關于鐵路信號綜合防雷智能監測系統的研究

王 坤

(中國鐵路太原局集團有限公司電務處，太原 030013)

1 概述

隨著鐵路信號專業信息化設備的增多，現代化水平的提高，信號設備從車站聯鎖為核心的點式布局向著信息化、數據化、智能化、網絡化的全面承載行車指揮、列車控制的系統布局方向發展，改善信號設備運用電磁環境，全面提升信號專業雷電安全防護水平，避免因雷擊或大電流侵入造成設備損壞甚至行車事故就顯得尤為重要。

針對這種情況，如何在降低維護人員工作強度的同時，有效地強化防雷設備的在線監測，成為一個新課題。2017年鐵路總公司下發《中國鐵路總公司關于印發鐵路大數據應用實施方案的通知》（鐵總信息[2017]155號），明確提出“推進鐵路運輸各專業監測監控以及設備設施狀態分析應用建設”的要求，此舉為鐵路信號綜合防雷系統智能化提供政策支持。

2 信號綜合防雷現狀分析

2.1 防雷模塊報警信息模糊

電源防雷箱處于I級防雷處所，箱中設置防雷模塊劣化的聲光報警裝置，當有模塊劣化時發出報警提示。如：中國鐵路太原局集團有限公司（簡稱太原局）大西高鐵線所采用XLY-380/40型電源防雷箱中電源防雷模塊的型號有兩種，模塊數量有6或14個，多個不同型號的電源模塊共用一個報警回路，當有聲光報警產生時，無法判定報警的電源模塊的型號、位置和數量。

防雷分線柜是保護室內設備不受室外電磁干擾的關鍵設備，如：太原局大西高鐵線所使用的GFL2型防雷分線柜采用10層13列的方式設置防雷模塊，設計最多可安裝信號防雷器的型號有11種、數量為390。目前防雷分線柜的劣化報警裝置，只能定位到某一層，無法明確報警的具體位置、模塊型號和數量。

2.2 防雷模塊狀態缺少監管

現行2015版《鐵路信號維護規則》明確帶劣化指示防雷模塊不需測試后，防雷模塊運行狀態的日常監管，主要靠劣化報警和人工巡檢完成。不能主動掌握報警信息，中繼站、線路所等無人站巡查不易，造成間隔周期長，防雷設備損壞劣化得不到及時的發現與處理。

2.3 防雷模塊更換流程繁瑣

失效的防雷模塊需要及時的更換，而目前備品備件集中在段、車間中，特別是大量無人值守車站（中繼站）備品備件并不充分。日常巡檢中又不可能隨身攜帶大量備品備件，即使攜帶，也存在和現場損壞防雷器件型號匹配不一的問題。因此對于車站損壞防雷器的更換，需要巡查人員第一次發現記錄，然后第二次前往時攜帶更換，這樣造成人員工作量、費用增加的同時，也存在安全隱患。

2.4 雷電或大電流侵入故障分析無依據

因雷擊或大電流造成的信號設備故障，往往因瞬時發生或環境已發生變化，要找出真實故障原因還存在很大的困難。現有的防雷設備設施，無法提供故障分析的數據，僅依據經驗和理論推導，事故分析報告缺乏數據支撐，可信度不能得到廣泛認同，同時也不利于事故后期處理及現場存在問題的改進。

2.5 信號樓綜合地網阻值測試繁瑣

車站信號樓綜合地網阻值測試，主要靠人員按期檢測。需要攜帶設備，現場打樁拉線、手工記錄，耗費日常工作時間，增加了工作人員的工作量。由于地阻的測試值與環境、地形、打樁位置、測試方法、測試人員素質有關，因此地阻測試對測試人員的素質，也有比較高的要求。

2.6 設備管理單位對信號防雷設備無法有效管理

在段、車間、工區三級維修管理模式下，對車站防雷設備現狀的日常巡查及模塊劣化更換、日常設備工作狀態報表，都還停留在人工統計階段。上級部門無法主動得知下級單位管理的設備是否存在問題、存在問題的嚴重性以及存在的問題是否已得到解決的信息,存在監管的盲點。

2.7 信號集中監測系統無法監測電源、分線柜處防雷設備

目前電源、分線柜處的防雷設備運用狀態，游離于信號集中監測系統之外。信號集中監測系統無法監測到電源、分線柜等防雷設備的運行、故障狀態等情況。

3 解決方案

針對以上存在的問題，2017年路內首套鐵路信號綜合防雷智能監測系統在太原局陽高、華巖、半坡村3個車站投入試用。

3.1 綜合防雷智能監測系統構成

如圖1所示，系統主要由4個子系統組成：分別為防雷箱子系統、分線柜子系統、代理服務器、站級監測子系統。

智能防雷系統實現對電源防雷箱、防雷分線柜、地網阻值的一體化監測和管理，并將信息上傳至信號集中監測系統，實現防雷設備的遠程組網和管理。

圖1 綜合防雷智能監測系統構成圖Fig.1 Intelligent monitoring system composition of integrated lightning protection

防雷箱子系統和分線柜子系統分別監測電源防雷箱和防雷分線柜，并保存各自的數據到本地數據庫。經監測數據信息的分析，對于故障數據，通過TCP/IP上傳至代理服務器。

站級監測子系統用于綜合監測多個防雷箱子系統和防雷分線柜子系統。目前支持最大4路防雷箱子系統和最大6路分線柜子系統。可擴展至最大1024路防雷箱子系統和最大1024路分線柜系統。

代理服務器監聽多個防雷箱子系統、多個防雷分線柜子系統和單個信號集中監測系統。代理服務器接收到防雷箱和分線柜上傳的數據之后，經過再組包處理下發給信號集中監測系統。

智能防雷系統軟件是為實現對防雷設備的網絡化監控而設計開發，通過該系統，實現管轄范圍內所有車站防雷設備的全天候監控。智能防雷系統軟件主要安裝在車站、電務段、鐵路局3個地點的PC機上。3個地點使用同一軟件，利用網點身份管理，實現鐵路局、電務段、車站三級權限管理。

3.2 電源防雷箱及防雷分線柜子系統

如圖2、3所示，電源防雷箱及防雷分線柜雷擊監測系統由模塊狀態采集、雷電信息采集模塊、過電壓采集模塊、地阻測試模塊、電源采集模塊、監控系統主機、觸摸顯示屏七大部分組成。

模塊狀態采集：用來采集防雷箱內安裝的防雷模塊的劣化狀態和防雷回路中的后備保護開關的通斷狀態。采集信號為常開或常閉觸點。

雷電信息采集模塊：用來采集防雷箱經過地線泄放或遭受地電位反擊時，雷電流的大小。采集的雷電流具備正負極性判斷。

過電壓采集模塊：用來采集防雷箱模塊輸入端產生的工頻過電壓，采集模塊具備RS-485通訊接口，方便產品的使用。

圖2 電源防雷箱子系統架構圖Fig.2 Power lightning protection box subsystem architecture

圖3 防雷分線柜子系統架構圖Fig.3 Distributing cabinet lightning protection subsystem architecture

地阻測試模塊：可對車站需要進行接地地阻測試的測試點進行測試，測試分為自動和手動方式。可人為設置自動測試的時間。針對需要斷開測試的地阻，可增加自動斷開閉合裝置。實現無人值守車站地阻的自動測試。

電源采集模塊：用來采集電源防雷箱輸入端口的電源信息，采集數據包括相電壓、線電壓、電流、功率、頻率等電源參數，通過模塊內置算法分析電源數據，經RS-485總線給出電源參數數據和錯序、瞬間斷電信息。

4 技術要求

監控系統主機：可穩定運行MYSQL數據庫及開發的電源防雷箱的應用程序LPCSub。

觸摸顯示屏：觸摸屏滿足人機交互的功能要求，外形尺寸為12寸，屏幕分辨率800×600，屏幕比率4∶3。

采集模塊：對地泄放回路中雷電流的幅值、時間、極性、次數，采用標準的Modbus RTU通訊協議，可以通過RS-485總線將采集的數據上傳至中央處理器。

5 系統功能

5.1 劣化報警

防雷箱中SPD/SCB發生劣化時，提供界面顏色變化提示、報警聲音提示、記錄報警發生及恢復時間、位置、型號等信息。

5.2 雷擊監測

監測界面顯示最近一次發生的雷擊時間、峰值以及總的雷擊次數，進入下級界面后，通過時間、參數查詢的條件，查詢滿足條件的雷擊信息。

二級界面顯示最近一次及最大一次的雷擊信息，查詢結果按照時間順序進行排列。

5.3 地阻測試

監測界面中的地阻測試單元包含測試管理、歷史記錄和設置3個子功能。

測試管理：可以對8個通道的測試回路，進行手動和自動測試。測試選擇可單個或多個通道進行組合測試，測試完成后，顯示測試值。進行操作時，提供必須的顏色狀態提示、測試完成的文字提示。

歷史記錄：記錄每個通道的測試值、測試時間、測試方式。

設置：可對通道的名稱進行設置更改，可設置自動測試的時間。

5.4 SPD/SCB管理

實現對安裝在防雷設備內的SPD/SCB信息的管理，記錄其型號、安裝位置、序列號、劣化記錄、更換記錄。設置靈活，可更改。

5.5 設備統計

自動統計系統中安裝使用的模塊型號、數量。當有模塊故障時，自動統計故障模塊的型號、數量。

5.6 斷相記錄

自動記錄電源斷相的位置、發生時間、恢復時間。

5.7 過電壓監測

對電源防雷箱輸入端的電源進行采集，采集其在電源異常時，產生的過電壓。采樣周期為20 ms，電壓范圍500～5 000 V。

過電壓數據可以時間和次數的方式進行查詢，并以曲線圖的形式記錄，同時給出過電壓發生的時間、峰值及次數。

5.8 故障分析診斷

如圖4所示，當SPD發生故障，自動判斷SPD的故障原因。通過時間進行查詢，查詢結果列表顯示。顯示內容包括故障位置、模塊型號、建議處理方式、故障原因分析、故障時間、恢復時間。故障原因分為雷擊、過電壓、自然劣化3種。

圖4 故障分析邏輯判斷原理圖Fig.4 Schematic diagram of fault analysis and logic judgement

5.9 配置圖紙

按照臺賬圖紙電子化管理需要，可將防雷竣工圖等資料直接配置在軟件中，便于查看或更新改造時調閱，防止紙質圖紙的丟失、變色、模糊。

5.10 設置

設備管理：對名稱、型號、廠家和備注進行設置。

密碼管理：對原始密碼、新密碼、確認密碼進行設置。

閾值管理：對雷擊報警、過電壓報警、地阻報警閾值進行設置，雷擊及過電壓報警設置值作為故障分析判斷的依據。同時設置的報警閾值，作為數據上傳的依據，超出閾值時，上傳數據至上一級系統。

網絡管理：對設備地址、子網掩碼、網關地址、服務器地址進行設置。

6 總結

如果說承載著全局行車指揮和列車控制的信號系統是鐵路“神經網絡”的話，那么信號綜合防雷系統便是保證“神經網絡”不被外界（雷擊或大電流侵入）刺激的“安全帽”。通過智能型綜合防雷系統在太原局的首次運用，真正做到減輕現場設備維護人員的負擔、又有效地提升“安全帽”的保護強度，并為鐵路固定設備監測系統的大數據融合發展提供又一支點。