直放站多种供电电源的监控系统设计

倪小龙

（南京泰通科技股份有限公司，南京 210039）

1 概述

在铁路沿线，山区、隧道和桥梁存在较多无线信号弱场区，主要采用GSM-R直放站来解决信号覆盖。但直放站区域的供电环境复杂，经常会出现断电、电网波动的情况，为保证直放站长期稳定的工作，需要对直放站的多种供电电源进行监控，实时提供监控数据，便于工程师的维护。同时，通过监控的电源数据也可分析出故障发生原因，有利于编制防护措施，提高直放站系统运行稳定性。

2 系统总体设计

直放站供电在实际工程中采用AC220 V或者DC48 V，同时布置一组蓄电池保证系统供电的连续性。一般采用AC220 V或者DC48 V给直放站供电，若供电发生中断，系统自动切换至电池供电模式。当供电恢复后，自动切换至AC220 V或者DC48 V工作模式。同时给电池充电，电池充满后处于浮充状态。若未对电池供电进行欠压保护措施，一旦供电中断时间过长，电池电量持续消耗为0。电池多次亏电，电池会损坏或寿命减少。为解决这些实际的工程问题，设计直放站供电监控系统，系统架构示意如图1所示。

图1 系统架构示意Fig.1 System architecture

正常情况下，系统通过市电220 V或DC48 V供电。当供电中断或电压超出预设的安全值时，供电监控终端监控到供电异常信息，上报到网管平台，显示供电故障，提醒及时维修。当供电异常恢复后，供电信息自动恢复正常。外部供电中断由电池供电后，一直未恢复外部供电，为保护蓄电池，供电监控终端实时监控电池电压，一旦电池电压低于预设门限时，通过继电器断开电池供电，避免电池耗尽，可有效延长电池寿命。

3 供电监控终端硬件架构

供电监控终端主要由嵌入式处理器LPC1768、交流电压检测电路、直流电压检测电路、以太网通信电路、继电器控制电路和电源管理电路等组成。供电监控终端硬件架构如图2所示。

图2 供电监控终端硬件架构Fig.2 Hardware architecture of power supply monitoring terminal

嵌入式处理器LPC1768作为监控终端的核心处理单元，具有丰富的片上和接口资源，主要调配各个模块单元。由于采样精度的要求，通过分压电阻直接将大的电压信号转化为小信号，通过专用采样芯片进行电压数据采样，并通过光耦与处理器进行隔离通信，防止强电干扰。故障信息通过以太网通道上传至网管平台。系统进入电池供电模式后，实时监控电池电压，电池电压过低，监控终端控制继电器断开电池供电。

3.1 电池电压监控与自动切断

市电或直流供电时，嵌入式处理器LPC1768通过采样芯片获取市电或直流供电正常，通过GPIO口控制电池线路上的继电器吸合。开关电源给电池进行充电。当市电或直流供电中断后，处理器检测到供电消失，开始监测电池电压。一旦电池电压低于设定值，立即关闭电池线路上的继电器，电池与负载断开。处理器再次检测到供电恢复后，恢复继电器吸合，电池充电。

3.2 电压检测

3.2.1 电压检测原理

市电220 V交流电理想情况下为正弦周期信号，频率为50 Hz。实际工程环境下，波形会发生失真，DC48 V和电池供电也存在波动，因此计算有效值可表示为公式（1）。

公式（1）中，Urms为电压有效值；U(t)为瞬时电压值；T为检测周期。

3.2.2 电压检测结果

对监控系统进行实验，交流可调电源提供供电，改变电压范围 150 ～ 290 V，频率 45 ～ 55 Hz。直流可调电源提供电压 1～ 66 V。在 -25°C 、25°C、55°C环境下，测试交流电压数据如表1所示，测试直流电压数据如表2所示。

表1 交流电压测试结果Tab.1 AC voltage test results

表2 直流电压测试结果Tab.2 DC voltage test results

3.2.3 以太网通信模块

网络通信模块采用100 Mbit/s以太网通道，嵌入式处理器已内置MAC核，外围电路需增加PHY内核的网络通信芯片。模块采用标准TCP协议，作为客户端，通过铁路专网向网管平台服务端上报数据，同时模块也可以接受网管下发的命令。

4 供电监控终端软件设计

供电监控终端程序工作的流程如图3所示。

图3 供电监控终端程序工作流程Fig.3 Work flow of power supply monitoring terminal program

供电监控终端上电开启的时候，电池线路继电器处于断开状态。首先进行系统的初始化，包括初始化继电器的状态、电压监测模块、以太网通信模块和处理器的寄存器等。然后进入循环检测函数。程序一直检测市电或直流的供电情况，任一供电方式正常则闭合电池线路上的继电器，使电池处于充电状态。当检测到市电和直流的供电发生中断，程序首先会把故障信息上报至网管平台，然后监测电池电压情况。电池电压正常则继续循环监控供电情况，一旦发现供电恢复则电池充电。当电池电压过低时则断开继电器，系统失去供电，进入关机状态，等待供电恢复。

根据公式（1）实现电压有效值计算的软件流程如图4所示。

图4 电压有效值软件实现流程Fig.4 Software implementation process of voltage effective value

采集到的电压值，经过平方计算（X2）、低通滤波器（LPF_RMS）、开根计算（ROOT），得到有效值的瞬时值RMS_t，再经过平均得到有效值的平均值（V_RMS）。

5 电源质量对系统影响分析

为分析电源质量对系统的影响，系统设计电压波形数据采集功能。功能实现如图5所示。

图5 电压波形采集方法Fig.5 Acquisition method for voltage waveform

如图5所示，电压通过模拟模块放大器(PGA)和高精度的模数转换（ADC）得到两路1 bit PDM给数字模块，数字模块经过采样滤波器（SINC3）、高通滤波器（HPF）、通道偏置校正等模块，得到需要的电压波形数据（V_WAVE）。

采集到的电压波形数据以7.8 k的速率更新，网管平台会定时获取全部的电压波形数据，进行数据分析。同时对网管收集到的故障告警信息进行匹配，分析出供电异常造成的直放站故障报警。

6 结束语

供电的稳定是直放站正常工作的基本保证，但实际工程中，供电的质量难以保证。设计可监控供电的终端设备，能对直放站的正常工作提供额外的保障。经试验证明，本文设计的直放站供电监控系统，工作稳定，测量精度高，可监控电池状态，延长电池寿命，同时实时监控电源电压数据，为解决供电造成的故障，提供实验数据。