分布式雜散電流監測系統的研究

蔡李花， 許少毅， 殷慶華

（中國礦業大學，江蘇徐州221116）

地鐵雜散電流監測是地鐵設計、建設和運營維護中必須考慮的問題。地鐵列車所需電流由牽引變電所提供，通過接觸網向列車送電，并通過走形軌作為牽引電流回路，返回到牽引變電所。由于鋼軌很難做到完全對地絕緣，所以在直流牽引供電系統中，牽引電流并非全部由鋼軌流回牽引變電所，而是有一部分由鋼軌雜散流入大地，再由大地流回鋼軌并返回牽引變電所，從而形成雜散電流。地鐵列車運行時產生的雜散電流，會對地鐵隧道的結構鋼筋以及地鐵附近土壤中埋設的通訊電纜、水管氣管等產生電化學腐蝕；因此，在地鐵正常運行時對地鐵雜散電流加強監測是非常必要的。隨著城市軌道交通建設的迅速發展，雜散電流監測得到了人們的廣泛重視，國家建設部為地鐵行業制定了相關防護技術規程。研究新的監測方法，架構新的監測系統，是地鐵雜散電流監測發展的必然趨勢。光纖傳感技術的發展為基于光纖傳感技術的雜散電流監測系統的研究提供了理論基礎。要獲得整個地鐵運行線路的雜散電流情況，使用傳統的單點移動式傳感方式既耗時又耗資，且在布線上也不方便，故使用分布式雜散電流監測是最有效的方法。

目前，城市軌道交通系統都利用公司內部局域網來組建監測系統。基于該系統進行雜散電流監測不僅能節約成本、方便維護，且有利于監測數據的共享。本文在現有辦公自動化系統的基礎上，采用分布式監測系統的方法，搭建基于光纖傳感技術的雜散電流監測平臺，研制了一套智能雜散電流監測系統，為雜散電流的腐蝕判斷提供數據支持。

1 光纖電流傳感器的信號采集裝置設計

光纖電流傳感器的信號采集裝置是一個以單片機為核心的數據采集系統，負責采集光纖電流傳感模塊輸出的偏振光信號，并把此光信號轉換處理后通過應用成熟的RS－485通訊總線實時地傳輸到供電所的現場監控計算機。其原理框圖如圖1所示。

圖1 光纖電流傳感器信號采集裝置原理框圖

由于每個光纖電流傳感模塊輸出兩路偏振光信號，所以需要采集兩路信號。這兩路信號分別進入各自的信號變換電路，把信號變換為A／D轉換器容許的數值范圍，并送入A／D轉換器進行轉換。單片機讀取A／D轉換結果并處理，將處理結果存儲起來。另外，單片機外接有串行通信電路，用來實現與現場工控機的數據通信。

2 分布式雜散電流監測系統的總體架構

2.1 分布式光纖電流傳感系統的架構模式

由于雜散電流的隨機性和不確定性，需要對雜散電流進行長期監測。根據地鐵系統的實際情況，需要全線對其進行監測，所以地鐵雜散電流監測系統應該是一個分布式的在線監測系統。采用光纖進行分布式溫度測量的光纖傳感系統在國內外均有研究報道。分布式光纖溫度傳感系統最早在1981年由英國南安普頓大學提出。1983年英國的Hartog用液體光纖的瑞利散射（Rayleigh scattering）效應進行了分布式光纖溫度傳感器的原理性實驗。1985年英國的Hartog和Dakin分別利用半導體激光器作為光源研制了測溫用的分布式光纖溫度實驗裝置。隨著光纖技術的成熟，其適用范圍也在慢慢拓展。南昌航空工業學院的萬雄[1]等提出了一種分布式光纖多點電流傳感系統。鑒于上述理論基礎，本文提出了一種分布式地鐵雜散電流光纖傳感系統。

分布式地鐵雜散電流光纖傳感系統的架構原理如圖2所示。由高穩定光源輸出的光耦合進入主光纖，主光纖線路連接附近所有的需要監測的各個結點。在每個結點上設有1個1×2單模光纖耦合器，即光信號經過耦合器之后將其分成兩部分傳輸，從主光纖線路上獲取光源。光纖電流傳感模塊傳感結點的電流信號，在每個支路上檢測出與電流對應的偏振光信號以后，通過光電探測器轉換為電信號，再經信號轉換、調理、傳輸電路傳送至現場工控機。

圖2 分布式地鐵雜散電流光纖傳感系統的架構原理

2.2 工控機監測系統的實現

在本設計中工控機監測系統主要包括現場工控機監測系統和主監控工控機監測系統兩部分。現場工控機監測系統主要對現場光纖電流傳感器信號采集裝置傳輸的數據進行集中處理和顯示，并將處理好的數據上傳到主監控工控機。主監控工控機負責對現場工控機的集中管理，將地鐵全線各供電區間的雜散電流信息數據集中起來，并顯示在監控界面上，同時將數據存入數據庫服務器，供Web服務器來查詢輸出。現場工控機與傳感器信號采集裝置要通過RS－485總線進行通信。

2.2.1 軟件的開發平臺

在系統設計中，采用Windows XP SP2作為系統平臺，并在此基礎上架構監測系統。上位機軟件基于C＋＋Builder6.0進行開發。C＋＋Builder 6.0是Borland公司推出的一種通用的、功能強大的、高效率的軟件開發工具，支持面向對象的程序設計模式，特別適合于在Windows環境下編制具有人機交互功能的用戶圖形界面；它包括全新的數據庫支持和網絡支持，內部集中了大量的ActiveX對象和API函數，從而可以對數據對象進行驅動和網絡操作[2－4]。

2.2.2 現場工控機監控軟件

現場工控機監控軟件主要由現場數據采集、數據處理、監控界面顯示和數據傳輸4個模塊組成。現場工控機定時對光纖電流傳感器信號采集裝置進行循環的數據采集，并將采集的數據進行數據處理，最后處理結果上傳到主監控計算機。現場數據采集模塊主要負責對一個供電區間內的光纖電流傳感器信號采集裝置進行定時循環的數據采集。該模塊的軟件設計主要是通過MSComm控件對串口初始化設置和數據傳輸的控制。數據處理模塊是工控計算機軟件設計的核心，主要是對采集來的雜散電流數據進行小波閾值去噪處理。數據傳輸模塊主要是將該供電區間內雜散電流信息傳輸到主監控計算機，從而實現對地鐵全線雜散電流狀態的集中監控。在與主監控計算機的通信中，現場工控機充當的是服務器的角色。當接收到主監控計算機的連接請求后，建立連接，并根據主監控計算機的指令類型，進行數據傳輸。監控界面顯示模塊用來實時顯示一個供電區間內的現場采集數據信息和經過處理后的數據信息。為了更加明確詳細地給出該區段內的雜散電流狀態信息，在軟件設計中，以曲線形式顯示各測點數據變化情況。現場監控軟件的主監控界面如圖3所示。

2.2.3 主監控計算機監控軟件設計

主監控計算機監控軟件主要由現場數據傳輸、數據的查詢及顯示和數據存儲3個模塊組成。該軟件的功能是將采集來的地鐵全線各供電區間的雜散電流信息數據顯示在監控界面上，并將采集的數據存入數據庫服務器，供Web服務器來查詢輸出。監控軟件還需具有打印功能，以便在必要時打印輸出。主監控計算機界面如圖4所示。

圖3 現場工控機監控界面

圖4 綜合監控軟件界面

數據傳輸是主監控計算機與現場工控計算機進行數據通信的模塊，其數據傳輸是定時循環進行的，一般0.5 h進行一次循環采集。現場工控計算機接收到主監控計算機的連接請求后，與主監控計算機建立連接。當連接建立后，主監控計算機發出協議規定的指令向該工控機獲取監測數據，現場工控計算機接收到指令后，就將其最新的雜散電流監測狀態的數據信息傳輸到主監控計算機。主監控界面顯示模塊主要是將從現場工控機采集來的地鐵全線的雜散電流狀態數據保存和集中顯示，并具有數據查詢和打印功能，用戶可以通過對軟件的操作了解地鐵全線的雜散電流狀況。其監控界面如圖4所示。數據存儲是將從現場工控機采集來的數據存儲到數據庫服務器。主監控計算機將采集的雜散電流狀態信息存儲到SQL Server 2000數據庫中，供Web服務器進行查詢操作。

2.3 基于Web的雜散電流監測系統原理

目前，基于Web的系統架構方式主要有2種，即客戶機／服務器 Client／Server（C／S）模式和瀏覽器／服務器 Browser／Server（B／S）模式[5]。在本設計中，綜合考慮負荷均衡，采用B／S模式和C／S模式的混合結構，如圖5所示。一些需要滿足大多數訪問者請求的功能界面采用B／S結構，后臺只需少數人使用的功能應用使用C／S結構。

圖5 基于Web的雜散電流監測系統

3 結 語

（1）搭建了一套分布式的雜散電流監測系統，為雜散電流腐蝕的判斷提供了良好的依據。

（2）根據光纖電流傳感的特點，搭建基于光纖傳感技術的雜散電流監測平臺，研制一套智能雜散電流監測系統，為雜散電流的腐蝕判斷提供數據支持。

（3）該方案結合Web技術，將雜散電流監測與局域網聯系起來，通過局域網來實現數據資源的共享，友好的人機交互界面使得管理決策更加快捷高效。

[1] 萬 雄，黃清龍，王 慶.一種分布式光纖多點電流傳感系統[J].南昌航空工業學院學報，2001，15（4）：16－18.

[2] 汪圓圓.雜散電流監測方案的探討[J].電氣化鐵道，2001（1）：48－50.

[3] 余昌盛，汪曉平，權毓舒.C＋＋Builder 6數據庫系統開發實例導航[M].北京：人民郵電出版社，2003：1－35.

[4] 賀 濤.Borland C＋＋Builder網絡編程[M].北京：清華大學出版社，2002：5－40.

[5] 楊 冰，許 靜，閆會強，等.分布式自動測試系統及其客戶端的實現[J].南開大學學報，2003，36（1）：39－43.