張大高鐵地震預警監測牽引供電接口測試研究

顧曉偉

（河南輝煌科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

高鐵地震預警監測系統由基于鐵路沿線設置的地震臺站來實時測定地震動的相關信息，并由地震初至信息來快速估算出地震基本參數，從而確定地震影響范圍、警報等級等。在破壞性地震波尚未到達之前，迅速發布處置信息至受到影響的高鐵線路及相鄰需要處置的線路，同時觸發高鐵列車控制系統、車站信號聯鎖控制系統及鐵路變電所牽引供電系統。牽引供電接口在接收停電指令后，及時觸發高鐵牽引供電系統停電，并生成地震停電報警信息及時上報，保證列車運行安全。

1 系統基本原理

1.1 系統預警和報警原理

地震預警監測系統有以下兩種報警模式，即P波預警技術和閾值報警技術。

1.1.1 P 波預警技術。在地震發生時，通常會產生兩種波形，一種為P 波，一種為S 波（又稱剪切波）。P 波的傳輸速度快，在地殼中傳播速度為5.5～7.0 km/s，使地表發生上下振動。S 波傳輸速度較P波慢，在地殼中的傳播速度為3.2～4.0 km/s，使地表發生前后、左右振動，破壞性較強。P 波預警技術原理是基于兩種波形到達地震監測臺站的時間差，在S波尚未到達時，利用檢測到的P波信息來快速估算出地震等級，提前預告地震信息，提示采取相應的處置措施，從而避免重大損失。

1.1.2 閾值報警技術。高鐵沿線地震監測臺站實時監測并測定地震動信息，當收到測定的S 波地震動參數達到或超過給定閾值條件時，發出地震警報信息，提示及時上報地震預警監測鐵路局中心系統，并采取相應的處置措施。

1.2 系統控車原理

高速鐵路地震預警監測系統通過地震預警監測鐵路局中心系統向高鐵沿線車站、中繼站、變電所等相關監控單元下發指令，觸發列車控制系統、信號聯鎖系統、牽引供電系統，從而采取相應的處置措施。根據地震等級分為3種控制方式。

1.2.1 當采集到的地震動峰值參數（閾值）或P 波預警參數大于或等于40 cm/s2時，鐵路局中心系統采取Ⅰ級處置，向高鐵列車發送警報信息，并提醒司機采取人工制動降速，將列車速度將至160 km/h 以下。

1.2.2 當采集到的地震動峰值參數（閾值）大于或等于80 cm/s2且小于120 cm/s2時，鐵路局中心系統采取Ⅱ級處置，向高鐵列車發送警報信息，高鐵列車開始自動停車。同時，觸發車站信號聯鎖系統向車站列車控制系統發出軌道區段占用信息，使車站列車控制系統發出紅碼停車指令。

1.2.3 當采集到的地震動峰值參數（閾值）大于或等于120 cm/s2時，鐵路局中心系統采取Ⅲ級處置，向高鐵列車發送警報信息，高鐵列車開始自動停車。同時，觸發車站信號聯鎖系統向車站列車控制系統發出軌道區段占用信息，使車站列車控制系統發出紅碼停車指令；觸發變電所牽引供電系統停電，使該變電所控制范圍內運行的列車失去動力。

1.3 牽引供電接口原理

高速鐵路地震預警監測系統與牽引供電系統的接口是通過牽引供電接口邏輯組合來實現的［1］。在地震預警監測系統站點設置監控單元，主要設備包括監控主機、UPS、交換機、數據采集器、地震計、牽引供電接口邏輯組合等，如圖1 所示。牽引供電系統主變保護測控屏A、B 分別為地震預警監測系統預留三組回路節點，在地震預警監測系統監控單元牽引供電接口邏輯組合閉合相應回路時，分別實現直接驅動高壓斷路器（101#、102#）分閘、變電所綜合自動化系統驅動高壓斷路器（101#、102#）分閘、變電所綜合自動化系統報警等功能。牽引供電接口分閘回路常態為無源常開節點，報警回路常態為無源常閉節點［2］。發生地震時，監控單元通過牽引供電接口邏輯組合來觸發牽引供電系統接口動作；地震報警信息解除時，監控單元解除接口動作恢復正常。

圖1 牽變供電接口示意

2 牽引供電接口設置與驗證方法

2.1 張大高鐵現場概況

張大高鐵地震預警監測系統由太原鐵路局中心系統和現場監測設備組成。太原鐵路局中心系統在原有系統基礎上，新增本線前端預警服務器2臺、交換機2臺、防火墻2臺。在調度所張大線行調臺、大同工務段各設業務終端1 套，對調度所電調終端、工務部業務終端、信息技術所維護終端、太原通信段維護終端進行軟件升級擴能。現場根據本線路地震動參數設置15 套監控單元，其中具備地震監測和牽變觸發功能的監控單元3 套、具備地震監測功能的監控單元3 套、具備信號觸發功能的監控單元9套。

2.2 牽引供電接口設置

根據高速鐵路地震預警監測系統技術條件要求，當地震預警監測系統監測到地震動峰值（閾值報警）大于或等于120 cm/s2時，地震預警監測鐵路局中心系統將下達Ⅲ級警報處置指令，觸發相應的牽引供電接口動作，實現對應變電所管轄范圍內的牽引供電系統停電［3］；當接收到地震預警監測鐵路局中心系統下達的誤報解除、警報解除和震后系統恢復指令后，恢復與牽引供電系統接口正常狀態。張大高鐵根據鐵路沿線地震動參數，共設置了3 個牽引供電接口，控制3 個牽引變電所的牽引供電系統停電，分別為溫家窯牽引變電所、陽高南牽引變電所、大同南牽引變電所，各變電所管轄鐵路運營里程依次為（K4+539～K49+234）、（K49+234～K93+114）、（K93+114～K140+046）。

2.3 測試內容及方法

牽引供電接口測試包括監控單元側牽引供電接口邏輯組合測試和模擬地震波信號試驗牽引供電系統斷路器分閘停電兩部分。牽引供電接口邏輯組合測試通過前端預警服務器模擬軟件及單板測試臺進行測試；牽引供電系統斷路器分閘停電使用信號發生器模擬地震信號輸入，通過鐵路局地震中心系統下發控制指令，觸發監控單元牽引供電接口邏輯組合動作，從而驗證牽引供電系統斷路器分閘及報警情況是否正確。

3 牽引供電接口邏輯組合測試

驗證牽引供電接口須先測試監控單元側接口動作是否正常，監控單元內牽引供電接口邏輯組合需要分別在監控主機A 機、B 機進行測試。監控主機采用斷開主機電源開關的方式使監控主機單套運行，兩個控制繼電器一直處于吸起狀態，在前端預警服務器軟件界面上模擬牽引供電接口觸發功能進行測試。

3.1 監控單元非隔離狀態下測試

點擊前端預警服務器軟件“斷電”按鈕，地震預警繼電器1、地震預警繼電器2 落下并保持，輔助繼電器1、輔助繼電器2吸起并保持，控制繼電器1、控制繼電器2 一直吸起并保持；單板測試臺指示燈綠燈1、2滅，紅燈1、2、3、4亮，則牽引供電接口邏輯組合“分閘”功能為正常，否則為不正常。點擊“送電”按鈕，地震預警繼電器1、地震預警繼電器2 吸起并保持，輔助繼電器1、輔助繼電器2 落下并保持，控制繼電器1、控制繼電器2 一直吸起并保持；單板測試臺指示燈綠燈1、2亮，紅燈1、2、3、4滅，則牽引供電接口邏輯組合“解除報警”功能為正常，否則為不正常。

3.2 監控單元隔離狀態下測試

點擊“斷電”按鈕，地震預警繼電器1、地震預警繼電器2 落下并保持，輔助繼電器1、輔助繼電器2吸起并保持，控制繼電器1、控制繼電器2 一直吸起并保持；單板測試臺指示燈綠燈1、2 亮，紅燈1、2、3、4 滅，牽引供電接口邏輯組合分閘“隔離”功能為正常，否則為不正常。點擊“送電”按鈕，地震預警繼電器1、地震預警繼電器2 吸起并保持；輔助繼電器1、輔助繼電器2落下并保持，控制繼電器1、控制繼電器2 一直吸起并保持；單板測試臺指示燈綠燈1、2 亮，紅燈1、2、3、4 滅，牽引供電接口邏輯組合解除報警“隔離”功能為正常，否則為不正常。

3.3 繼電器動作時間測試

在完成上述測試后，把監控單元隔離開關設置為非隔離狀態。反復操作5 次“變電命令”和“解除命令”，查看監控主機程序軟件日志記錄中繼電器動作完成時間，5 次操作的繼電器動作完成時間都應小于300 ms。

4 模擬地震波信號測試驗證

4.1 驗證前準備

牽引供電接口在測試驗證期間需要牽引供電系統停電，該變電所管轄范圍內的鐵路線將無法行車，影響范圍較廣。因此，在測試驗證前應做好充分的準備工作，以保證試驗順利完成。一是完成對應監測點監控單元設備的安裝；二是確保監控單元系統電源、對太原局地震中心系統通信通道連通且穩定可靠；三是監控單元至牽引供電系統機房接口電纜已完成敷設制作，具備接入條件；四是牽引供電接口測試供變電專業技術配合人員已經到崗，且具備突發應急處置能力。

4.2 搭建測試環境

為更好地進行接口測試，在進行牽引供電接口測試時，需要準備的儀器和工具有（地震波）信號發生器、萬用標、筆記本電腦、螺絲刀、剝線鉗、絕緣膠帶、扎帶等。將筆記本電腦、信號發生器放置于地震監測監控單元旁，將筆記本電腦、信號發生器以太網口插入網線，并連接至監控單元交換機A，設置與監控單元在同一地址段的IP 地址，測試通信是否正常。將信號發生器兩條通信電纜分別接入數據采集器CH1-3、CH5-7 通道接口，為驗證連線及通道的正確性，在信號發生器發送模擬波形信號，通過筆記本電腦連接數據采集器查看各通道接收波形與發送波形是否完全一致。如不一致，須查找分析造成不一致的原因，接口測試環境如圖2 所示。

圖2 接口測試環境

4.3 牽引供電接口電纜接入

以溫家窯牽引變電所為例，按照設計圖紙，先將監控單元側牽引供電接口電纜接入對應的端子，再將牽引供電系統側電纜接入對應的端子，在接入過程中嚴禁將任意兩根電纜短接。線纜接入前，應使用萬用表逐對校正線間的阻值，阻值應小于0.5 Ω。監控單元機柜端子JKD-37～JKD-42 共6 根電纜對應牽引供電系統機房1 號主變保護測控屏，JKD-43～JKD-48共6根電纜對應2號主變保護測控屏，不可互換。

4.4 模擬地震波驗證

第一，將牽引供電系統側1 號主變保護測控屏和2 號主變保護測控屏上地震控制聯片（硬壓板）閉合。當聯片斷開時，地震預警監測系統與牽引供電系統接口斷開，牽引供電系統接口不再接收地震預警監測系統所發出的任何指令；當聯片合上時，地震預警監測系統與牽引供電系統接口恢復正常。由于牽引供電接口試驗時，模擬發送的地震波地震動峰值較高，地震預警監測鐵路局中心系統在下發處置命令時，劃定的處置范圍較大。因此，在試驗任一牽引變電所的牽引供電接口時，在本線路其他設置有牽引供電接口的牽引變電所，監控單元應將牽引供電接口設置為“隔離”狀態，以防止不必要的動作。同時，在選擇地震監測點發送模擬地震波時，一般應選擇距離該牽引變電所較近的監測點，用以縮小影響范圍。

第二，將地震預警監測系統監控單元牽引供電接口隔離開關取消“隔離”（開關向上為“隔離”狀態，向下為“正常”狀態），撥到“正常”狀態。當開關處于“隔離”狀態時，地震預警監測系統不再向牽引供電接口發送任何指令，在監控單元停用牽引供電接口功能時使用。

第三，將牽引供電系統側1 號主控保護測控屏手工切換到主用狀態，將監控單元內監控主機A 設置為主機。將地震預警監測系統監控單元牽引供電接口端子JKD-39、JKD-40 線纜甩開（嚴禁短路），由筆記本電腦連接信號發生器，發送地震動峰值大于120 cm/s2的地震波形，監控單元接收地震報警處置指令（三組報警信息同時到達），觀察變電所高壓進線側101#斷路器能否正常分閘，同時變電所綜合自動化系統能夠產生地震報警信息，試驗完成后解除報警；將地震監控單元JKD-39、JKD-40 線纜恢復，JKD-37、JKD-38 線纜甩開，由信號發生器發送地震動峰值大于120 cm/s2的地震波形，監控單元接收地震報警處置指令，觀察變電所高壓進線側101#斷路器能否正常分閘，同時變電所綜合自動化系統能夠產生地震報警信息，試驗完成后解除報警，將JKD-37、JKD-38線纜恢復。將監控主機B設置為主機，重復上述試驗步驟。

第四，將2 號主控保護測控屏置于主用狀態，將監控單元監控主機A 設置為主機。將地震監控單元JKD-45、JKD-46 線纜甩開，由信號發生器發送地震動峰值大于120 cm/s2的地震波形，監控單元接收地震報警處置指令，觀察變電所高壓進線側102#斷路器能否正常分閘，同時變電所綜合自動化系統能夠產生地震報警信息，試驗完成后解除報警。將地震監控單元JKD-45、JKD-46 線纜恢復，JKD-47、JKD-48線纜甩開，由信號發生器發送地震動峰值大于120 cm/s2的地震波形，地震監控單元接收地震報警處置指令，觀察變電所高壓進線側102#斷路器能否正常分閘，同時變電所綜合自動化系統能夠產生地震報警信息；試驗完成后解除報警，將JKD-47、JKD-48線纜恢復，將監控主機B設置為主機，重復上述試驗步驟。

第五，試驗完成后，將監控單元的隔離開關置于“隔離”位置，將牽引供電系統側1 號主變保護測控屏和2 號主變保護測控屏上地震控制聯片斷開，使地震預警監測系統與牽引供電系統完全隔離。在經過上述步驟測試驗證后，即完成牽引供電接口的全部測試驗證工作。

5 結語

張大高鐵地震預警監測牽引供電接口的投入使用，為地震預警監測系統在已開通線路建設進行了有益探索和嘗試。近年來，高鐵地震預警監測系統進入全面建設期，開展張大高鐵地震預警監測牽引供電接口測試工作，可為其他高鐵線路安全實施地震預警監測系統提供必要的技術借鑒。