地鐵整流器監(jiān)控裝置的研究

宋琳琳，尹曉光，李 強，高 昉

0 引言

隨著國內(nèi)國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市交通量的增長，以地鐵為主的城市軌道系統(tǒng)在國內(nèi)許多城市中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。整流設(shè)備作為地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其監(jiān)測與控制部分的研究是十分迫切的?；跐撛诘氖袌鲂枨?，研制高性能、高可靠性的地鐵整流柜監(jiān)控裝置不僅具有廣闊的市場前景，而且也可以提高國產(chǎn)工業(yè)控制器的制造水平，減少對進口產(chǎn)品的依賴，降低城市軌道交通建設(shè)的投資和維護成本。本文根據(jù)整流器柜監(jiān)控裝置功能原理，通過分析系統(tǒng)的需求對監(jiān)控裝置的功能進行設(shè)計研究。

1 牽引整流機組設(shè)備配置及工作原理

牽引整流機組包括牽引整流變壓器和牽引整流器，它的主要功能是將其交流進線電壓經(jīng)過整流變壓器降壓，然后通過整流器將交流電轉(zhuǎn)換成直流電向接觸網(wǎng)供電。一個相數(shù)為p 的整流器，在其直流側(cè)將主要產(chǎn)生n = kp 次諧波，而在其交流側(cè)主要產(chǎn)生n = kp±1 次諧波[1]。為了提高功率因數(shù)、降低牽引變壓器網(wǎng)側(cè)線電壓波形畸變，以減少對電網(wǎng)的干擾，以及降低輸出直流電壓的紋波系數(shù)，城市軌道供電系統(tǒng)中的牽引整流機組采用等效24 脈波整流電路[2]。

單臺整流器由2 個6 脈波三相整流橋并聯(lián)組成，其中一個三相整流橋接至牽引變壓器閥側(cè)星形繞組，另一個三相整流橋接至牽引變壓器閥側(cè)三角形繞組。由于每臺牽引變壓器閥側(cè)星形繞組和三角形繞組對應(yīng)的線電壓相位錯開π/6，將2 個整流橋并聯(lián)便組成12 脈波整流電路，如圖1 所示。

將2 臺12 脈波整流器的整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組采用延邊三角形移相的方法，使得一次側(cè)繞組分別移相+7.5°和-7.5°，2 套整流機組并聯(lián)運行構(gòu)成等效24 脈波整流，如圖2 所示。

2 監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)原理

整流器（柜）監(jiān)控裝置的功能是對整流器運行各狀態(tài)量集中進行采集、檢測以及信號的傳送，最終能以文字的方式顯示各種運行狀態(tài)和故障報警，并能將報警信號傳送至變電所綜合自動化系統(tǒng)。

圖2 等效24 脈波整流機組示意圖

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)整流機組所配備的過電壓保護（換相過電壓保護、交流側(cè)過電壓保護、直流側(cè)過電壓保護）、過電流保護、逆流保護、溫度保護等各項保護，分別要采集直流側(cè)電壓、交流側(cè)電壓、逆流跳閘信號、溫度傳感器的測量值等量。因而，整流器（柜）監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)由電壓電流采樣模塊（模擬量采集電路、數(shù)字量采集電路）、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微處理器模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤模塊、CAN 總線接口模塊和開關(guān)量輸出模塊等組成，其硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)原理圖

整流器（柜）監(jiān)控裝置通過采集整流器交流側(cè)的電壓、直流側(cè)的電壓、電流、與二極管串聯(lián)的快速熔斷器等信號，對各狀態(tài)量集中進行監(jiān)測，實時、準確地檢測并監(jiān)控交直流側(cè)輸出電壓、直流側(cè)輸出電流、整流管的溫度、快速熔斷器上的微動開關(guān)信號等主要運行參數(shù)的狀態(tài)信息，通過一套精確的控制方法，協(xié)調(diào)控制復(fù)雜系統(tǒng)中各單元信號，從而及時有序地輸出相應(yīng)的控制信號給直流斷路器、繼電器等，將報警信號、跳閘信號傳送至變電所綜合自動化系統(tǒng)，供值班人員處理。

2.2 微處理器模塊

微處理器選用Cygnal公司的C8051F系列單片機中的C8051F206 芯片。該款單片機采用CIP-51內(nèi)核，具有與MCS51 指令系統(tǒng)全兼容可用標準的ASM51Keil C 高級語言開發(fā)編譯C8051F 系列單片機的程序。它包含一個12 位多通道ADC，有8K字節(jié)的FLASH 存儲器，還有用硬件實現(xiàn)的UART和SPI 串行接口，擁有32 個通用的I/O 引腳，其中一些能用于指定的數(shù)字外設(shè)接口，任意一個I/O引腳均可配置成模擬信號輸入至ADC。

2.3 交流數(shù)據(jù)采樣模塊

2.4 CAN 總線收發(fā)器

CAN總線收發(fā)器是CAN控制器與物理總線之間的接口，它能夠提高對總線的差動發(fā)送和接收能力，它在微處理器的控制下，將裝置實時采集的各狀態(tài)量傳送到變電站綜合自動化系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

CAN 是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有完善的通信協(xié)議，其通信協(xié)議采用了CRC 檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能。另外，與其他現(xiàn)場總線相比，CAN 總線具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點，使得CAN 總線技術(shù)已經(jīng)成為當今工業(yè)自動化發(fā)展的方向[4]。

3 監(jiān)控裝置的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是完成對各狀態(tài)量的數(shù)據(jù)采集、處理，并將故障的報警和跳閘信號傳送至變電所綜合自動化系統(tǒng)。在軟件設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于以后根據(jù)需求進一步擴展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括以下方面：主程序、定時器及其中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)處理程序、CAN 通訊程序、LCD 顯示驅(qū)動程序等。

系統(tǒng)主程序的功能主要是將系統(tǒng)進行初始化，啟動定時器，然后依次執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與處理、文本顯示和數(shù)據(jù)傳送等。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理子程序的功能主要是進行整流器各橋臂快速熔斷器狀態(tài)、二極管整體狀態(tài)、溫度狀態(tài)、交直流側(cè)過壓保護、逆流保護及柜門狀態(tài)等一些狀態(tài)量的采集，數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲與上傳。

CAN總線通訊子程序包括CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、中斷方式的數(shù)據(jù)接收。當上位機發(fā)送命令時，CAN 接收到一個報文；當接收到數(shù)據(jù)后，CAN 模塊觸發(fā)中斷，進入到中斷子程序；當收到上位機通過CAN 總線發(fā)送來的數(shù)據(jù)發(fā)送請求后，向上位機傳送該節(jié)點的運行狀態(tài)及參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）參照地鐵整流器柜的資料，研究了地鐵整流柜監(jiān)控裝置的技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)需求分析、計算相關(guān)狀態(tài)量的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)、輸出量的數(shù)目及采集方式。

（2）根據(jù)所需的各監(jiān)測量，給出了硬件原理圖，包括外圍檢測電路、調(diào)理電路及微處理器芯片的選用、總線收發(fā)器的使用構(gòu)想和簡介。

（3）在硬件平臺的基礎(chǔ)上，完成軟件流程圖的設(shè)計，并選用CAN 總線技術(shù)，完成數(shù)據(jù)的傳送與顯示。

（4）本文側(cè)重于根據(jù)地鐵整流器柜在電力監(jiān)控系統(tǒng)上的主要要求的情況下測量、監(jiān)測、控制和上傳數(shù)據(jù)，若要得到地鐵整流器柜功能更全面、更便捷，則需要采集更多的數(shù)據(jù)，并對其進行分析處理。

[1] 謝方.城市軌道交通直流供電整流機組研究[D].碩士學(xué)位論文，西南交通大學(xué)，2009.

[2] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[3] 郭世明.微機檢測與故障診斷技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[4] 來清民，曲賀梅.基于CAN總線的分布式三維步進電機控制系統(tǒng)[J].微計算機信息，2005，（10）：40-42.