高铁牵引电能计量及电能质量监控系统研究

戴丽君，成明华，童岩，王海，顾娜

（1.教育部高铁安全协同创新中心、江苏省高铁安全工程技术研究开发中心（南京铁道职业技术学院），江苏 南京 210031；2.中国铁路上海局集团有限公司南京供电段，江苏 南京 210015）

0 引言

当今随着国内铁路建设多种投资方式的引入，牵引变电所向多个不同产权单位的电气化铁路供电已十分常见。经查，此类牵引变电所馈线侧均没有考虑分线电能计量设计，没有安装馈线计量装置，所以存在馈线侧电能计量难度大的问题，也无法向不同用电单位准确清算电费。针对高铁牵引变、配电所设备运维要求，结合运能调整，准确预测电能需要，研制出能对高铁牵引电能高效准确计量以及运用新技术的电能质量监控系统，并且投入实际运行。全新的牵引电能计量及电能质量监控系统由带谐波引擎功能的电表结合后台电能统计和对谐波进行分析的软件组成，能够通过馈线分表计量，分摊数据的自动计算，准确核算运输成本，拥有很好的发展前景[1]。

1 高铁牵引计量及电能质量监控系统构成

牵引电能计量及电能质量监控系统包括牵引电能表(PM96A-T)、上位主机、通讯管理机、网络交换机和电能计量电能质量监控系统，如图1。①牵引电能表（PM96A-T）。负责电能计量、电压、高速采集电流原始波形，并具有大容量存储记录的特点。②通讯管理机。通讯管理机负责多个电表的数据汇集，通讯协议处理。③上位主机。上位主机作为报表统计、生成、打印、相关数据的查询、图形显示，以及参数对照提供相应的界面。④电能计量及电能质量监控系统。系统功能为存储各种数据，统计分析并对数据进行压缩加密，插值计算采样数据，分类计算比较高次谐波，以及高级计算和分析功能。

2 高铁牵引电能质量监控系统硬件设计

硬件部分PM96A-T是专门针对铁路牵引供电回路的特性研制的，应用于牵引变、配电所出线的电能计量用电表。主要由电源模块、MCU模块、AD采样模块、人机交互模块、通讯模块和开入开出模块组成[2]。①电源模块。牵引电能表采用的是开关稳压电源，系统的体积和功耗得到进一步减少，为装置提供24V，6.5V，5V，3.3V四种直流电。②MCU模块。以AT91SAM7X256为核心的中央控制单元。③AD采样模块。选用ADI公司的ADE7878为模数转换芯片。④通讯模块。远方通信接口可选配两种种方式，即10M以太网通信接口和工业标准RS-485通讯接口。⑤人机交互模块。由一个64×16的液晶、4个按键和6个LED指示灯组成。

3 高铁牵引电能质量监控系统软件设计

模块化设计是软件设计的主要思路，利用C语言与汇编语言混合编程，以SUNCOS V1.0实时软件平台为基础开发，可同时计量馈线的谐波电能和总电能，根据实际需求形成需要的负荷报表，以总电能作为分摊收费依据，谐波电能作为电能质量考核依据，实时监控电压、电流的异常，存储波动的数据，并通过图形显示，与谐波分析功能一起实现对牵引馈线的电能质量分析[3]。

3.1 数据采集

数据采集有四路模拟量输入，有电流通道和电压通道。

3.2 系统功能应用

（1）牵引电能统计分析软件。电能表采集到瞬时功率信号后由低通滤波得到平均功率。在能量累加器中，平均功率通过不断累加后经数频转换为脉冲输出，为提高电能累计的精度，设置成累加到10000次为1kWh。

电能数据（包括无功、有功、谐波、基波电能等）定时上传至自动抄表系统，系统按照标准数据库存放，可以自动生成电能的日报表、月报表、年报表等，并实时统计和对照，以便能实时监测出电能的异常[4]。

（2）牵引电能实时信号波动监控软件。实时监测电流、电压的谐波信号，有异常（包括电流突变、谐波突变、瞬间失压等）主动录波并上传监控主站，并由应用软件对波动进行准确分析。正常运行条件下，利用手动召唤也能快速地调出电力负荷的瞬时波动情况[5]。系统对于信号波动的监测可以通过三种形式实现，即事件报文记录、报警信号和异常波动曲线。① 报警信号。当各相谐波含量超过预先给定值，持续时间大于整定延时，报警输出，以实现电压电流信号的实时监控。② 异常波动曲线。监控终端采用变化数据优先上传的数据格式，该数据包含了变化前后的具体数值，以及变化的时间，并且变化的幅度可以通过定值设定。这些数据通过通讯传送至监控后台，由上位机完成数据的存储，并将这些数据通过曲线描述，画出每天监控对象的波动情况。

（3）运行参数下发。一种是由液晶直接下发，另一种是通过后台监控软件下发。通过灵活设置报警参数以及系统运行参数，修改牵引电能表的运行方式，最大发挥应用性能[6]。

（4）谐波含量监测、报警及自动录波。监控系统的后台可以分析录取的波形文件，波形文件是每当系统检测到谐波含量超过设定值时，后台会自动记录波形。通过分析波形文件，可以准确地观察到谐波中各次谐波的比例和数值，对线路上的电能质量进行实时的监控。

3.3 数据通讯

为了满足不同使用的需求兼容了异步串口通信和网络通信两种方式。串口通信采用最常用的ModBus RTU通信协议，网络通信采用标准的IEC60870-5-104通信协议。

3.4 数据显示

除了在监控后台可以查看到数据外，牵引电能表还提供了可视化人机交互的液晶功能。在液晶上，操作人员可以设置参数、查看数据、下发定值等，以保证在不需要配置监控后台的情况下也能正常使用设备[7]。

4 项目效益

4.1 经济效益

以典型南京南高铁牵引变电所设备为研究对象。在2019年每月牵引电费约为1967万元，若该研发项目尚未实施，各用电单位对电费分摊存在异议，导致不能按时缴纳电费，则每天将面临3.93万元（1967×2%=3.93万元）的违约金，按照晚交每月30天进行计算，则每月产生违约金为3.93×30=118万元。研发项目完成实施后，每月均能按照分摊的电费及时缴纳电费，减少每年产生违约金118×12=1416万元，经济效益十分显著。

4.2 社会效益

（1）通过自动形成的报表来收取分摊费用，解决了传统的分摊方式的统计难度大，准确性不高，易存在分歧，不利于铁路运输成本准确核算等问题。

（2）该报表可完成数据自动存储、自动统计、比较同期数据、打印导出数据等多种功能。

（3）通过对各负荷回路高密度采样波形分析，得出各条馈线高次谐波含量的准确信息，对高普铁合建牵引变电所电能质量、高速铁路高次谐波抑制等课题研究提供了有效数据资料。

5 结论

将新一代互联网技术与信息通信手段应用在高铁牵引计量上，能充分发挥电能监控系统的作用，利用大数据分析，研究抑制高次谐波，提升牵引供电电能质量的方法，提升电能质量，构建牵引供电设备设施全寿命周期管理，充分发挥其实际功效具有积极的推动作用，变事后补救为超前预防，填补了既有专业管理的空白。本系统可以实现馈线分表计量，自动计算分摊数据，满足铁路运输成本准确核算要求，从而提高供电可靠性，提升运行维护水平，具有重要的现实推广意义。