鐵路牽引供電交—直流系統狀態在線監測裝置的設計

王冬冬 艾廣寧 王燈馳

摘要：鐵路牽引供電系統變電和電力專業中，為了保障綜合自動化系統的穩定和可靠運行，廣泛采用交—直流綜合系統的供電模式，所亭內所有設備的控制和保護全部采用直流制式。目前，無人值守所亭檢測手段單一，無法滿足牽引供電系統可靠運行要求，造成了很大的事故隱患。現介紹一款能采用非接觸方式監測交—直流回路工作狀態的裝置，此裝置將采集的數據通過4G模塊傳送到安全服務器中，當超出設定閾值時自動告警，提醒相關人員及時處理，有利于消除隱患，提高牽引供電系統運行的可靠性。

關鍵詞：交—直流系統;牽引供電;自動告警;可靠性

0? ? 引言

鐵路牽引供電系統廣泛采用交—直流綜合系統的供電模式，所亭內所有設備的控制和保護全部采用直流制式。直流系統正常運行是供電系統設備操控、微機保護以及遙控、遙測、遙信傳輸的前提，一旦直流電壓下降，供電設備操作失靈、保護失效，調度系統將直接癱瘓，嚴重威脅供電安全。

對交—直流系統的狀態，有人所亭依靠值守人員和電調端來監視和反饋，無人值守所亭依靠電調端監視和反饋。目前，值守人員很難及時發現二次開關跳閘，且高鐵無人值守在近期將逐步推廣。調度方面，直流開關變位在調度端的警告級別很低，該信息容易混淆在眾多告警信息中，電調端不容易發現該級別的告警信息。

在實際運營中，京滬高鐵已發生多起無人所交—直流跳閘導致整個所亭通信中斷的事件，其他高鐵線路也發生過多起類似事件。在高速鐵路無人值班的發展趨勢下，我們需要進一步加強對所亭交—直流系統的監控。牽引變電所交—直流系統盤柜如圖1所示。

1? ? 研究目的

一方面，交—直流系統的電壓和開關信息在調度端未達到預期要求，需要我們實時監測并上傳到安全服務器;另一方面，交—直流系統中很多重要信息調度端沒有采集，如單塊電池電壓內阻、進線電纜終端頭和環境的溫度/濕度/氣壓、高頻開關風機的運行狀態和接觸器的工況等物理量。監控這些信息可以直觀地反映交—直流系統的健康狀況，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行;其次，絕不干擾調度端數據的傳輸和采集，盡量采取不接觸或少接觸的原則采集數據。

研制一個集電量采集、開關量采集和其他物理量采集于一體的綜合模塊，此模塊的所有數據就地存儲或存儲在安全的服務器中，存儲周期為3年，可通過4G實時在線傳輸和告警，利用信息中心或手機終端查看實時數據和歷史記錄。電量采集包括采集各開關上、下端口和各關鍵部位的電量數據;開關量采集包括所有開關的分、合閘狀態;其他物理量采集包括每塊電池、進線電纜終端頭和環境的溫度/濕度/氣壓、高頻開關風機的運行狀態、交流接觸器的工況（局部放電監測為主，振動和聲音監測為輔）以及關鍵部位的紅外成像等物理量。

3? ? 裝置介紹

本設計為一套能采用非接觸方式測試交—直流回路的電流，采用感應方式檢測交流接觸器放電電流，同時能完成交流接觸吸合狀態、環境溫濕度、氣壓、高頻風機工作狀態監測的裝置。其將采集的數據通過4G模塊傳送到安全服務器中，可以利用手機終端APP查看實時數據和歷史記錄。

3.1? ? 主體結構

如圖2所示，此裝置由電源電路模塊、感應式電流探測模塊、傳感器模塊、基準電源模塊、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現將直流12 V電壓通過78M05集成芯片轉換成5 V電壓，提供CPU供電使用，原理圖如圖3所示。

3.3? ? 感應式電流探測模塊

感應式電流探測模塊由電容探頭、信號拾取模塊、信號調理模塊組成，電容探頭感應接觸器吸合斷開時產生的高壓信號，然后通過信號拾取電路進行拾取，通過信號調理電路進行調理，產生標準的電平信號輸入到CPU進行判讀處理，原理圖如圖4所示。

電容探頭的信號線采用金屬管，能夠起到對空間高頻輻射信號屏蔽的作用;同時，由于電容探頭與信號拾取模塊電性連接，信號拾取模塊可對信號進行分壓濾波處理，避免了高頻信號對待采集信號造成的干擾。

3.4? ? 傳感器模塊

傳感器模塊主要由兩個電流霍爾傳感器組成，負責完成主干路電纜線上的電流測試和高頻電機電路的電流測試，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行電流測試，不需要進行線纜改造，不會改變以前的測試狀態。霍爾傳感器的輸出信號經電路調理之后直接進入CPU進行計算處理。溫濕度和氣壓采用專用的傳感器進行測量，通過I2C總線方式與CPU進行連接，將測量的數據傳入CPU，然后進行計算處理。原理圖如圖5所示。

3.5? ? 基準電源模塊

基準電源模塊主要由精密基準芯片MCP1525組成，實現5 V電壓到2.5 V電壓的轉換，將基準電壓提供給CPU的AD輸入端，完成AD轉換的精密轉換。原理圖如圖6所示。

3.6? ? CPU模塊

CPU模塊主要由STC15F2K60S2單片機和晶振電路組成，完成基準電壓、霍爾傳感器輸出的電流的模擬采樣計算;完成溫濕度、氣壓傳感器輸出信號的采樣處理計算;完成感應式電流探測電路處理的信號的采樣處理計算。同時將處理完成的數據通過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換電路、模塊工作狀態指示電路組成。4G通信模塊主要實現采集的參數上傳云端的功能，但由于4G模塊的串口電平與單片機串口電平不一致，故采用三極管電路實現單片機與4G模塊的電平轉換功能，同時采用4G模塊輸出信號驅動三極管電路。原理圖如圖7所示。

4? ? 數據采集分析

在實驗室內簡單電磁環境條件下進行產品試制，以實現設備功能，然后申請天窗在運營所亭內對交—直流系統進行監測，以檢驗此套系統在高干擾條件下能否正常實現功能。通過對京滬高鐵天津維管段華苑牽引所交—直流系統進行現場測試，充分證明了該套裝置在高干擾條件下能夠正常運行，采集的數據真實有效，如圖8所示。

5? ? 效果和局限性

交—直流系統狀態在線監測裝置研制課題組于2019年7月19日對京滬高鐵天津維管段華苑牽引所交—直流系統進行了現場測試。經過兩個月的監測，充分證明了該套裝置在高干擾條件下能夠正常運行，采集的數據真實有效，實現了預期功能，有效保障了交—直流系統的正常運行。

局限性：由于采用非接觸方式，電壓測量不準確;電弧監測方面沒有太多參考資料，現場環境干擾因素較多，準確性有待提高。

6? ? 結語

在實際運營中，京滬高鐵已發生多起無人所交—直流跳閘導致整個所亭通信中斷的事件，其他高鐵線路也發生過多起類似事件。通過該裝置對交—直流系統進行實時監測，可有效保障交—直流系統的正常運行，縮短搶修時間，為高速鐵路無人值班的推行做好準備工作。

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收稿日期：2019-12-26

作者簡介：王冬冬（1991—），男，河北石家莊人，助理工程師，研究方向：鐵路牽引供電運營維護管理。