地铁电力系统智能监测与保护的一体化方案应用研究

李更彧

（北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

地铁作为一种可靠、高效、环保的交通方式，其设施管理对运营至关重要，实时发现和识别地铁设施故障尤为重要。然而现有地铁设施监测主要关注电流和电压等电参数，未考虑电牵引供电系统组件级监测[1-2]，如阻抗键等设备在电气化线路中的重要作用尚未得到监测和诊断[3-4]。现有研究已研发一些测量系统[5-6]，现在地铁保护设备采用数字继电器[7]，但其无法提供大量参数用于监测和决策，基本保护主要通过距离保护实现。因此有研究提出新的测量线路阻抗方法，改进距离保护继电器，快速定位故障，提高地铁基础设施连续性和可靠性[8-9]。

近年来，地铁基础设施的监测和保护越来越多地基于无线传感器网络[2，10-11]。该文提出了一种创新的集成解决方案，用于监测和保护电力牵引供应装置，以增加安全性，提高地铁基础设施的使用年限。

1 方法和功能方案

1.1 地铁电力供应系统故障定位系统

1.1.1 25 kV、50 Hz自耦变压器单相系统

该电力牵引供应系统的应用相对容易，因为它可以连接到25 kV、50 Hz 单相电源供应系统。图1为25 kV、50 Hz 自耦变压器单相系统的示意图。由于需要将电力自耦变压器和与接触线平行的增强馈线安装在供电电路中，因此施工成本较高。牵引变电所中的电力降压变压器连接到国家电网的所有相，增强馈线和接触线之间的二次电压为50 kV，在它们之间连接自耦变压器。

图1 25 kV、50 Hz自耦变压器单相系统

1.1.2 25 kV、50 Hz单相系统

这种牵引系统建设维护成本低，同时能够应对高速和高运输量的要求。25 kV 的电压和50 Hz 的频率使得建造可靠且易于操作的电力机车成为可能。图2为25 kV、50 Hz单相系统的原理图。

图2 25 kV、50 Hz单相系统

1.1.3 地铁电力供应系统故障定位方法

图3 为地铁基础设施的单相电力供应系统的详细结构，该系统的工业频率为50 Hz，电压为25 kV，来自电力牵引。该系统包括电力供应（STE-电力牵引变电站）、电力供应馈线（FA）、接触线/架空电缆悬挂（LC）、回路（S1，S2-地铁轨道、Bj-阻抗联结器、FÎ-回馈线、Pp-接地连接）以及消费者（电力机车）。这种系统中使用的电气设备的复杂性和多样性使得必须确保其正常运行和维护，以避免可能导致对消费者的电力供应产生干扰的异常操作条件。

图3 地铁基础设施的电力供应系统结构

用于检测故障区段的监测和保护系统包括各种传感器，数据采集、处理和传输模块MEi，故障区段接收和信号模块MR。

电流传感器（TC）安装在每个区段牵引变电所的阻抗键的每个半匝上，监测地铁轨道中的电流，并将信息传输到数据采集、处理和传输模块中。此数据在模块级别进行处理，然后通过GSM 传输到故障区段的接收和信号模块。

1.1.4 数据采集、处理和传输模块

图4 为监测和诊断回路的硬件和软件结构模块图。该结构包括电流传感器（TC）、温度传感器（TT）和液位传感器（TN）、与被监测参数相对应的设备输入模块、继电器输出模块、由微控制器控制的控制和信息处理单元（UCPI）、数据存储模块（MSD）；用于配置和显示设备参数的模块；RS232 或USB 和无线通信接口（GSM）、内部温度传感器（TINT）、电源供应模块（BA）。

图4 监测和诊断回路的硬件和软件结构模块图

1.1.5 故障区段接收和信号模块

图5 展示了接收器模块，由发射器模块ME 发送的信息通过接收器模块的GSM 调制解调器传输到数据处理单元。对接收到的信息进行分析可判断是否发生了短路，确定短路电流值和故障发生的区段。

图5 故障区段接收和信号模块的示意图

用于定位电力牵引系统供电安装中故障区间的系统包括各种传感器，用于获取、处理和传输与每个故障区间轨道电流相关数据的模块[12]，每个模块由输入块、数据获取和处理单元、数据存储块、配置和参数显示块、GSM 通信接口、电源模块组成；用于定位故障区间的接收模块包括RS232 和GSM 通信接口、微控制器控制的数据处理单元、数据存储块、配置、显示和警报块、电源模块。

1.2 使用GSM通信监测和保护电力牵引供电系统

传感器和变送器的可用性、监测、诊断、远程控制、远程信号和保护设备以及通过GSM 无线传输的新数据传输技术，使得可以创建复杂的监测和保护结构，满足电力牵引供电系统的要求[13-15]。

在出现短路时做出决策，以保护地铁设施断开与故障发生区块相关联的断路器；对电力系统中发生的事件进行统计处理。

为了减少地铁牵引回路可能出现的问题，有必要监测地铁轨道中的电流、接触面的温度等参数，其中重点是监测阻抗联结器的回路[16]。因此文中介绍了一种使用GSM 通信的地铁基础设施供电系统综合监测与保护系统的体系结构。监测和保护系统包含n组传感器，n个监测设备，每个设备配备一个连接到串行端口的GSM 调制解调器，一个服务器也配备一个GSM 调制解调器，用于接收设备传输的信息，以及处理和分析获取的数据和通信的软件包。

为了测量阻抗键绕组中的电流，使用了一个电流变压器，其变换比为250/5 A，精度等级为1 级，视在功率为1.5 VA。用于测量阻抗键端子上的温度值的温度传感器是一个10 kW 的负温度系数（NTC）热敏电阻，其在25 ℃时的范围为-75～300 ℃，精度为1%。可以使用一些温度相关的校准函数来改善这些传感器的性能，以最小化温度变异的影响[16]。

开发了一种用于监测和诊断电力牵引回路中各种组件的装置，该装置通过GSM 调制解调器传输被监测的数据，如电流、温度等，并与硬件/软件结构相连。GSM 调制解调器允许无线通信，可以传输文本消息、数据、语音和传真。在数据传输之前，需对GSM 调制解调器进行配置和测试GSM 信号。信息解码通过ATMega644P 微控制器上的软件完成。此外第二个GSM 调制解调器可以直接连接到计算机或通过接收器模块连接，以进行数据的发送和接收。通过中央短信服务中心（SMSC）服务，可以通过两种方式接收消息。第一种方式是通过串行接口直接接收数据，但需要在线计算机。第二种方式是使用SIM 卡和存储卡保存数据。在地铁基础设施监测、诊断和数据采集系统中实施通信协议并不是一件容易的事，因为其具有内存资源有限的特点。

2 实验测试

实验测试的目的在于确定监测设备在电力牵引系统的实际工作条件下的正确操作。通过监测设备的实验室测试，再进行现场验证，实验条件要求在地铁基础设施附近的继电器柜中安装设备。在现场安装设备时，在阻抗键和地铁轨道之间的连接导线上安装了两个电流变压器（TC1和TC2，变压器变换比为250/5 A），以及四个NTC 类型的温度传感器，分别安装在接线端子和外壳上，如图6 所示。

图6 回流电路的现场监测接线图

为了测量阻抗键线圈中的电流，使用了变换比为250/5 A 的电流互感器。每个互感器都能够直接安装在测量电路中，无需解开连接导线。使用带霍尔效应的电流变换器可测量交流电流，而温度传感器则用于监测接触区域和外壳的温度。所有传感器的输出插入到保护管中，并通过二级电气导线连接到监测设备。GSM 模块也被安装在设备旁，用于数据传输。这些测量值提供有关回路的有价值信息，并能在大多数情况下准确检查是否存在异常。

该设备可以配置输入接触线区段安装阻抗键的位置、温度传感器的最小和最大温度值、地铁轨道电流值、采集持续时间和发出报警的电流不平衡值。当阻抗参数超过阈值时，设备会将参数传输到中央服务器。文件中的数据采集将在达到最大数量时停止，并创建新文件。图7 显示了阻抗键端子上的电流和温度的变化，在正常运行时，牵引电流总和将近似均匀分布在两条地铁轨道上，然而在800 s 记录期间，轻微的不平衡会导致约3 A 的不平衡电流，在这些电流的情况下，阻抗键的中间端子温度值较高，而2 号端子上的温度值上升比1 号端子高。2 号端子上的接触电阻较高，需要进行维护工作。

图7 监测回路

3 结论

该文通过一体化解决方案，整合多种传感器和地铁基础设施上的监测设备，通过GSM 传输至中央调度员，简化了人工操作员的工作。解决方案能准确检测地铁牵引供电设备的电故障影响，并向操作员发出警告信息，短路检测时间短，能准确定位维护位置。监测解决方案指示何时干预，应对电气触点对断路器的磨损影响。监测设备监测电气牵引回路参数和潜在问题，如连接端子松动、绳索断裂、轨道断裂等。系统能够在异常运行条件下决策保护地铁设施，断开与故障分段相关的断路器。现场实验测试显示，配备多种传感器的监测与保护系统在回路参数监测和数据传输方面运行良好，数据可供服务器分析和解释。