地鐵供電變斷路器在線監測裝置探究

徐永瑞

摘 要：社會基礎設施建設的不斷完善，公共交通產業的快速發展，一方面為地鐵交通體系的建設與完善提供了有力的保障；另一方面也使得供電系統的安全性與可靠性成為地鐵運行的重要基礎。在此基礎之上，本文通過對斷路設備監測裝置現存問題及改進措施的有效分析，為在線監測系統的合理應用提供簡單的參考。

關鍵詞：外設功能；開發環境；模擬信號

在線監測技術采用A -D程序進行數據收集，能夠保證檢測系統的高效性與程序操控的準確性，利用模擬信號實現了網絡傳輸功能。在此基礎上，通過ARM芯片及Linux監測程序，保證了對供電系統的動態管理，降低了供電變斷路設備的維修養護成本。

一、當前階段斷路系統的發展狀況

1、斷路器的常見故障

目前，在地鐵供電系統中，常見的斷路器故障原因以操動機構的機械故障為主。因此，為了保證斷路系統的安全、穩定運轉，地鐵運營部門每年都要投入大量的成本，對斷路系統進行維修、養護，這種情況不僅影響了地鐵供電體系的正常運轉，提升了系統的運營成本，還在一定程度上增加了人為損壞設備的可能性，埋下了安全隱患。在此基礎上，技術部門通過在線監測設備對斷路器進行實時監控，成為了當前階段保證地鐵供電安全的首要選擇。

2、在線監測系統的優勢

傳統的電路監測系統，是以單片機為設備的核心，對斷路器實施監測的，由于硬件設施的限制，使得監測功能較為單一，核心芯片的擴展性不強。與此同時，單片機監測系統并沒有設置操作程序，因此在可視性與系統操作性方面存在缺陷。基于這種情況，在線監測系統逐步替代了原有的監測裝置，以ARM芯片為操作核心的系統，不僅保留了單片機的功能，還以此為基礎提升了可視化效果，運用網絡通信，實現了數據的實時傳輸。在系統方面，搭載了Linux程序，在獲取動態信息的基礎上，通過該平臺對斷路器進行控制，提升了供電系統運行的穩定性與可靠性。

二、監測系統的主要功能

結合地鐵供電程序的客觀需求，該種監測系統主要開發了以下幾方面的功能：

1、對斷路器進行機械性的功能監測

斷路器整體系統的機械安裝牢固性與使用質量都直接影響著供電體系的運行效率，但在機械的實際工作過程中，操動機構以及斷路設備的機械失效情況頻發，電氣控制系統及電路問題不僅增加了斷路器發生故障的可能性，還為供電設備的控制埋下隱患。因此，為提升異常情況的監測效率，在最短的時間內解決故障問題，在線監測設備通過對分、合閘電流、線圈狀態、周期性機械振動等方面的監管、控制，來提升對斷路器機械設備的管理效率。

2、對斷路設備電流、電壓的實時監測

在線監測程序通過測量設備中一次電流的電壓、損耗情況，來確定觸頭的使用情況，觀察設備的實際磨損程度。同時，對斷路設備儲能電機流經的電流量、工作時間以及承受電壓等方面進行數據監測，并根據數據信息測算儲能電機的運行狀態。結合檢測數據可以客觀的對斷路設備進行質量評估，從而利用操作系統進行合理的調整，結合歷史故障原因及發生規律，開展維護/檢修工作。

3、在線監測的網絡通信及可視化功能

在監測設備設置對應的信號接收端口，能夠對收集到的信息進行及時的抄錄，并在此基礎上利用以太網將信息傳送到主控平臺，由主站對數據進行分析、處理，并反饋異常情況。監測系統的顯示功能是通過LCD的模塊顯示設備，將收集到的數據在窗口顯現出來。

三、在線監測設備的硬件設計

1、模擬信號的采集、測量設計

在線監測模擬信號的采集內容包括：合分閘線圈電流信號、一次電流信號、合分閘控制電源電壓、儲能電機電壓、交流控制電源電壓、振動信號和行程信號等。具體的測量過程如下：線圈模擬信號的測量選擇的是霍爾傳感器，可以對交流電流信號進行測量，也可以測量直流信號（KT10A）；主回路相流經的電流是交流信號，由電流互感器出發，經過霍爾傳感器時變為弱電信號；電壓信號的模擬信號測量主要包括電源電壓、電機電壓等，同樣使用霍爾傳感器進行測試；振動模擬信號的監測則使用加速度型的傳感設備對振動信號的速率、振幅進行計算。

2、開關量測量的硬件模塊

開關量的內容包括：斷路器的輔助節點，隔離開關輔助節點的位置，小車的位置，儲能系統的狀態等。在實際測量階段，選擇光耦隔離對具體數據進行檢測。

3、電路的調理硬件模塊

在傳感器中收集的模擬信號主要指工頻電壓，有時也會出現高頻信號。為此，在監測系統中通常會設置低通濾波的電路設備作為電路的調理模塊，降低高頻信號對傳感設備的干擾，地鐵斷路器主要使用二階Sallen-Key型號的濾波器。

4、外設功能的硬件模塊設計

除了上述的硬件功能模塊外，在線監測系統還包括外設功能，當主控制設備對測試數據進行讀取后，為了保證數據安全，通常會利用存儲器保存數據，并在此基礎上，將數據信息傳輸到顯示器上。在這一過程中，需要設備提供電源才能確保數據收集、傳輸、存儲工作的正常進行。

四、監測系統中Linux軟件程序的應用設計

在線監測利用ADC程序對數據進行全面、系統的采集，并以以太網為基礎實現數據通信。因此，程序系統中包含A-D轉換驅動程序的設計移植、網卡驅動程序的移植和Socket通信程序的設計移植。

1、構建Linux系統的開發環境

由于Linux程序屬于嵌入式的設備運行系統，因此，其本身不具有開發能力，只有構建出與系統配套的開發環境，才能保證在線監測的實時性。構建開發環境的主要流程如下：首先，建立起可交叉的程序編譯環境；其次，通過平臺構建內核環境；第三，根據應用程序的設計需求，建立集成開發的環境；最后在控制芯片上安裝Linux程序。

2、A-D轉換驅動程序的設計移植

A-D轉換驅動程序的原理為Linux在內核態下與硬件通信完成數據采集，再將轉換結果傳遞給用戶態下，實現數據轉換。采集的數據量包括電流、電壓和振動等模擬量。本設計采用外擴ADC芯片方式實現數據采集，當A-D轉換完成后產生A-D中斷，在中斷服務程序中來讀取。

3、監測裝置的通信協議

本監測裝置采用的通信規約完全遵循國標《遠動設備及系統第5部分傳輸規約第101篇基本遠動任務配套標準》。本標準規定了電網數據采集和監視控制系統（SCADA）中主站和子站（遠動終端）之間以問答方式進行數據傳輸的幀格式、鏈路層的傳輸規則、服務原語、應用數據結構、應用數據編碼、應用功能和報文格式。

4、Socket通信程序設計移植

本設計采用基于TCP/IP的以太網，在此基礎上設計上層通信模塊，通過調用Socket函數來實現各種功能，包括數據的接收和發送，數據的校驗等。采用自帶TCP/IP協議的Linux操作系統，它可以直接調用底層的函數，驅動上層模塊完成Socket通信。

結語：地鐵斷路設備的在線監測技術主要以RAM芯片為核心設備，運載Linux 程序系統，通過模擬信號將設備運行的狀態及時的反饋到主站，并通過操作系統對信息進行處理，降低了斷路器機械故障的發生頻率。與此同時，由于具備可視化功能以及較強的擴展性，使得數據收集更為全面、準確，搭載的操作程序能夠控制斷路器的運行狀況，因此，現階段該監測技術在供電系統的應用范圍正在逐步擴大。

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