鐵路電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

王開懷

關(guān)鍵詞： 鐵路電力; 智能監(jiān)控; 數(shù)據(jù)通信; 數(shù)據(jù)處理; SVC; 傳輸時(shí)延

中圖分類號(hào)： TN98?34; TM761.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）01?0176?04

Abstract： The traditional railway electric power monitoring system has the problems of unstable monitoring process and low monitoring precision. Therefore， an SVC?based intelligent monitoring system of railway electric power is designed. The system includes direct monitoring layer， process optimization layer and production management layer. The fixed?point chip TMS320F2812 is used as the DSP control board processor of the system to realize the state information collection， TCR photoelectric trigger board communication， data input and output， and fault alarming of the railway electric power system. The TCR photoelectric trigger board is used to monitor the state of railway electric power. On the basis of the system software， the local data communication and transmission， and remote data communication are realized by means of data communication and transmission procedure， and the real?time data processing program is used to carry out the database maintenance and real?time data monitoring. The experimental results show that the system can realize the real?time， stable and accurate intelligent monitoring of railway electric power system state.

Keywords： railway electric power; intelligent monitoring; data communication; data processing; SVC; transmission delay

0 ?引 ?言

交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展增加了鐵路交通的運(yùn)輸壓力，并且由于鐵路電力系統(tǒng)的布局圍繞著鐵路呈帶狀分布，這些都導(dǎo)致鐵路電力系統(tǒng)工作環(huán)境較差，事故發(fā)生率居高不下[1]。所以有關(guān)部門將鐵路電力的智能監(jiān)控作為降低事故發(fā)生、保障人員安全的有效方法進(jìn)行深入研究。以往所使用的基于分布式中間件的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法滿足運(yùn)輸壓力越來(lái)越高的鐵路電力監(jiān)控條件[2]。

傳統(tǒng)基于分布式中間件的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)利用CORBA中間件技術(shù)，在分布式對(duì)象互操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行鐵路電力系統(tǒng)的監(jiān)控，監(jiān)控過程中不能實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，監(jiān)控過程不穩(wěn)定，監(jiān)控結(jié)果精度差。因此，本文設(shè)計(jì)基于SVC（Switching Virtual Circuit，虛擬交換電路）的鐵路電力智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路電力高效、穩(wěn)定的智能監(jiān)控。

1 ?基于SVC的鐵路電力智能監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

SVC系統(tǒng)具有極強(qiáng)的豐富性，在一個(gè)SVC系統(tǒng)內(nèi)可能包含數(shù)個(gè)子系統(tǒng)，不同的子系統(tǒng)根據(jù)其不同的功能可實(shí)現(xiàn)基于SVC的鐵路電力智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控、報(bào)警、保護(hù)、通信以及故障判斷等，并且可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備的運(yùn)行起到調(diào)和作用[3]。圖1描述的是基于SVC的鐵路電力智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到如圖2所示的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)整體包括直接監(jiān)控層、過程優(yōu)化層以及生產(chǎn)管理層[4]。其中，直接監(jiān)控層主要為基于DSP的控制板，其主要功能是在接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后，通過運(yùn)算獲取晶閘管閥組的觸發(fā)脈沖的同時(shí)，對(duì)鐵路電力系統(tǒng)中的晶閘管和光電觸發(fā)板等情況進(jìn)行監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)問題進(jìn)行判斷。過程優(yōu)化層的功能是信息獲取、問題顯示以及信息打印，通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的確定和監(jiān)控過程的優(yōu)化等。生產(chǎn)管理層通過遠(yuǎn)端主控室的主機(jī)可以為管理者提供鐵路電力監(jiān)控信息，利用監(jiān)控手機(jī)對(duì)鐵路電力情況進(jìn)行智能、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且對(duì)鐵路電力狀態(tài)進(jìn)行判斷和調(diào)控。

1.2 ?控制板

控制板以DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）+CPLD（Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件）的數(shù)字控制電路為主[5]，通過RS 485接口和GPRS短信模塊實(shí)現(xiàn)鐵路電路狀態(tài)的信息采集、TCR光電觸發(fā)板的通信、數(shù)據(jù)的輸入輸出以及報(bào)警。其中，信息采集模塊能夠獲取鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)連接處的電壓、電流以及基于SVC的TCR閥組電流等仿真信號(hào)，并對(duì)信息實(shí)施變更;能夠?qū)﹁F路電力狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)實(shí)施獲取，并以其為根據(jù)進(jìn)行保護(hù)、報(bào)警等信號(hào)的輸出。利用I/O模塊和控制板上的接口，DSP控制器可以對(duì)控制命令實(shí)施獲取，為提高觸發(fā)脈沖的準(zhǔn)確性，按照控制命令在各控制模式下實(shí)施的信號(hào)處理進(jìn)行處理，將電信號(hào)脈沖變更為光信號(hào)脈沖之后，發(fā)送到光電觸發(fā)板，實(shí)現(xiàn)晶閘管的順暢。在進(jìn)行問題判斷時(shí)需對(duì)元件情況進(jìn)行了解，結(jié)合采集量對(duì)鐵路電力系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行判斷。判斷得到的問題利用GPRS短信模塊以短信形式發(fā)送到固定的手機(jī)上進(jìn)行報(bào)警，根據(jù)報(bào)警后得到的反饋命令對(duì)鐵路電力系統(tǒng)出現(xiàn)的問題實(shí)施處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，降低監(jiān)控成本。

系統(tǒng)以TMS320F2812定點(diǎn)芯片作為DSP控制板處理器[6]，是因?yàn)樗鼣?shù)字信號(hào)處理能力較好，且管理能力以及控制能力也尚佳，能很好地進(jìn)行海量數(shù)據(jù)監(jiān)控?？刂瓢灞O(jiān)控原理圖如圖3所示。

1.3 ?TCR光電觸發(fā)板模塊

系統(tǒng)利用TCR光電觸發(fā)板進(jìn)行鐵路電力狀態(tài)的監(jiān)控，作為“監(jiān)控執(zhí)行者”的TCR光電觸發(fā)板包括高壓取能、電源監(jiān)控、邏輯、觸發(fā)、接收發(fā)射等回路[7]。光電觸發(fā)板能夠使光脈沖信號(hào)改變成電脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)晶閘管的觸發(fā)，具體過程如圖4所示。

電源監(jiān)控回路對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)晶閘管兩端的瞬時(shí)電壓值實(shí)施監(jiān)測(cè)，并將結(jié)果發(fā)送到邏輯回路;邏輯回路對(duì)檢測(cè)結(jié)果實(shí)施編碼、解碼，邏輯回路形成晶閘管的觸發(fā)脈沖和狀態(tài)信息是按照觸發(fā)命令進(jìn)行的;觸發(fā)回路放大并重置觸發(fā)脈沖，然后傳送到晶閘管的門極;將光信號(hào)變換為電信號(hào)并發(fā)送到邏輯回路的是光接收回路;將電信號(hào)變換為光信號(hào)的是光發(fā)射回路。

1.4 ?系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于SVC的鐵路電力智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能如圖5所示，主要包括電力信息管理與監(jiān)控、智能數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信及傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理四個(gè)部分。

1.4.1 ?數(shù)據(jù)通信和傳輸程序

如圖6所示，本地?cái)?shù)據(jù)通信及傳輸與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信及傳輸共同組成了系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)通信與傳輸程序[8]。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信及傳輸?shù)姆绞綖楣饫w通信專網(wǎng)、電力無(wú)線專網(wǎng)、無(wú)線公網(wǎng)。其中，無(wú)線公網(wǎng)包括無(wú)線電業(yè)務(wù)和移動(dòng)通信系統(tǒng)等通信方式。本地?cái)?shù)據(jù)通信與傳輸?shù)姆绞桨ü饫w通信專網(wǎng)、微功率無(wú)線通信專網(wǎng)以及低壓電力載波通信網(wǎng)等。不同的通信方式利用通信協(xié)議，通過通信接口實(shí)現(xiàn)直接控制層中控制板工作，是直接控制層中工作情況上傳和控制板進(jìn)行監(jiān)控的通信通道。

1.4.2 ?實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序的主要作用為數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理等。運(yùn)用優(yōu)化壓縮法對(duì)數(shù)據(jù)通信及傳輸程序獲取的鐵路電力終端設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)施重組并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份[9]，重組后得到的數(shù)據(jù)將會(huì)成為系統(tǒng)不同子系統(tǒng)中唯一的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為測(cè)試本文監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延性，分別采用本文系統(tǒng)、基于PLC的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)[10]、基于分布式中間件的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)某地區(qū)鐵路電力狀態(tài)進(jìn)行100次監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，記錄不同系統(tǒng)通信的傳輸時(shí)延，結(jié)果用表1描述。

對(duì)表1進(jìn)行分析能夠得到，本文系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，且時(shí)延波動(dòng)變化較小，說(shuō)明本文系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸時(shí)延較低。

對(duì)鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)的平均傳輸速率分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將不同系統(tǒng)的平均傳輸速率實(shí)施對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

分析表2可知，本文系統(tǒng)的平均傳輸速率變化較平穩(wěn)，并高于其他兩個(gè)系統(tǒng)的平均傳輸速率，說(shuō)明使用本文系統(tǒng)進(jìn)行鐵路電力智能監(jiān)控時(shí)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率。

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，采用本文系統(tǒng)和基于分布式中間件的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)鐵路2018年4月的電力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，得到的結(jié)果如表3所示。從表3可知：相對(duì)于基于分布式中間件的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)，本文系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)誤差控制在5%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行鐵路電力智能監(jiān)控的準(zhǔn)確性較高。

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以實(shí)驗(yàn)鐵路為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，采用本文系統(tǒng)、基于PLC的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)以及基于分布式中間件的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)鐵路的電力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，記錄不同數(shù)據(jù)量時(shí)不同系統(tǒng)的中斷概率，如圖7所示。

分析圖7能夠得到，在數(shù)據(jù)量未超過30 TB的情況下，本文系統(tǒng)平均中斷概率與其他兩個(gè)系統(tǒng)的平均中斷概率相差不多;在數(shù)據(jù)量超過30 TB的情況下，三個(gè)系統(tǒng)的平均中斷概率均隨著數(shù)據(jù)量的提升而提升，但相較于其他兩個(gè)系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的平均中斷概率曲線增長(zhǎng)變化較平緩，說(shuō)明采用本文系統(tǒng)進(jìn)行鐵路電力智能監(jiān)控時(shí)穩(wěn)定性較好。

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

基于SVC的鐵路電力智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)的鐵路電力監(jiān)控系統(tǒng)中存在的準(zhǔn)確性低、實(shí)時(shí)性差、穩(wěn)定性弱等問題，實(shí)現(xiàn)電路電力基于SVC的智能監(jiān)控，并且具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初目的，在鐵路電力系統(tǒng)工作中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐田華，楊連報(bào)，胡紅利，等.高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和智能維護(hù)決策[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49（1）：72?78.

XU Tianhua， YANG Lianbao， HU Hongli， et al. Heterogeneous data fusion and intelligent maintenance decision for high speed railway signaling systems [J]. Journal of Xian Jiaotong University， 2015， 49（1）： 72?78.

[2] 屈志堅(jiān)，王冬.分布式配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的流計(jì)算實(shí)時(shí)并行處理技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2017，29（7）：27?33.

QU Zhijian， WANG Dong. Real?time parallel processing technique in stream computing for distributed monitoring of distribution network [J]. Proceedings of the CSU?EPSA， 2017， 29（7）： 27?33.

[3] 段立明，郭銳鋒，王鳳海.面向智能監(jiān)控的復(fù)雜多自主體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2017，38（6）：1394?1397.

DUAN Liming， GUO Ruifeng， WANG Fenghai. Design and implementation of complex multi?agent systems for intelligent monitoring [J]. Journal of Chinese mini?micro computer systems， 2017， 38（6）： 1394?1397.

[4] 郝思鵬，鄒添天，陳婷，等.農(nóng)網(wǎng)配電臺(tái)區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].電測(cè)與儀表，2014，51（23）：94?98.

HAO Sipeng， ZOU Tiantian， CHEN Ting， et al. Development of the intelligent monitoring system of the rural power grid distribution substation [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2014， 51（23）： 94?98.

[5] 司亞超，于江利，呂國(guó).基于ZigBee技術(shù)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和分析[J].電源技術(shù)，2014，38（4）：783?784.

SI Yachao， YU Jiangli， L? Guo. Research and analysis of smart grid monitoring system based on ZigBee technology [J]. Chinese journal of power sources， 2014， 38（4）： 783?784.

[6] 劉雨欣，張瓊潔，張景景.基于Map/Reduce的電力監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)則挖掘技術(shù)研究[J].控制工程，2017，24（10）：2156?2160.

LIU Yuxin， ZHANG Qiongjie， ZHANG Jingjing. Power monitoring system rule mining research based on Map/Reduce [J]. Control engineering of China， 2017， 24（10）： 2156?2160.

[7] 匡洪海，張曙云，曾麗瓊，等.基于GPRS和GPS的農(nóng)村智能配電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工電能新技術(shù)，2017，36（4）：83?88.

KUANG Honghai， ZHANG Shuyun， ZENG Liqiong， et al. Design of rural intelligent distribution network remote monitoring system based on GPRS and GPS [J]. Advanced technology of electrical engineering and energy， 2017， 36（4）： 83?88.

[8] 林炳炎，鄭茜穎，程樹英.基于Android的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2017，41（4）：78?83.

LIN Bingyan， ZHENG Qianying， CHENG Shuying. Intelligent video surveillance system based on Android [J]. Video engineering， 2017， 41（4）： 78?83.

[9] 趙世運(yùn)，劉華，李先明，等.寒區(qū)高速鐵路路基變形智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].冰川凍土，2014，36（4）：944?952.

ZHAO Shiyun， LIU Hua， LI Xianming， et al. ?Intelligent monitoring system for embankment deformation of high?speed railway in cold regions： Design and implementation [J]. Journal of glaciology and geocryology， 2014， 36（4）： 944?952.

[10] 李金燦，陳皓勇.關(guān)于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控優(yōu)化配置設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（3）：389?394.

LI Jincan， CHEN Haoyong. Optimization of remote monitoring for power system [J]. Computer simulation， 2016， 33（3）： 389?394.