地鐵整流器監控裝置的研究

宋琳琳，尹曉光，李 強，高 昉

0 引言

隨著國內國民經濟的迅速發展和城市交通量的增長，以地鐵為主的城市軌道系統在國內許多城市中得到了越來越廣泛的應用。整流設備作為地鐵直流牽引供電系統中的重要設備，其監測與控制部分的研究是十分迫切的。基于潛在的市場需求，研制高性能、高可靠性的地鐵整流柜監控裝置不僅具有廣闊的市場前景，而且也可以提高國產工業控制器的制造水平，減少對進口產品的依賴，降低城市軌道交通建設的投資和維護成本。本文根據整流器柜監控裝置功能原理，通過分析系統的需求對監控裝置的功能進行設計研究。

1 牽引整流機組設備配置及工作原理

牽引整流機組包括牽引整流變壓器和牽引整流器，它的主要功能是將其交流進線電壓經過整流變壓器降壓，然后通過整流器將交流電轉換成直流電向接觸網供電。一個相數為p 的整流器，在其直流側將主要產生n = kp 次諧波，而在其交流側主要產生n = kp±1 次諧波[1]。為了提高功率因數、降低牽引變壓器網側線電壓波形畸變，以減少對電網的干擾，以及降低輸出直流電壓的紋波系數，城市軌道供電系統中的牽引整流機組采用等效24 脈波整流電路[2]。

單臺整流器由2 個6 脈波三相整流橋并聯組成，其中一個三相整流橋接至牽引變壓器閥側星形繞組，另一個三相整流橋接至牽引變壓器閥側三角形繞組。由于每臺牽引變壓器閥側星形繞組和三角形繞組對應的線電壓相位錯開π/6，將2 個整流橋并聯便組成12 脈波整流電路，如圖1 所示。

將2 臺12 脈波整流器的整流變壓器網側繞組采用延邊三角形移相的方法，使得一次側繞組分別移相+7.5°和-7.5°，2 套整流機組并聯運行構成等效24 脈波整流，如圖2 所示。

2 監控裝置的硬件結構原理

整流器（柜）監控裝置的功能是對整流器運行各狀態量集中進行采集、檢測以及信號的傳送，最終能以文字的方式顯示各種運行狀態和故障報警，并能將報警信號傳送至變電所綜合自動化系統。

圖2 等效24 脈波整流機組示意圖

2.1 系統硬件結構框圖

根據整流機組所配備的過電壓保護（換相過電壓保護、交流側過電壓保護、直流側過電壓保護）、過電流保護、逆流保護、溫度保護等各項保護，分別要采集直流側電壓、交流側電壓、逆流跳閘信號、溫度傳感器的測量值等量。因而，整流器（柜）監控裝置硬件結構由電壓電流采樣模塊（模擬量采集電路、數字量采集電路）、模數轉換模塊、微處理器模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤模塊、CAN 總線接口模塊和開關量輸出模塊等組成，其硬件結構原理圖如圖3 所示。

圖3 硬件結構原理圖

整流器（柜）監控裝置通過采集整流器交流側的電壓、直流側的電壓、電流、與二極管串聯的快速熔斷器等信號，對各狀態量集中進行監測，實時、準確地檢測并監控交直流側輸出電壓、直流側輸出電流、整流管的溫度、快速熔斷器上的微動開關信號等主要運行參數的狀態信息，通過一套精確的控制方法，協調控制復雜系統中各單元信號，從而及時有序地輸出相應的控制信號給直流斷路器、繼電器等，將報警信號、跳閘信號傳送至變電所綜合自動化系統，供值班人員處理。

2.2 微處理器模塊

微處理器選用Cygnal公司的C8051F系列單片機中的C8051F206 芯片。該款單片機采用CIP-51內核，具有與MCS51 指令系統全兼容可用標準的ASM51Keil C 高級語言開發編譯C8051F 系列單片機的程序。它包含一個12 位多通道ADC，有8K字節的FLASH 存儲器，還有用硬件實現的UART和SPI 串行接口，擁有32 個通用的I/O 引腳，其中一些能用于指定的數字外設接口，任意一個I/O引腳均可配置成模擬信號輸入至ADC。

2.3 交流數據采樣模塊

2.4 CAN 總線收發器

CAN總線收發器是CAN控制器與物理總線之間的接口，它能夠提高對總線的差動發送和接收能力，它在微處理器的控制下，將裝置實時采集的各狀態量傳送到變電站綜合自動化系統，以實現遠程監控。

CAN 是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，具有完善的通信協議，其通信協議采用了CRC 檢驗并可提供相應的錯誤處理功能。另外，與其他現場總線相比，CAN 總線具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點，使得CAN 總線技術已經成為當今工業自動化發展的方向[4]。

3 監控裝置的軟件設計

系統軟件設計的主要任務是完成對各狀態量的數據采集、處理，并將故障的報警和跳閘信號傳送至變電所綜合自動化系統。在軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于以后根據需求進一步擴展系統的功能。系統軟件設計主要包括以下方面：主程序、定時器及其中斷服務程序、數據處理程序、CAN 通訊程序、LCD 顯示驅動程序等。

系統主程序的功能主要是將系統進行初始化，啟動定時器，然后依次執行數據采集與處理、文本顯示和數據傳送等。

系統數據采集處理子程序的功能主要是進行整流器各橋臂快速熔斷器狀態、二極管整體狀態、溫度狀態、交直流側過壓保護、逆流保護及柜門狀態等一些狀態量的采集，數字濾波、數據存儲與上傳。

CAN總線通訊子程序包括CAN控制器的初始化、數據發送、中斷方式的數據接收。當上位機發送命令時，CAN 接收到一個報文；當接收到數據后，CAN 模塊觸發中斷，進入到中斷子程序；當收到上位機通過CAN 總線發送來的數據發送請求后，向上位機傳送該節點的運行狀態及參數。

4 結論

（1）參照地鐵整流器柜的資料，研究了地鐵整流柜監控裝置的技術參數，并根據需求分析、計算相關狀態量的數據采集通道數、輸出量的數目及采集方式。

（2）根據所需的各監測量，給出了硬件原理圖，包括外圍檢測電路、調理電路及微處理器芯片的選用、總線收發器的使用構想和簡介。

（3）在硬件平臺的基礎上，完成軟件流程圖的設計，并選用CAN 總線技術，完成數據的傳送與顯示。

（4）本文側重于根據地鐵整流器柜在電力監控系統上的主要要求的情況下測量、監測、控制和上傳數據，若要得到地鐵整流器柜功能更全面、更便捷，則需要采集更多的數據，并對其進行分析處理。

[1] 謝方.城市軌道交通直流供電整流機組研究[D].碩士學位論文，西南交通大學，2009.

[2] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

[3] 郭世明.微機檢測與故障診斷技術[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[4] 來清民，曲賀梅.基于CAN總線的分布式三維步進電機控制系統[J].微計算機信息，2005，（10）：40-42.