軌道交通安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)研究

周湘杰

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412000）

0 引言

鐵路、輕軌、地鐵等軌道交通在國家經(jīng)濟的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。隨著電氣化發(fā)展和智能化進程，軌道交通中電氣設備數(shù)量和用電負荷不斷的增加，這對用電安全提出越來越高的要求。近年來，電氣火災在軌道交通事故所占比例不斷增大，且軌道交通投資巨大、設備復雜多樣、人員聚集，一旦因電氣故障發(fā)生火災，將造成嚴重的后果。2012 年以來，全球發(fā)生軌道交通火災事故2000 多宗，電氣火災成因占32%。國內(nèi)軌道交通發(fā)生火災100 余起，其中電氣火災成因占26%左右。

為了預防電氣火災，提高用電安全性，對軌道交通系統(tǒng)用電狀態(tài)進行智能監(jiān)測，對可能發(fā)生的電氣故障進行預警。這樣可以有效將電氣火災消滅在萌芽階段，防止造成巨大損失。國家有關(guān)部門早已認識到電氣火災在線監(jiān)測的必要性，出臺了一系列標準和規(guī)范，要求在建筑中設置電氣火災監(jiān)控報警系統(tǒng)[1]。但對軌道交通電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)，暫未形成規(guī)范和標準，由于軌道交通用電設備的復雜性，對電氣火災的監(jiān)測具有其特殊的要求。

本文研究了適合軌道交通系統(tǒng)的安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)，對鐵路站場、牽引變電所、列車上的用電安全狀態(tài)進行實時監(jiān)控，對由于過流、短路、過溫等情況進行提前預警，為提前采取避免火災的措施提供依據(jù)，對防止電氣火災、排除電氣故障、保證軌道交通系統(tǒng)人員及設備的安全具有重要的意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀分析

美、日、德等國軌道交通發(fā)展迅速，高鐵和地鐵在公共交通已成為不可替代的工具，由于軌道交通電氣火災時有發(fā)生，其對軌道交通電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)相繼出臺了規(guī)范和標準，強制對主要配電設備進行電氣火災監(jiān)測。美國研制的電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)，進行電壓、電流、剩余電流和溫度的采集，利用網(wǎng)線將信號傳輸至控制中心，進行實時監(jiān)控，該系統(tǒng)已在多個高鐵站和地鐵站使用[2]。日本與德國也專門針對軌道交通研制了電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)，并建立了網(wǎng)絡云端，對各監(jiān)測點的狀態(tài)進行整理，可實時查詢用電狀態(tài)。隨著電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應用，2015 年以來，國外軌道交通的電氣火災起數(shù)每年以不小于10%的比例下降。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

隨著國內(nèi)高鐵和地鐵的快速發(fā)展，對軌道交通的電氣火災監(jiān)測和預防也得到足夠地重視。國內(nèi)對于電力火災的監(jiān)控設備，主要集中于建筑供配電系統(tǒng)，進行簡單的改動后應用于軌道交通中[3]。目前，國內(nèi)已有多個廠家進行了電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的研制，并形成了推向市場的產(chǎn)品，在商場、醫(yī)院、會展中心、車站等低壓配電系統(tǒng)中得以應用。其中，剩余電流式電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)利用剩余電流傳感器和溫度傳感感采集配電網(wǎng)絡的剩余電流和線纜上的溫度，以此為依據(jù)判斷是否出現(xiàn)短路、漏電或過溫情況，并通過RS485 總線將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，對電氣火災進行預警[4]。針對國內(nèi)軌道交通的特征，目前的電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)存在如下問題。

（1）采用RS485 總線、CAN 總線、網(wǎng)線和光纖等有線進行數(shù)據(jù)通信，需要額外敷設電纜或光纖，對于已經(jīng)建設好的火車站、牽引變電所、地鐵站等軌道交通電氣火災高隱患場所，安裝常規(guī)電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的施工難、周期長、成本高；而采用無線電進行數(shù)據(jù)通信，又存在傳輸距離有限、容易受干擾等問題。

（2）數(shù)據(jù)采集精度不足，電流和溫度的采集精度較差，無法對電流敏感的配電線路進行精確監(jiān)控。

針對國內(nèi)電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，本項目將電力載波通信技術(shù)和全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法應用于軌道交通電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)中，開發(fā)軌道交通安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)。

2 軌道交通安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)方案

軌道交通安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示，由監(jiān)測終端、傳感器、集中器和顯控中心組成。其中采集終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，并設置有電力載波模塊，用于數(shù)據(jù)傳輸；傳感器包括多個電流傳感器、1 個剩余電流傳感器和多個溫度傳感器，用于將各相電流、剩余電流和各處溫度參數(shù)轉(zhuǎn)化為可供監(jiān)控終端采集的電信號；集中器通過電力載波多個監(jiān)測終端通信，對各監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)進行打包處理，傳輸各顯控中心；顯控中心包括計算機、監(jiān)控軟件和報警器，為操作人員提供數(shù)據(jù)顯示、處理、參數(shù)設計和火災預警。

圖1 軌道交通電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2.1 傳感器選型

本系統(tǒng)每個監(jiān)控終端安裝3個開口式電流傳感器，分別套在A、B、C 三相的進線電纜上，用于測量A、B、C 三相的工作電流。另外使用一個最大測量值為1 A 的剩余電流傳感器，套在A、B、C、N 電纜上，用于測量剩余電流。電流傳感器的輸出為電壓或電流模擬信號，量程由所測量配電電纜的額定工作電流決定，量程不小于額定工作電流的2 倍。

本系統(tǒng)選用PT100 鉑電阻溫度傳感器，在電控柜總電源進線處A、B、C 三相各安裝一個，并固定好，用于測量電纜線的表面溫度；在電控柜空曠處安裝一個PT100 鉑電阻型溫度傳感器，用于測量環(huán)境溫度，溫度傳感器的輸出為電阻信號。

2.2 智能監(jiān)測終端硬件功能

智能監(jiān)測終端的硬件電路板基于AD 芯片+STM32F407 核心處理芯片進行設計，引出RS485 總線用于對外通信。由于溫度傳感器輸出為電阻信號，無法直接采集，本系統(tǒng)采用恒流源芯片將電阻信號轉(zhuǎn)為微電壓信號，再經(jīng)運放電路放大后，由監(jiān)控終端進行采集。此外，為了解決PT100 電阻信號的非線性問題，提高溫度采集精度，在核心處理芯片中進行查表處理。硬件電路板支持通信地址及閾值參數(shù)的讀寫，通信地址及閾值參數(shù)寫入FLASH 中，掉電不丟失。安裝調(diào)試探測器時，使用小型觸摸顯示屏，就地查看采集數(shù)據(jù)并設定閾值。電路板上預留指示燈和D0 接口，出現(xiàn)溫度報警時可以通過D0 接口輸出一對無源干接點，作為備用[5]。

為了安裝方便，本系統(tǒng)采用電力載波技術(shù)，通過電力電纜進行通信，每個探測器（智能終端采集模塊）需要使用一個單相電力載波模塊，信號接入A、B、C三相中的任一相和地之間，監(jiān)控設備需要使用三相電力載波模塊，對載波信號進行解調(diào)。

2.3 智能監(jiān)測終端軟件功能

本項目智能監(jiān)控終端軟件基于STM32F407 核心處理芯片進行開發(fā)，具體功能有：使用FSMC 總線進行AD 采集；電力載波通信協(xié)議對接；溫度計算查表；輸出存儲（掉電數(shù)據(jù)不丟失）；電流信號處理（采用APFFT 算法）。

2.4 顯控設備功能

本系統(tǒng)的顯控設備在設計時，充分考慮人機交付友好性，具有如下功能。

（1）在線監(jiān)測功能：顯控設備實時接收各監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，并對各節(jié)點的用電狀態(tài)和電參數(shù)進行顯示；對歷史數(shù)據(jù)進行存儲，可方便調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進行曲線繪制，監(jiān)測各時段的電參數(shù)變化情況。

（2）異常報警功能：當通過采集的數(shù)據(jù)，判斷出現(xiàn)短路、漏電、過溫等故障時，立刻進行聲光報警，并在顯示屏幕上顯示異常情況和位置，使得操作人員迅速做出判斷，采取應對措施。

（3）多個報警信號處理：監(jiān)控設備能顯示監(jiān)控報警信號的總數(shù)，當有多個監(jiān)控報警信號輸入時，監(jiān)控設備按時間順序顯示報警信息，在不能同時顯示所有的監(jiān)控報警信息時，未顯示的信息能手動可查。

顯控設備硬件電路板解析監(jiān)控終端上傳的信號，預留LCD顯示接口、觸摸按鍵接口、RS485、RS232接口，可直接在LCD 顯示屏上顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)和報警信息，也可通過RS485 或RS232 接口與計算機相連，在計算機上顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)和報警信息。

上位機軟件默認采用輪詢方式與監(jiān)控終端進行通信，按照地址逐個提取監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)，輪詢時間及主界面數(shù)據(jù)刷新時間應可設置。上位機軟件主界面能夠?qū)崟r顯示多臺探測器測試的電流、剩余電流值、電纜線溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)，并能夠存儲歷史數(shù)據(jù)、報警日志。操作人員可以設定電流和溫度的報警閾值、預警閾值，當采集數(shù)值超過報警閾值時，將自動啟動聲光報警器并發(fā)送手機短信通知相關(guān)責任人。

3 軌道交通安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新點

3.1 電力載波數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)集成了電力載波芯片，采用先進的電流載波技術(shù)，將監(jiān)測終端和顯控設備間的數(shù)字信號通過載波在電力電纜中進行傳輸。由于采用了現(xiàn)有的電力電纜作為傳輸通道，不需要額外鋪設信號電纜，極大地降低了安裝難度和成本，特別適合已建設完成的火車站、牽引變電所、地鐵站等軌道交通電氣火災高隱患場所安裝電力火災監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 高精度電流采集

電力線上電流和剩余電流數(shù)值是判斷用電是否正常的關(guān)鍵參數(shù)，需要具有一定的精度，尤其是對電流敏感的配電線路，對電流采集精度要求更高。本系統(tǒng)采用全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)高精度電流采集，電流采集精度達到1%，為安全用電的精確監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析提供了重要的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

軌道交通安全用電智能監(jiān)測系統(tǒng)主要是對軌道交通用電安全狀態(tài)進行實時監(jiān)控，將電力載波通信和全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法相結(jié)合，一方面安裝改造方便，另一方面保障了采集精度，可以對軌道交通用電回路電流過大、短路、溫度過高等情況進行提前預警，提前采取措施，避免嚴重事故的發(fā)生。該系統(tǒng)不僅可用于軌道交通行業(yè)，也能用于工廠商業(yè)領(lǐng)域安全用電監(jiān)測。