鐵路智能信號(hào)電源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單元研究

趙麗琴，李國(guó)慶，李秀聰

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545616；2.中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣西南寧 530000）

1 鐵路智能信號(hào)電源系統(tǒng)概述

鐵路智能信號(hào)電源系統(tǒng)作為軌道交通中的專用電力供應(yīng)系統(tǒng)，其可靠性要求非常高。利用現(xiàn)代監(jiān)控手段，對(duì)電源系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的問(wèn)題，保證鐵道信號(hào)裝置的安全可靠工作。鐵路智能信號(hào)電源系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用，對(duì)于保障軌道交通的安全性和運(yùn)營(yíng)效益有著重大的作用。

鐵路智能信號(hào)電源系統(tǒng)主要由以下內(nèi)容組成：①電源設(shè)備：電源設(shè)備是智能信號(hào)電源系統(tǒng)的基石，主要由整流器、穩(wěn)壓器、濾波器等構(gòu)成，將輸入的交流電源變換成平穩(wěn)的直流供電，以達(dá)到鐵路信號(hào)設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量的需求；②監(jiān)控裝置：監(jiān)控裝置是該系統(tǒng)的中心部件，其功能是對(duì)系統(tǒng)的各種工作參數(shù)（電壓、電流、功率因數(shù)、溫度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控結(jié)果傳送到中央處理器，分析判定電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題；③處理器：處理器負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控裝置傳送來(lái)的資料進(jìn)行處理與解析，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值及警報(bào)準(zhǔn)則判定電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并作出相應(yīng)的處理；④通信界面：通信界面將監(jiān)控信息傳送給上位機(jī)，對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制指令、告警等功能；⑤人機(jī)接口：對(duì)電源系統(tǒng)工作狀態(tài)、監(jiān)控信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能接受使用者的工作指示，人機(jī)界面通過(guò)液晶顯示屏和觸摸屏，為用戶提供了良好的操作體驗(yàn)。

2 鐵路信號(hào)監(jiān)測(cè)電源單元設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

2.1.1 中心單元

本設(shè)計(jì)的中心單元采用了工控機(jī)，能夠接收來(lái)自下位機(jī)發(fā)出的單元采集數(shù)據(jù)并完成組網(wǎng)任務(wù)，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存輸入、輸出對(duì)應(yīng)的電壓、電流信息，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有效性，并通過(guò)報(bào)表、圖形等形式將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息以及報(bào)警信息內(nèi)容顯示出來(lái)。通常情況下，信息存儲(chǔ)時(shí)間需要控制在30 d 以上，系統(tǒng)報(bào)警信息的存儲(chǔ)時(shí)間需要控制在90 d 以上。

2.1.2 報(bào)警功能

系統(tǒng)報(bào)警功能的設(shè)定，需要符合下述規(guī)定要求：①顯示、記錄并保存所有的故障報(bào)警信息，主要包括故障數(shù)據(jù)、故障時(shí)間和故障描述內(nèi)容；②故障消除后，需要準(zhǔn)確記錄并保存故障消除（即系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)）的時(shí)間信息；③報(bào)警過(guò)程中，顯示界面需要及時(shí)彈出對(duì)應(yīng)的閃爍報(bào)警窗口，同時(shí)發(fā)出報(bào)警提示音。

2.1.3 電磁兼容性

（1）電源端口信息的傳導(dǎo)發(fā)射需要滿足以下要求：0.15～0.50 MHz 區(qū)間內(nèi)，準(zhǔn)峰值標(biāo)準(zhǔn)為79 dBμV，系統(tǒng)平均值為66 dBμV；0.50～30 MHz 區(qū)間內(nèi)，準(zhǔn)峰值標(biāo)注為73 dBμV，系統(tǒng)平均值為60 dBμV；在過(guò)渡頻率為0.50 MHz 時(shí)，需要采用較低限值標(biāo)準(zhǔn)。

（2）機(jī)箱端口區(qū)域的輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)要求如下：30～230 MHz 區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)準(zhǔn)峰值限值設(shè)定為10 m 測(cè)試距離為40 dB（μV/m）、3 m 測(cè)試距離為50 dB（μV/m）；230～1000 MHz 區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)準(zhǔn)峰值限值設(shè)定為10 m測(cè)試距離為47 dB（μV/m）、3 m 測(cè)試距離為57 dB（μV/m）；過(guò)渡頻率為230 MHz 時(shí)需要采用較低限值標(biāo)準(zhǔn)。EMS符合標(biāo)準(zhǔn)詳情如表1 所示。

表1 EMS 項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

2.2 采集單元設(shè)計(jì)

為克服采集頻率以及精度過(guò)低對(duì)信號(hào)造成的干擾，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求并適度提升采集單元中的硬件精度，保證選型效率，并配合更加優(yōu)化的算法，以保證采集信息的精準(zhǔn)度。

首先，將采樣到的頻率信息按照級(jí)別的差異劃分出具體級(jí)別，并確定采樣周期：①輸入電源端的采樣周期需要低于10 ms；②系統(tǒng)輸出電壓對(duì)應(yīng)的采樣周期需要控制在250 ms 范圍內(nèi)，其中，KZ/KF 電源需要控制在150 ms 范圍內(nèi)。

其次，將信號(hào)采集精度根據(jù)信號(hào)性質(zhì)的區(qū)別設(shè)定精度范圍：①電壓型信號(hào)采集精度浮動(dòng)范圍±1%；②電流型信號(hào)采集精度浮動(dòng)范圍±2%；③頻率型信號(hào)采集精度浮動(dòng)范圍：±0.5 Hz；④相位角型信號(hào)采集精度浮動(dòng)范圍為±1°。

3 鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)系統(tǒng)功能設(shè)定

在本文的設(shè)計(jì)方案中，集控測(cè)試裝置控制核心系統(tǒng)分別包括：電源電路模塊、數(shù)據(jù)采集放大電路模塊、A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊、MAX232 串行接口電路模塊、單片機(jī)外圍電路模塊、繼電器輸出電路模塊以及LED 顯示電路模塊等。裝置配置有2 個(gè)測(cè)試用接口：①電源接口，主要用途為連接單車端的DC 110 V 插座；②控制插座，主要用途為與單車端的通信連接器進(jìn)行連接。上述2 個(gè)接口均采用標(biāo)準(zhǔn)的航空插座，具有插拔方便、電氣特性良好的特點(diǎn)。裝置的工作電源主要來(lái)自單車電氣柜裝置的AC 220 V 插座。智能電源信號(hào)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能電源信號(hào)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集控測(cè)試裝置包含的主要任務(wù)是相繼實(shí)現(xiàn)單車塞拉門(mén)控制測(cè)試任務(wù)、全/半燈控制測(cè)試任務(wù)、安全環(huán)路測(cè)試任務(wù)。

（1）完成單車車門(mén)控制試驗(yàn)過(guò)程中，裝置按照測(cè)試平臺(tái)給出的控制指令實(shí)現(xiàn)控制切換，并將引入系統(tǒng)的DC 110 V 電源準(zhǔn)確供應(yīng)至對(duì)應(yīng)的塞拉門(mén)控制箱，使其為對(duì)應(yīng)的集控中心提供工作電源，以保證核心系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

（2）在全/半燈試驗(yàn)的過(guò)程中，裝置本身的核心控制系統(tǒng)需要按照上位機(jī)發(fā)出最終全燈、半燈控制信號(hào)執(zhí)行操作任務(wù)，并將DC 110 V 發(fā)出的控制信號(hào)準(zhǔn)確傳遞至對(duì)應(yīng)的燈控制回路中，以達(dá)到對(duì)全/半燈開(kāi)關(guān)的有效控制效果。

（3）在無(wú)安全報(bào)警的狀態(tài)下，車端匹配的硬線電壓標(biāo)準(zhǔn)為DC 110 V 高電平。出現(xiàn)安全報(bào)警后，車端硬線電壓會(huì)轉(zhuǎn)化為0 V 低電平。裝置核心控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出車端安全環(huán)路中的硬線電壓，并據(jù)此判斷安全環(huán)路是否存在報(bào)警。

3.2 信號(hào)采集取樣設(shè)計(jì)

用測(cè)試用線纜將已經(jīng)裝置完畢的DC 110 V 插座與車端DC 110 V 插座進(jìn)行連接，此時(shí)通信控制插座需要與車端通信控制連接器使用插座連接。連接好所有線纜裝置后，正式合上單車中的控制電源，然后打開(kāi)設(shè)備工作電源，并啟動(dòng)工控機(jī)中的測(cè)試平臺(tái)軟件。在通信連接工作全部完成后，即可通過(guò)工控機(jī)中的測(cè)試平臺(tái)軟件完成操作控制裝置任務(wù)。對(duì)不同功能執(zhí)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在工控機(jī)中，以供后續(xù)打印或查詢。智能信號(hào)電源系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)單元如圖2 所示。

圖2 智能信號(hào)電源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單元

為保證采集板功能的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，系統(tǒng)的所有交流、直流信號(hào)均需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立通道完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。其中，在信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要同時(shí)滿足交流、直流信號(hào)的采樣需求。在全部信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)初次取樣處理后，其電壓最大值需要統(tǒng)一整定至2 V 對(duì)應(yīng)的電壓或電流額定值水平，以保證最終采集信息的準(zhǔn)確性和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中，信號(hào)干擾源主要源自3 個(gè)方面，分別為空間干擾源、傳輸通道干擾源以及供電系統(tǒng)干擾源。設(shè)計(jì)人員需要對(duì)設(shè)備自身的輻射條件和抗擾能力做出充分考量，降低傳輸線路長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)、延時(shí)水平、畸變水平、衰減比例以及其他通道干擾的不良影響，避免供電端出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、浪涌、諧波、跌落等情況，同時(shí)設(shè)定整機(jī)綜合布線方式、接地方案，進(jìn)一步提升測(cè)量精度，為監(jiān)測(cè)單元提供良好的工作穩(wěn)定性保障。