直流牵引供电系统接触网故障测距方法及系统与流程

本发明属于轨道供电技术领域，更具体地，涉及一种直流牵引供电系统接触网故障测距方法。

背景技术：

在现有的城市轨道交通直流牵引供电系统接触网故障测距领域，或是利用光感传感器采集光信号，在将其转换为电信号进行故障测距，或是在故障后多次施加指定电压，通过测量短路电流进行故障测距。前者会受到运行环境等因素的强烈影响，判断结果并不准确，后者不符合故障发生后快速切除故障并保证检修安全的保护宗旨。

技术实现要素：

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种直流牵引供电系统接触网故障测距方法，在故障发生时能够根据故障线路两端的实时状态量，快速可靠地计算出故障发生的具体位置。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种直流牵引供电系统接触网故障测距方法，所述方法应用于采用双边供电的直流牵引供电系统接触网，所述直流牵引供电系统接触网包括第一牵引变电所和第二牵引变电所，所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所均通过各自的直流馈线柜给接触网供电，所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所均包括用于控制各自直流馈线柜的直流保护装置，若所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所间的接触网发生短路故障，所述第一牵引变电所的直流保护装置执行直流馈线保护动作，所述方法包括步骤：

获取执行直流馈线保护动作时所述第一牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第一电压和第一电流，获取执行直流馈线保护动作同时刻所述第二牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第二电压和第二电流；

获取所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所间的总距离，根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压、所述第二电流和所述总距离，计算确定故障位置。

优选的，所述计算确定故障位置采用以下任一计算公式：

其中，um为所述第一电压，im为所述第一电流，un为所述第二电压、in为所述第二电流，l为所述总距离，lm为故障点到所述第一牵引变电所的距离，ln为故障点到所述第二牵引变电所的距离。

优选的，所述直流牵引供电系统接触网还包括第一goose交换机和第二goose交换机，所述第一牵引变电所的直流保护装置的通信端口通过光缆与所述第一goose交换机连接，所述第二牵引变电所的直流保护装置的通信端口通过光缆与所述第二goose交换机连接，所述第一goose交换机和所述第二goose交换机相互连接，形成线路级的goose过程层网络。

优选的，所述第一牵引变电所的直流保护装置执行直流馈线保护动作是所述第一牵引变电所的直流保护装置通过采集故障时刻的电气量进行计算确定的。

优选的，所述获取执行直流馈线保护动作同时刻所述第二牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第二电压和第二电流包括步骤：

所述第一牵引变电所的直流保护装置执行直流馈线保护动作时，同时通过所述goose过程层网络向所述第二牵引变电所的直流保护装置发送采集信号，所述第二牵引变电所的直流保护装置收到所述采集信号后，采集所述第二牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第二电压和第二电流。

按照本发明的第二方面，提供了一种直流牵引供电系统接触网故障测距系统，所述系统应用于采用双边供电的直流牵引供电系统接触网，所述直流牵引供电系统接触网包括第一牵引变电所和第二牵引变电所，所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所均通过各自的直流馈线柜给接触网供电，所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所均包括用于控制各自直流馈线柜的直流保护装置，若所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所间的接触网发生短路故障，所述第一牵引变电所的直流保护装置执行直流馈线保护动作，所述系统包括：

信号获取模块，用于获取执行直流馈线保护动作时所述第一牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第一电压和第一电流，获取执行直流馈线保护动作同时刻所述第二牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第二电压和第二电流；

数据处理模块，用于获取所述第一牵引变电所和所述第二牵引变电所间的总距离，根据所述第一电压、所述第一电流、所述第二电压、所述第二电流和所述总距离，计算确定故障位置。

总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：

(1)针对现有的城市轨道交通故障测距的算法无法快速并可靠地计算出故障位置的问题，本发明在故障发生时能够根据故障线路两端的实时状态量，通过求解故障后的电压电流量与线路电阻之间的关系方程，来获得故障点位置。一方面从原理上消除了过渡电阻和对侧系统对故障测距的影响，另一方面能够快速可靠地计算出故障发生的具体位置，为故障排查、抢险维修提供有力的帮助。

(2)为解决现有技术存在的采样问题，本发明利用基于iec61850协议的保护测量装置，利用goose网络将过程层和间隔层的直流保护装置连接在一起，使直流保护装置可以通过光纤实时地获取保护线路的状态量，解决了保护装置无法实时获取保护线路状态信息的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的采用双边供电的直流牵引供电系统接触网的供电示意图；

图2是本发明实施例的直流牵引供电系统接触网的短路故障暂态模型电路图；

图3是本发明实施例的直流牵引供电系统接触网的短路故障暂态模型经过δ-y电阻变换后的等效电路；

图4是本发明实施例的直流牵引供电系统接触网故障测距方法的流程图；

图5是本发明实施例的直流保护装置基于goose通信的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为城市轨道交通直流牵引供电系统双边供电方式的电气接线图。直流牵引供电系统接触网采用双边供电，将直流牵引供电系统接触网中短路故障点两端的两个变电所，分别称为第一牵引变电所和第二牵引变电所，两个牵引变电所均包括直流馈线柜和直流保护装置，直流保护装置用于控制各自的直流馈线柜，两个牵引变电所均通过各自的直流馈线柜给接触网供电，将其中一个牵引变电所标记为牵引变电所m，另一个牵引变电所标记为牵引变电所n。双机组并列运行，可以减少高次谐波对交流供电系统的影响，减小杂散电流和功率损耗，改善列车起动和运行时的电压损失。

本发明实施例的一种直流牵引供电系统接触网故障测距方法，应用于上述直流牵引供电系统接触网，若第一牵引变电所和第二牵引变电所间的接触网发生短路故障，控制第一牵引变电所的直流保护装置执行直流馈线保护动作，执行直流馈线保护动作具体是指第一牵引变电所的直流保护装置执行瞬时过流保护动作，断开第一牵引变电所的直流馈线柜的断路器。第一牵引变电所的直流保护装置执行直流馈线保护动作具体是第一牵引变电所的直流保护装置通过采集电气量进行计算确定的，通过采集的电压电流等电气量，可以计算确定当前时刻是否发生断路故障，若发生断路故障，则执行瞬时过流保护动作。

优选地，为了消除短路故障，除了第一牵引变电所的直流保护装置执行瞬时过流保护动作，还向第二牵引变电所的直流保护装置发送保护联跳信号，第二牵引变电所的直流保护装置收到信号后，加速保护动作使其自身的断路器也断开。

该故障测距方法包括步骤：获取执行直流馈线保护动作时第一牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第一电压和第一电流，获取执行直流馈线保护动作同时刻第二牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第二电压和第二电流；获取第一牵引变电所和第二牵引变电所间的总距离，根据第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和总距离，计算确定故障位置。

如图4所示，具体地，若牵引变电所m和牵引变电所n间的接触网发生短路故障，控制牵引变电所m的直流保护装置执行直流馈线保护动作。获取执行直流馈线保护动作时牵引变电所m的直流保护装置与接触网连接处的电压um和电流im，获取执行直流馈线保护动作同时刻牵引变电所n的直流保护装置与接触网连接处的电压un和电流in；获取牵引变电所m和牵引变电所n间的总距离l，计算确定故障位置。

作为一种可替代的方式，可若牵引变电所m和牵引变电所n间的接触网发生短路故障，控制牵引变电所n的直流保护装置执行直流馈线保护动作，获取执行直流馈线保护动作时牵引变电所n的直流保护装置与接触网连接处的电压un和电流in，获取执行直流馈线保护动作同时刻牵引变电所m的直流保护装置与接触网连接处的电压um和电流im；获取牵引变电所m和牵引变电所n间的总距离l，计算确定故障位置。

下面具体说明计算确定故障位置的原理。

图2为城市轨道交通直流牵引供电系统接触网的短路故障暂态模型。牵引变电所m、n之间线路总长为l，故障点到牵引变电所m之间的距离为lm，故障点到牵引变电所n之间的距离为ln。图中um、im为m端直流馈线保护动作时的电压、电流，un、in为n端直流馈线保护同时刻的电压、电流(m端直流馈线保护动作，反之亦然)。rme为m端电源等效内阻，rmj为m端接触网短路电阻，rmg为m端走行轨短路电阻。rne为n端电源等效内阻，rnj为n端接触网短路电阻，rng为n端走行轨短路电阻。rj为复线对侧接触网电阻，rd为短路过渡电阻。其中：

式中rg为走行轨电阻参数。

对图2中的城市轨道交通直流牵引供电系统接触网的故障暂态模型进行δ-y电阻变换，可以得到图3所示的等效电路，其中：

根据基尔霍夫电压和电流定律，可对图2中电路列写如下方程：

求解上式可得：

进而有：

一般情况下rme，rne＜＜rj，可忽略。从而有：

所以可以得到故障点位置的计算公式为：

根据以上城市轨道交通直流牵引供电系统接触网的故障测距方法原理，当接触网某处发生短路故障时，若m端直流馈线保护动作，则获取m端直流馈线保护动作时的电压um和电流im，以及n端直流馈线保护同时刻的电压un、电流in，反之亦然。之后采用式(12)、(13)计算故障点距m、n两端的距离，确定故障点的位置。

进一步地，直流牵引供电系统接触网还包括第一goose交换机和第二goose交换机，第一牵引变电所的直流保护装置的通信端口通过光缆与第一goose交换机连接，第二牵引变电所的直流保护装置的通信端口通过光缆与第二goose交换机连接，第一goose交换机和第二goose交换机相互连接，形成线路级的goose过程层网络。利用goose网络将过程层和间隔层的直流保护装置连接在一起，使直流保护装置可以通过光纤实时地获取保护线路的状态量。

牵引变电所m和牵引变电所n之间的接触网对地发生短路时，牵引变电所m和牵引变电所n均有可能执行直流馈线保护动作，当其中一个牵引变电所的直流保护装置进行瞬时过流保护动作时，同时通过所述goose过程层网络向另一牵引变电所的直流保护装置发送采集信号，另一牵引变电所的直流保护装置收到采集信号后，采集另一牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的电压和电流。

进一步地，直流保护装置与goose交换机之间的信息交互过程包括：

直流保护装置将本站点信息编译成符合goose规约的报文，上传至对应的goose交换机；

goose交换机将收到的报文转发至整个网络中的全部设备，各个设备通过之前设置的goose收发规则，选择自己所需的goose报文接收并解码，从而得到自己所需要的报文信息。

本发明实施例的一种直流牵引供电系统接触网故障测距系统，系统应用于采用双边供电的直流牵引供电系统接触网，直流牵引供电系统接触网包括第一牵引变电所和第二牵引变电所，第一牵引变电所和第二牵引变电所均通过各自的直流馈线柜给接触网供电，第一牵引变电所和第二牵引变电所均包括用于控制各自直流馈线柜的直流保护装置，若第一牵引变电所和第二牵引变电所间的接触网发生短路故障，第一牵引变电所的直流保护装置执行直流馈线保护动作，系统包括：

信号获取模块，用于获取执行直流馈线保护动作时第一牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第一电压和第一电流，获取执行直流馈线保护动作同时刻第二牵引变电所的直流馈线柜与接触网连接处的第二电压和第二电流；

数据处理模块，用于获取第一牵引变电所和第二牵引变电所间的总距离，根据第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和总距离，计算确定故障位置。

系统的实现原理、技术效果与上述方法类似，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。