智能化25 Hz相敏軌道電路扼流變壓器系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

丁若，嚴(yán)大龍，雷斌

在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中，扼流變壓器是安裝在軌道電路牽引回流與鋼軌的連接處，用于導(dǎo)通牽引電流，或安裝于區(qū)間上、下行軌道電路中，避免牽引電流影響軌道電路正常工作的設(shè)備［1］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)多個(gè)決定軌道電路工作狀態(tài)的電氣特性物理量都是由扼流變壓器傳輸?shù)模壳岸罅髯儔浩鞯闹饕饔脙H是抑制機(jī)車(chē)牽引電流對(duì)軌道電路傳輸控制信號(hào)的干擾，因此提出設(shè)計(jì)利用扼流變壓器進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，以全面了解掌握軌道電路的工作狀態(tài)，由此形成智能化扼流變壓器的系統(tǒng)方案［1］。

25 Hz相敏軌道電路的基本工作原理是在發(fā)送端采用磁鐵變頻器，將50 Hz工頻交流電變頻為25 Hz交流電，并以此作為傳輸信號(hào)，對(duì)軌道電路進(jìn)行傳輸。發(fā)送端采用集中調(diào)相方式，局部電源電壓相位超前于軌道電源電壓90°；接收端采用交流二元二位軌道繼電器（或接收器），局部和軌道線圈分別由獨(dú)立的分頻器供電，具有可靠的頻率和相位選擇特性，因此抗電化干擾能力較強(qiáng)，且具有可靠的絕緣破損防護(hù)能力。目前25 Hz相敏軌道電路已經(jīng)成為我國(guó)電氣化鐵路站場(chǎng)廣泛使用的列車(chē)占用檢查設(shè)備，提升25 Hz相敏軌道電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的智能化水平具有現(xiàn)實(shí)需求和廣泛的應(yīng)用前景，為此本文研究重點(diǎn)圍繞智能化25 Hz相敏軌道電路扼流變壓器系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“智能化系統(tǒng)”）的研制與應(yīng)用開(kāi)展。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案即在軌旁的普通扼流變壓器初級(jí)及次級(jí)側(cè)增加電子電路模塊，對(duì)25 Hz相敏軌道電路各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析［2］，以便在發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)診斷軌道電路故障類(lèi)型及位置，縮短故障處理時(shí)間，并提供全面的軌面歷史數(shù)據(jù)記錄，協(xié)助分析各種瞬間故障的原因。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能化系統(tǒng)主要由具備監(jiān)測(cè)模塊的扼流變壓器、文件服務(wù)器、中心服務(wù)器、查詢終端、后臺(tái)管理服務(wù)器、室內(nèi)通信主機(jī)等組成［3］，系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。其中，監(jiān)測(cè)模塊由電流測(cè)量傳感器、檢測(cè)電路、存儲(chǔ)電路、調(diào)制解調(diào)芯片等集成，與扼流變壓器形成一體，不影響軌道電路的正常工作，由室內(nèi)通過(guò)電纜集中供電。扼流變壓器監(jiān)測(cè)模塊采集數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行選頻濾波等分析計(jì)算，然后將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給調(diào)制解調(diào)芯片調(diào)制，再通過(guò)電力載波總線［4］傳輸?shù)绞覂?nèi)，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器解調(diào)后傳送至通信主機(jī)。后臺(tái)文件服務(wù)器、中心服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歸集和整理；查詢終端對(duì)用戶提供數(shù)據(jù)輸出；后臺(tái)管理服務(wù)器主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的回放、分析等人機(jī)交互功能。

3 帶監(jiān)測(cè)模塊的扼流變壓器

在普通扼流變壓器上增加監(jiān)測(cè)模塊，可掌握扼流變壓器上傳輸信號(hào)的數(shù)據(jù)變化。先將采集到的扼流變壓器各端子電流/電壓信號(hào)送至微控制器，再通過(guò)有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）數(shù)字濾波器軟件算法，提取軌道電路中的25 Hz、50 Hz、高頻電碼化等信號(hào)頻譜，經(jīng)調(diào)制解調(diào)后傳至通信機(jī)作為數(shù)據(jù)來(lái)源［5］。

3.1 監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)測(cè)模塊主要由微控制器、傳感器、濾波電路、閃存、調(diào)制解調(diào)芯片等組成，電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。微控制器利用軟件FIR數(shù)字濾波器技術(shù)，可分離各種頻率信號(hào)，分別計(jì)算出各種頻率信號(hào)的幅值和相位，并對(duì)扼流變壓器上傳輸?shù)年P(guān)鍵電壓/電流進(jìn)行不間斷地測(cè)量、分析和計(jì)算［6］。

監(jiān)測(cè)模塊測(cè)量分析頻率為1次/s，可實(shí)時(shí)通過(guò)電力載波總線將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給室內(nèi)通信主機(jī)，同時(shí)將結(jié)果保存在自帶的閃存芯片中。當(dāng)通信主機(jī)向指定的監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送查詢歷史數(shù)據(jù)指令時(shí)，該監(jiān)測(cè)模塊就讀取保存在自帶閃存芯片內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，回傳給通信主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的定點(diǎn)查詢。

1）電壓傳感器及濾波電路見(jiàn)圖3。在被測(cè)電壓與電壓傳感器輸入端之間串接1個(gè)5.1 kΩ和1個(gè)10 kΩ的電阻，用來(lái)限制輸入電流。這樣即使電壓傳感器或次級(jí)電路內(nèi)部發(fā)生短路，也能確保扼流變壓器正常工作。電壓傳感器輸入端串接熔斷器，一旦流過(guò)大電流，可及時(shí)切斷電壓傳感器與被測(cè)電壓的連接。選用的電壓傳感器均為隔離型，可避免多路被測(cè)電壓及監(jiān)測(cè)電路之間的互相干擾。圖3中R21與C54構(gòu)成低通濾波電路，可過(guò)濾掉高頻成分，便于后續(xù)的軟件濾波計(jì)算；D23、D24為保護(hù)二極管，防止輸入的信號(hào)幅度過(guò)高或過(guò)低，避免損壞微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入管腳。

圖3 電壓傳感器及濾波電路

2）電流傳感器采用鉗形表形式，其輸出端連接的低通濾波電路與電壓傳感器所接低通濾波電路原理相同。

為了在扼流變壓器的初級(jí)準(zhǔn)確測(cè)量不平衡牽引電流和軌道電路信號(hào)電流，對(duì)扼流變壓器上/下2個(gè)線包的扁銅線繞制方法進(jìn)行特殊處理，使流過(guò)扼流變壓器上/下2個(gè)線包的牽引電流分別從2個(gè)不同方向流過(guò)電流傳感器。電流傳感器輸出的50 Hz信號(hào)等效于2根鋼軌上牽引電流的差值，25 Hz（或高頻電碼化）信號(hào)等效于2根鋼軌上軌道電路信號(hào)（或高頻電碼化）電流的和值。通過(guò)以上方法可大幅降低后續(xù)采集計(jì)算的實(shí)現(xiàn)難度。

3）微控制器使用STM32F103VET6。外圍電路采用閃存芯片，用于保存扼流變壓器的本地歷史數(shù)據(jù)。為保持監(jiān)測(cè)模塊工作穩(wěn)定及安全性，微控制器的接口與調(diào)制解調(diào)芯片之間采用光電隔離。電力載波總線波特率選用9 600 bit/s，理論傳輸距離大于2 000 m。

4）監(jiān)測(cè)模塊還設(shè)置了RS-232接口，既可用于校準(zhǔn)電壓/電流時(shí)輸出測(cè)試值，也可用于修改監(jiān)測(cè)模塊的時(shí)鐘參數(shù)等。電路中使用了MAX3232芯片，可將微控制器串口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232電平信號(hào)［7］。

3.2 軟件流程

監(jiān)測(cè)模塊運(yùn)行的軟件采用C語(yǔ)言，程序主函數(shù)每隔1 s循環(huán)1次。在循環(huán)函數(shù)內(nèi)，首先判斷是否需要修改內(nèi)部參數(shù)，ADC采樣是否已經(jīng)完成；再進(jìn)行濾波計(jì)算，得到各頻率成分的分量，并根據(jù)電力載波總線收到的指令，判斷是發(fā)送當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還是從閃存中讀出歷史數(shù)據(jù)，并向總線發(fā)送；最后本地串口發(fā)送當(dāng)前實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果。監(jiān)測(cè)模塊運(yùn)行的軟件流程見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)模塊運(yùn)行的軟件流程

由于扼流變壓器監(jiān)測(cè)模塊測(cè)量的信號(hào)是由25 Hz、50 Hz、電碼化頻率（1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz）等多種信號(hào)混合而成，且50 Hz的牽引電流信號(hào)還有多種諧波成分，因此需采用FIR數(shù)字濾波器軟件技術(shù)，對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行濾波計(jì)算，以便得到各頻率分量的幅值和相位。

1）對(duì)于25 Hz、50 Hz帶通濾波器，設(shè)計(jì)基本參數(shù)為：取樣頻率387.5 Hz（中點(diǎn)頻率193.75 Hz），濾波器階數(shù)124階，頻率分辨率=取樣頻率387.5 Hz/濾波器階數(shù)124階=3.125 Hz，取樣點(diǎn)數(shù)200個(gè)（取樣時(shí)間長(zhǎng)度0.52 s）。

2）對(duì)于1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz帶通濾波器，設(shè)計(jì)基本參數(shù)為：取樣頻率12 500 Hz（中點(diǎn)頻率6 250 Hz），濾波器階數(shù)250階，頻率分辨率=取樣頻率12 500 Hz/濾波器階數(shù)250階=50 Hz，取樣點(diǎn)數(shù)750個(gè)（取樣時(shí)間長(zhǎng)度0.05 s）。

軟件進(jìn)行濾波計(jì)算時(shí)，先根據(jù)以上帶通濾波器的參數(shù)，采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，得到濾波器的單位脈沖響應(yīng)序列；再在計(jì)算得到濾波器的單位脈沖響應(yīng)序列值后，代入FIR數(shù)字濾波器的差分方程。由于參數(shù)具有對(duì)稱性，程序上利用該特性可減少計(jì)算的工作量，縮短微控制器的計(jì)算延時(shí)［8］。

4 通信主機(jī)

通信主機(jī)的主要功能是將后臺(tái)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)RS-232串口發(fā)送的控制指令轉(zhuǎn)換成總線數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)調(diào)制解調(diào)器發(fā)送給各個(gè)扼流變壓器的監(jiān)測(cè)模塊，并將監(jiān)測(cè)模塊發(fā)回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，或者歷史定點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)，再經(jīng)調(diào)制解調(diào)轉(zhuǎn)換成RS-232串口數(shù)據(jù)，發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。

通信主機(jī)的運(yùn)行軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，程序啟動(dòng)后，先初始化各模塊功能，讀取當(dāng)前時(shí)鐘并同步后再讀取查詢命令、接受查詢命令、輸出查詢值并開(kāi)啟下一個(gè)循環(huán)。通信主機(jī)運(yùn)行的軟件流程見(jiàn)圖5。

圖5 通信主機(jī)運(yùn)行的軟件流程

5 后臺(tái)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)

由于智能化系統(tǒng)需要較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，以及對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行可視化曲線展示，因此需要系統(tǒng)軟件提供較強(qiáng)的并發(fā)操作和快速處理數(shù)據(jù)的能力。后臺(tái)管理軟件建立數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)處理及分發(fā)引擎、數(shù)據(jù)展示引擎等，可動(dòng)態(tài)計(jì)算并處理數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)在互不干擾的情況下進(jìn)行多任務(wù)操作，加快系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的速度。后臺(tái)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)管理軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。通過(guò)程序控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集端口的增加、刪除、啟動(dòng)及停止，維護(hù)軌道基本數(shù)據(jù)信息；處理采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可視化展示；對(duì)扼流變壓器的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并展示［9］。

圖6 監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)管理軟件結(jié)構(gòu)

為減少對(duì)室內(nèi)外互聯(lián)電纜芯線的額外需求，室外扼流變壓器與室內(nèi)通信主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸選用電力載波通信總線，各個(gè)扼流變壓器監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部均有存儲(chǔ)電路，可以存儲(chǔ)記錄7天以上歷史數(shù)據(jù)，便于事后的查詢和分析。而后臺(tái)管理軟件具備完善的記錄和查詢功能，可記錄1個(gè)月以上的工作情況數(shù)據(jù)。

6 應(yīng)用情況

2022年，該智能化系統(tǒng)在廣州電務(wù)段下元練功場(chǎng)進(jìn)行了上道試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境為25 Hz相敏軌道電路一送一受區(qū)段，有電碼化隔離設(shè)備。試驗(yàn)?zāi)M軌道電路的正常調(diào)整狀態(tài)，并設(shè)置送電端扼流變壓器信號(hào)側(cè)前端故障、軌面開(kāi)路、軌面短路（或道床電阻偏低）、受電端扼流變壓器信號(hào)側(cè)后端開(kāi)路、受電端扼流變壓器信號(hào)側(cè)后端短路等故障。

通過(guò)設(shè)定特征閾值，智能化系統(tǒng)可將電壓、電流值與故障特征閾值參數(shù)比較，從而判斷故障類(lèi)型和位置。故障判別對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 故障判別對(duì)照

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)均能給出準(zhǔn)確的判定，自動(dòng)測(cè)試的各項(xiàng)數(shù)據(jù)也與人工測(cè)試的數(shù)據(jù)相同，達(dá)到了預(yù)期效果［10］。隨后，該系統(tǒng)在廣州東站折返段上道試用3個(gè)月，期間正確地判定了多次軌面短路故障，縮短了故障處理時(shí)間。

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和后續(xù)持續(xù)改進(jìn)，智能化扼流變壓器系統(tǒng)已經(jīng)完成了預(yù)期研制目標(biāo)，各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在故障發(fā)生時(shí)，能夠自動(dòng)判斷分析故障類(lèi)型和大致故障位置，顯著縮短故障處理時(shí)間，從而為我國(guó)鐵路現(xiàn)場(chǎng)站內(nèi)25 Hz相敏軌道電路的運(yùn)用、檢修維護(hù)，提供可靠的技術(shù)保障；為分析各種軌道電路故障提供全面的歷史數(shù)據(jù)，具有較為廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。