列车再生制动能量地面利用系统试验平台数据监控系统

鲁培琳

(中国铁道科学研究院研究生部， 北京 100081)

随着我国城市轨道交通的快速发展，各地对城市轨道交通的能耗要求日趋严格，在新建和既有线供电系统改造过程中，均将列车再生制动能量地面利用系统作为项目建设的必要部分之一。列车再生制动能量地面利用系统通过将列车再生制动产生的电能进行存储或回馈电网，避免了传统牵引供电系统通过电阻消耗再生制动能量，大大降低城市轨道交通的运行能耗。

GB/T 36287—2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》中提出了评价回馈型、存储型和混合型3种再生制动能量地面利用系统产品的性能的试验方法。现阶段再生制动相关产品试验过程中，多采用直接读取测量仪器数据的现场测量方法，不具备集成或完善的测量系统，仅能观测和记录单点的参数，无法对试验动态过程进行全过程的观测和记录，未能对不同参数(如电压、电流、温度等)进行相关性分析，一定程度上影响试验状态的实时性判断，降低了试验效率和精确程度。

为解决上述存在的问题，基于LabVIEW设计并开发了具备数据采集、存储、处理等功能的列车再生制动能量地面利用系统试验平台数据监控系统，并通过数据库技术和数字可视化显示的应用，实现实时监测试验运行状态、保证上限报警，设计并完善数据管理系统、降低了数据处理分析的工作量。

1 列车再生制动能量地面利用系统试验平台

列车再生制动能量地面利用系统试验平台主电路结构如图1所示，包括城市轨道交通直流供电电源、城市轨道交通交流试验电源等两部分。平台设备主要由整流变压器、整流器、变压器、双向变流柜、三相感应调压器、三相变压器、六脉波整流器、三相变频电源等组成，实现为牵引变流器、储能装置(超级电容储能装置、飞轮储能装置)、再生电能吸收装置、直流快速断路器等产品提供直流供电电源；给断路器、接触器、制动电阻、牵引电机、齿轮箱等设备试验提供试验电源。

图1 列车再生制动能量地面利用系统试验平台主电路结构

城轨列车牵引供电系统机组联调试验时，被试变压器输入端连接到10 kV电网上，模拟运行时中压网络供电，牵引整流器输出端连接到电源逆变回路变流器直流侧，实现电能回馈；单独逆变器试验时，电能经变压器降为1 180 V或590 V交流电整流后给被试逆变器供电，输出电能回馈到电网。基于试验系统需要和检测数据要求，监控系统必须实时监测各测量点电参量及温度数据，以保证设备运行状态判断和后续试验分析质量。

2 分布式数据监控系统硬件设计

考虑到试验平台最大试验能力投入使用时，可满足两路整流、两路逆变同时使用，测量系统则需要采集直流侧电参量(两路直流电压、电流)、逆变回馈侧交流电参量(两路三相电压、电流)、10 kV侧交流电参量(一路三相电压、电流)等11路电信号；被试产品性能测试过程中，多数元器件具有温度限值要求，要保证产品安全运行，必须监测各点温度数据用于判断状态及温升试验等。

为了保证上述试验数据质量，更加准确、迅速判断运行状态，要求监控系统具备较快的采集速度和数据处理速度，其硬件设计如图2所示，采用功率分析仪、记录仪、工控机等传输速度快、处理效率高的监测装备。系

图2 试验平台数据监控系统的硬件结构

统利用分布式电压、电流、温度传感器实时测量电参数和温度数据，经信号处理和放大后接入数据采集系统，完成数据初步处理；通过以太网交换机将功率分析仪和记录仪中的数据信息发送到工控机中，使用监控系统软件实现数据显示、筛选、存储；控制按照IPv4通信协议完成数据交换、信息处理、指令发送等过程。

3 基于有限状态机的系统软件设计

3.1 数据监控系统主程序设计

软件部分是数据监控系统信息与控制的交互中心，负责对监测设备发送配置命令和采集指令、显示现场返还数据信息。根据系统使用环境要求，软件需具备响应速度快、能够长时间工作、性能稳定等特点，主要功能包括：参数设置；数据显示；波形显示；温升计算；趋势查询；数据导出及分析等。

系统基于Labview虚拟仪器软件进行编写和开发，通过VISA库函数[1]调用硬件资源，利用NI-MAX添加数据监测设备I/O地址，从而使用以太网交换机实现信息交互，对监测设备发送配置命令、完成数据信息采集、状态信息转换等。系统采用有限状态机设计，如图3所示，状态机设计包括“初始化”、“设置”、“准备开始”、“开始”、“配置参数”、“数据采集”、“资源释放”、“停止”、“选择波形”、“温升计算”、“查看波形”、“查询参数”、“导出数据”等13个状态。状态机控制子模块负责操作指令转发、控制系统进程。功能按钮值改变后，状态机队列输出更新，系统程序能够实现集中调用各功能子VI。

图3 系统状态机设计

数据监控系统登录成功后，软件自动初始化，完成各仪器参数设置后系统随时等待“开始采集”的指令；若系统已进行相应数据采集，过程中需停止，“停止采集”值改变后占用资源释放，系统再次进入“准备开始”状态，等待指令。“开始采集”值改变，检查配置是否更新，若系统配置改变，状态机发送新的状态指令、更新队列输出，跳转到“配置参数”开始配置状态，调用接线配置、扫描配置、故障处理等多个子VI，完成数据采集前个监测仪器的参数设置。系统将仪器参数配置到各个监控设备后，“配置参数”状态结束直接跳转到“数据采集”状态，开始采集数据，“运行状态”显示“进入采集状态”；若“开始采集”值改变，系统配置未更新，则状态机直接跳转到“数据采集”状态，基于此状态软件进一步拓展功能应用。

3.2 数据监控系统数据采集子模块设计

为实现数据操作管理等功能设计，“数据采集”作为数据库应用和可视化显示的应用程序基础，是一个重要状态分支，该状态的程序设计和正常运行是监控系统解决的核心问题。图4所示为部分采集模块程序，“数据采集”状态下，系统能够获取所有监测仪器数据，包括电压和电流的实测值、基波有效值、全波有效值、频率以及温度等试验参数，将通道名称与参数信息捆绑输出创建全局变量。软件进行实时数据采集、筛选、显示存储等多个子程序进程，应用“测量数据”全局变量传递数据流，对数据进行入库预处理，通过SQL操作将信息存储到数据库内，释放数据库连接，完成数据存储过程。在采集系统完善的基础上，系统设计“选择波形”、“温升计算”、“查看波形”、“电参量趋势”、“导出数据”等多个功能应用，用户可通过点选功能按钮进入子VI实现进一步数据操作。

图4 数据采集模块子程序

3.3 数据监控系统关系数据库子模块设计

试验台测试测量过程中采集到的数据需要实时存储，并同步调用数据用于判定试验状态，存在大量数据查询和管理工作，若通过人工管理和读写文件实现则会加长系统响应时间、降低处理速度、影响试验效果的准确性[2-4]，因此文中设计采用数据库保存数据、完成数据处理。

系统应用Microsoft Office Access关系数据库管理系统建立参数数据库，如图5所示为本系统数据库调用方法设计。根据实际应用需求，数据库内容包括试验配置和试验数据两个表单，涵盖ID地址、试验负责人ID、试验负责人姓名、登录密码、权限、试验类型、试验编码、存储时间、以及实测参量等多项数据，通过系统程序调用库中内容可判断试验工程师是否有权限使用数据监控系统、修改数据信息，用于软件使用权限管理；对表单内的数据进行写入、查询、调用、导出，实现数据集中处理和分析。

图5 数据库调用方法设计

4 数据处理与可视化应用设计

4.1 数据查询、筛选与导出应用设计

较之传统数据监控系统后期数据分析过程繁杂，本系统在虚拟仪器技术和数据库应用相结合的基础上，设计实现了如图6所示的数据查询、筛选及导出子模块。程序通过“while”循环实现主程序对本模块的调用，子VI启用后数据库后台自动连接，检测人员可通过选择试验起始时间、试验终止时间、样品编号、试验类型中任何试验条件查询数据情况，后台程序通过“where”操作符自动扫描信息位置，导出该部分内容。但随着试验数据的不断累积，实时存储的数据量逐渐庞大，用于检测分析的只是能够代表被测设备性能的典型值，为使试验数据更加简洁，系统增设“多重查询”方法。可以根据试验需求通过“for”循环使用“where”、“and”等操作符直接定位选择特定内容数据。该功能的实现大幅度提高了试验数据处理效率，同时也保证所有试验数据有效存储、防止数据丢失。

图6 数据查询、筛选及导出应用界面

4.2 数据可视化应用设计

数据可视化通过图形、图像处理、计算机视觉及用户界面等图形化方式，能够更加直观的表现出数据信息和关键特征[5-6]。现场试验过程中，检测人员为了方便判断产品运行状态及试验环境特点，往往需要大量示波器、记录仪等能够实现图形化显示的仪器，不仅提高了试验成本，也增加了试验环境复杂程度。为解决这一问题，监控系统通过数据可视化设计实现了数据信息最优化显示，图7所示为部分数据显示界面。

图7 部分数据可视化界面

程序设计过程中完善所有信息的读取应用，通过采样频率的合理设置保证信息传递的实时性，采用以太网交换机控制数据传输，以字符串格式在主界面上显示实时电压、电流、功率、频率、温度等名称及数值。在满足基本数据测量的前提下，系统应用VISA会话句柄可以随时调用功率分析仪任何通道的原始波形和计算后数据波形，以二维图表的形式、通过点选所需参量名称有选择性的显示特征波形。不会因采样通道数量、引线距离、试验费用等问题影响试验进度和质量。除此之外，系统应用布尔型变量设计各个限值超高指示，直观反映运行状态，便于判断试验进程；应用外推法计算温差，采用描点图和线性拟合曲线图显示温度变化实际曲线和计算曲线。

5 系统实现与功能验证

为验证数据监控系统设计方案的可行性，在列车再生制动能量地面利用系统试验平台基础上，开发了试验平台数据监控系统，运行过程中软件主页面如图8所示，集成所有功能选项，界面简单明了，便于操作。

图8 数据监控系统主界面

通过地铁牵引整流机组变流柜、再生能量逆变回馈装置、储能式有轨电车充电装置、制动电阻等设备现场试验验证显示，该系统运行良好，对比现场设备读数信息，数据采集准确一致、显示同步。系统控制与测量功能符合试验要求，拓展功能使用正常，实现了既定的设计目标。

6 结 论

本系统应用以太网交换机、现场监测仪器和工控机等硬件设备，设计完成了状态机控制、信号量控制、数据采集、数据记录等4个核心模块，保证列车再生制动能量地面利用系统试验平台数据监控软件功能；通过VISA串口通信和数据库管理技术，实现数据可视化显示，试验全过程可快速判断运行状态；数据集中存储、管理，设计开发了“数据导出及分析”功能，可选择性查询、导出有效信息，解决了数据量庞大难以处理分析的问题。

通过系统搭建和软件测试，验证了文中列车再生制动能量地面利用系统试验平台数据监控系统的可行性。该系统的应用将有利于提高试验人员现场操作安全性，提高整体工作效率，集成显示各类型试验参数便于发现问题，降低后续数据处理工作量，具备一定推广应用价值。接下来可进一步开发系统软件和移动设备相结合，通过无线局域网技术实现数据传输，着重网络安全防范，便于试验人员随时掌握现场运行状态，提升试验能力。