1、现代电子技术Modern Electronics Technique2023年10月1日第46卷第19期Oct.2023Vol.46 No.190 引 言在电气化铁路中，接触网结构形式多样、运行环境复杂、露天架设且无备用，易受到雷击、设备本身（松动、脱落、烧断等）故障及外部环境（鸟害、危树、异物）影响1。受电弓在机车运行过程中取流，接触网处于动态运行状态，运行环境恶劣。特别是多股道站场接触网，由于结构复杂，发生故障的几率更高，是牵引供电系统中较为薄弱的环节。在电气化铁路发生故障时迅速找到故障点并进行处理是保障运输非常重要的环节2。对于铁路干线接触网故障的定位，采用安装于变电所内的“故障测距装置
2、”测定故障点，误差基本上能控制在500 m以内，“故障测距装置”已经成了变电所综合自动化系统的标准配置34。对于复杂站场，由于接触网架构复杂，分支线路众多，特别是大型站场，根据运输需要，采用多股道结构，股道有数十条之多，各股道通过隔离开关或股道电连接实现股道间的通电。当发生故障后，依据现有变电所故障测距装置提供的信息不能确定具体位置，也不能确定在站场的哪一个股道上。检修人员查找故障时，需要依据线路状况多地排查，故障查找往往费时费力，尤其在天气恶劣的环境情况及复杂地质条件下，接触网易发生故障，巡线查找也更加困难，会造成大量人力物力资源的浪费。据统计，在接触网故障停电延时中，故障查找占用的时间是整
3、个故障延时的60%，甚至更多，因此在站场接触网发生故障时，对铁路运输秩序的影响比区间接触网故障更为严重5。针对多股道站场发生分支接触网故障，故障点难以定位的问题，本文提出在每一分支股道对应的承力索上安装电流监测终端，将接触网分割成许多小区段，采集故障电流信息并以ZigBee组网通信方式发送至协调器，协调器汇集电流采样数据后发送至上位机，上位机以上电气化铁路站场接触网故障定位技术研究徐 展，钟选明，廖 成（西南交通大学 电磁场与微波技术研究所，四川 成都 610031）摘 要：多股道站场接触网由于结构复杂、分支众多，发生接地故障后，依据现有的故障测距技术，无法确定故障的具体股道与位置。针对这一问
4、题，提出一种多股道站场接触网故障定位方法。在每一分支股道对应的承力索上安装多个电流监测终端，并采集电流波形数据。利用ZigBee无线通信技术汇集数据，通过电流有效值的大小判断区间内存在故障，通过相邻电流监测终端采集的相反方向电流定位故障区段，实验结果验证了该方法的有效性与正确性。关键词：多股道站场；故障定位；ZigBee；电气化铁路；电流监测终端；电流有效值中图分类号：TN9934；U226.5+1 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）19013505Research on catenary fault location technology of electrified r
5、ailway yardXU Zhan,ZHONG Xuanming,LIAO Cheng(Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract：Due to the complex structure and numerous branches of the catenary of multitrack yard,the specific track and location of the fault cannot be determined with the exis
6、ting fault location technology after the grounding fault occurs.Therefore,a fault location method for multi track yard catenary is proposed.Multiple current monitoring terminals are installed on the messenger cables corresponding to each branch track,and current waveform data are collected.ZigBee wi
7、reless communication technology is used to assemble data.The fault in the interval is judged by the magnitude of the effective value of the current,and the fault section is located by the opposite direction current collected by the adjacent current monitoring terminal.The experimental results have v
8、erified the validity and correctness of the proposed method.Keywords：multitrack yard;fault location;ZigBee;electrified railway;current monitoring terminal;current effective valueDOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.19.025引用格式：徐展，钟选明，廖成.电气化铁路站场接触网故障定位技术研究J.现代电子技术，2023，46（19）：135139.收稿日期：20230316 修回日期：20
9、230407基金项目：国家自然科学基金项目（62271416）135135现代电子技术2023年第46卷网点电流为基准参量，计算电流监测终端采集的故障电流相位，只要小区段两端故障电流方向相反，则该区段为接触网故障区段，从而实现故障区段的精确定位。1 多股道站场接触网故障定位方案电气化铁路站场接触网供电分布示意图如图 1 所示。为方便描述，仅选取了 3条股道，大多数较大站场一般有10余条股道。股道之间通过股道电连接连通供电，股道电连接的间距大约为 450 m。站场越大，股道越长，设置的股道电连接数量也越多。由于股道电连接的长度较短，电阻较小，每条股道电连接可看成是等电位的68。图1 电流监测终端
10、安装示意图当接触网线路发生接地故障时，变电所馈线和故障点之间会流过很大的短时故障电流，馈线保护测控装置启动保护，馈线跳闸9。如图1所示安装电流监测终端，电流监测终端可以判定线路是否存在故障，故障判据如下：1）送电稳定过后，线路中出现大的突变电流，且I It，It为突变电流启动设定值，其值大于机车启动值。2）突 变 电 流 持 续 时 间t后，线 路 停 电，其 中0.02 s t 3 s。3）监测电流大于变电所馈线保护测控装置的电流速断定值。以上三种情况，只要有一种情况发生，均认为接触网线路有故障1011。图 1 中：110 为电流监测终端，当 F 处发生接地故障时，电流监测终端 27能测出电
11、流大小，录取电流波形，上位机根据电流数据计算出如图 1 所示的电流方向。由于电流总是从高压侧流向接地点，同股道的电流监测终端 4、终端 5 测出的方向相反，即可确定故障点在 F处。此外，当电流监测终端的外侧区域发生故障时，如图1中电流监测终端9的左侧，此时，电流监测终端1检测出区域内存在故障，但没有2个电流监测终端检测的方向是相反的，而电流监测终端9会检测出它的后续区段有故障，同样可确定故障点位置。2 系统硬件设计2.1 电流监测终端硬件设计电流监测终端总体结构如图2所示，感应电源从线路电流中获取能量，为电流传感器、主控单元、GPS（Global Positioning System）模块供电
12、。主控单元对电流传感器的采样信号进行模数转换，同时获取GPS时间信息，为采集的数据打上时间戳，并通过 ZigBee网络将数据发送至协调器。图2 电流监测终端总体结构示意图2.1.1 电源设计电流监测终端安装于电气化铁路的接触网承力索上，接触网电压为27.5 kV，监测装置与接触网电压基本相同，考虑到绝缘要求，电源不能从低压端直接提供。CT（Current Transformer）感应取电通过感应线圈从高电位的线路上获取电能，其本身是一台隔离设备，整个取电装置是悬浮的，解决了供电存在的绝缘问题1214。感应电源结构如图 3 所示。当接触网上有负荷电流时，承力索由于分流也会有相应电流通过，感应线圈
13、从承力索上获取感应电流，经过全波整流快速为超级电容充电，再经过降压稳压为电流监测终端供电，同时为备用锂电池充电，一旦超级电容上的电压过高，会启用泄放电路将多余的能量通过耗散电阻泄放掉；当接触网上无负荷电流时，切换备用锂电池为电流监测终端供电。感应线圈后端添加TVS（Transient Voltage Suppressor）吸收浪涌电流，防止后续电路受到冲击电流的破坏1516。2.1.2 通信方案设计系统主控芯片采用无线射频芯片 CC2530，该芯片内置 RF（Radio Frequency）收发器，支持 ZigBee 协议栈以实现设备无线组网，同时集成了 8 通道 12 位 ADC（Analo
14、gtoDigital Converter），以 4 kHz的带宽进行模数转换。CC2530及其外围电路原理图如图 4所示。芯片从 RF_P 和 RF_N 引脚上传输射频差分信号，其后端为136第19期单极子天线，因此采用 LC巴伦电路进行差分信号的转换和阻抗匹配。GPS 模块以 L76LB 为核心，其外围电路如图 5 所示。L76 LB 模 块 每 隔 1 s 就 会 发 出 PPS（Pulse Per Second）信 号，其 授 时 精 度 小 于 10 ns，通 过 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）将授时信息发送给 CC2
15、530 芯片。L76LB 的 1PPS、RXD1、TXD1引脚分别与CC2530的P0_1、TX、RX引脚相连。图3 感应取电结构框图图4 CC2530及其外围电路原理图图5 L76LB及其外围电路原理图2.2 协调器节点硬件设计协调器是 ZigBee 网络中的中心节点，负责组建ZigBee网络和汇集所有终端发送的电流数据并发送至上 位 机。考 虑 到 CC2530 的 RAM（Random Access Memory）容量仅为8 KB，难以充当中心节点的主控芯片处 理 大 量 数 据，因 此 采 用 RAM 容 量 为 96 KB 的STM32F401CEU6 作 为 主 控 芯 片，通 过
16、 UART 分 别 与ZigBee芯片CC2530、上位机连接并传输数据。3 软件设计3.1 电流监测终端软件设计图 6为终端软件流程图，终端经过时钟、系统初始化后扫描附近网络信道，加入 ZigBee 网络。每次在1 PPS信号到来时，终端都会进行时钟同步，使系统内部的时间保持一致。终端会一直进行电流采样，当电流数值超过设定的阈值时，或是终端收到协调器广播的总召信号时，终端会将带有时标的电流数据发送给协调器。徐 展，等：电气化铁路站场接触网故障定位技术研究137现代电子技术2023年第46卷图6 终端节点软件流程图3.2 协调器节点软件设计图 7为ZigBee协调器节点软件流程图，协调器经过系
17、统初始化后，创建ZigBee网络，等待终端连接，然后连接上位机软件。当协调器接收到终端发送的电流数据时，会发出广播，总召所有终端设备在故障时刻前后5个周波内采集的电流数据，同时将数据汇集发送至上位机。图7 协调器节点软件流程图3.3 上位机软件设计上位机包含设备管理、状态监测和文件管理三个模块。设备管理模块可以实现连接协调器、断开设备连接的功能；状态监测模块可以实时监测采样电流、电池电压和系统内部时间等数据，并且可以设置采样电流阈值；文件管理模块可以对采样电流波形数据进行读取、存储和打印，同时可以查看波形中任一点的电流采样时间、幅度和相位。上位机文件管理界面如图8所示。图8 上位机文件管理界面
18、4 系统测试根据前文设计，搭建样机实物与实验平台，如图 9所示。微机继电保护测试仪产生频率为 50 Hz、相位可调、有效值范围为060 A的电流，并从电流监测终端线圈中心穿过。终端以 4 kHz的频率对电流进行采样，协调器汇集采样电流数据后发送至上位机，由上位机进行有效值和相位的计算。图9 电流监测终端测试图4.1 电流有效值与相位的正确性验证实验对不同有效值大小的电流进行测试，结果如表 1所示。可见电流有效值在 10 A 以上时，感应电源即开始启动，为电流监测终端供电；在 1060 A 电流有效值范围内，电流监测终端有效值相对误差小于5%。采用2个电流监测终端对幅度不同、相位相同的电流进行采
19、样，对比相位测试结果如表 2所示，可见在 1060 A电流有效值范围内，相位测试误差小于 0.6，整个系统内部的时间误差小于40 s。4.2 故障定位实验设置 3个电流监测终端，分别对应图 1中的终端 1、终端 4、终端 5，在终端 4、终端 5之间的接触网设置接地故障点。对终端设置不同大小的突变电流启动值It，同时给线路施加不同大小的突变电流I，当终端1检测出故障后，协调器会汇集所有终端的波形数据并发送给上138第19期位机进行相位计算，终端1、终端4、终端5相位差测试结果如表 3所示。可见，对于不同I，终端 4、终端 5相位差总是在 180左右，电流方向相反，因此可确定故障点位于终端4、终
20、端5之间。表1 电流有效值测试结果电流有效值/A102030405060测试有效值/A9.61519.11328.88539.07949.00059.025电流误差/A0.3850.8871.1150.9211.0000.975相对误差/%3.424.443.562.302.001.62表2 同相电流相位测试结果电流有效值/A102030405060电流相位/()000000测试相位/()0.1060.411-0.203-0.2910.024-0.577相位误差/()0.1060.4110.2030.2910.0240.577时间误差/s5.88922.83311.27816.1671.333
21、32.056表3 站场接触网故障定位模拟实验测试结果It/A81624I/A102030终端1、终端4相位差/（）0.1160.5370.465终端1、终端5相位差/（）179.902179.803179.791终端4、终端5相位差/（）179.786179.266179.3265 结 语多股道站场接触网架构复杂、分支线路众多，一旦发生故障，现有装置并不能定位故障的具体股道。针对这一问题，本文提出在站场各股道区间上安装电流监测终端并采样电流数据，通过ZigBee组网通信技术汇集故障时刻所有终端数据并发送给上位机进行方向判别，只要2个相邻电流监测装置分别对应的电流方向相反，则可确定故障位置位于这
22、 2个相邻电流监测装置之间的分支股道。实验结果表明，在 1060 A 有效值范围内，电流有效值测试误差小于 5%，电流相位测试误差小于0.6，系统时间误差小于 40 s；对线路施加有效值大小为1060 A的突变电流，故障点两端的终端电流方向始终相反，从而能够定位故障的具体区段。实验结果验证了本文方法的有效性与正确性，具有广阔的应用前景。注：本文通讯作者为廖成。参考文献1 王继芳，高仕斌.全并联AT供电牵引网短路故障分析J.电气化铁道，2005（4）：2023.2 宫衍圣，李会杰.接触网系统故障分析及可靠性理论应用探讨J.电气化铁道，2008（2）：3436.3 高英维.牵引供电系统接触网常见故
23、障分析及对策J.铁道建筑技术，2009（3）：112114.4 STEINDER M,SETHI A S.Probabilistic fault localization in communication systems using belief networks J.IEEE/ACM transactions on networking,2004,12(5):809822.5 吕玉恒.站场股道接触网故障快速排查方法探讨J.电工技术，2016（3）：5758.6 王继芳.全并联AT供电牵引网故障测距研究D.成都：西南交通大学，2006.7 张希，林国松，王牣.多股道站场牵引网故障定位方案研究J
24、.电气化铁道，2021，32（2）：1318.8 刘小平，陈进根.基于无线网络的接触网故障定位及抢修辅助分析系统J.上海铁道科技，2013（3）：2324.9 裴晓琼，张良，刘玉辉.浅析利用故障指示器识别接触网故障J.电气化铁道，2013，24（2）：3739.10 张忠杰.分支接触网线路故障精确定位技术研究J.电气化铁道，2013（6）：14.11 陈军.提高高铁牵引供电系统故障精确定位研究J.上海铁道科技，2018（3）：6263.12 ZANGL H,BRETTERKLIEBER T,BRASSEUR G.Energy harvesting for online condition mo
25、nitoring of high voltage overhead power lines C/2008 IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference.New York:IEEE,2008:13641369.13 DU L,WANG C,LI X,et al.A novel power supply of online monitoring systems for power transmission lines J.IEEE transactions on industrial electronics,2010,57(8
26、):28892895.14 张勇，叶青，许安杰，等.750 kV交流输电线路架空地线感应取电研究J.电子测量技术，2018，41（20）：3237.15 MOGHE R,LAMBERT F C,DIVAN D.Smart stickon sensors for the smart grid J.IEEE transactions on smart grid,2012,3(1):241252.16 WANG D,DU L,WANG S,et al.Selfpowered lightning current sensor C/2016 IEEE SENSORS.New York:IEEE,2016:13.作者简介：徐 展（1997），男，四川人，硕士研究生，主要研究方向为电磁兼容。钟选明（1972），男，湖南人，博士，教授，主要研究方向为电磁兼容、天线理论与技术、时间反演成像等。廖 成（1964），男，重庆人，博士，教授，主要研究方向为计算电磁学、天线理论与技术、电磁兼容等。徐 展，等：电气化铁路站场接触网故障定位技术研究139
