直放站多種供電電源的監控系統設計

倪小龍

（南京泰通科技股份有限公司，南京 210039）

1 概述

在鐵路沿線，山區、隧道和橋梁存在較多無線信號弱場區，主要采用GSM-R直放站來解決信號覆蓋。但直放站區域的供電環境復雜，經常會出現斷電、電網波動的情況，為保證直放站長期穩定的工作，需要對直放站的多種供電電源進行監控，實時提供監控數據，便于工程師的維護。同時，通過監控的電源數據也可分析出故障發生原因，有利于編制防護措施，提高直放站系統運行穩定性。

2 系統總體設計

直放站供電在實際工程中采用AC220 V或者DC48 V，同時布置一組蓄電池保證系統供電的連續性。一般采用AC220 V或者DC48 V給直放站供電，若供電發生中斷，系統自動切換至電池供電模式。當供電恢復后，自動切換至AC220 V或者DC48 V工作模式。同時給電池充電，電池充滿后處于浮充狀態。若未對電池供電進行欠壓保護措施，一旦供電中斷時間過長，電池電量持續消耗為0。電池多次虧電，電池會損壞或壽命減少。為解決這些實際的工程問題，設計直放站供電監控系統，系統架構示意如圖1所示。

圖1 系統架構示意Fig.1 System architecture

正常情況下，系統通過市電220 V或DC48 V供電。當供電中斷或電壓超出預設的安全值時，供電監控終端監控到供電異常信息，上報到網管平臺，顯示供電故障，提醒及時維修。當供電異常恢復后，供電信息自動恢復正常。外部供電中斷由電池供電后，一直未恢復外部供電，為保護蓄電池，供電監控終端實時監控電池電壓，一旦電池電壓低于預設門限時，通過繼電器斷開電池供電，避免電池耗盡，可有效延長電池壽命。

3 供電監控終端硬件架構

供電監控終端主要由嵌入式處理器LPC1768、交流電壓檢測電路、直流電壓檢測電路、以太網通信電路、繼電器控制電路和電源管理電路等組成。供電監控終端硬件架構如圖2所示。

圖2 供電監控終端硬件架構Fig.2 Hardware architecture of power supply monitoring terminal

嵌入式處理器LPC1768作為監控終端的核心處理單元，具有豐富的片上和接口資源，主要調配各個模塊單元。由于采樣精度的要求，通過分壓電阻直接將大的電壓信號轉化為小信號，通過專用采樣芯片進行電壓數據采樣，并通過光耦與處理器進行隔離通信，防止強電干擾。故障信息通過以太網通道上傳至網管平臺。系統進入電池供電模式后，實時監控電池電壓，電池電壓過低，監控終端控制繼電器斷開電池供電。

3.1 電池電壓監控與自動切斷

市電或直流供電時，嵌入式處理器LPC1768通過采樣芯片獲取市電或直流供電正常，通過GPIO口控制電池線路上的繼電器吸合。開關電源給電池進行充電。當市電或直流供電中斷后，處理器檢測到供電消失，開始監測電池電壓。一旦電池電壓低于設定值，立即關閉電池線路上的繼電器，電池與負載斷開。處理器再次檢測到供電恢復后，恢復繼電器吸合，電池充電。

3.2 電壓檢測

3.2.1 電壓檢測原理

市電220 V交流電理想情況下為正弦周期信號，頻率為50 Hz。實際工程環境下，波形會發生失真，DC48 V和電池供電也存在波動，因此計算有效值可表示為公式（1）。

公式（1）中，Urms為電壓有效值；U(t)為瞬時電壓值；T為檢測周期。

3.2.2 電壓檢測結果

對監控系統進行實驗，交流可調電源提供供電，改變電壓范圍 150 ～ 290 V，頻率 45 ～ 55 Hz。直流可調電源提供電壓 1～ 66 V。在 -25°C 、25°C、55°C環境下，測試交流電壓數據如表1所示，測試直流電壓數據如表2所示。

表1 交流電壓測試結果Tab.1 AC voltage test results

表2 直流電壓測試結果Tab.2 DC voltage test results

3.2.3 以太網通信模塊

網絡通信模塊采用100 Mbit/s以太網通道，嵌入式處理器已內置MAC核，外圍電路需增加PHY內核的網絡通信芯片。模塊采用標準TCP協議，作為客戶端，通過鐵路專網向網管平臺服務端上報數據，同時模塊也可以接受網管下發的命令。

4 供電監控終端軟件設計

供電監控終端程序工作的流程如圖3所示。

圖3 供電監控終端程序工作流程Fig.3 Work flow of power supply monitoring terminal program

供電監控終端上電開啟的時候，電池線路繼電器處于斷開狀態。首先進行系統的初始化，包括初始化繼電器的狀態、電壓監測模塊、以太網通信模塊和處理器的寄存器等。然后進入循環檢測函數。程序一直檢測市電或直流的供電情況，任一供電方式正常則閉合電池線路上的繼電器，使電池處于充電狀態。當檢測到市電和直流的供電發生中斷，程序首先會把故障信息上報至網管平臺，然后監測電池電壓情況。電池電壓正常則繼續循環監控供電情況，一旦發現供電恢復則電池充電。當電池電壓過低時則斷開繼電器，系統失去供電，進入關機狀態，等待供電恢復。

根據公式（1）實現電壓有效值計算的軟件流程如圖4所示。

圖4 電壓有效值軟件實現流程Fig.4 Software implementation process of voltage effective value

采集到的電壓值，經過平方計算（X2）、低通濾波器（LPF_RMS）、開根計算（ROOT），得到有效值的瞬時值RMS_t，再經過平均得到有效值的平均值（V_RMS）。

5 電源質量對系統影響分析

為分析電源質量對系統的影響，系統設計電壓波形數據采集功能。功能實現如圖5所示。

圖5 電壓波形采集方法Fig.5 Acquisition method for voltage waveform

如圖5所示，電壓通過模擬模塊放大器(PGA)和高精度的模數轉換（ADC）得到兩路1 bit PDM給數字模塊，數字模塊經過采樣濾波器（SINC3）、高通濾波器（HPF）、通道偏置校正等模塊，得到需要的電壓波形數據（V_WAVE）。

采集到的電壓波形數據以7.8 k的速率更新，網管平臺會定時獲取全部的電壓波形數據，進行數據分析。同時對網管收集到的故障告警信息進行匹配，分析出供電異常造成的直放站故障報警。

6 結束語

供電的穩定是直放站正常工作的基本保證，但實際工程中，供電的質量難以保證。設計可監控供電的終端設備，能對直放站的正常工作提供額外的保障。經試驗證明，本文設計的直放站供電監控系統，工作穩定，測量精度高，可監控電池狀態，延長電池壽命，同時實時監控電源電壓數據，為解決供電造成的故障，提供實驗數據。