城市轨道交通系统电力设备安装质量在线监测

张红彬，周刚，商兆涛，夏琴，沈道贤，陈波，肖洒

（ 1.芜湖市轨道（隧道）交通工程质量安全监督站，安徽 芜湖 241005；2.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009 ）

0 引言

城市轨道交通系统是一种运量大、密度高的交通系统，保证其安全性和可靠性的前提是保证系统建设质量。城市轨道交通安装施工建设过程中存在一定的风险，及时发现风险、预防风险进而排除风险是质量控制与管理研究重要课题。

芜湖市城市轨道交通1号线、2号线一期工程采用跨座式单轨系统及全自动无人驾驶系统，是国内首个该型式跨座式单轨工程。土建工程完工后，系统安装工程相继进场施工。系统安装工程涉及专业门类多、专业性极强，尤其是轨道交通变电所的电力设备，作为最基础的设施，其安全、可靠至关重要[1]。本文结合跨座式单轨交通工程特点，针对牵引供电的电力设备安装过程监督和质量验收实施方法进行研究，有利于从源头规避风险源，降低事故发生概率。

1 概述

牵引供电的电力设备质量问题，直接影响轨道交通的正常运行。目前安装验收主要采用“各负其责”模式：轨道变电站（所）电力设备系统调试前，组织设备厂家人员到场，参与设备试验及调试工作。设备试验开始前，将试验人员资质，试验设备、仪器校验报告、试验方案及调试大纲报监理单位审核批准，试验过程严格按照试验方案及验收规范执行。所有试验、调试项目结束后，邀请监理单位对所调试项目进行现场验证合格后出具报告，报监理单位审批。

电力设备质量检测需针对不同种类设备、不同厂家设备分别检测，调试发现问题需逐一排查故障，不仅影响整个交通系统建设过程，而且增加成本[2]。随着技术更新，常规安装质量验收方法的高成本、低效率、及时性不足、需专业人员操作和设备成本过高等问题日益凸显。

本文提出的一种基于电力设备调试实时状态监测的闭环安装质量验收方法。根据项目要求和技术条件，基于设备工作状态选择适用于监测电力设备输出信号传感器，构建可靠性高的无线信号传输网络，建立设备工作模型，数据分析，实现安装调试参数的实时监测及故障判断。

2 系统功能

轨道交通施工过程监控及质量验收是一个大型分层分布式监控系统，涉及多种配套系统的联动，各专业系统是相互关联、协同作业的整体。因此，在联调中要研究各个系统、人员、单位的协同配合主从式管理体系；在联试中设计充分的监控技术手段，获取设备运行状态数据，分析发现问题并反馈至对应管理层级，实现资源共享、互联互通，联动各相关子系统投入机电设备监控和管理、防灾和安全、服务、预警和管理等功能，在紧急情况下为决策者提供全面及时的信息，构建系统施工技术与管理融合的质量监控闭环控制策略。

2.1 系统硬件结构

监测系统由多部分组成。包括传感器，用于采集变电站电力设备状态数据进行预处理；数据传输，实现电力设备状态数据和主机之间数据传递；用于分析、显示和保存数据的主机；电源供电部分[3]。

按照GB 50490-2009《城市轨道交通技术规范》以及国际电工技术委员会（IEC）相关标准要求，监测终端安装在各个电力设备旁，如屏柜、底架等，终端内含有符合安全要求传感器、数据采集模块和4G/WIFI网络无线传输部分[4]。服务器和计算机主机位于地面和机房。组成结构如图1所示。

图1 电气设备监测系统

具体流程如下：传感器部分将物理现象、电压和电流转换为数据采集系统可处理的电信号；数据采集部分接收来自传感器的输入信号，将电信号进行放大、滤波、预处理等一系列操作转化为计算机处理数字信号；传输部分，由基于4G/WIFI模块和服务器组成，发送和接收来自主机的数据。主机配置数据采集部分通道分析、显示和保存从传输部分接收的数据部分。电源部分为系统供电。流程如图2所示。

图2 监测系统结构图

3 监控单元设计

电力设备状态监测系统需使用多种传感器采集电力系统各设备自身工作状态量。设备安装质量等外部影响将直接影响设备运行效果，故有针对性地设计了便携式检测单元。

3.1 水平倾斜就地检测单元

轨道施工设备安装中，水平倾斜过大造成的安全事故较为突出。部分轨道电力设备为后期安全稳定运行，对水平安装固定精度提出了较高要求。设计改进了轻巧简便抗干扰的倾斜检测装置，应对不同用户水平倾斜度的超标警示。检测单元原理图如图3所示。

图3 便携式水平倾斜就地检测单元

一种倾斜检测开关由金属小球、检测方筒和挂线组成，检测方筒为塑料材质，内部镀锡处理，外部具有绝缘功能，可用于普通平面倾斜检测以及带电危险平面检测。

小球悬垂在检测方筒内，位于方筒横截面的中心位置。单片机、电源、蜂鸣器、蓝牙通信模块被集成至检测方筒上方，装置于被测平面。被测平面水平时，金属小球受重力作用，保持竖直状态，不与检测板内锡线接触，即开关断开状态；被测平面倾斜时，金属小球受重力作用，保持竖直状态，与倾斜的检测板内部锡条接触，即开关闭合状态。单片机IO1口接收高电平，赋予IO2、IO3口高电平，蜂鸣器报警，蓝牙无线传输模块发出警报信号至移动端手机。

单片机加入防抖程序，即IO1口检测至高电平信号，延迟数秒后对IO1口电平进行判断，如仍为高电平，即表明检测平面倾斜。若为低电平，则表明受外界抖动，风吹干扰，导致金属小球误触现象。通过对单片机编程，使水平倾斜检测装置具有防抖动、防风吹的抗干扰功能，有效实现平面倾斜检测以及远程监控，检测装置具有绝缘功能，适用于用于带电平面。装置示意图如图4所示。

图4 倾斜检测检测开关

3.2 设备内部状态检测单元

要求尽可能全面、详细了解系统内微小变化。为此布置多点采样。配备在线监测系统采集电气量数据以及温湿度等非电气量数据，既有结构化数据，也有视频监控等非结构化数据。

4 远程质量控制分析系统

轨道供电变电站电力设备种类繁多、数量较大，这些设备在电能传输过程中起关键作用，其运行的可靠性与稳定性直接关系到变电站系统运行，设备状态分析研究是研究热点。设计采用专用传感器，验收调试前后采集变电站设备运行状态数据信息。

设计完成了从分离式带电测试向系统联调数字化设备监测转换，获得大量设备静态信息和实时数据。从反映设备参数信息及运行数据，实现对设备动态运行状态的建模和质量判断。远程质量控制分析系统如图5所示。

图5 变电站远程质量控制分析系统

5 结语

本文面向于跨座式单轨道设计一种便携式电力设备安装质量在线监测系统。检测轨道交通变电所电力设备安装的实时状态，监控安装质量，在设备调试运行中实现部分运行参数实时监测，为轨道交通电力设备的安全质量监控提供基础数据。

当前电力设备质量评估数据主要覆盖设备静态信息和实时数据，仅反映设备参数信息及调试运行数据，设备故障、维护等工作还需大量依靠人的经验和知识，可见传统的检测流程和分析方法难以满足高效建设的要求。本文提出在芜湖市轨道交通主变电站电气设备安装工程质量验收中，对设备动态运行状态的建模和管理，对设备运行进行仿真模拟，通过理论计算和实测信号进行数据分析，走智能化的方向，推动设备状态感知技术与传统质量验收工作的整合，加快智能运检体系建设。