电力贯通线智能故障诊断及故障快速切除技术方案研究

本研究提出融合物联网、大数据、人工智能及先进通信技术，构建智能解决方案。故障诊断方面：突破单一电气量局限，沿线部署多类型传感器实时采集数据。经滤波去噪预处理及特征提取（如傅里叶变换），构建 CNN-LSTM 融合诊断模型，结合迁移学习微调。故障切除方面：提出“智能诊断-快速决策-协同执行”策略。采用智能真空断路器和电子互感器快速感知隔离故障；部署智能分布式馈线自动化装置，利用光纤/5G 实现毫秒级通信；基于强化学习（Q-learning）快速生成最优切除方案。该方案解决了复杂环境特征提取难、协同控制复杂等难题，为智能电网及交通电力安全提供了可推广的技术范本，助力电力行业数字化转型。

引言

铁路供电对电力稳定性要求极高，电力贯通线是其关键基础设施，保障车站、信号等核心负荷供电。其故障若未及时处理，将导致大面积停电、行车混乱甚至公共安全事故。当前，极端天气频发与电力系统智能化转型使贯通线运行环境更复杂：自然灾害加剧导致故障增多；而传统依赖人工和简单保护的方法存在定位不准、效率低、响应慢等问题，无法满足现代电力对快速、准确、智能的要求。

1 故障快速切除技术方案现状及发展

电力贯通线故障诊断与快速切除技术正处于关键发展阶段。行波测距故障诊断技术凭借高精度定位优势，在铁路、城轨等领域应用成效显著，大幅提升了定位准确性与效率，但在复杂电磁环境抗干扰及长距离混合线路行波特征识别方面仍存挑战；未来依托深度学习优化、精细化建模及分布式监测网络构建，有望实现更高精度、更强鲁棒性的诊断。故障快速切除技术以继电保护为基础，结合智能分布式馈线自动化，显著缩短处理时间、提升供电可靠性；随着 5G、人工智能等深度融合，未来将朝超高速通信支撑、智能动态决策及系统全局协同方向发展，通过能源互联网联动，实现故障处理的智能化、高效化和韧性化升级，为贯通线安全稳定运行提供坚实保障。

2 电力贯通线常见故障类型及原因分析

2.1 短路故障

(1) 相间短路：绝缘层因电老化、机械疲劳、化学腐蚀或雷击、鸟害等失效，导致不同相导线间绝缘击穿。巨大短路电流（数倍至数十倍正常电流）引发热应力破坏、电动力冲击，甚至火灾等严重事故。

(2) 单相接地短路：绝缘子污闪、树枝搭接、小动物等破坏导线对地绝缘。虽部分可短时维持运行，但接地电流使健全相电压升高，加速绝缘老化，易演变为相间短路，威胁系统稳定。

2.2 断路故障

(1) 导线断裂：长期风力振动、热胀冷缩应力、化学腐蚀导致金属疲劳和断股；外力破坏（施工、撞击）也可直接致断，造成供电中断。

(2) 设备接触不良：开关触头氧化、刀闸压力不足、熔断器松动等使接触电阻剧增。通电发热加速老化，严重时烧蚀触点，引发断路。

(3) 过负荷故障：用电负荷增加或变化导致线路电流超额定值。持续过载使导线温升剧增，加速绝缘老化、缩短寿命，严重时可致导线熔断或火灾。

3 智能故障诊断方案设计

方案采用分层分布式架构，包含数据采集层、行波信号处理层、BIM-GIS 融合展示层、数据分析与诊断层及用户管理层。数据采集层在贯通线关键节点部署高采样率行波采集装置（≥1MHz）及高精度传感器（如±0.5°C 光纤光栅温度传感器、ECT/EVT 互感器），实时获取电气量、非电气量及行波信号。行波信号处理层运用双端/单端行波测距算法，结合小波变换等信号处理技术精准定位故障。BIM-GIS 融合展示层将高精度设备 BIM模型与地理信息 GIS 地图无缝集成，实现线路三维可视化；故障时自动定位并高亮显示故障设备及周边环境。数据分析与诊断层依托大数据平台存储处理多源数据，应用多模态 CNN-LSTM 模型、SVM 算法及专家系统实现高精度故障识别与预测；结合灰色预测模型进行设备健康管理，实现主动运维。用户管理层提供直观交互界面：在 BIM-GIS 平台上以三维动画和颜色图标（如红色短路）可视化展示故障信息及影响范围；支持权限分级下的远程操作预演与指令下达；提供多维历史数据查询、分析报表及预警推送（短信/APP）；应急模式下可基于 GIS 自动规划最优抢修路径并调配资源，显著提升故障处置效率与运维智能化水平。

4 技术关键及解决方案

4.1 BIM+GIS 基础：

构建供配电系统 BIM+GIS 模型需：整合 GPS/GIS 设备及数据库获取地理空间、电网拓扑、设备参数等数据；采用 RDBMS/GDBMS 存储管理；运用点（设备）、线（线路）、面（区域）精确建模；支持查询、关系/缓冲区/路径等空间分析；通过地图/图表实现可视化。关键技术涵盖 GIS 软件、地理数据库、GPS、通信技术（实时数据）、云计算/大数据（海量处理）。

4.2 供配电 BIM 数字体系建设：

关键技术包括：BIM 可视化（测控技术支持状态/强度/历史/运维综合展示）；仿真分析（融合物理定律有限元、AI/机器学习及专家知识建模）；算力与通信（大数据/云计算/新通信保障实时高效处理）；状态预测（实现计划修向状态修转变，预测状态并分析影响）；构建与多源融合（分布式架构集成边界条件，基于数字孪生全周期优化）；模型与诊断基础（ BIM+GIS 支撑诊断/分析/仿真，配套故障诊断专家库）。

4.3 电缆故障定位：

针对电缆故障定位难题，部署电缆在线综合感知系统，其核心是在电缆接头处优先并间隔（如 100 米）安装分布式故障感知单元，实时监测电流（检测负荷/故障电流，研判故障并上报）和温度（24 小时检测，达到阈值或发生突变时立即报警上报），系统据此实现故障的准确判断、及时提示及精准位置定位。

结语

本研究融合 BIM、GIS、行波测距与快速切除技术，构建电力贯通线智能诊断处置体系。经济效益上，大幅降低运维、维护成本及停电损失，并通过优化资源效率、加速低碳转型创造间接收益；社会效益上，有力保障铁路运输安全稳定、提升服务品质，为行业树立技术标杆，推动绿色低碳发展与应急管理升级，对铁路供电智能化具有里程碑意义。该方案突破传统瓶颈，实现故障定位精度、响应速度及处置效率的跨越式提升，为系统安全、高效、经济运行提供坚实技术保障，具备强实用性与广阔应用前景。

参考文献

[1]王海涛, 张立伟, 陈晓峰, 等. 基于 BIM 与行波测距的铁路电力贯通线故障定位方法研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2023, 20(5): 1892-1899.

[2]周明阳, 赵宇航, 李国栋. BIM 技术在铁路供电系统智能运维中的应用研究[J]. 电气化铁道, 2022, 33(4): 45-49+54 .

[3]刘志强, 马晓辉, 吴俊杰, 等. 基于改进行波法的电力电缆故障精确定位技术[J]. 电网技术, 2021, 45(12): 4823-4830.

基金项目：中国铁路设计集团有限公司内部课题（2023B0351207-电力贯通线智能故障诊断及故障快速切除技术方案研究）