地鐵供電變斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置探究

徐永瑞

摘 要：社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，公共交通產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，一方面為地鐵交通體系的建設(shè)與完善提供了有力的保障；另一方面也使得供電系統(tǒng)的安全性與可靠性成為地鐵運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，本文通過對(duì)斷路設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)存問題及改進(jìn)措施的有效分析，為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理應(yīng)用提供簡(jiǎn)單的參考。

關(guān)鍵詞：外設(shè)功能；開發(fā)環(huán)境；模擬信號(hào)

在線監(jiān)測(cè)技術(shù)采用A -D程序進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，能夠保證檢測(cè)系統(tǒng)的高效性與程序操控的準(zhǔn)確性，利用模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。在此基礎(chǔ)上，通過ARM芯片及Linux監(jiān)測(cè)程序，保證了對(duì)供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理，降低了供電變斷路設(shè)備的維修養(yǎng)護(hù)成本。

一、當(dāng)前階段斷路系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

1、斷路器的常見故障

目前，在地鐵供電系統(tǒng)中，常見的斷路器故障原因以操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械故障為主。因此，為了保證斷路系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，地鐵運(yùn)營部門每年都要投入大量的成本，對(duì)斷路系統(tǒng)進(jìn)行維修、養(yǎng)護(hù)，這種情況不僅影響了地鐵供電體系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提升了系統(tǒng)的運(yùn)營成本，還在一定程度上增加了人為損壞設(shè)備的可能性，埋下了安全隱患。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)部門通過在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)斷路器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，成為了當(dāng)前階段保證地鐵供電安全的首要選擇。

2、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的電路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是以單片機(jī)為設(shè)備的核心，對(duì)斷路器實(shí)施監(jiān)測(cè)的，由于硬件設(shè)施的限制，使得監(jiān)測(cè)功能較為單一，核心芯片的擴(kuò)展性不強(qiáng)。與此同時(shí)，單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并沒有設(shè)置操作程序，因此在可視性與系統(tǒng)操作性方面存在缺陷?；谶@種情況，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步替代了原有的監(jiān)測(cè)裝置，以ARM芯片為操作核心的系統(tǒng)，不僅保留了單片機(jī)的功能，還以此為基礎(chǔ)提升了可視化效果，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。在系統(tǒng)方面，搭載了Linux程序，在獲取動(dòng)態(tài)信息的基礎(chǔ)上，通過該平臺(tái)對(duì)斷路器進(jìn)行控制，提升了供電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能

結(jié)合地鐵供電程序的客觀需求，該種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要開發(fā)了以下幾方面的功能：

1、對(duì)斷路器進(jìn)行機(jī)械性的功能監(jiān)測(cè)

斷路器整體系統(tǒng)的機(jī)械安裝牢固性與使用質(zhì)量都直接影響著供電體系的運(yùn)行效率，但在機(jī)械的實(shí)際工作過程中，操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及斷路設(shè)備的機(jī)械失效情況頻發(fā)，電氣控制系統(tǒng)及電路問題不僅增加了斷路器發(fā)生故障的可能性，還為供電設(shè)備的控制埋下隱患。因此，為提升異常情況的監(jiān)測(cè)效率，在最短的時(shí)間內(nèi)解決故障問題，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備通過對(duì)分、合閘電流、線圈狀態(tài)、周期性機(jī)械振動(dòng)等方面的監(jiān)管、控制，來提升對(duì)斷路器機(jī)械設(shè)備的管理效率。

2、對(duì)斷路設(shè)備電流、電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在線監(jiān)測(cè)程序通過測(cè)量設(shè)備中一次電流的電壓、損耗情況，來確定觸頭的使用情況，觀察設(shè)備的實(shí)際磨損程度。同時(shí)，對(duì)斷路設(shè)備儲(chǔ)能電機(jī)流經(jīng)的電流量、工作時(shí)間以及承受電壓等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息測(cè)算儲(chǔ)能電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)可以客觀的對(duì)斷路設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，從而利用操作系統(tǒng)進(jìn)行合理的調(diào)整，結(jié)合歷史故障原因及發(fā)生規(guī)律，開展維護(hù)/檢修工作。

3、在線監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)通信及可視化功能

在監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)置對(duì)應(yīng)的信號(hào)接收端口，能夠?qū)κ占降男畔⑦M(jìn)行及時(shí)的抄錄，并在此基礎(chǔ)上利用以太網(wǎng)將信息傳送到主控平臺(tái)，由主站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并反饋異常情況。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示功能是通過LCD的模塊顯示設(shè)備，將收集到的數(shù)據(jù)在窗口顯現(xiàn)出來。

三、在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

1、模擬信號(hào)的采集、測(cè)量設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)的采集內(nèi)容包括：合分閘線圈電流信號(hào)、一次電流信號(hào)、合分閘控制電源電壓、儲(chǔ)能電機(jī)電壓、交流控制電源電壓、振動(dòng)信號(hào)和行程信號(hào)等。具體的測(cè)量過程如下：線圈模擬信號(hào)的測(cè)量選擇的是霍爾傳感器，可以對(duì)交流電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，也可以測(cè)量直流信號(hào)（KT10A）；主回路相流經(jīng)的電流是交流信號(hào)，由電流互感器出發(fā)，經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)變?yōu)槿蹼娦盘?hào)；電壓信號(hào)的模擬信號(hào)測(cè)量主要包括電源電壓、電機(jī)電壓等，同樣使用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)試；振動(dòng)模擬信號(hào)的監(jiān)測(cè)則使用加速度型的傳感設(shè)備對(duì)振動(dòng)信號(hào)的速率、振幅進(jìn)行計(jì)算。

2、開關(guān)量測(cè)量的硬件模塊

開關(guān)量的內(nèi)容包括：斷路器的輔助節(jié)點(diǎn)，隔離開關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)的位置，小車的位置，儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)等。在實(shí)際測(cè)量階段，選擇光耦隔離對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。

3、電路的調(diào)理硬件模塊

在傳感器中收集的模擬信號(hào)主要指工頻電壓，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高頻信號(hào)。為此，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中通常會(huì)設(shè)置低通濾波的電路設(shè)備作為電路的調(diào)理模塊，降低高頻信號(hào)對(duì)傳感設(shè)備的干擾，地鐵斷路器主要使用二階Sallen-Key型號(hào)的濾波器。

4、外設(shè)功能的硬件模塊設(shè)計(jì)

除了上述的硬件功能模塊外，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括外設(shè)功能，當(dāng)主控制設(shè)備對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取后，為了保證數(shù)據(jù)安全，通常會(huì)利用存儲(chǔ)器保存數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)斤@示器上。在這一過程中，需要設(shè)備提供電源才能確保數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲(chǔ)工作的正常進(jìn)行。

四、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中Linux軟件程序的應(yīng)用設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)利用ADC程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的采集，并以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。因此，程序系統(tǒng)中包含A-D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)移植、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的移植和Socket通信程序的設(shè)計(jì)移植。

1、構(gòu)建Linux系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

由于Linux程序?qū)儆谇度胧降脑O(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)，因此，其本身不具有開發(fā)能力，只有構(gòu)建出與系統(tǒng)配套的開發(fā)環(huán)境，才能保證在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。構(gòu)建開發(fā)環(huán)境的主要流程如下：首先，建立起可交叉的程序編譯環(huán)境；其次，通過平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)核環(huán)境；第三，根據(jù)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)需求，建立集成開發(fā)的環(huán)境；最后在控制芯片上安裝Linux程序。

2、A-D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)移植

A-D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的原理為L(zhǎng)inux在內(nèi)核態(tài)下與硬件通信完成數(shù)據(jù)采集，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳遞給用戶態(tài)下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。采集的數(shù)據(jù)量包括電流、電壓和振動(dòng)等模擬量。本設(shè)計(jì)采用外擴(kuò)ADC芯片方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，當(dāng)A-D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生A-D中斷，在中斷服務(wù)程序中來讀取。

3、監(jiān)測(cè)裝置的通信協(xié)議

本監(jiān)測(cè)裝置采用的通信規(guī)約完全遵循國標(biāo)《遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5部分傳輸規(guī)約第101篇基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)》。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）中主站和子站（遠(yuǎn)動(dòng)終端）之間以問答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷?、鏈路層的傳輸?guī)則、服務(wù)原語、應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用數(shù)據(jù)編碼、應(yīng)用功能和報(bào)文格式。

4、Socket通信程序設(shè)計(jì)移植

本設(shè)計(jì)采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)上層通信模塊，通過調(diào)用Socket函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各種功能，包括數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)的校驗(yàn)等。采用自帶TCP/IP協(xié)議的Linux操作系統(tǒng)，它可以直接調(diào)用底層的函數(shù)，驅(qū)動(dòng)上層模塊完成Socket通信。

結(jié)語：地鐵斷路設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以RAM芯片為核心設(shè)備，運(yùn)載Linux 程序系統(tǒng)，通過模擬信號(hào)將設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)及時(shí)的反饋到主站，并通過操作系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，降低了斷路器機(jī)械故障的發(fā)生頻率。與此同時(shí)，由于具備可視化功能以及較強(qiáng)的擴(kuò)展性，使得數(shù)據(jù)收集更為全面、準(zhǔn)確，搭載的操作程序能夠控制斷路器的運(yùn)行狀況，因此，現(xiàn)階段該監(jiān)測(cè)技術(shù)在供電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大。

參考文獻(xiàn)：

[1]金輝，胡德兆.直流斷路器動(dòng)作特性在線錄波裝置開發(fā)和應(yīng)用[J].電氣化鐵道，2017（6）；

[2]何艷楠.基于ZigBee技術(shù)的斷路器真空度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].大連理工大學(xué)，2016；

[3]李冰冰.隧道不均勻沉降影響下的地鐵安全運(yùn)營在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].青島理工大學(xué)，2016.