鐵路牽引供電交—直流系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

王冬冬 艾廣寧 王燈馳

摘要：鐵路牽引供電系統(tǒng)變電和電力專業(yè)中，為了保障綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，廣泛采用交—直流綜合系統(tǒng)的供電模式，所亭內(nèi)所有設(shè)備的控制和保護(hù)全部采用直流制式。目前，無人值守所亭檢測(cè)手段單一，無法滿足牽引供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行要求，造成了很大的事故隱患?，F(xiàn)介紹一款能采用非接觸方式監(jiān)測(cè)交—直流回路工作狀態(tài)的裝置，此裝置將采集的數(shù)據(jù)通過4G模塊傳送到安全服務(wù)器中，當(dāng)超出設(shè)定閾值時(shí)自動(dòng)告警，提醒相關(guān)人員及時(shí)處理，有利于消除隱患，提高牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：交—直流系統(tǒng);牽引供電;自動(dòng)告警;可靠性

0? ? 引言

鐵路牽引供電系統(tǒng)廣泛采用交—直流綜合系統(tǒng)的供電模式，所亭內(nèi)所有設(shè)備的控制和保護(hù)全部采用直流制式。直流系統(tǒng)正常運(yùn)行是供電系統(tǒng)設(shè)備操控、微機(jī)保護(hù)以及遙控、遙測(cè)、遙信傳輸?shù)那疤?，一旦直流電壓下降，供電設(shè)備操作失靈、保護(hù)失效，調(diào)度系統(tǒng)將直接癱瘓，嚴(yán)重威脅供電安全。

對(duì)交—直流系統(tǒng)的狀態(tài)，有人所亭依靠值守人員和電調(diào)端來監(jiān)視和反饋，無人值守所亭依靠電調(diào)端監(jiān)視和反饋。目前，值守人員很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)二次開關(guān)跳閘，且高鐵無人值守在近期將逐步推廣。調(diào)度方面，直流開關(guān)變位在調(diào)度端的警告級(jí)別很低，該信息容易混淆在眾多告警信息中，電調(diào)端不容易發(fā)現(xiàn)該級(jí)別的告警信息。

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，京滬高鐵已發(fā)生多起無人所交—直流跳閘導(dǎo)致整個(gè)所亭通信中斷的事件，其他高鐵線路也發(fā)生過多起類似事件。在高速鐵路無人值班的發(fā)展趨勢(shì)下，我們需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)所亭交—直流系統(tǒng)的監(jiān)控。牽引變電所交—直流系統(tǒng)盤柜如圖1所示。

1? ? 研究目的

一方面，交—直流系統(tǒng)的電壓和開關(guān)信息在調(diào)度端未達(dá)到預(yù)期要求，需要我們實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳到安全服務(wù)器;另一方面，交—直流系統(tǒng)中很多重要信息調(diào)度端沒有采集，如單塊電池電壓內(nèi)阻、進(jìn)線電纜終端頭和環(huán)境的溫度/濕度/氣壓、高頻開關(guān)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和接觸器的工況等物理量。監(jiān)控這些信息可以直觀地反映交—直流系統(tǒng)的健康狀況，有效保障無人所的供電安全。

2? ? 研究方法

首先，決不干擾既有采集回路的正常運(yùn)行;其次，絕不干擾調(diào)度端數(shù)據(jù)的傳輸和采集，盡量采取不接觸或少接觸的原則采集數(shù)據(jù)。

研制一個(gè)集電量采集、開關(guān)量采集和其他物理量采集于一體的綜合模塊，此模塊的所有數(shù)據(jù)就地存儲(chǔ)或存儲(chǔ)在安全的服務(wù)器中，存儲(chǔ)周期為3年，可通過4G實(shí)時(shí)在線傳輸和告警，利用信息中心或手機(jī)終端查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史記錄。電量采集包括采集各開關(guān)上、下端口和各關(guān)鍵部位的電量數(shù)據(jù);開關(guān)量采集包括所有開關(guān)的分、合閘狀態(tài);其他物理量采集包括每塊電池、進(jìn)線電纜終端頭和環(huán)境的溫度/濕度/氣壓、高頻開關(guān)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、交流接觸器的工況（局部放電監(jiān)測(cè)為主，振動(dòng)和聲音監(jiān)測(cè)為輔）以及關(guān)鍵部位的紅外成像等物理量。

3? ? 裝置介紹

本設(shè)計(jì)為一套能采用非接觸方式測(cè)試交—直流回路的電流，采用感應(yīng)方式檢測(cè)交流接觸器放電電流，同時(shí)能完成交流接觸吸合狀態(tài)、環(huán)境溫濕度、氣壓、高頻風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置。其將采集的數(shù)據(jù)通過4G模塊傳送到安全服務(wù)器中，可以利用手機(jī)終端APP查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史記錄。

3.1? ? 主體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，此裝置由電源電路模塊、感應(yīng)式電流探測(cè)模塊、傳感器模塊、基準(zhǔn)電源模塊、CPU模塊、4G模塊組成。

3.2? ? 電源電路模塊

電源電路模塊主要實(shí)現(xiàn)將直流12 V電壓通過78M05集成芯片轉(zhuǎn)換成5 V電壓，提供CPU供電使用，原理圖如圖3所示。

3.3? ? 感應(yīng)式電流探測(cè)模塊

感應(yīng)式電流探測(cè)模塊由電容探頭、信號(hào)拾取模塊、信號(hào)調(diào)理模塊組成，電容探頭感應(yīng)接觸器吸合斷開時(shí)產(chǎn)生的高壓信號(hào)，然后通過信號(hào)拾取電路進(jìn)行拾取，通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)輸入到CPU進(jìn)行判讀處理，原理圖如圖4所示。

電容探頭的信號(hào)線采用金屬管，能夠起到對(duì)空間高頻輻射信號(hào)屏蔽的作用;同時(shí)，由于電容探頭與信號(hào)拾取模塊電性連接，信號(hào)拾取模塊可對(duì)信號(hào)進(jìn)行分壓濾波處理，避免了高頻信號(hào)對(duì)待采集信號(hào)造成的干擾。

3.4? ? 傳感器模塊

傳感器模塊主要由兩個(gè)電流霍爾傳感器組成，負(fù)責(zé)完成主干路電纜線上的電流測(cè)試和高頻電機(jī)電路的電流測(cè)試，由于采用霍爾電流傳感器，可以將霍爾傳感器直接卡在線纜上進(jìn)行電流測(cè)試，不需要進(jìn)行線纜改造，不會(huì)改變以前的測(cè)試狀態(tài)?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)經(jīng)電路調(diào)理之后直接進(jìn)入CPU進(jìn)行計(jì)算處理。溫濕度和氣壓采用專用的傳感器進(jìn)行測(cè)量，通過I2C總線方式與CPU進(jìn)行連接，將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳入CPU，然后進(jìn)行計(jì)算處理。原理圖如圖5所示。

3.5? ? 基準(zhǔn)電源模塊

基準(zhǔn)電源模塊主要由精密基準(zhǔn)芯片MCP1525組成，實(shí)現(xiàn)5 V電壓到2.5 V電壓的轉(zhuǎn)換，將基準(zhǔn)電壓提供給CPU的AD輸入端，完成AD轉(zhuǎn)換的精密轉(zhuǎn)換。原理圖如圖6所示。

3.6? ? CPU模塊

CPU模塊主要由STC15F2K60S2單片機(jī)和晶振電路組成，完成基準(zhǔn)電壓、霍爾傳感器輸出的電流的模擬采樣計(jì)算;完成溫濕度、氣壓傳感器輸出信號(hào)的采樣處理計(jì)算;完成感應(yīng)式電流探測(cè)電路處理的信號(hào)的采樣處理計(jì)算。同時(shí)將處理完成的數(shù)據(jù)通過4G模塊傳輸至云端。

3.7? ? 4G模塊

4G模塊，主要由4G通信模塊、串口通信電路的電平轉(zhuǎn)換電路、模塊工作狀態(tài)指示電路組成。4G通信模塊主要實(shí)現(xiàn)采集的參數(shù)上傳云端的功能，但由于4G模塊的串口電平與單片機(jī)串口電平不一致，故采用三極管電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與4G模塊的電平轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)采用4G模塊輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管電路。原理圖如圖7所示。

4? ? 數(shù)據(jù)采集分析

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)簡(jiǎn)單電磁環(huán)境條件下進(jìn)行產(chǎn)品試制，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能，然后申請(qǐng)?zhí)齑霸谶\(yùn)營(yíng)所亭內(nèi)對(duì)交—直流系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以檢驗(yàn)此套系統(tǒng)在高干擾條件下能否正常實(shí)現(xiàn)功能。通過對(duì)京滬高鐵天津維管段華苑牽引所交—直流系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，充分證明了該套裝置在高干擾條件下能夠正常運(yùn)行，采集的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，如圖8所示。

5? ? 效果和局限性

交—直流系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置研制課題組于2019年7月19日對(duì)京滬高鐵天津維管段華苑牽引所交—直流系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。經(jīng)過兩個(gè)月的監(jiān)測(cè)，充分證明了該套裝置在高干擾條件下能夠正常運(yùn)行，采集的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，有效保障了交—直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

局限性：由于采用非接觸方式，電壓測(cè)量不準(zhǔn)確;電弧監(jiān)測(cè)方面沒有太多參考資料，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾因素較多，準(zhǔn)確性有待提高。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，京滬高鐵已發(fā)生多起無人所交—直流跳閘導(dǎo)致整個(gè)所亭通信中斷的事件，其他高鐵線路也發(fā)生過多起類似事件。通過該裝置對(duì)交—直流系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可有效保障交—直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，縮短搶修時(shí)間，為高速鐵路無人值班的推行做好準(zhǔn)備工作。

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收稿日期：2019-12-26

作者簡(jiǎn)介：王冬冬（1991—），男，河北石家莊人，助理工程師，研究方向：鐵路牽引供電運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理。