地鐵電力系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)與保護(hù)的一體化方案應(yīng)用研究

李更彧

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)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(shè)施管理對(duì)運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別地鐵設(shè)施故障尤為重要。然而現(xiàn)有地鐵設(shè)施監(jiān)測(cè)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(jí)監(jiān)測(cè)[1-2]，如阻抗鍵等設(shè)備在電氣化線路中的重要作用尚未得到監(jiān)測(cè)和診斷[3-4]?，F(xiàn)有研究已研發(fā)一些測(cè)量系統(tǒng)[5-6]，現(xiàn)在地鐵保護(hù)設(shè)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(cè)和決策，基本保護(hù)主要通過距離保護(hù)實(shí)現(xiàn)。因此有研究提出新的測(cè)量線路阻抗方法，改進(jìn)距離保護(hù)繼電器，快速定位故障，提高地鐵基礎(chǔ)設(shè)施連續(xù)性和可靠性[8-9]。

近年來，地鐵基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)和保護(hù)越來越多地基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[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(cè)和保護(hù)電力牽引供應(yīng)裝置，以增加安全性，提高地鐵基礎(chǔ)設(shè)施的使用年限。

1 方法和功能方案

1.1 地鐵電力供應(yīng)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(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用相對(duì)容易，因?yàn)樗梢赃B接到25 kV、50 Hz 單相電源供應(yīng)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(qiáng)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(guó)家電網(wǎng)的所有相，增強(qiáng)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(shè)維護(hù)成本低，同時(shí)能夠應(yīng)對(duì)高速和高運(yùn)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(jī)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(yīng)系統(tǒng)故障定位方法

圖3 為地鐵基礎(chǔ)設(shè)施的單相電力供應(yīng)系統(tǒng)的詳細(xì)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(yīng)（STE-電力牽引變電站）、電力供應(yīng)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(fèi)者（電力機(jī)車）。這種系統(tǒng)中使用的電氣設(shè)備的復(fù)雜性和多樣性使得必須確保其正常運(yùn)行和維護(hù)，以避免可能導(dǎo)致對(duì)消費(fèi)者的電力供應(yīng)產(chǎn)生干擾的異常操作條件。

圖3 地鐵基礎(chǔ)設(shè)施的電力供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用于檢測(cè)故障區(qū)段的監(jiān)測(cè)和保護(hù)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(hào)模塊MR。

電流傳感器（TC）安裝在每個(gè)區(qū)段牽引變電所的阻抗鍵的每個(gè)半匝上，監(jiān)測(cè)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(jí)別進(jìn)行處理，然后通過GSM 傳輸?shù)焦收蠀^(qū)段的接收和信號(hào)模塊。

1.1.4 數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸模塊

圖4 為監(jiān)測(cè)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(cè)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)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(chǔ)模塊（MSD）；用于配置和顯示設(shè)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(yīng)模塊（BA）。

圖4 監(jiān)測(cè)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(hào)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(duì)接收到的信息進(jìn)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(hào)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(gè)故障區(qū)間軌道電流相關(guān)數(shù)據(jù)的模塊[12]，每個(gè)模塊由輸入塊、數(shù)據(jù)獲取和處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)塊、配置、顯示和警報(bào)塊、電源模塊。

1.2 使用GSM通信監(jiān)測(cè)和保護(hù)電力牽引供電系統(tǒng)

傳感器和變送器的可用性、監(jiān)測(cè)、診斷、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程信號(hào)和保護(hù)設(shè)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(fù)雜的監(jiān)測(cè)和保護(hù)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(shí)做出決策，以保護(hù)地鐵設(shè)施斷開與故障發(fā)生區(qū)塊相關(guān)聯(lián)的斷路器；對(duì)電力系統(tǒng)中發(fā)生的事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(cè)地鐵軌道中的電流、接觸面的溫度等參數(shù)，其中重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)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(chǔ)設(shè)施供電系統(tǒng)綜合監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)包含n組傳感器，n個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備配備一個(gè)連接到串行端口的GSM 調(diào)制解調(diào)器，一個(gè)服務(wù)器也配備一個(gè)GSM 調(diào)制解調(diào)器，用于接收設(shè)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(cè)量阻抗鍵繞組中的電流，使用了一個(gè)電流變壓器，其變換比為250/5 A，精度等級(jí)為1 級(jí)，視在功率為1.5 VA。用于測(cè)量阻抗鍵端子上的溫度值的溫度傳感器是一個(gè)10 kW 的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，其在25 ℃時(shí)的范圍為-75～300 ℃，精度為1%。可以使用一些溫度相關(guān)的校準(zhǔn)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(cè)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(cè)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(duì)GSM 調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行配置和測(cè)試GSM 信號(hào)。信息解碼通過ATMega644P 微控制器上的軟件完成。此外第二個(gè)GSM 調(diào)制解調(diào)器可以直接連接到計(jì)算機(jī)或通過接收器模塊連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。通過中央短信服務(wù)中心（SMSC）服務(wù)，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(jì)算機(jī)。第二種方式是使用SIM 卡和存儲(chǔ)卡保存數(shù)據(jù)。在地鐵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、診斷和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實(shí)施通信協(xié)議并不是一件容易的事，因?yàn)槠渚哂袃?nèi)存資源有限的特點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的目的在于確定監(jiān)測(cè)設(shè)備在電力牽引系統(tǒng)的實(shí)際工作條件下的正確操作。通過監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)條件要求在地鐵基礎(chǔ)設(shè)施附近的繼電器柜中安裝設(shè)備。在現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備時(shí)，在阻抗鍵和地鐵軌道之間的連接導(dǎo)線上安裝了兩個(gè)電流變壓器（TC1和TC2，變壓器變換比為250/5 A），以及四個(gè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)接線圖

為了測(cè)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(gè)互感器都能夠直接安裝在測(cè)量電路中，無需解開連接導(dǎo)線。使用帶霍爾效應(yīng)的電流變換器可測(cè)量交流電流，而溫度傳感器則用于監(jiān)測(cè)接觸區(qū)域和外殼的溫度。所有傳感器的輸出插入到保護(hù)管中，并通過二級(jí)電氣導(dǎo)線連接到監(jiān)測(cè)設(shè)備。GSM 模塊也被安裝在設(shè)備旁，用于數(shù)據(jù)傳輸。這些測(cè)量值提供有關(guān)回路的有價(jià)值信息，并能在大多數(shù)情況下準(zhǔn)確檢查是否存在異常。

該設(shè)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(shí)間和發(fā)出報(bào)警的電流不平衡值。當(dāng)阻抗參數(shù)超過閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)將參數(shù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器。文件中的數(shù)據(jù)采集將在達(dá)到最大數(shù)量時(shí)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(yùn)行時(shí)，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(huì)導(dǎo)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(hào)端子上的溫度值上升比1 號(hào)端子高。2 號(hào)端子上的接觸電阻較高，需要進(jìn)行維護(hù)工作。

圖7 監(jiān)測(cè)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(chǔ)設(shè)施上的監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過GSM 傳輸至中央調(diào)度員，簡(jiǎn)化了人工操作員的工作。解決方案能準(zhǔn)確檢測(cè)地鐵牽引供電設(shè)備的電故障影響，并向操作員發(fā)出警告信息，短路檢測(cè)時(shí)間短，能準(zhǔn)確定位維護(hù)位置。監(jiān)測(cè)解決方案指示何時(shí)干預(yù)，應(yīng)對(duì)電氣觸點(diǎn)對(duì)斷路器的磨損影響。監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)電氣牽引回路參數(shù)和潛在問題，如連接端子松動(dòng)、繩索斷裂、軌道斷裂等。系統(tǒng)能夠在異常運(yùn)行條件下決策保護(hù)地鐵設(shè)施，斷開與故障分段相關(guān)的斷路器。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，配備多種傳感器的監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)在回路參數(shù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸方面運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)可供服務(wù)器分析和解釋。