智能化25 Hz相敏軌道電路扼流變壓器系統的研制與應用

丁若，嚴大龍，雷斌

在鐵路信號系統中，扼流變壓器是安裝在軌道電路牽引回流與鋼軌的連接處，用于導通牽引電流，或安裝于區間上、下行軌道電路中，避免牽引電流影響軌道電路正常工作的設備［1］。經研究發現多個決定軌道電路工作狀態的電氣特性物理量都是由扼流變壓器傳輸的，而目前扼流變壓器的主要作用僅是抑制機車牽引電流對軌道電路傳輸控制信號的干擾，因此提出設計利用扼流變壓器進行參數測量，以全面了解掌握軌道電路的工作狀態，由此形成智能化扼流變壓器的系統方案［1］。

25 Hz相敏軌道電路的基本工作原理是在發送端采用磁鐵變頻器，將50 Hz工頻交流電變頻為25 Hz交流電，并以此作為傳輸信號，對軌道電路進行傳輸。發送端采用集中調相方式，局部電源電壓相位超前于軌道電源電壓90°；接收端采用交流二元二位軌道繼電器（或接收器），局部和軌道線圈分別由獨立的分頻器供電，具有可靠的頻率和相位選擇特性，因此抗電化干擾能力較強，且具有可靠的絕緣破損防護能力。目前25 Hz相敏軌道電路已經成為我國電氣化鐵路站場廣泛使用的列車占用檢查設備，提升25 Hz相敏軌道電路狀態監測的智能化水平具有現實需求和廣泛的應用前景，為此本文研究重點圍繞智能化25 Hz相敏軌道電路扼流變壓器系統（簡稱“智能化系統”）的研制與應用開展。

1 設計目標

系統總體設計方案即在軌旁的普通扼流變壓器初級及次級側增加電子電路模塊，對25 Hz相敏軌道電路各種參數進行實時監測分析［2］，以便在發生故障時，自動診斷軌道電路故障類型及位置，縮短故障處理時間，并提供全面的軌面歷史數據記錄，協助分析各種瞬間故障的原因。

2 系統結構

智能化系統主要由具備監測模塊的扼流變壓器、文件服務器、中心服務器、查詢終端、后臺管理服務器、室內通信主機等組成［3］，系統總體架構見圖1。其中，監測模塊由電流測量傳感器、檢測電路、存儲電路、調制解調芯片等集成，與扼流變壓器形成一體，不影響軌道電路的正常工作，由室內通過電纜集中供電。扼流變壓器監測模塊采集數據后，先進行選頻濾波等分析計算，然后將結果數據發送給調制解調芯片調制，再通過電力載波總線［4］傳輸到室內，經調制解調器解調后傳送至通信主機。后臺文件服務器、中心服務器負責數據的存儲、歸集和整理；查詢終端對用戶提供數據輸出；后臺管理服務器主要完成系統數據的回放、分析等人機交互功能。

3 帶監測模塊的扼流變壓器

在普通扼流變壓器上增加監測模塊，可掌握扼流變壓器上傳輸信號的數據變化。先將采集到的扼流變壓器各端子電流/電壓信號送至微控制器，再通過有限長脈沖響應（Finite Impulse Response，FIR）數字濾波器軟件算法，提取軌道電路中的25 Hz、50 Hz、高頻電碼化等信號頻譜，經調制解調后傳至通信機作為數據來源［5］。

3.1 監測模塊

監測模塊主要由微控制器、傳感器、濾波電路、閃存、調制解調芯片等組成，電路結構見圖2。微控制器利用軟件FIR數字濾波器技術，可分離各種頻率信號，分別計算出各種頻率信號的幅值和相位，并對扼流變壓器上傳輸的關鍵電壓/電流進行不間斷地測量、分析和計算［6］。

監測模塊測量分析頻率為1次/s，可實時通過電力載波總線將計算結果發送給室內通信主機，同時將結果保存在自帶的閃存芯片中。當通信主機向指定的監測模塊發送查詢歷史數據指令時，該監測模塊就讀取保存在自帶閃存芯片內的歷史數據，回傳給通信主機，實現對歷史數據的定點查詢。

1）電壓傳感器及濾波電路見圖3。在被測電壓與電壓傳感器輸入端之間串接1個5.1 kΩ和1個10 kΩ的電阻，用來限制輸入電流。這樣即使電壓傳感器或次級電路內部發生短路，也能確保扼流變壓器正常工作。電壓傳感器輸入端串接熔斷器，一旦流過大電流，可及時切斷電壓傳感器與被測電壓的連接。選用的電壓傳感器均為隔離型，可避免多路被測電壓及監測電路之間的互相干擾。圖3中R21與C54構成低通濾波電路，可過濾掉高頻成分，便于后續的軟件濾波計算；D23、D24為保護二極管，防止輸入的信號幅度過高或過低，避免損壞微控制器的模數轉換器（ADC）輸入管腳。

圖3 電壓傳感器及濾波電路

2）電流傳感器采用鉗形表形式，其輸出端連接的低通濾波電路與電壓傳感器所接低通濾波電路原理相同。

為了在扼流變壓器的初級準確測量不平衡牽引電流和軌道電路信號電流，對扼流變壓器上/下2個線包的扁銅線繞制方法進行特殊處理，使流過扼流變壓器上/下2個線包的牽引電流分別從2個不同方向流過電流傳感器。電流傳感器輸出的50 Hz信號等效于2根鋼軌上牽引電流的差值，25 Hz（或高頻電碼化）信號等效于2根鋼軌上軌道電路信號（或高頻電碼化）電流的和值。通過以上方法可大幅降低后續采集計算的實現難度。

3）微控制器使用STM32F103VET6。外圍電路采用閃存芯片，用于保存扼流變壓器的本地歷史數據。為保持監測模塊工作穩定及安全性，微控制器的接口與調制解調芯片之間采用光電隔離。電力載波總線波特率選用9 600 bit/s，理論傳輸距離大于2 000 m。

4）監測模塊還設置了RS-232接口，既可用于校準電壓/電流時輸出測試值，也可用于修改監測模塊的時鐘參數等。電路中使用了MAX3232芯片，可將微控制器串口的TTL電平信號轉換成RS-232電平信號［7］。

3.2 軟件流程

監測模塊運行的軟件采用C語言，程序主函數每隔1 s循環1次。在循環函數內，首先判斷是否需要修改內部參數，ADC采樣是否已經完成；再進行濾波計算，得到各頻率成分的分量，并根據電力載波總線收到的指令，判斷是發送當前實時數據，還是從閃存中讀出歷史數據，并向總線發送；最后本地串口發送當前實時計算結果。監測模塊運行的軟件流程見圖4。

圖4 監測模塊運行的軟件流程

由于扼流變壓器監測模塊測量的信號是由25 Hz、50 Hz、電碼化頻率（1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz）等多種信號混合而成，且50 Hz的牽引電流信號還有多種諧波成分，因此需采用FIR數字濾波器軟件技術，對各種信號進行濾波計算，以便得到各頻率分量的幅值和相位。

1）對于25 Hz、50 Hz帶通濾波器，設計基本參數為：取樣頻率387.5 Hz（中點頻率193.75 Hz），濾波器階數124階，頻率分辨率=取樣頻率387.5 Hz/濾波器階數124階=3.125 Hz，取樣點數200個（取樣時間長度0.52 s）。

2）對于1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz帶通濾波器，設計基本參數為：取樣頻率12 500 Hz（中點頻率6 250 Hz），濾波器階數250階，頻率分辨率=取樣頻率12 500 Hz/濾波器階數250階=50 Hz，取樣點數750個（取樣時間長度0.05 s）。

軟件進行濾波計算時，先根據以上帶通濾波器的參數，采用計算機輔助計算，得到濾波器的單位脈沖響應序列；再在計算得到濾波器的單位脈沖響應序列值后，代入FIR數字濾波器的差分方程。由于參數具有對稱性，程序上利用該特性可減少計算的工作量，縮短微控制器的計算延時［8］。

4 通信主機

通信主機的主要功能是將后臺監測計算機RS-232串口發送的控制指令轉換成總線數據，經過調制解調器發送給各個扼流變壓器的監測模塊，并將監測模塊發回的實時數據，或者歷史定點查詢數據，再經調制解調轉換成RS-232串口數據，發送給后臺監測計算機。

通信主機的運行軟件采用C語言編寫，程序啟動后，先初始化各模塊功能，讀取當前時鐘并同步后再讀取查詢命令、接受查詢命令、輸出查詢值并開啟下一個循環。通信主機運行的軟件流程見圖5。

圖5 通信主機運行的軟件流程

5 后臺監測計算機

由于智能化系統需要較強的實時性數據采集和計算，以及對數據結果進行可視化曲線展示，因此需要系統軟件提供較強的并發操作和快速處理數據的能力。后臺管理軟件建立數據緩沖區、數據處理及分發引擎、數據展示引擎等，可動態計算并處理數據，使數據在互不干擾的情況下進行多任務操作，加快系統處理數據的速度。后臺監測計算機管理軟件結構見圖6。通過程序控制可以實現對數據采集端口的增加、刪除、啟動及停止，維護軌道基本數據信息；處理采集的實時數據，并進行可視化展示；對扼流變壓器的歷史數據進行查詢并展示［9］。

圖6 監測計算機管理軟件結構

為減少對室內外互聯電纜芯線的額外需求，室外扼流變壓器與室內通信主機間的數據傳輸選用電力載波通信總線，各個扼流變壓器監測模塊內部均有存儲電路，可以存儲記錄7天以上歷史數據，便于事后的查詢和分析。而后臺管理軟件具備完善的記錄和查詢功能，可記錄1個月以上的工作情況數據。

6 應用情況

2022年，該智能化系統在廣州電務段下元練功場進行了上道試驗。試驗環境為25 Hz相敏軌道電路一送一受區段，有電碼化隔離設備。試驗模擬軌道電路的正常調整狀態，并設置送電端扼流變壓器信號側前端故障、軌面開路、軌面短路（或道床電阻偏低）、受電端扼流變壓器信號側后端開路、受電端扼流變壓器信號側后端短路等故障。

通過設定特征閾值，智能化系統可將電壓、電流值與故障特征閾值參數比較，從而判斷故障類型和位置。故障判別對照見表1。

表1 故障判別對照

通過試驗驗證，該系統均能給出準確的判定，自動測試的各項數據也與人工測試的數據相同，達到了預期效果［10］。隨后，該系統在廣州東站折返段上道試用3個月，期間正確地判定了多次軌面短路故障，縮短了故障處理時間。

7 結束語

經過反復現場試驗和后續持續改進，智能化扼流變壓器系統已經完成了預期研制目標，各項性能達到設計要求，在故障發生時，能夠自動判斷分析故障類型和大致故障位置，顯著縮短故障處理時間，從而為我國鐵路現場站內25 Hz相敏軌道電路的運用、檢修維護，提供可靠的技術保障；為分析各種軌道電路故障提供全面的歷史數據，具有較為廣泛的應用前景和價值。