軌旁強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制與應(yīng)用

阮小飛 陳洪軒 徐金鵬

軌道電路是用于自動(dòng)、連續(xù)檢測(cè)線路是否被機(jī)車車輛占用、鋼軌是否斷軌的主要設(shè)備，可提供信號(hào)給列控、微機(jī)監(jiān)測(cè)等設(shè)備，是保障列車安全運(yùn)行的重要設(shè)備組成。其中軌旁設(shè)備包含斷路器與浪涌保護(hù)器。由于軌旁設(shè)備內(nèi)斷路器與鋼軌存在連接回路，可能遭受到幅值較大的雷電流，或高電壓、大電流的牽引回流侵入，造成現(xiàn)場(chǎng)斷路器異常跳脫或浪涌保護(hù)器擊穿短路等故障，導(dǎo)致出現(xiàn)“紅光帶”，所以需要維護(hù)作業(yè)人員前往現(xiàn)場(chǎng)排查檢修。此外，現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)不具備對(duì)軌旁設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能，無(wú)法事先獲得現(xiàn)場(chǎng)軌旁設(shè)備內(nèi)包括斷路器、浪涌保護(hù)器等相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，排查人員難以對(duì)故障進(jìn)行迅速定位，延長(zhǎng)了故障處理時(shí)間，且事后難以對(duì)危害源和入侵途徑進(jìn)行定量分析，無(wú)法給出有針對(duì)性的整治方案。

本文利用電子技術(shù)、物聯(lián)技術(shù)，研制了一款帶有NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)能壟员O(jiān)測(cè)設(shè)備，具有對(duì)軌道電路軌旁設(shè)備的雷電信息、工頻信息、斷路器狀態(tài)、浪涌保護(hù)器狀態(tài)、設(shè)備箱盒狀態(tài)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和存儲(chǔ)，并通過NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模組，根據(jù)觸發(fā)條件進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程故障報(bào)警，從而減少工作人員的巡線頻次，提高工作效率，減少設(shè)備故障對(duì)列車正常運(yùn)行的影響。

1 設(shè)備構(gòu)成

軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的構(gòu)成見圖1。按照功能劃分，軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由雷電、工頻采集單元，開關(guān)量采集單元，供電單元，人機(jī)交互單元，通信單元，主控單元及時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元等7部分組成?？赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)3路雷電、2路工頻信息的采集，對(duì)斷路器、浪涌保護(hù)器及箱門開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)需要，實(shí)現(xiàn)本地的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸，在發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)給出報(bào)警信息。軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備具有人機(jī)交互功能，可通過矩陣鍵盤或RFID模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)試、參數(shù)配置和數(shù)據(jù)查詢等操作。

圖1 軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的構(gòu)成

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 雷電、工頻采集單元

雷電、工頻采集單元由羅氏線圈（Rogowski Coil）、積分器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）組成，如圖2所示。

圖2 雷電、工頻采集單元

考慮到軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的空間限制，及至少同時(shí)對(duì)3路雷電信息和2路工頻信息進(jìn)行采集的功能需求，本方案選用3組既可對(duì)雷電信號(hào)響應(yīng)，又可對(duì)工頻信號(hào)進(jìn)行采集的復(fù)用羅氏線圈與積分器。羅氏線圈采集的雷擊電流或工頻信號(hào)通過同軸線纜傳輸至積分器，積分器經(jīng)過處理后，通過不同的引腳進(jìn)行信號(hào)輸出。羅氏線圈可采集最大100 kA的雷擊電流，其輸出比例為500A/100 mV；對(duì)于工頻電流采集的靈敏度為6.8 mV/kA（50 Hz），輸出比例為200 A/1.5 V，積分器輸出信號(hào)的電壓抬升為2.5 V，可對(duì)雷電與工頻的波形進(jìn)行更完整的數(shù)據(jù)描述。

雷電流的波形周期時(shí)間短，波頭時(shí)間也短，能量主要集中在100 kHz以內(nèi)，因此選用10 MHz轉(zhuǎn)換頻率的A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于將經(jīng)積分器處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。對(duì)于雷電信號(hào)及工頻信號(hào)的采集，本方案加入了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）器件。

1）對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的雷電、工頻信息進(jìn)行預(yù)處理及判斷，在接收到有效波形信息后，再將波形數(shù)據(jù)傳輸至主控單元。

2）FPGA具有高速的并行運(yùn)算能力，滿足了雷擊電流和工頻電流的瞬時(shí)采集和運(yùn)算需求，可并行對(duì)3路雷電和2路工頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，防止對(duì)雷電、工頻信號(hào)的漏采、誤采，同時(shí)也減少了主控單元MCU的資源占用。

雷擊電流的采集范圍為500～100 kA，工頻電流的采集范圍為1～200 A，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）處理的雷電、工頻信息，最終發(fā)送至主控單元的MCU，由主控單元再進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、上傳等處理，不僅可計(jì)算出幅值，還可給出發(fā)生時(shí)間與波形數(shù)據(jù)等信息。

2.2 供電單元

由于軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備部署在鐵路沿線，應(yīng)用環(huán)境惡劣、位置分散，因此難以實(shí)現(xiàn)有線方式供電。為了確保監(jiān)測(cè)設(shè)備正常運(yùn)行，本方案采用太陽(yáng)能板與充電鋰電池組合的形式為設(shè)備供電，并對(duì)硬件和軟件均進(jìn)行了優(yōu)化。

1）硬件方面，在滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝空間的情況下，鋰電池選用容量為30 A·h的大容量可充電鋰電池，輸出電壓為12 V，可滿足設(shè)備的正常供電電壓需求。選用最大功率為50 W的高效單晶太陽(yáng)能板為鋰電池進(jìn)行充電，同時(shí)選用帶PWM快充功能的太陽(yáng)能控制器，增加鋰電池的充電效率。

2）軟件方面，在保留設(shè)備最低資源的前提下，休眠不需要的工作器件，僅在設(shè)備需要時(shí)喚醒，從而降低設(shè)備運(yùn)行功耗，提高續(xù)航時(shí)間。

2.3 開關(guān)量采集單元

開關(guān)量采集單元可同時(shí)對(duì)6路開關(guān)量進(jìn)行狀態(tài)采集，其中3路用于采集箱門狀態(tài)、斷路器狀態(tài)與浪涌保護(hù)器狀態(tài)，剩余3路預(yù)留，便于設(shè)備擴(kuò)展。這些狀態(tài)信息需要實(shí)時(shí)記錄并上傳。考慮到現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境惡劣，對(duì)每個(gè)開關(guān)量信號(hào)采集口處設(shè)置了濾波電容與TVS管，防止采集線上的浪涌及交流干擾。開關(guān)量采集單元還專門配置了STM32L011F4P6芯片，對(duì)開關(guān)量狀態(tài)信息進(jìn)行專項(xiàng)采集、存儲(chǔ)及上傳處理，不需要喚醒主控單元，既改善了響應(yīng)速度，又達(dá)到了降低功耗的目的。

2.4 人機(jī)交互單元

人機(jī)交互單元包括了狀態(tài)指示燈、數(shù)碼管、矩陣鍵盤及RFID模塊。通過矩陣鍵盤、狀態(tài)指示燈和數(shù)碼管的配合操作，可實(shí)現(xiàn)如故障報(bào)警、雷擊清零、雷擊次數(shù)查看、工頻過電流次數(shù)查看、斷路器跳閘次數(shù)查看、數(shù)據(jù)手動(dòng)上傳、報(bào)警消音等操作，滿足報(bào)警提示、數(shù)據(jù)查詢、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等需求。人機(jī)交互單元中還配置有RFID模塊，通過外部射頻閱讀設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備配置信息的讀寫操作，達(dá)到快速配置查詢、批量修改參數(shù)的目的。在正常情況下，人機(jī)交互單元處于休眠狀態(tài)，僅在箱門處于開啟狀態(tài)時(shí)自動(dòng)激活，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的相關(guān)操作。

2.5 通信單元

通信單元采用NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，NB-IoT模塊采用中國(guó)移動(dòng)的M5311模塊，對(duì)接中國(guó)移動(dòng)的OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備與OneNET云平臺(tái)的信息交互過程見圖3。

圖3 軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備與OneNET云平臺(tái)信息交互過程

在通信過程中，軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)按照自定義的格式，通過LwM2M協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行傳輸。每臺(tái)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備配備的物聯(lián)網(wǎng)卡有唯一的IMEI（International Mobile Equipment Identity）號(hào)碼，OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)根據(jù)接收到的IMEI號(hào)碼，對(duì)所有軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

為了盡可能降低功耗，通信單元在常規(guī)情況下處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)滿足數(shù)據(jù)上傳條件時(shí)，主控單元MCU將其喚醒，通過NB-IoT模塊完成數(shù)據(jù)的上傳。該設(shè)備規(guī)定，當(dāng)雷電信息、工頻信息等不會(huì)影響軌道電路軌旁設(shè)備正常工作的信息變化時(shí)，可在設(shè)備滿足預(yù)設(shè)的上傳時(shí)間條件內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一的上傳，節(jié)省設(shè)備功耗。對(duì)于如浪涌保護(hù)器狀態(tài)、斷路器狀態(tài)、箱門狀態(tài)等重要狀態(tài)信息改變時(shí)，則會(huì)觸發(fā)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳，做到設(shè)備故障快速響應(yīng)。同時(shí)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備還在人機(jī)交互單元的矩陣鍵盤處留有“手動(dòng)上傳”按鍵，便于維護(hù)人員和調(diào)試人員的現(xiàn)場(chǎng)操作與測(cè)試。

2.6 主控單元

由于軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的控制邏輯較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，資源需求多，同時(shí)為保證軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的低功耗、高可靠、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，本方案選擇STM32F407VET6芯片作為軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的主控芯片，主控單元作為軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)算核心，負(fù)責(zé)對(duì)采集的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，對(duì)故障信息進(jìn)行報(bào)警提示，并完成數(shù)據(jù)上傳等操作。

2.7 時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元

時(shí)鐘、存儲(chǔ)單元包括一個(gè)帶有紐扣電池的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，與一個(gè)容量滿足一個(gè)月數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的Flash電路。時(shí)鐘電路可為雷電信息與工頻信息提供時(shí)間數(shù)據(jù)，保證信息采集的完整性。軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備不僅可以在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上存儲(chǔ)設(shè)備的全部數(shù)據(jù)信息，還在本地配有Flash存儲(chǔ)電路，既用于存儲(chǔ)如雷電信息與工頻信息這類非即時(shí)上傳的數(shù)據(jù)，也用于存儲(chǔ)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的配置信息數(shù)據(jù)，保證設(shè)備正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 主要功能測(cè)試

采用沖擊電流發(fā)生器模擬雷擊電流，用來驗(yàn)證軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要功能，包括雷擊電流采集的準(zhǔn)確性，主控單元對(duì)雷擊數(shù)據(jù)的處理能力，及軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)之間通信數(shù)據(jù)的完整性等。

沖擊電流發(fā)生器的型號(hào)為I/VCS 100/60，通過沖擊電流發(fā)生器對(duì)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的第1路雷電采集羅氏線圈產(chǎn)生52 kA的沖擊電流，羅氏線圈將感應(yīng)到的雷擊信號(hào)傳輸至積分器，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA與主控單元的處理后，最終由NB-IoT模塊將本次采集到的雷電信息數(shù)據(jù)上傳至OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

圖4為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)，其中第1條數(shù)據(jù)為雷擊測(cè)試數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)信息可知，本次采集的雷電信息數(shù)據(jù)已完整上傳至OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。其中，“'LIGHTNING'”表示信息類型為雷電信息，“'No':1”表示雷擊路數(shù)為第1路，“'num':12”表 示 雷 擊 次 數(shù) 為 第12次，“'time'：'2020-12-08 16∶58∶34'”表示雷擊發(fā)生時(shí)間為2020年12月8日16時(shí)58分34秒，“'peak':49.6”表示雷擊峰值為49.6 kA，“'wave'：”后面的數(shù)據(jù)則為本次雷擊波形的數(shù)據(jù)信息，'cycle'：0.7”表示雷擊波形數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為0.7μs。雷擊路數(shù)、雷擊次數(shù)及雷擊發(fā)生時(shí)間信息正確，雷擊波形數(shù)據(jù)完整，采集到的雷擊峰值與實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的沖擊電流幅值偏差約為4.62%，在設(shè)計(jì)誤差±10%范圍之內(nèi)。由此可見，軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備可將雷電信息及其他監(jiān)測(cè)信息上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警提示，解決了運(yùn)維人員巡線困難及故障難以定位的實(shí)際問題。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)接收界面

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前鐵路系統(tǒng)對(duì)軌旁設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不可知，發(fā)生故障難以迅速定位的問題，本文設(shè)計(jì)并研制了一款軌旁強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)設(shè)備，不僅可對(duì)軌道電路軌旁設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳及故障報(bào)警，特別是在防雷及防工頻過電流方面提供了數(shù)據(jù)支持，便于事后故障分析，建立危害源的能量大小、入侵途徑、入侵頻率的模型，幫助技術(shù)人員提出有針對(duì)性的解決方案。

通過對(duì)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其功能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果，接下來將收集更多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際使用情況的反饋，對(duì)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備做進(jìn)一步的修改與完善，早日達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，幫助現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員解決實(shí)際問題，提高鐵路運(yùn)行效率。