地鐵電力系統(tǒng)智能監(jiān)測與保護的一體化方案應用研究

李更彧

（北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

地鐵作為一種可靠、高效、環(huán)保的交通方式，其設施管理對運營至關(guān)重要，實時發(fā)現(xiàn)和識別地鐵設施故障尤為重要。然而現(xiàn)有地鐵設施監(jiān)測主要關(guān)注電流和電壓等電參數(shù)，未考慮電牽引供電系統(tǒng)組件級監(jiān)測[1-2]，如阻抗鍵等設備在電氣化線路中的重要作用尚未得到監(jiān)測和診斷[3-4]。現(xiàn)有研究已研發(fā)一些測量系統(tǒng)[5-6]，現(xiàn)在地鐵保護設備采用數(shù)字繼電器[7]，但其無法提供大量參數(shù)用于監(jiān)測和決策，基本保護主要通過距離保護實現(xiàn)。因此有研究提出新的測量線路阻抗方法，改進距離保護繼電器，快速定位故障，提高地鐵基礎設施連續(xù)性和可靠性[8-9]。

近年來，地鐵基礎設施的監(jiān)測和保護越來越多地基于無線傳感器網(wǎng)絡[2，10-11]。該文提出了一種創(chuàng)新的集成解決方案，用于監(jiān)測和保護電力牽引供應裝置，以增加安全性，提高地鐵基礎設施的使用年限。

1 方法和功能方案

1.1 地鐵電力供應系統(tǒng)故障定位系統(tǒng)

1.1.1 25 kV、50 Hz自耦變壓器單相系統(tǒng)

該電力牽引供應系統(tǒng)的應用相對容易，因為它可以連接到25 kV、50 Hz 單相電源供應系統(tǒng)。圖1為25 kV、50 Hz 自耦變壓器單相系統(tǒng)的示意圖。由于需要將電力自耦變壓器和與接觸線平行的增強饋線安裝在供電電路中，因此施工成本較高。牽引變電所中的電力降壓變壓器連接到國家電網(wǎng)的所有相，增強饋線和接觸線之間的二次電壓為50 kV，在它們之間連接自耦變壓器。

圖1 25 kV、50 Hz自耦變壓器單相系統(tǒng)

1.1.2 25 kV、50 Hz單相系統(tǒng)

這種牽引系統(tǒng)建設維護成本低，同時能夠應對高速和高運輸量的要求。25 kV 的電壓和50 Hz 的頻率使得建造可靠且易于操作的電力機車成為可能。圖2為25 kV、50 Hz單相系統(tǒng)的原理圖。

圖2 25 kV、50 Hz單相系統(tǒng)

1.1.3 地鐵電力供應系統(tǒng)故障定位方法

圖3 為地鐵基礎設施的單相電力供應系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)的工業(yè)頻率為50 Hz，電壓為25 kV，來自電力牽引。該系統(tǒng)包括電力供應（STE-電力牽引變電站）、電力供應饋線（FA）、接觸線/架空電纜懸掛（LC）、回路（S1，S2-地鐵軌道、Bj-阻抗聯(lián)結(jié)器、F?-回饋線、Pp-接地連接）以及消費者（電力機車）。這種系統(tǒng)中使用的電氣設備的復雜性和多樣性使得必須確保其正常運行和維護，以避免可能導致對消費者的電力供應產(chǎn)生干擾的異常操作條件。

圖3 地鐵基礎設施的電力供應系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用于檢測故障區(qū)段的監(jiān)測和保護系統(tǒng)包括各種傳感器，數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸模塊MEi，故障區(qū)段接收和信號模塊MR。

電流傳感器（TC）安裝在每個區(qū)段牽引變電所的阻抗鍵的每個半匝上，監(jiān)測地鐵軌道中的電流，并將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集、處理和傳輸模塊中。此數(shù)據(jù)在模塊級別進行處理，然后通過GSM 傳輸?shù)焦收蠀^(qū)段的接收和信號模塊。

1.1.4 數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸模塊

圖4 為監(jiān)測和診斷回路的硬件和軟件結(jié)構(gòu)模塊圖。該結(jié)構(gòu)包括電流傳感器（TC）、溫度傳感器（TT）和液位傳感器（TN）、與被監(jiān)測參數(shù)相對應的設備輸入模塊、繼電器輸出模塊、由微控制器控制的控制和信息處理單元（UCPI）、數(shù)據(jù)存儲模塊（MSD）；用于配置和顯示設備參數(shù)的模塊；RS232 或USB 和無線通信接口（GSM）、內(nèi)部溫度傳感器（TINT）、電源供應模塊（BA）。

圖4 監(jiān)測和診斷回路的硬件和軟件結(jié)構(gòu)模塊圖

1.1.5 故障區(qū)段接收和信號模塊

圖5 展示了接收器模塊，由發(fā)射器模塊ME 發(fā)送的信息通過接收器模塊的GSM 調(diào)制解調(diào)器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。對接收到的信息進行分析可判斷是否發(fā)生了短路，確定短路電流值和故障發(fā)生的區(qū)段。

圖5 故障區(qū)段接收和信號模塊的示意圖

用于定位電力牽引系統(tǒng)供電安裝中故障區(qū)間的系統(tǒng)包括各種傳感器，用于獲取、處理和傳輸與每個故障區(qū)間軌道電流相關(guān)數(shù)據(jù)的模塊[12]，每個模塊由輸入塊、數(shù)據(jù)獲取和處理單元、數(shù)據(jù)存儲塊、配置和參數(shù)顯示塊、GSM 通信接口、電源模塊組成；用于定位故障區(qū)間的接收模塊包括RS232 和GSM 通信接口、微控制器控制的數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲塊、配置、顯示和警報塊、電源模塊。

1.2 使用GSM通信監(jiān)測和保護電力牽引供電系統(tǒng)

傳感器和變送器的可用性、監(jiān)測、診斷、遠程控制、遠程信號和保護設備以及通過GSM 無線傳輸?shù)男聰?shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使得可以創(chuàng)建復雜的監(jiān)測和保護結(jié)構(gòu)，滿足電力牽引供電系統(tǒng)的要求[13-15]。

在出現(xiàn)短路時做出決策，以保護地鐵設施斷開與故障發(fā)生區(qū)塊相關(guān)聯(lián)的斷路器；對電力系統(tǒng)中發(fā)生的事件進行統(tǒng)計處理。

為了減少地鐵牽引回路可能出現(xiàn)的問題，有必要監(jiān)測地鐵軌道中的電流、接觸面的溫度等參數(shù)，其中重點是監(jiān)測阻抗聯(lián)結(jié)器的回路[16]。因此文中介紹了一種使用GSM 通信的地鐵基礎設施供電系統(tǒng)綜合監(jiān)測與保護系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。監(jiān)測和保護系統(tǒng)包含n組傳感器，n個監(jiān)測設備，每個設備配備一個連接到串行端口的GSM 調(diào)制解調(diào)器，一個服務器也配備一個GSM 調(diào)制解調(diào)器，用于接收設備傳輸?shù)男畔ⅲ约疤幚砗头治霁@取的數(shù)據(jù)和通信的軟件包。

為了測量阻抗鍵繞組中的電流，使用了一個電流變壓器，其變換比為250/5 A，精度等級為1 級，視在功率為1.5 VA。用于測量阻抗鍵端子上的溫度值的溫度傳感器是一個10 kW 的負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，其在25 ℃時的范圍為-75～300 ℃，精度為1%。可以使用一些溫度相關(guān)的校準函數(shù)來改善這些傳感器的性能，以最小化溫度變異的影響[16]。

開發(fā)了一種用于監(jiān)測和診斷電力牽引回路中各種組件的裝置，該裝置通過GSM 調(diào)制解調(diào)器傳輸被監(jiān)測的數(shù)據(jù)，如電流、溫度等，并與硬件/軟件結(jié)構(gòu)相連。GSM 調(diào)制解調(diào)器允許無線通信，可以傳輸文本消息、數(shù)據(jù)、語音和傳真。在數(shù)據(jù)傳輸之前，需對GSM 調(diào)制解調(diào)器進行配置和測試GSM 信號。信息解碼通過ATMega644P 微控制器上的軟件完成。此外第二個GSM 調(diào)制解調(diào)器可以直接連接到計算機或通過接收器模塊連接，以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。通過中央短信服務中心（SMSC）服務，可以通過兩種方式接收消息。第一種方式是通過串行接口直接接收數(shù)據(jù)，但需要在線計算機。第二種方式是使用SIM 卡和存儲卡保存數(shù)據(jù)。在地鐵基礎設施監(jiān)測、診斷和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實施通信協(xié)議并不是一件容易的事，因為其具有內(nèi)存資源有限的特點。

2 實驗測試

實驗測試的目的在于確定監(jiān)測設備在電力牽引系統(tǒng)的實際工作條件下的正確操作。通過監(jiān)測設備的實驗室測試，再進行現(xiàn)場驗證，實驗條件要求在地鐵基礎設施附近的繼電器柜中安裝設備。在現(xiàn)場安裝設備時，在阻抗鍵和地鐵軌道之間的連接導線上安裝了兩個電流變壓器（TC1和TC2，變壓器變換比為250/5 A），以及四個NTC 類型的溫度傳感器，分別安裝在接線端子和外殼上，如圖6 所示。

圖6 回流電路的現(xiàn)場監(jiān)測接線圖

為了測量阻抗鍵線圈中的電流，使用了變換比為250/5 A 的電流互感器。每個互感器都能夠直接安裝在測量電路中，無需解開連接導線。使用帶霍爾效應的電流變換器可測量交流電流，而溫度傳感器則用于監(jiān)測接觸區(qū)域和外殼的溫度。所有傳感器的輸出插入到保護管中，并通過二級電氣導線連接到監(jiān)測設備。GSM 模塊也被安裝在設備旁，用于數(shù)據(jù)傳輸。這些測量值提供有關(guān)回路的有價值信息，并能在大多數(shù)情況下準確檢查是否存在異常。

該設備可以配置輸入接觸線區(qū)段安裝阻抗鍵的位置、溫度傳感器的最小和最大溫度值、地鐵軌道電流值、采集持續(xù)時間和發(fā)出報警的電流不平衡值。當阻抗參數(shù)超過閾值時，設備會將參數(shù)傳輸?shù)街醒敕掌鳌Ｎ募械臄?shù)據(jù)采集將在達到最大數(shù)量時停止，并創(chuàng)建新文件。圖7 顯示了阻抗鍵端子上的電流和溫度的變化，在正常運行時，牽引電流總和將近似均勻分布在兩條地鐵軌道上，然而在800 s 記錄期間，輕微的不平衡會導致約3 A 的不平衡電流，在這些電流的情況下，阻抗鍵的中間端子溫度值較高，而2 號端子上的溫度值上升比1 號端子高。2 號端子上的接觸電阻較高，需要進行維護工作。

圖7 監(jiān)測回路

3 結(jié)論

該文通過一體化解決方案，整合多種傳感器和地鐵基礎設施上的監(jiān)測設備，通過GSM 傳輸至中央調(diào)度員，簡化了人工操作員的工作。解決方案能準確檢測地鐵牽引供電設備的電故障影響，并向操作員發(fā)出警告信息，短路檢測時間短，能準確定位維護位置。監(jiān)測解決方案指示何時干預，應對電氣觸點對斷路器的磨損影響。監(jiān)測設備監(jiān)測電氣牽引回路參數(shù)和潛在問題，如連接端子松動、繩索斷裂、軌道斷裂等。系統(tǒng)能夠在異常運行條件下決策保護地鐵設施，斷開與故障分段相關(guān)的斷路器。現(xiàn)場實驗測試顯示，配備多種傳感器的監(jiān)測與保護系統(tǒng)在回路參數(shù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸方面運行良好，數(shù)據(jù)可供服務器分析和解釋。