張大高鐵地震預(yù)警監(jiān)測(cè)牽引供電接口測(cè)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(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由基于鐵路沿線設(shè)置的地震臺(tái)站來實(shí)時(shí)測(cè)定地震動(dòng)的相關(guān)信息，并由地震初至信息來快速估算出地震基本參數(shù)，從而確定地震影響范圍、警報(bào)等級(jí)等。在破壞性地震波尚未到達(dá)之前，迅速發(fā)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(shí)觸發(fā)高鐵列車控制系統(tǒng)、車站信號(hào)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)及鐵路變電所牽引供電系統(tǒng)。牽引供電接口在接收停電指令后，及時(shí)觸發(fā)高鐵牽引供電系統(tǒng)停電，并生成地震停電報(bào)警信息及時(shí)上報(bào)，保證列車運(yùn)行安全。

1 系統(tǒng)基本原理

1.1 系統(tǒng)預(yù)警和報(bào)警原理

地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有以下兩種報(bào)警模式，即P波預(yù)警技術(shù)和閾值報(bào)警技術(shù)。

1.1.1 P 波預(yù)警技術(shù)。在地震發(fā)生時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)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(fā)生上下振動(dòng)。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(fā)生前后、左右振動(dòng)，破壞性較強(qiáng)。P 波預(yù)警技術(shù)原理是基于兩種波形到達(dá)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站的時(shí)間差，在S波尚未到達(dá)時(shí)，利用檢測(cè)到的P波信息來快速估算出地震等級(jí)，提前預(yù)告地震信息，提示采取相應(yīng)的處置措施，從而避免重大損失。

1.1.2 閾值報(bào)警技術(shù)。高鐵沿線地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并測(cè)定地震動(dòng)信息，當(dāng)收到測(cè)定的S 波地震動(dòng)參數(shù)達(dá)到或超過給定閾值條件時(shí)，發(fā)出地震警報(bào)信息，提示及時(shí)上報(bào)地震預(yù)警監(jiān)測(cè)鐵路局中心系統(tǒng)，并采取相應(yīng)的處置措施。

1.2 系統(tǒng)控車原理

高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過地震預(yù)警監(jiān)測(cè)鐵路局中心系統(tǒng)向高鐵沿線車站、中繼站、變電所等相關(guān)監(jiān)控單元下發(fā)指令，觸發(fā)列車控制系統(tǒng)、信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)，從而采取相應(yīng)的處置措施。根據(jù)地震等級(jí)分為3種控制方式。

1.2.1 當(dāng)采集到的地震動(dòng)峰值參數(shù)（閾值）或P 波預(yù)警參數(shù)大于或等于40 cm/s2時(shí)，鐵路局中心系統(tǒng)采?、窦?jí)處置，向高鐵列車發(fā)送警報(bào)信息，并提醒司機(jī)采取人工制動(dòng)降速，將列車速度將至160 km/h 以下。

1.2.2 當(dāng)采集到的地震動(dòng)峰值參數(shù)（閾值）大于或等于80 cm/s2且小于120 cm/s2時(shí)，鐵路局中心系統(tǒng)采?、蚣?jí)處置，向高鐵列車發(fā)送警報(bào)信息，高鐵列車開始自動(dòng)停車。同時(shí)，觸發(fā)車站信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)向車站列車控制系統(tǒng)發(fā)出軌道區(qū)段占用信息，使車站列車控制系統(tǒng)發(fā)出紅碼停車指令。

1.2.3 當(dāng)采集到的地震動(dòng)峰值參數(shù)（閾值）大于或等于120 cm/s2時(shí)，鐵路局中心系統(tǒng)采取Ⅲ級(jí)處置，向高鐵列車發(fā)送警報(bào)信息，高鐵列車開始自動(dòng)停車。同時(shí)，觸發(fā)車站信號(hào)聯(lián)鎖系統(tǒng)向車站列車控制系統(tǒng)發(fā)出軌道區(qū)段占用信息，使車站列車控制系統(tǒng)發(fā)出紅碼停車指令；觸發(fā)變電所牽引供電系統(tǒng)停電，使該變電所控制范圍內(nèi)運(yùn)行的列車失去動(dòng)力。

1.3 牽引供電接口原理

高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)的接口是通過牽引供電接口邏輯組合來實(shí)現(xiàn)的［1］。在地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)站點(diǎn)設(shè)置監(jiān)控單元，主要設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)、UPS、交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、地震計(jì)、牽引供電接口邏輯組合等，如圖1 所示。牽引供電系統(tǒng)主變保護(hù)測(cè)控屏A、B 分別為地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)留三組回路節(jié)點(diǎn)，在地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控單元牽引供電接口邏輯組合閉合相應(yīng)回路時(shí)，分別實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)高壓斷路器（101#、102#）分閘、變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)高壓斷路器（101#、102#）分閘、變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)報(bào)警等功能。牽引供電接口分閘回路常態(tài)為無源常開節(jié)點(diǎn)，報(bào)警回路常態(tài)為無源常閉節(jié)點(diǎn)［2］。發(fā)生地震時(shí)，監(jiān)控單元通過牽引供電接口邏輯組合來觸發(fā)牽引供電系統(tǒng)接口動(dòng)作；地震報(bào)警信息解除時(shí)，監(jiān)控單元解除接口動(dòng)作恢復(fù)正常。

圖1 牽變供電接口示意

2 牽引供電接口設(shè)置與驗(yàn)證方法

2.1 張大高鐵現(xiàn)場(chǎng)概況

張大高鐵地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由太原鐵路局中心系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成。太原鐵路局中心系統(tǒng)在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增本線前端預(yù)警服務(wù)器2臺(tái)、交換機(jī)2臺(tái)、防火墻2臺(tái)。在調(diào)度所張大線行調(diào)臺(tái)、大同工務(wù)段各設(shè)業(yè)務(wù)終端1 套，對(duì)調(diào)度所電調(diào)終端、工務(wù)部業(yè)務(wù)終端、信息技術(shù)所維護(hù)終端、太原通信段維護(hù)終端進(jìn)行軟件升級(jí)擴(kuò)能?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)本線路地震動(dòng)參數(shù)設(shè)置15 套監(jiān)控單元，其中具備地震監(jiān)測(cè)和牽變觸發(fā)功能的監(jiān)控單元3 套、具備地震監(jiān)測(cè)功能的監(jiān)控單元3 套、具備信號(hào)觸發(fā)功能的監(jiān)控單元9套。

2.2 牽引供電接口設(shè)置

根據(jù)高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件要求，當(dāng)?shù)卣痤A(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到地震動(dòng)峰值（閾值報(bào)警）大于或等于120 cm/s2時(shí)，地震預(yù)警監(jiān)測(cè)鐵路局中心系統(tǒng)將下達(dá)Ⅲ級(jí)警報(bào)處置指令，觸發(fā)相應(yīng)的牽引供電接口動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變電所管轄范圍內(nèi)的牽引供電系統(tǒng)停電［3］；當(dāng)接收到地震預(yù)警監(jiān)測(cè)鐵路局中心系統(tǒng)下達(dá)的誤報(bào)解除、警報(bào)解除和震后系統(tǒng)恢復(fù)指令后，恢復(fù)與牽引供電系統(tǒng)接口正常狀態(tài)。張大高鐵根據(jù)鐵路沿線地震動(dòng)參數(shù)，共設(shè)置了3 個(gè)牽引供電接口，控制3 個(gè)牽引變電所的牽引供電系統(tǒng)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(yùn)營(yíng)里程依次為（K4+539～K49+234）、（K49+234～K93+114）、（K93+114～K140+046）。

2.3 測(cè)試內(nèi)容及方法

牽引供電接口測(cè)試包括監(jiān)控單元側(cè)牽引供電接口邏輯組合測(cè)試和模擬地震波信號(hào)試驗(yàn)牽引供電系統(tǒng)斷路器分閘停電兩部分。牽引供電接口邏輯組合測(cè)試通過前端預(yù)警服務(wù)器模擬軟件及單板測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試；牽引供電系統(tǒng)斷路器分閘停電使用信號(hào)發(fā)生器模擬地震信號(hào)輸入，通過鐵路局地震中心系統(tǒng)下發(fā)控制指令，觸發(fā)監(jiān)控單元牽引供電接口邏輯組合動(dòng)作，從而驗(yàn)證牽引供電系統(tǒng)斷路器分閘及報(bào)警情況是否正確。

3 牽引供電接口邏輯組合測(cè)試

驗(yàn)證牽引供電接口須先測(cè)試監(jiān)控單元側(cè)接口動(dòng)作是否正常，監(jiān)控單元內(nèi)牽引供電接口邏輯組合需要分別在監(jiān)控主機(jī)A 機(jī)、B 機(jī)進(jìn)行測(cè)試。監(jiān)控主機(jī)采用斷開主機(jī)電源開關(guān)的方式使監(jiān)控主機(jī)單套運(yùn)行，兩個(gè)控制繼電器一直處于吸起狀態(tài)，在前端預(yù)警服務(wù)器軟件界面上模擬牽引供電接口觸發(fā)功能進(jìn)行測(cè)試。

3.1 監(jiān)控單元非隔離狀態(tài)下測(cè)試

點(diǎn)擊前端預(yù)警服務(wù)器軟件“斷電”按鈕，地震預(yù)警繼電器1、地震預(yù)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(cè)試臺(tái)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(diǎn)擊“送電”按鈕，地震預(yù)警繼電器1、地震預(yù)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(cè)試臺(tái)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(bào)警”功能為正常，否則為不正常。

3.2 監(jiān)控單元隔離狀態(tài)下測(cè)試

點(diǎn)擊“斷電”按鈕，地震預(yù)警繼電器1、地震預(yù)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(cè)試臺(tái)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(diǎn)擊“送電”按鈕，地震預(yù)警繼電器1、地震預(yù)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(cè)試臺(tái)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(bào)警“隔離”功能為正常，否則為不正常。

3.3 繼電器動(dòng)作時(shí)間測(cè)試

在完成上述測(cè)試后，把監(jiān)控單元隔離開關(guān)設(shè)置為非隔離狀態(tài)。反復(fù)操作5 次“變電命令”和“解除命令”，查看監(jiān)控主機(jī)程序軟件日志記錄中繼電器動(dòng)作完成時(shí)間，5 次操作的繼電器動(dòng)作完成時(shí)間都應(yīng)小于300 ms。

4 模擬地震波信號(hào)測(cè)試驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證前準(zhǔn)備

牽引供電接口在測(cè)試驗(yàn)證期間需要牽引供電系統(tǒng)停電，該變電所管轄范圍內(nèi)的鐵路線將無法行車，影響范圍較廣。因此，在測(cè)試驗(yàn)證前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作，以保證試驗(yàn)順利完成。一是完成對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)控單元設(shè)備的安裝；二是確保監(jiān)控單元系統(tǒng)電源、對(duì)太原局地震中心系統(tǒng)通信通道連通且穩(wěn)定可靠；三是監(jiān)控單元至牽引供電系統(tǒng)機(jī)房接口電纜已完成敷設(shè)制作，具備接入條件；四是牽引供電接口測(cè)試供變電專業(yè)技術(shù)配合人員已經(jīng)到崗，且具備突發(fā)應(yīng)急處置能力。

4.2 搭建測(cè)試環(huán)境

為更好地進(jìn)行接口測(cè)試，在進(jìn)行牽引供電接口測(cè)試時(shí)，需要準(zhǔn)備的儀器和工具有（地震波）信號(hào)發(fā)生器、萬用標(biāo)、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(hào)發(fā)生器放置于地震監(jiān)測(cè)監(jiān)控單元旁，將筆記本電腦、信號(hào)發(fā)生器以太網(wǎng)口插入網(wǎng)線，并連接至監(jiān)控單元交換機(jī)A，設(shè)置與監(jiān)控單元在同一地址段的IP 地址，測(cè)試通信是否正常。將信號(hào)發(fā)生器兩條通信電纜分別接入數(shù)據(jù)采集器CH1-3、CH5-7 通道接口，為驗(yàn)證連線及通道的正確性，在信號(hào)發(fā)生器發(fā)送模擬波形信號(hào)，通過筆記本電腦連接數(shù)據(jù)采集器查看各通道接收波形與發(fā)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(cè)試環(huán)境如圖2 所示。

圖2 接口測(cè)試環(huán)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(shè)計(jì)圖紙，先將監(jiān)控單元側(cè)牽引供電接口電纜接入對(duì)應(yīng)的端子，再將牽引供電系統(tǒng)側(cè)電纜接入對(duì)應(yīng)的端子，在接入過程中嚴(yán)禁將任意兩根電纜短接。線纜接入前，應(yīng)使用萬用表逐對(duì)校正線間的阻值，阻值應(yīng)小于0.5 Ω。監(jiān)控單元機(jī)柜端子JKD-37～JKD-42 共6 根電纜對(duì)應(yīng)牽引供電系統(tǒng)機(jī)房1 號(hào)主變保護(hù)測(cè)控屏，JKD-43～JKD-48共6根電纜對(duì)應(yīng)2號(hào)主變保護(hù)測(cè)控屏，不可互換。

4.4 模擬地震波驗(yàn)證

第一，將牽引供電系統(tǒng)側(cè)1 號(hào)主變保護(hù)測(cè)控屏和2 號(hào)主變保護(hù)測(cè)控屏上地震控制聯(lián)片（硬壓板）閉合。當(dāng)聯(lián)片斷開時(shí)，地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)接口斷開，牽引供電系統(tǒng)接口不再接收地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所發(fā)出的任何指令；當(dāng)聯(lián)片合上時(shí)，地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)接口恢復(fù)正常。由于牽引供電接口試驗(yàn)時(shí)，模擬發(fā)送的地震波地震動(dòng)峰值較高，地震預(yù)警監(jiān)測(cè)鐵路局中心系統(tǒng)在下發(fā)處置命令時(shí)，劃定的處置范圍較大。因此，在試驗(yàn)任一牽引變電所的牽引供電接口時(shí)，在本線路其他設(shè)置有牽引供電接口的牽引變電所，監(jiān)控單元應(yīng)將牽引供電接口設(shè)置為“隔離”狀態(tài)，以防止不必要的動(dòng)作。同時(shí)，在選擇地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送模擬地震波時(shí)，一般應(yīng)選擇距離該牽引變電所較近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以縮小影響范圍。

第二，將地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控單元牽引供電接口隔離開關(guān)取消“隔離”（開關(guān)向上為“隔離”狀態(tài)，向下為“正?！睜顟B(tài)），撥到“正?！睜顟B(tài)。當(dāng)開關(guān)處于“隔離”狀態(tài)時(shí)，地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不再向牽引供電接口發(fā)送任何指令，在監(jiān)控單元停用牽引供電接口功能時(shí)使用。

第三，將牽引供電系統(tǒng)側(cè)1 號(hào)主控保護(hù)測(cè)控屏手工切換到主用狀態(tài)，將監(jiān)控單元內(nèi)監(jiān)控主機(jī)A 設(shè)置為主機(jī)。將地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控單元牽引供電接口端子JKD-39、JKD-40 線纜甩開（嚴(yán)禁短路），由筆記本電腦連接信號(hào)發(fā)生器，發(fā)送地震動(dòng)峰值大于120 cm/s2的地震波形，監(jiān)控單元接收地震報(bào)警處置指令（三組報(bào)警信息同時(shí)到達(dá)），觀察變電所高壓進(jìn)線側(cè)101#斷路器能否正常分閘，同時(shí)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)能夠產(chǎn)生地震報(bào)警信息，試驗(yàn)完成后解除報(bào)警；將地震監(jiān)控單元JKD-39、JKD-40 線纜恢復(fù)，JKD-37、JKD-38 線纜甩開，由信號(hào)發(fā)生器發(fā)送地震動(dòng)峰值大于120 cm/s2的地震波形，監(jiān)控單元接收地震報(bào)警處置指令，觀察變電所高壓進(jìn)線側(cè)101#斷路器能否正常分閘，同時(shí)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)能夠產(chǎn)生地震報(bào)警信息，試驗(yàn)完成后解除報(bào)警，將JKD-37、JKD-38線纜恢復(fù)。將監(jiān)控主機(jī)B設(shè)置為主機(jī)，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。

第四，將2 號(hào)主控保護(hù)測(cè)控屏置于主用狀態(tài)，將監(jiān)控單元監(jiān)控主機(jī)A 設(shè)置為主機(jī)。將地震監(jiān)控單元JKD-45、JKD-46 線纜甩開，由信號(hào)發(fā)生器發(fā)送地震動(dòng)峰值大于120 cm/s2的地震波形，監(jiān)控單元接收地震報(bào)警處置指令，觀察變電所高壓進(jìn)線側(cè)102#斷路器能否正常分閘，同時(shí)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)能夠產(chǎn)生地震報(bào)警信息，試驗(yàn)完成后解除報(bào)警。將地震監(jiān)控單元JKD-45、JKD-46 線纜恢復(fù)，JKD-47、JKD-48線纜甩開，由信號(hào)發(fā)生器發(fā)送地震動(dòng)峰值大于120 cm/s2的地震波形，地震監(jiān)控單元接收地震報(bào)警處置指令，觀察變電所高壓進(jìn)線側(cè)102#斷路器能否正常分閘，同時(shí)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)能夠產(chǎn)生地震報(bào)警信息；試驗(yàn)完成后解除報(bào)警，將JKD-47、JKD-48線纜恢復(fù)，將監(jiān)控主機(jī)B設(shè)置為主機(jī)，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟。

第五，試驗(yàn)完成后，將監(jiān)控單元的隔離開關(guān)置于“隔離”位置，將牽引供電系統(tǒng)側(cè)1 號(hào)主變保護(hù)測(cè)控屏和2 號(hào)主變保護(hù)測(cè)控屏上地震控制聯(lián)片斷開，使地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)完全隔離。在經(jīng)過上述步驟測(cè)試驗(yàn)證后，即完成牽引供電接口的全部測(cè)試驗(yàn)證工作。

5 結(jié)語

張大高鐵地震預(yù)警監(jiān)測(cè)牽引供電接口的投入使用，為地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在已開通線路建設(shè)進(jìn)行了有益探索和嘗試。近年來，高鐵地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入全面建設(shè)期，開展張大高鐵地震預(yù)警監(jiān)測(cè)牽引供電接口測(cè)試工作，可為其他高鐵線路安全實(shí)施地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供必要的技術(shù)借鑒。