张大高铁地震预警监测牵引供电接口测试研究

2023-09-15顾晓伟

河南科技 2023年15期

顾晓伟

（河南辉煌科技股份有限公司，河南郑州 450001）

0 引言

高铁地震预警监测系统由基于铁路沿线设置的地震台站来实时测定地震动的相关信息，并由地震初至信息来快速估算出地震基本参数，从而确定地震影响范围、警报等级等。在破坏性地震波尚未到达之前，迅速发布处置信息至受到影响的高铁线路及相邻需要处置的线路，同时触发高铁列车控制系统、车站信号联锁控制系统及铁路变电所牵引供电系统。牵引供电接口在接收停电指令后，及时触发高铁牵引供电系统停电，并生成地震停电报警信息及时上报，保证列车运行安全。

1 系统基本原理

1.1 系统预警和报警原理

地震预警监测系统有以下两种报警模式，即P波预警技术和阈值报警技术。

1.1.1 P 波预警技术。在地震发生时，通常会产生两种波形，一种为P 波，一种为S 波（又称剪切波）。P 波的传输速度快，在地壳中传播速度为5.5～7.0 km/s，使地表发生上下振动。S 波传输速度较P波慢，在地壳中的传播速度为3.2～4.0 km/s，使地表发生前后、左右振动，破坏性较强。P 波预警技术原理是基于两种波形到达地震监测台站的时间差，在S波尚未到达时，利用检测到的P波信息来快速估算出地震等级，提前预告地震信息，提示采取相应的处置措施，从而避免重大损失。

1.1.2 阈值报警技术。高铁沿线地震监测台站实时监测并测定地震动信息，当收到测定的S 波地震动参数达到或超过给定阈值条件时，发出地震警报信息，提示及时上报地震预警监测铁路局中心系统，并采取相应的处置措施。

1.2 系统控车原理

高速铁路地震预警监测系统通过地震预警监测铁路局中心系统向高铁沿线车站、中继站、变电所等相关监控单元下发指令，触发列车控制系统、信号联锁系统、牵引供电系统，从而采取相应的处置措施。根据地震等级分为3种控制方式。

1.2.1 当采集到的地震动峰值参数（阈值）或P 波预警参数大于或等于40 cm/s2时，铁路局中心系统采取Ⅰ级处置，向高铁列车发送警报信息，并提醒司机采取人工制动降速，将列车速度将至160 km/h 以下。

1.2.2 当采集到的地震动峰值参数（阈值）大于或等于80 cm/s2且小于120 cm/s2时，铁路局中心系统采取Ⅱ级处置，向高铁列车发送警报信息，高铁列车开始自动停车。同时，触发车站信号联锁系统向车站列车控制系统发出轨道区段占用信息，使车站列车控制系统发出红码停车指令。

1.2.3 当采集到的地震动峰值参数（阈值）大于或等于120 cm/s2时，铁路局中心系统采取Ⅲ级处置，向高铁列车发送警报信息，高铁列车开始自动停车。同时，触发车站信号联锁系统向车站列车控制系统发出轨道区段占用信息，使车站列车控制系统发出红码停车指令；触发变电所牵引供电系统停电，使该变电所控制范围内运行的列车失去动力。

1.3 牵引供电接口原理

高速铁路地震预警监测系统与牵引供电系统的接口是通过牵引供电接口逻辑组合来实现的［1］。在地震预警监测系统站点设置监控单元，主要设备包括监控主机、UPS、交换机、数据采集器、地震计、牵引供电接口逻辑组合等，如图1 所示。牵引供电系统主变保护测控屏A、B 分别为地震预警监测系统预留三组回路节点，在地震预警监测系统监控单元牵引供电接口逻辑组合闭合相应回路时，分别实现直接驱动高压断路器（101#、102#）分闸、变电所综合自动化系统驱动高压断路器（101#、102#）分闸、变电所综合自动化系统报警等功能。牵引供电接口分闸回路常态为无源常开节点，报警回路常态为无源常闭节点［2］。发生地震时，监控单元通过牵引供电接口逻辑组合来触发牵引供电系统接口动作；地震报警信息解除时，监控单元解除接口动作恢复正常。

图1 牵变供电接口示意

2 牵引供电接口设置与验证方法

2.1 张大高铁现场概况

张大高铁地震预警监测系统由太原铁路局中心系统和现场监测设备组成。太原铁路局中心系统在原有系统基础上，新增本线前端预警服务器2台、交换机2台、防火墙2台。在调度所张大线行调台、大同工务段各设业务终端1 套，对调度所电调终端、工务部业务终端、信息技术所维护终端、太原通信段维护终端进行软件升级扩能。现场根据本线路地震动参数设置15 套监控单元，其中具备地震监测和牵变触发功能的监控单元3 套、具备地震监测功能的监控单元3 套、具备信号触发功能的监控单元9套。

2.2 牵引供电接口设置

根据高速铁路地震预警监测系统技术条件要求，当地震预警监测系统监测到地震动峰值（阈值报警）大于或等于120 cm/s2时，地震预警监测铁路局中心系统将下达Ⅲ级警报处置指令，触发相应的牵引供电接口动作，实现对应变电所管辖范围内的牵引供电系统停电［3］；当接收到地震预警监测铁路局中心系统下达的误报解除、警报解除和震后系统恢复指令后，恢复与牵引供电系统接口正常状态。张大高铁根据铁路沿线地震动参数，共设置了3 个牵引供电接口，控制3 个牵引变电所的牵引供电系统停电，分别为温家窑牵引变电所、阳高南牵引变电所、大同南牵引变电所，各变电所管辖铁路运营里程依次为（K4+539～K49+234）、（K49+234～K93+114）、（K93+114～K140+046）。

2.3 测试内容及方法

牵引供电接口测试包括监控单元侧牵引供电接口逻辑组合测试和模拟地震波信号试验牵引供电系统断路器分闸停电两部分。牵引供电接口逻辑组合测试通过前端预警服务器模拟软件及单板测试台进行测试；牵引供电系统断路器分闸停电使用信号发生器模拟地震信号输入，通过铁路局地震中心系统下发控制指令，触发监控单元牵引供电接口逻辑组合动作，从而验证牵引供电系统断路器分闸及报警情况是否正确。

3 牵引供电接口逻辑组合测试

验证牵引供电接口须先测试监控单元侧接口动作是否正常，监控单元内牵引供电接口逻辑组合需要分别在监控主机A 机、B 机进行测试。监控主机采用断开主机电源开关的方式使监控主机单套运行，两个控制继电器一直处于吸起状态，在前端预警服务器软件界面上模拟牵引供电接口触发功能进行测试。

3.1 监控单元非隔离状态下测试

点击前端预警服务器软件“断电”按钮，地震预警继电器1、地震预警继电器2 落下并保持，辅助继电器1、辅助继电器2吸起并保持，控制继电器1、控制继电器2 一直吸起并保持；单板测试台指示灯绿灯1、2灭，红灯1、2、3、4亮，则牵引供电接口逻辑组合“分闸”功能为正常，否则为不正常。点击“送电”按钮，地震预警继电器1、地震预警继电器2 吸起并保持，辅助继电器1、辅助继电器2 落下并保持，控制继电器1、控制继电器2 一直吸起并保持；单板测试台指示灯绿灯1、2亮，红灯1、2、3、4灭，则牵引供电接口逻辑组合“解除报警”功能为正常，否则为不正常。

3.2 监控单元隔离状态下测试

点击“断电”按钮，地震预警继电器1、地震预警继电器2 落下并保持，辅助继电器1、辅助继电器2吸起并保持，控制继电器1、控制继电器2 一直吸起并保持；单板测试台指示灯绿灯1、2 亮，红灯1、2、3、4 灭，牵引供电接口逻辑组合分闸“隔离”功能为正常，否则为不正常。点击“送电”按钮，地震预警继电器1、地震预警继电器2 吸起并保持；辅助继电器1、辅助继电器2落下并保持，控制继电器1、控制继电器2 一直吸起并保持；单板测试台指示灯绿灯1、2 亮，红灯1、2、3、4 灭，牵引供电接口逻辑组合解除报警“隔离”功能为正常，否则为不正常。

3.3 继电器动作时间测试

在完成上述测试后，把监控单元隔离开关设置为非隔离状态。反复操作5 次“变电命令”和“解除命令”，查看监控主机程序软件日志记录中继电器动作完成时间，5 次操作的继电器动作完成时间都应小于300 ms。

4 模拟地震波信号测试验证

4.1 验证前准备

牵引供电接口在测试验证期间需要牵引供电系统停电，该变电所管辖范围内的铁路线将无法行车，影响范围较广。因此，在测试验证前应做好充分的准备工作，以保证试验顺利完成。一是完成对应监测点监控单元设备的安装；二是确保监控单元系统电源、对太原局地震中心系统通信通道连通且稳定可靠；三是监控单元至牵引供电系统机房接口电缆已完成敷设制作，具备接入条件；四是牵引供电接口测试供变电专业技术配合人员已经到岗，且具备突发应急处置能力。

4.2 搭建测试环境

为更好地进行接口测试，在进行牵引供电接口测试时，需要准备的仪器和工具有（地震波）信号发生器、万用标、笔记本电脑、螺丝刀、剥线钳、绝缘胶带、扎带等。将笔记本电脑、信号发生器放置于地震监测监控单元旁，将笔记本电脑、信号发生器以太网口插入网线，并连接至监控单元交换机A，设置与监控单元在同一地址段的IP 地址，测试通信是否正常。将信号发生器两条通信电缆分别接入数据采集器CH1-3、CH5-7 通道接口，为验证连线及通道的正确性，在信号发生器发送模拟波形信号，通过笔记本电脑连接数据采集器查看各通道接收波形与发送波形是否完全一致。如不一致，须查找分析造成不一致的原因，接口测试环境如图2 所示。

图2 接口测试环境

4.3 牵引供电接口电缆接入

以温家窑牵引变电所为例，按照设计图纸，先将监控单元侧牵引供电接口电缆接入对应的端子，再将牵引供电系统侧电缆接入对应的端子，在接入过程中严禁将任意两根电缆短接。线缆接入前，应使用万用表逐对校正线间的阻值，阻值应小于0.5 Ω。监控单元机柜端子JKD-37～JKD-42 共6 根电缆对应牵引供电系统机房1 号主变保护测控屏，JKD-43～JKD-48共6根电缆对应2号主变保护测控屏，不可互换。

4.4 模拟地震波验证

第一，将牵引供电系统侧1 号主变保护测控屏和2 号主变保护测控屏上地震控制联片（硬压板）闭合。当联片断开时，地震预警监测系统与牵引供电系统接口断开，牵引供电系统接口不再接收地震预警监测系统所发出的任何指令；当联片合上时，地震预警监测系统与牵引供电系统接口恢复正常。由于牵引供电接口试验时，模拟发送的地震波地震动峰值较高，地震预警监测铁路局中心系统在下发处置命令时，划定的处置范围较大。因此，在试验任一牵引变电所的牵引供电接口时，在本线路其他设置有牵引供电接口的牵引变电所，监控单元应将牵引供电接口设置为“隔离”状态，以防止不必要的动作。同时，在选择地震监测点发送模拟地震波时，一般应选择距离该牵引变电所较近的监测点，用以缩小影响范围。

第二，将地震预警监测系统监控单元牵引供电接口隔离开关取消“隔离”（开关向上为“隔离”状态，向下为“正常”状态），拨到“正常”状态。当开关处于“隔离”状态时，地震预警监测系统不再向牵引供电接口发送任何指令，在监控单元停用牵引供电接口功能时使用。

第三，将牵引供电系统侧1 号主控保护测控屏手工切换到主用状态，将监控单元内监控主机A 设置为主机。将地震预警监测系统监控单元牵引供电接口端子JKD-39、JKD-40 线缆甩开（严禁短路），由笔记本电脑连接信号发生器，发送地震动峰值大于120 cm/s2的地震波形，监控单元接收地震报警处置指令（三组报警信息同时到达），观察变电所高压进线侧101#断路器能否正常分闸，同时变电所综合自动化系统能够产生地震报警信息，试验完成后解除报警；将地震监控单元JKD-39、JKD-40 线缆恢复，JKD-37、JKD-38 线缆甩开，由信号发生器发送地震动峰值大于120 cm/s2的地震波形，监控单元接收地震报警处置指令，观察变电所高压进线侧101#断路器能否正常分闸，同时变电所综合自动化系统能够产生地震报警信息，试验完成后解除报警，将JKD-37、JKD-38线缆恢复。将监控主机B设置为主机，重复上述试验步骤。

第四，将2 号主控保护测控屏置于主用状态，将监控单元监控主机A 设置为主机。将地震监控单元JKD-45、JKD-46 线缆甩开，由信号发生器发送地震动峰值大于120 cm/s2的地震波形，监控单元接收地震报警处置指令，观察变电所高压进线侧102#断路器能否正常分闸，同时变电所综合自动化系统能够产生地震报警信息，试验完成后解除报警。将地震监控单元JKD-45、JKD-46 线缆恢复，JKD-47、JKD-48线缆甩开，由信号发生器发送地震动峰值大于120 cm/s2的地震波形，地震监控单元接收地震报警处置指令，观察变电所高压进线侧102#断路器能否正常分闸，同时变电所综合自动化系统能够产生地震报警信息；试验完成后解除报警，将JKD-47、JKD-48线缆恢复，将监控主机B设置为主机，重复上述试验步骤。

第五，试验完成后，将监控单元的隔离开关置于“隔离”位置，将牵引供电系统侧1 号主变保护测控屏和2 号主变保护测控屏上地震控制联片断开，使地震预警监测系统与牵引供电系统完全隔离。在经过上述步骤测试验证后，即完成牵引供电接口的全部测试验证工作。