高速鐵路動(dòng)車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)分析

李俊龍，楊默涵，王悍梟，陳晉衡，張潤澤，王海瑞

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130000；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266000）

電氣化鐵路是我國鐵路行業(yè)的主要組成部分。近年來，隨著鐵路電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大和牽引電壓等級(jí)的升高，高速動(dòng)車組列車對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的平穩(wěn)提出了更高的要求。動(dòng)車組受電弓直接從接觸網(wǎng)受流取壓，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓直接影響動(dòng)車組列車的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)網(wǎng)壓的平穩(wěn)與否也直接關(guān)系到變電所內(nèi)供電設(shè)備的正常運(yùn)行[1-2]。動(dòng)車組列車通過接觸網(wǎng)分相時(shí)的操作過電壓等因素也會(huì)影響高速動(dòng)車組列車的正常運(yùn)行[3-5]。

為了尋求解決動(dòng)車組因網(wǎng)壓、網(wǎng)流波動(dòng)引起主斷誤動(dòng)作售后慣性質(zhì)量問題，經(jīng)常需要對(duì)線路的網(wǎng)壓、網(wǎng)流進(jìn)行長期跟蹤測(cè)試。目前，牽引網(wǎng)電能品質(zhì)監(jiān)控主要由測(cè)試人員利用數(shù)據(jù)采集裝置隨車長時(shí)間操作監(jiān)視，而鐵路上隨車進(jìn)行接觸網(wǎng)品質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)，存在測(cè)試時(shí)間不固定、測(cè)試條件艱苦和持續(xù)時(shí)間長等問題。同時(shí)，平均每年的動(dòng)車組網(wǎng)壓和網(wǎng)流檢測(cè)任務(wù)達(dá)10 次以上，費(fèi)用支出較高[6-9]。

目前，市場(chǎng)上通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還無法解決這種問題，無人值守式的接觸網(wǎng)電能品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)還處于空白階段。基于此，該文開發(fā)出一套高速鐵路動(dòng)車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行中動(dòng)車組的網(wǎng)壓網(wǎng)流數(shù)據(jù)進(jìn)行長期無人值守采集、數(shù)據(jù)保存，解決現(xiàn)有測(cè)試問題[10-11]。該文首先對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)進(jìn)行介紹，而后通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明該文研發(fā)系統(tǒng)的有效性。

1 總體硬件框架設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)運(yùn)行中的動(dòng)車組網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控和存儲(chǔ)。系統(tǒng)主要是由上位機(jī)和網(wǎng)壓、網(wǎng)流采集設(shè)備兩部分組成，適用于包括CRH5、CRH3A、CRH380B、CRH380C、CR400BF、CR300BF 型系列高鐵列車的網(wǎng)壓傳感器、網(wǎng)流傳感器副邊輸出信號(hào)的采集、保存和監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體以FPGA 為核心進(jìn)行構(gòu)建，在電路中涉及電源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互等模塊，在FPGA 中以VHDL 語言設(shè)計(jì)滿足技術(shù)要求的專用芯片。另外，可以通過上位機(jī)與設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)對(duì)一些參數(shù)的修改。

1.1 電源模塊

電源模塊采用多種供電方式。首先是配備設(shè)備專用AC220V 交流電源適配器可以直接從外部取電，通過專用航插與設(shè)備主機(jī)上的供電端口給設(shè)備主機(jī)直接供電；配備專用線纜直接接入車上DC110V、DC24V 控制電，通過專用航插與設(shè)備主機(jī)上的供電端口連接給設(shè)備供電，設(shè)備主機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)有專用電源轉(zhuǎn)換模塊用于電壓轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)主供電為24 V，且有防浪涌和電磁兼容設(shè)計(jì)。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊具有兩個(gè)輸入通道和兩個(gè)輸出通道。輸入通道分別接網(wǎng)壓傳感器和網(wǎng)流傳感器，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。模擬量信號(hào)采集范圍為電壓-14～14 V，2 通道同步采集，支持最高100 kS/s 的采樣率。

1.3 通信模塊

通信接口連接通信模塊，通信模塊包括以太網(wǎng)通信模塊及USB 通信模塊。設(shè)備與上位機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，讀取設(shè)備當(dāng)前信息，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。以太網(wǎng)及USB 端口支持對(duì)硬盤存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和導(dǎo)出，方便后續(xù)分析。

1.4 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)選用專用高可靠性硬盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)、可確保800 小時(shí)的存儲(chǔ)時(shí)間，存儲(chǔ)介質(zhì)可靠固定且方便更換。設(shè)備存儲(chǔ)介質(zhì)寫滿后，后續(xù)新數(shù)據(jù)按照先入先覆蓋原則，自動(dòng)覆蓋存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)已有的數(shù)據(jù)，保證最新數(shù)據(jù)的保留。在設(shè)備意外掉電時(shí)，能保證設(shè)備不損壞，掉電前已保存的數(shù)據(jù)不丟失，上電后實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，數(shù)據(jù)自動(dòng)繼續(xù)保存。

1.5 上位機(jī)

上位機(jī)的主要功能為對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)配置軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件具備參數(shù)配置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理及查看、數(shù)據(jù)分析等功能，系統(tǒng)的軟件框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

參數(shù)配置功能可對(duì)采樣率、通道PGA 增益、文件大小、探頭信息及通道名稱信息等進(jìn)行配置；

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能可對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示，時(shí)間軸與墻鐘保持一致；

數(shù)據(jù)處理及查看功能，主要包括文件格式轉(zhuǎn)換功能、文件拼接功能及數(shù)據(jù)查看功能。文件格式轉(zhuǎn)換功能可將儲(chǔ)存介質(zhì)內(nèi)數(shù)據(jù)以通用數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出到本地，所有數(shù)據(jù)文件均以采集時(shí)間作為文件名保存；文件拼接功能可將多個(gè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行拼接；數(shù)據(jù)查看功能，保證所有數(shù)據(jù)均可打開查看，數(shù)據(jù)查看時(shí)，可通過輸入變比系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)值進(jìn)行變比轉(zhuǎn)化，可對(duì)數(shù)據(jù)曲線放大縮小等操作；

數(shù)據(jù)分析功能，可利用傅里葉計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)諧波分布計(jì)算分析，提供數(shù)據(jù)的基波數(shù)值與諧波分布曲線。

3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用上述測(cè)量監(jiān)控設(shè)備對(duì)某高速鐵路動(dòng)車組進(jìn)行網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，并進(jìn)行諧波分析。數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)分為牽引變電所出線25 kV 電壓、出線電流、列車受電弓位置網(wǎng)壓、列車受電弓電流共4 處，測(cè)量位置選擇在沿線各站點(diǎn)及牽引變電所[12]。

選取動(dòng)車組恒功率運(yùn)行區(qū)間，持續(xù)采集車輛和牽引變電所電壓、電流數(shù)據(jù)。取10 個(gè)典型波形周期，對(duì)測(cè)得的電壓、電流進(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算基波幅值和電壓、電流的總諧波畸變率，結(jié)果如圖3～6 所示。計(jì)算該區(qū)間內(nèi)電壓、電流的有效值，并且以每個(gè)基波周期為單位計(jì)算電壓和電流的總諧波畸變率分布，結(jié)果如圖7～8 所示。

圖3 恒功率區(qū)間列車網(wǎng)壓諧波分布

圖4 恒功率區(qū)間變電所網(wǎng)壓諧波分布

圖5 恒功率區(qū)間列車網(wǎng)流諧波分布

圖6 恒功率區(qū)間變電所網(wǎng)流諧波分布

選取動(dòng)車組在站點(diǎn)停靠的時(shí)段，持續(xù)采集電壓電流數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖9～14 所示。

恒功率狀態(tài)下動(dòng)車組網(wǎng)壓諧波次數(shù)主要分布在3、5、7、9、11、13、19、21 次，網(wǎng)流諧波次數(shù)主要分布在3、5、7 次，停站區(qū)間網(wǎng)壓平穩(wěn)。動(dòng)車組在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)網(wǎng)壓諧波幅值較低，網(wǎng)壓和網(wǎng)流的總諧波畸變率始終小于5%，反映了列車運(yùn)行的穩(wěn)定性[13-15]。

圖7 恒功率區(qū)間列車受電弓電壓及整車電流分析

圖8 恒功率區(qū)間變電所電壓及電流分析

圖9 停站區(qū)間列車網(wǎng)壓諧波分布

圖10 停站區(qū)間變電所網(wǎng)壓諧波分布

圖11 停站區(qū)間列車網(wǎng)流諧波分布

圖12 停站區(qū)間變電所網(wǎng)流諧波分布

變電所所在位置的網(wǎng)壓、電流諧波與列車位置的網(wǎng)壓、電流諧波有所差異，該差異主要由諧波在線路上傳播所致[16]。

圖13 停站區(qū)間列車受電弓電壓及整車電流分析

圖14 停站區(qū)間變電所電壓及電流分析

綜合圖3～8 可得，該文使用的高速鐵路動(dòng)車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守情況下長時(shí)間對(duì)車輛網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)壓、網(wǎng)流的采集和分析計(jì)算準(zhǔn)確可靠，很好地反映了動(dòng)車組網(wǎng)壓、網(wǎng)流的諧波分布情況。

4 結(jié)論

文中提供了一種高速鐵路動(dòng)車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。安裝于動(dòng)車組的監(jiān)控系統(tǒng)可以在無人操作的情況下持續(xù)采集、記錄和保存動(dòng)車組網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，存儲(chǔ)時(shí)間長。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能夠有效地提高數(shù)據(jù)采集效率，降低人工成本。通過上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)查看和分析功能，可以進(jìn)行有效值計(jì)算和諧波分析。通過實(shí)車測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確性，為后續(xù)網(wǎng)壓質(zhì)量監(jiān)控與諧波分析提供了基礎(chǔ)。