电。 贯通线路或自闭线路供电线路故障理论分析
图5所示，贯通线路或自闭线路供电线路故障分析示意图；贯通线路或自闭 线路供电线路故障类型一般可分为三大类即单相接地故障、相间短路故障及断 线。所述的贯通线路或自闭线路供电线路故障分相间短路，包括两相相间短路、 两相接地短路、三相相间短路、三相接地短路，设故障发生在第J与第J+l个站 之间，则其故障特征归纳为
(1) 、两相相间短路
故障相电压降低，第J站，包括J站，及J站之前的所有站的故障相有故障电 流，之后的站无故障电流，系统无零序电流和零序电压；
(2) 、两相接地短路故障相电压降低，第J站，包括J站，及J站之前的所 有站的故障相有故障电流，之后的站无故障电流，系统有零序电流和零序电压；
(3) 、三相短路故障相电压降低，第J站，包括J站，及J站之前的所有站 的故障相有故障电流，之后的站无故障电流，系统无零序电流和零序电压。
本实用新型采用GPRS移动无线通讯(或采用CDMA联通无线通讯)。GPRS是 通用无线分组业务(General Packet Radio System)的縮写，它是在原有的基 于电路交换(CSD)方式的全球移动通信系统(GSM)网络上弓1入两个新的网络节点 GPRS服务支持节点(SGSN)和网关支持节点(GGSN)。 GGSN支持与外部分组交换 网的互通，并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。图6所示，GPRS与Internet 连接原理图。GPRS终端通过接口从客户系统取得数据，处理后的GPRS分组数据 发送到GSM基站。分组数据经SGSN封装后，SGSN通过GPRS骨干网与网关支持 接点GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如 Internet或X. 25网络。
本实用新型在采用GPRS通讯时，在软硬件方面采用了冗余技术，实现了通 信通道的热备份，实现双通道之间的无缝切换。进一步提高了系统通讯的稳定性。
权利要求1、一种铁路电力贯通自闭线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理系统，由监控中心、各个站点与配电所的控制单元、及现场设备组成，监控中心对各个站点与配电所的控制单元进行监测，监控中心与控制单元数据的信息交换通过GPRS或CDMA无线通讯方式联系，控制单元通过硬接线的方式控制现场设备；控制单元将采集到的电流、电压进行分析、计算、比较，判定出故障类型，并将故障类型标志与加有时标的故障数据报文，通过GPRS/CDMA无线通信网络一同送往监控中心；同时，监控中心对控制单元各站上送的故障数据报文进行分析判断，通过GPRS或CDMA无线通讯的方式发出控制命令至控制单元，控制单元以硬接线的方式控制现场设备，即各个站点与配电所的高压开关，准确地切除故障区间，迅速恢复非故障区间的正常供电。
2、 根据权利要求1所述的铁路电力线路GPRS或CDMA远程控制与故障 处理系统，其特征是所述的监控中心包括数据库服务器、实时监测服务器、 网络服务器，各服务器由以太网线连接组成局域网。
3、 根据权利要求l所述的铁路电力线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理 系统，其特征是所述的控制单元作为连接监控中心和现场设备的中枢，在整 个系统中属核心设备；控制单元由遥测采集模块、直流变送模块、A/D模数变换 模块、遥信采集模块、遥控输出模块、智能控制器和GPRS通讯网络模块、UPS、 蓄电池、中间继电器、空气开关等组成；由各类传感器、变送器，完成对一次 高压设备的电流、电压的采样，信号传输给遥测采集模块，遥测采集模块连接 直流变送模块，并转换成0—5V的直流信号，然后再连接A/D模数转换模块，将电压信号转换成数字信号，通过数据带连接并传送至智能控制器。智能控制器 同时连接GPRS/CDMA无线通讯模块、遥信采集模块和遥控输出模块；GPRS/CDMA模块接收数据后，透明转发至智能控制器，智能控制器对接收到的数据报文进行解析，根据解析的结果应答监控中心；或者智能控制器对现场采样的进行分 析判断后，如发现现场设备异常，则将相关数据编码发送至GPRS/CDMA无线通讯 模块。GPRS/C頭A无线通讯模块透明转发数据报文至监控制屮心；智能控制器除 了担负着与监控中心的通讯之外，还同通过遥控输出模块对现场设备的进行控 制，市电或蓄电池供UPS不间断电源，由UPS不间断电源向智能控制器供电。
专利摘要本实用新型提供了铁路电力贯通自闭线路GPRS或CDMA远程控制与故障处理系统，主要由监控中心、控制单元、现场设备三部分构成；并使用GPRS/CDMA无线通信网络将监控层与控制单元联接。控制单元将采集到的电流、电压进行分析、计算、比较，判定出故障类型，并将故障类型标志与加有时标的故障数据报文，通过GPRS/CDMA无线通信网络一同送往监控中心；同时，监控中心对控制单元中各站上送的故障数据报文进行分析判断，通过GPRS/CDMA无线通信的方式发出控制命令，控制单元以硬接线的方式控制现场设备层即各个站点与配电所的高压开关。本实用新型工作可靠和稳定、对供电设备无损伤，投入和维护成本较低，自动、快速、准确判断并切除故障区间，及时恢复非故障区段的供电，压缩故障抢修时间，为设备检修带来方便，提高了供电线路自动化控制运行水平。
文档编号B60M3/00GK201026806SQ200720100468
公开日2008年2月27日 申请日期2007年1月26日 优先权日2007年1月26日
发明者畅 刘, 姚峰林, 鹏 安, 梁树杰, 王建功, 庆 阎 申请人:山西六合华鼎科贸有限公司