铁路牵引供电交—直流系统状态在线监测装置的设计

王冬冬 艾广宁 王灯驰

摘要：铁路牵引供电系统变电和电力专业中，为了保障综合自动化系统的稳定和可靠运行，广泛采用交—直流综合系统的供电模式，所亭内所有设备的控制和保护全部采用直流制式。目前，无人值守所亭检测手段单一，无法满足牵引供电系统可靠运行要求，造成了很大的事故隐患。现介绍一款能采用非接触方式监测交—直流回路工作状态的装置，此装置将采集的数据通过4G模块传送到安全服务器中，当超出设定阈值时自动告警，提醒相关人员及时处理，有利于消除隐患，提高牵引供电系统运行的可靠性。

关键词：交—直流系统;牵引供电;自动告警;可靠性

0    引言

铁路牵引供电系统广泛采用交—直流综合系统的供电模式，所亭内所有设备的控制和保护全部采用直流制式。直流系统正常运行是供电系统设备操控、微机保护以及遥控、遥测、遥信传输的前提，一旦直流电压下降，供电设备操作失灵、保护失效，调度系统将直接瘫痪，严重威胁供电安全。

对交—直流系统的状态，有人所亭依靠值守人员和电调端来监视和反馈，无人值守所亭依靠电调端监视和反馈。目前，值守人员很难及时发现二次开关跳闸，且高铁无人值守在近期将逐步推广。调度方面，直流开关变位在调度端的警告级别很低，该信息容易混淆在众多告警信息中，电调端不容易发现该级别的告警信息。

在实际运营中，京沪高铁已发生多起无人所交—直流跳闸导致整个所亭通信中断的事件，其他高铁线路也发生过多起类似事件。在高速铁路无人值班的发展趋势下，我们需要进一步加强对所亭交—直流系统的监控。牵引变电所交—直流系统盘柜如图1所示。

1    研究目的

一方面，交—直流系统的电压和开关信息在调度端未达到预期要求，需要我们实时监测并上传到安全服务器;另一方面，交—直流系统中很多重要信息调度端没有采集，如单块电池电压内阻、进线电缆终端头和环境的温度/湿度/气压、高频开关风机的运行状态和接触器的工况等物理量。监控这些信息可以直观地反映交—直流系统的健康状况，有效保障无人所的供电安全。

2    研究方法

首先，决不干扰既有采集回路的正常运行;其次，绝不干扰调度端数据的传输和采集，尽量采取不接触或少接触的原则采集数据。

研制一个集电量采集、开关量采集和其他物理量采集于一体的综合模块，此模块的所有数据就地存储或存储在安全的服务器中，存储周期为3年，可通过4G实时在线传输和告警，利用信息中心或手机终端查看实时数据和历史记录。电量采集包括采集各开关上、下端口和各关键部位的电量数据;开关量采集包括所有开关的分、合闸状态;其他物理量采集包括每块电池、进线电缆终端头和环境的温度/湿度/气压、高频开关风机的运行状态、交流接触器的工况（局部放电监测为主，振动和声音监测为辅）以及关键部位的红外成像等物理量。

3    装置介绍

本设计为一套能采用非接触方式测试交—直流回路的电流，采用感应方式检测交流接触器放电电流，同时能完成交流接触吸合状态、环境温湿度、气压、高频风机工作状态监测的装置。其将采集的数据通过4G模块传送到安全服务器中，可以利用手机终端APP查看实时数据和历史记录。

3.1    主体结构

如图2所示，此装置由电源电路模块、感应式电流探测模块、传感器模块、基准电源模块、CPU模块、4G模块组成。

3.2    电源电路模块

电源电路模块主要实现将直流12 V电压通过78M05集成芯片转换成5 V电压，提供CPU供电使用，原理图如图3所示。

3.3    感应式电流探测模块

感应式電流探测模块由电容探头、信号拾取模块、信号调理模块组成，电容探头感应接触器吸合断开时产生的高压信号，然后通过信号拾取电路进行拾取，通过信号调理电路进行调理，产生标准的电平信号输入到CPU进行判读处理，原理图如图4所示。

电容探头的信号线采用金属管，能够起到对空间高频辐射信号屏蔽的作用;同时，由于电容探头与信号拾取模块电性连接，信号拾取模块可对信号进行分压滤波处理，避免了高频信号对待采集信号造成的干扰。

3.4    传感器模块

传感器模块主要由两个电流霍尔传感器组成，负责完成主干路电缆线上的电流测试和高频电机电路的电流测试，由于采用霍尔电流传感器，可以将霍尔传感器直接卡在线缆上进行电流测试，不需要进行线缆改造，不会改变以前的测试状态。霍尔传感器的输出信号经电路调理之后直接进入CPU进行计算处理。温湿度和气压采用专用的传感器进行测量，通过I2C总线方式与CPU进行连接，将测量的数据传入CPU，然后进行计算处理。原理图如图5所示。

3.5    基准电源模块

基准电源模块主要由精密基准芯片MCP1525组成，实现5 V电压到2.5 V电压的转换，将基准电压提供给CPU的AD输入端，完成AD转换的精密转换。原理图如图6所示。

3.6    CPU模块

CPU模块主要由STC15F2K60S2单片机和晶振电路组成，完成基准电压、霍尔传感器输出的电流的模拟采样计算;完成温湿度、气压传感器输出信号的采样处理计算;完成感应式电流探测电路处理的信号的采样处理计算。同时将处理完成的数据通过4G模块传输至云端。

3.7    4G模块

4G模块，主要由4G通信模块、串口通信电路的电平转换电路、模块工作状态指示电路组成。4G通信模块主要实现采集的参数上传云端的功能，但由于4G模块的串口电平与单片机串口电平不一致，故采用三极管电路实现单片机与4G模块的电平转换功能，同时采用4G模块输出信号驱动三极管电路。原理图如图7所示。

4    数据采集分析

在实验室内简单电磁环境条件下进行产品试制，以实现设备功能，然后申请天窗在运营所亭内对交—直流系统进行监测，以检验此套系统在高干扰条件下能否正常实现功能。通过对京沪高铁天津维管段华苑牵引所交—直流系统进行现场测试，充分证明了该套装置在高干扰条件下能够正常运行，采集的数据真实有效，如图8所示。

5    效果和局限性

交—直流系统状态在线监测装置研制课题组于2019年7月19日对京沪高铁天津维管段华苑牵引所交—直流系统进行了现场测试。经过两个月的监测，充分证明了该套装置在高干扰条件下能够正常运行，采集的数据真实有效，实现了预期功能，有效保障了交—直流系统的正常运行。

局限性：由于采用非接触方式，电压测量不准确;电弧监测方面没有太多参考资料，现场环境干扰因素较多，准确性有待提高。

6    结语

在实际运营中，京沪高铁已发生多起无人所交—直流跳闸导致整个所亭通信中断的事件，其他高铁线路也发生过多起类似事件。通过该装置对交—直流系统进行实时监测，可有效保障交—直流系统的正常运行，缩短抢修时间，为高速铁路无人值班的推行做好准备工作。

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收稿日期：2019-12-26

作者简介：王冬冬（1991—），男，河北石家庄人，助理工程师，研究方向：铁路牵引供电运营维护管理。