用于在直流系统中沿着能量供应线路进行故障定位的方法和装置与流程

在铁路电力供应系统中，在运行中，可能沿着能量供应线路出现短路。在此，不管使用架空线系统、三轨系统、还是其它系统都无关紧要。这种运行短路例如可能由于有故障的车辆或列车，由有故障的架空线部分，由于与道路车辆、起重机的事故或由于倒下的树木而产生。出现短路的能量供应线路的馈电区段，在短途交通中通常长达2km，并且在长途交通中长达20km。如果产生运行短路，则虽然铁路运营商知道短路位于能量供应线路的哪个馈电区段中，但是缺少关于运行短路的故障位置准确地位于何处的信息。下面，运行短路是在运行中发生的短路。

在直流铁路系统中，能量供应线路的运营商通常无法检测运行短路的故障位置。能量供应线路的运营商依靠来自第三方的有关故障位置的信息。在火车有故障或发生事故的情况下，其例如可以由车辆驾驶员报告。但是，例如在由于行驶线路部件损坏或绝缘故障而引起的故障的情况下，为了找到故障位置，必须关闭整个馈电区段。

在交流电压系统中，已知用于自动确定故障位置的方法。在直流铁路系统中，迄今尚未使用这种方法。

虽然在ru2237905c2中描述了一种进行故障定位的方法，这种方法也可以应用于直流电，但是迄今为止，这种方法没有得到使用。

在诸如(高压直流传输)或用于计算中心的电力供应的其它直流系统中，也可能出现运行短路，对该运行短路的快速定位是有利的。因此，本发明可以用于不同类型的直流系统。

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于在直流系统中沿着能量供应线路进行故障定位的方法和装置，利用这种方法和装置，可以可靠地以简单的方式确定故障位置。

根据本发明，上述技术问题通过用于在直流系统中沿着能量供应线路进行故障定位的方法来解决，在这些直流系统中，在能量供应线路的已知的参考故障位置处，产生至少一个参考短路，并且在参考短路期间确定能量供应线路的至少一个物理特性，其中，在发生运行短路时，确定能量供应线路的至少一个物理特性，以及其中，至少在考虑在参考短路和运行短路期间确定的物理特性以及参考故障位置的情况下，来确定运行短路的故障位置。

此外，本发明通过用于在直流系统中沿着能量供应线路进行故障定位的装置来解决上述技术问题，所述装置具有测量装置，测量装置被构造为用于，在参考短路和运行短路期间，确定能量供应线路的至少一个物理特性，并且所述装置具有计算装置，计算装置被构造为用于，至少在考虑在参考短路和运行短路期间确定的物理特性以及参考故障位置的情况下，来确定运行短路的故障位置。

通过根据本发明的解决方案，可以以简单的方式可靠地确定运行短路的故障位置。为此，首先执行参考测量，在参考测量中，在已知的参考故障位置处产生参考短路。参考短路与运行短路的不同之处在于，参考短路是在参考测量期间有意产生的。在参考短路期间，通过测量装置来确定能量供应线路的至少一个物理特性，例如电流强度和/或电压、即故障电流和/或故障电压的时间曲线。存储已知的参考故障位置的该至少一个物理特性以及位置。现在，当在直流系统运行时出现运行短路时，根据本发明，确定能量供应线路在发生该运行短路时的至少一个物理特性，例如故障电流和/或故障电压。随后，计算装置可以确定运行短路的故障位置。在此，至少考虑在参考短路期间确定的至少一个物理特性和在运行短路期间确定的至少一个物理特性以及参考故障位置。

也就是说，根据本发明，为了随后能够在直流系统运行时确定出现的运行短路的故障位置，仅必须利用参考短路来执行该参考测量。

通过自动确定的故障位置，可以非常快速地开始针对性的措施，以便快速地再次恢复直流系统的运行。这种措施例如可以是针对性地在运行短路的故障位置处使用维护团队。替换地，例如也可以首先向故障位置派送具有照相机系统的无人机，以提供故障位置的第一图像。由此，例如可以立刻识别出倒在架空线上的树木，并且可以开始合适的对策。

下面，经常参考直流铁路系统来描述本发明。然而，这仅仅应当理解为示例。在其它直流系统中的应用同样是有利且可能的。

根据本发明的解决方案可以通过下面描述的有利的设计方案来进一步扩展。

因此，可以至少借助在参考短路期间确定的物理特性，并且借助参考故障位置，来确定至少一个与能量供应线路的长度有关的计算值，并且在考虑该计算值以及在运行短路期间确定的物理特性的情况下，来确定运行短路的故障位置。这具有简化故障位置的计算的优点。在一个特别有利的实施方式中，作为计算值，例如可以确定能量供应线路的单位长度的电感。在此，电感特别适合作为计算值，因为电感使电流的变化率与电压成关系。因为例如可以容易地确定故障电流的变化率，因此本发明可以简单地应用。

为了在确定故障位置时进一步提高准确性，可以确定能量供应线路的单位长度的电阻，并且在确定故障位置时一起考虑。能量供应线路的电阻、例如线缆电阻，可能对计算故障位置时的准确性有负面影响，因此优选将其计算出。

为了简化所需要的测量，可以在产生参考短路时，并且在产生运行短路时，确定能量供应线路的相同的物理特性。此外，作为在产生参考短路时以及在产生运行短路时的能量供应线路的物理特性，可以分别确定故障电流和/或故障电压的时间曲线。故障电流和故障电压的确定可以简单地进行，因此可以在没有大的开销的情况下使用。附加地，还可以确定产生参考短路时以及产生运行短路时的其它物理特性。

为了避免直流系统的可能的损坏，可以识别运行短路，随后切断对能量供应线路的能量供应，并且确定在产生运行短路时、直至进行切断时的能量供应线路的至少一个物理特性。通过根据本发明的解决方案，当在产生运行短路时，由于进行切断而仅短暂地向能量供应线路供应能量时，也可以确定故障位置。特别是，可以对至少一个物理特性的另一个预期走向进行外推。在此，预期走向应当理解为在不进行切断的情况下将出现的走向。这具有如下优点：通过外推，提供特性的更长的走向，其显著提高故障定位的准确性。外推例如可以利用最小二乘法，通过平滑和/或线性回归来进行。也可以在产生参考短路时应用外推，从而在产生参考短路时获得至少一个物理特性的更长的走向。

在识别出运行短路时，可以在小于500ms、特别是小于200ms的时间内切断能量供应。

为了在确定故障位置时进一步提高准确性，与运行短路相比，在产生参考短路时，可以不切断或稍后切断能量供应。因此，故障电流例如达到最大值，由此参考测量更有参考性。

在根据本发明的用于进行故障定位的装置的一个有利的设计方案中，所述装置可以具有至少一个通信装置，通信装置被构造为用于，将运行短路的故障位置特别是传输到直流系统的集控站。这具有如下优点：可以将所确定的故障位置快速地转发到需要该信息的位置。在铁路设备的情况下，这例如可以是集控站或控制台。在此，可以以有线的方式(例如在存在网络、例如以太网的情况下)或以无线的方式(例如经由wlan或gsm-r)进行故障位置的传输。

此外，所述用于进行故障定位的装置，可以被构造为用于执行根据上面描述的实施方式中的任意一个的根据本发明的方法。

最后，本发明还涉及一种用于直流铁路系统的保护和控制设备，该保护和控制设备具有检测装置，检测装置被构造为用于，识别直流系统的能量供应线路上的运行短路。为了可靠地识别运行短路的故障位置，根据本发明设置为，保护和控制设备具有至少一个按照前面提到的实施方式中的任意一个的用于进行故障定位的装置。

下面，参考所附的附图和在其中示出的本发明的示例性的实施方式来描述本发明。

图1示出了具有根据本发明的保护和控制设备的直流铁路系统的示意图；

图2示出了在按照图1的铁路系统中的不同故障位置处发生短路时的预期电流走向的示意图；

图3示出了在切断电力供应的运行短路的情况下的电流走向的示意图；

图4示出了图1中的根据本发明的用于进行故障定位的装置的示意图。

下面，参考在图1中示出的根据本发明的保护和控制设备的示例性的实施方式以及图2和3中的曲线图来描述本发明。

图1示出了直流铁路系统1，直流铁路系统1示例性地作为有轨电车系统示出。直流铁路系统1具有行驶路线2，车辆3在行驶路线2上移动。在图1中示出的唯一的车辆3示例性地构造为有轨电车。此外，直流铁路系统1包括能量供应线路4，能量供应线路4向车辆3供应电能。在图1中的实施方式中，能量供应线路4具有架空线5，车辆3借助受电弓6与架空线5接触。能量供应线路4通常包括多个馈电区段7，在图1中仅示出了多个馈电区段7中的一个。

馈电区段7沿着行驶路线2依次布置，并且通过分离点8彼此分离。在至少一个连接点9处，从电源10(例如变电站)向每个馈电区段7馈送电能。在图1中的实施方式中，在两个连接点9处，从两侧向示出的唯一的馈电区段7供应能量。电源10包括至少一个控制面板11，控制面板11为连接点9供应能量。在控制面板11中相应地布置有根据本发明的保护和控制设备，下面将更详细地描述根据本发明的保护和控制设备。由于图1中的铁路系统是利用直流电压运行的直流铁路系统1，因此架空线5是一个极，并且沿着行驶路线2的行驶轨道12是另一个极。其它已知的用于对直流铁路供电的系统当然也是可能的，例如三轨系统或其它系统。

控制面板11分别具有检测装置13、切断装置14和用于进行故障定位的装置15。此外，保护和控制装置同样也是相应的控制面板11的一部分。保护和控制装置包括检测装置13和用于进行故障定位的装置15。

检测装置13被构造为用于识别能量供应线路4上的运行短路。

切断装置14与检测装置13连接，并且在检测装置13识别出运行短路时，切断装置14可以中断与电源10的连接。切断装置14例如被构造为隔离开关、负载隔离开关或断路器。

根据本发明的用于进行故障定位的装置15被构造为用于，在直流铁路系统1运行时，确定运行短路d的故障位置21。

用于进行故障定位的装置15又包括测量装置16和计算装置17。在图4中示意性地示出了故障定位装置15的示例性的实施方式。作为针对用于进行故障定位的装置的测量装置16，也可以使用确定所需要的测量值的其它可用装置，例如检测装置13的测量装置(未示出)。用于进行故障定位的装置15的计算装置17同样也可以集成到另一个计算装置中，例如检测装置13的计算装置(未示出)。用于进行故障定位的装置15当然也可以布置在电源10的其它位置。

测量装置16被构造为用于，确定能量供应线路4的物理特性，特别是馈电区段7的物理特性。

计算装置17与测量设备16通过信号技术连接，并且被构造为用于确定运行短路的故障位置。

下面，描述用于进行故障定位的装置15如何借助根据本发明的用于进行故障定位的方法，来确定运行短路d的故障位置21。

首先，例如在直流铁路系统1投入运行之前，进行参考测量。

在参考测量中，在已知的参考故障位置18处，一定程度上人为地产生至少一个参考短路a、b、c。为此，例如在架空线5与行驶轨道12之间的参考故障位置18′、18″、18″′处安装线缆。随后，确定能量供应线路4在参考短路期间的物理特性。这些物理特性例如是相应地关于时间t的电流i的走向(电流i也可以称为故障电流，)以及电压u的走向(未示出)(电压u也可以称为故障电压)。在图2中分别利用曲线19′、19″、19″′，针对不同的参考短路a、b、c示出了参考短路期间的电流走向。为了实现尽可能多的测量值以及例如实现最大故障电流，与运行短路相比，在参考短路中相对长时间地保留电源10。然而，也可能不实现在图2中示出的走向，因为在进行参考测量时，能量供应由于参考短路而被切断，因此也可能未实现在图2中所示的走向。在这种情况下，可以对预期走向进行外推，以获得根据图2的走向或该走向的值。下面，参考运行短路更详细地描述外推。

在附图中的示例性的实施方式中，随后，根据所确定的物理特性、包括必要时外推的走向，作为计算值，来确定能量供应线路的单位长度的能量供应线路4的电感。其例如以h/m或mh/km为单位给出。

为了提高根据本发明的方法的准确性，在直流铁路系统1投入运行之前，确定能量供应线路4的电阻和电感，并且相应地确定能量供应线路4的单位长度的电阻和电感的归一化的值。在该实施方式中，在确定计算值时，一起考虑单位长度的电阻和电感。

将所确定的一个或多个计算值存储在根据本发明的计算装置中。随后，可以将直流铁路系统1投入运行。

现在，如果出现运行短路d，则通过检测装置13识别来运行短路d。随后，为了进行保护，切断装置14例如在小于500ms、特别是小于200ms的时间内，将电源10与能量供应线路4分离。在分离之前，测量装置16确定能量供应线路4的物理特性，例如在图3中示意性地示出的电流走向29和未示出的电压走向。

如在图3中可以看到的，切断装置14在时刻t2中断了电源10。从发生短路的时刻，直至时刻t1，由于能量供应线路4的电感，电流i增大。在t1与t2之间，电流i受断开过程影响。根据本发明，根据t1之前的故障电流i的增大的走向，以及必要时根据故障电压u的走向，来确定运行短路d的故障位置21。为此，将运行短路d的电流走向的曲线20，与参考短路a、b、c的电流走向进行比较，由此确定故障位置21。在该实施方式中，在确定故障位置21时，还附加地将运行短路d的电压走向与参考短路的电压走向进行比较。为了能够自动执行这，根据所确定的故障电流走向和故障电压走向，在发生运行短路d时，在时刻t1之前，确定电感。时刻t1是发出切断命令的时刻。从该时刻起，电流走向受切断装置14影响，因此歪曲。从时刻t1起，不再使用电流走向，来确定电感。

根据未受影响的电流和电压的走向，外推进一步的预期的电流和电压走向。这例如可以利用最小二乘法，借助平滑和/或线性回归来进行。例如在“aprototypeofmultiprocessorbaseddistancerelay”，ieeetransactionsonpowerapparatusandsystems(volume:pas-101,lssue:2,1982年2月)对此进行了描述。根据外推的走向，可以推断出故障回路的电感和电阻，即，运行短路的电感和电阻。

因为在计算装置17中，能量供应线路4的单位长度的电感和电阻的计算值是已知的，由此可以根据所确定的运行短路d的电感，来确定故障位置21的长度l，即，故障位置21到连接点9的距离。