高速铁路动车组网压品质无人值守监控系统分析

李俊龙，杨默涵，王悍枭，陈晋衡，张润泽，王海瑞

（1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130000；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266000）

电气化铁路是我国铁路行业的主要组成部分。近年来，随着铁路电网规模扩大和牵引电压等级的升高，高速动车组列车对电气化铁路接触网网压的平稳提出了更高的要求。动车组受电弓直接从接触网受流取压，接触网网压直接影响动车组列车的运行状态，同时网压的平稳与否也直接关系到变电所内供电设备的正常运行[1-2]。动车组列车通过接触网分相时的操作过电压等因素也会影响高速动车组列车的正常运行[3-5]。

为了寻求解决动车组因网压、网流波动引起主断误动作售后惯性质量问题，经常需要对线路的网压、网流进行长期跟踪测试。目前，牵引网电能品质监控主要由测试人员利用数据采集装置随车长时间操作监视，而铁路上随车进行接触网品质监测时，存在测试时间不固定、测试条件艰苦和持续时间长等问题。同时，平均每年的动车组网压和网流检测任务达10 次以上，费用支出较高[6-9]。

目前，市场上通用的数据采集系统还无法解决这种问题，无人值守式的接触网电能品质监控系统还处于空白阶段。基于此，该文开发出一套高速铁路动车组网压品质无人值守监控系统，对运行中动车组的网压网流数据进行长期无人值守采集、数据保存，解决现有测试问题[10-11]。该文首先对监测系统的软硬件架构进行介绍，而后通过监控数据进行分析，证明该文研发系统的有效性。

1 总体硬件框架设计

该文设计的网压品质无人值守监控系统主要是对运行中的动车组网压、网流数据进行采集、监控和存储。系统主要是由上位机和网压、网流采集设备两部分组成，适用于包括CRH5、CRH3A、CRH380B、CRH380C、CR400BF、CR300BF 型系列高铁列车的网压传感器、网流传感器副边输出信号的采集、保存和监控。系统的硬件框架设计如图1所示。

图1 系统硬件框架设计

系统整体以FPGA 为核心进行构建，在电路中涉及电源、数据采集、数据存储、人机交互等模块，在FPGA 中以VHDL 语言设计满足技术要求的专用芯片。另外，可以通过上位机与设备通信实现对一些参数的修改。

1.1 电源模块

电源模块采用多种供电方式。首先是配备设备专用AC220V 交流电源适配器可以直接从外部取电，通过专用航插与设备主机上的供电端口给设备主机直接供电；配备专用线缆直接接入车上DC110V、DC24V 控制电，通过专用航插与设备主机上的供电端口连接给设备供电，设备主机内部设计有专用电源转换模块用于电压转换；系统主供电为24 V，且有防浪涌和电磁兼容设计。

1.2 数据采集模块

数据采集模块具有两个输入通道和两个输出通道。输入通道分别接网压传感器和网流传感器，记录相关数据。模拟量信号采集范围为电压-14～14 V，2 通道同步采集，支持最高100 kS/s 的采样率。

1.3 通信模块

通信接口连接通信模块，通信模块包括以太网通信模块及USB 通信模块。设备与上位机通过以太网进行通信，读取设备当前信息，同时对设备进行设置、校准和数据监测。以太网及USB 端口支持对硬盘存储的数据进行读取和导出，方便后续分析。

1.4 存储模块

存储选用专用高可靠性硬盘作为存储介质、可确保800 小时的存储时间，存储介质可靠固定且方便更换。设备存储介质写满后，后续新数据按照先入先覆盖原则，自动覆盖存储介质内已有的数据，保证最新数据的保留。在设备意外掉电时，能保证设备不损坏，掉电前已保存的数据不丢失，上电后实现自启动，数据自动继续保存。

1.5 上位机

上位机的主要功能为对数据信息进行存储、处理和加工，实现对动车组运行数据的实时监测。

2 系统配置软件设计

系统软件具备参数配置、数据实时采集、数据处理及查看、数据分析等功能，系统的软件框架如图2所示。

图2 系统软件框架设计

参数配置功能可对采样率、通道PGA 增益、文件大小、探头信息及通道名称信息等进行配置；

数据实时采集功能可对实时采集数据进行可视化显示，时间轴与墙钟保持一致；

数据处理及查看功能，主要包括文件格式转换功能、文件拼接功能及数据查看功能。文件格式转换功能可将储存介质内数据以通用数据格式导出到本地，所有数据文件均以采集时间作为文件名保存；文件拼接功能可将多个数据文件进行拼接；数据查看功能，保证所有数据均可打开查看，数据查看时，可通过输入变比系数对数据值进行变比转化，可对数据曲线放大缩小等操作；

数据分析功能，可利用傅里叶计算进行数据谐波分布计算分析，提供数据的基波数值与谐波分布曲线。

3 数据分析

应用上述测量监控设备对某高速铁路动车组进行网压、网流数据采集与监控，并进行谐波分析。数据测量点分为牵引变电所出线25 kV 电压、出线电流、列车受电弓位置网压、列车受电弓电流共4 处，测量位置选择在沿线各站点及牵引变电所[12]。

选取动车组恒功率运行区间，持续采集车辆和牵引变电所电压、电流数据。取10 个典型波形周期，对测得的电压、电流进行快速傅里叶变换，计算基波幅值和电压、电流的总谐波畸变率，结果如图3～6 所示。计算该区间内电压、电流的有效值，并且以每个基波周期为单位计算电压和电流的总谐波畸变率分布，结果如图7～8 所示。

图3 恒功率区间列车网压谐波分布

图4 恒功率区间变电所网压谐波分布

图5 恒功率区间列车网流谐波分布

图6 恒功率区间变电所网流谐波分布

选取动车组在站点停靠的时段，持续采集电压电流数据。结果如图9～14 所示。

恒功率状态下动车组网压谐波次数主要分布在3、5、7、9、11、13、19、21 次，网流谐波次数主要分布在3、5、7 次，停站区间网压平稳。动车组在整个运行区间内网压谐波幅值较低，网压和网流的总谐波畸变率始终小于5%，反映了列车运行的稳定性[13-15]。

图7 恒功率区间列车受电弓电压及整车电流分析

图8 恒功率区间变电所电压及电流分析

图9 停站区间列车网压谐波分布

图10 停站区间变电所网压谐波分布

图11 停站区间列车网流谐波分布

图12 停站区间变电所网流谐波分布

变电所所在位置的网压、电流谐波与列车位置的网压、电流谐波有所差异，该差异主要由谐波在线路上传播所致[16]。

图13 停站区间列车受电弓电压及整车电流分析

图14 停站区间变电所电压及电流分析

综合图3～8 可得，该文使用的高速铁路动车组网压品质无人值守监控系统能够实现无人值守情况下长时间对车辆网压、网流数据的采集。系统对网压、网流的采集和分析计算准确可靠，很好地反映了动车组网压、网流的谐波分布情况。

4 结论

文中提供了一种高速铁路动车组网压品质无人值守监控系统的设计思路。安装于动车组的监控系统可以在无人操作的情况下持续采集、记录和保存动车组网压、网流数据，数据采集准确，存储时间长。该系统的实现能够有效地提高数据采集效率，降低人工成本。通过上位机能够实现参数配置、数据查看和分析功能，可以进行有效值计算和谐波分析。通过实车测试与数据分析，验证了该系统的运行可靠性和测量准确性，为后续网压质量监控与谐波分析提供了基础。