列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

魯培琳

(中國鐵道科學(xué)研究院研究生部， 北京 100081)

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，各地對城市軌道交通的能耗要求日趨嚴(yán)格，在新建和既有線供電系統(tǒng)改造過程中，均將列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)作為項(xiàng)目建設(shè)的必要部分之一。列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)通過將列車再生制動產(chǎn)生的電能進(jìn)行存儲或回饋電網(wǎng)，避免了傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)通過電阻消耗再生制動能量，大大降低城市軌道交通的運(yùn)行能耗。

GB/T 36287—2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)》中提出了評價(jià)回饋型、存儲型和混合型3種再生制動能量地面利用系統(tǒng)產(chǎn)品的性能的試驗(yàn)方法。現(xiàn)階段再生制動相關(guān)產(chǎn)品試驗(yàn)過程中，多采用直接讀取測量儀器數(shù)據(jù)的現(xiàn)場測量方法，不具備集成或完善的測量系統(tǒng)，僅能觀測和記錄單點(diǎn)的參數(shù)，無法對試驗(yàn)動態(tài)過程進(jìn)行全過程的觀測和記錄，未能對不同參數(shù)(如電壓、電流、溫度等)進(jìn)行相關(guān)性分析，一定程度上影響試驗(yàn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)性判斷，降低了試驗(yàn)效率和精確程度。

為解決上述存在的問題，基于LabVIEW設(shè)計(jì)并開發(fā)了具備數(shù)據(jù)采集、存儲、處理等功能的列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)和數(shù)字可視化顯示的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)、保證上限報(bào)警，設(shè)計(jì)并完善數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、降低了數(shù)據(jù)處理分析的工作量。

1 列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺

列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括城市軌道交通直流供電電源、城市軌道交通交流試驗(yàn)電源等兩部分。平臺設(shè)備主要由整流變壓器、整流器、變壓器、雙向變流柜、三相感應(yīng)調(diào)壓器、三相變壓器、六脈波整流器、三相變頻電源等組成，實(shí)現(xiàn)為牽引變流器、儲能裝置(超級電容儲能裝置、飛輪儲能裝置)、再生電能吸收裝置、直流快速斷路器等產(chǎn)品提供直流供電電源；給斷路器、接觸器、制動電阻、牽引電機(jī)、齒輪箱等設(shè)備試驗(yàn)提供試驗(yàn)電源。

圖1 列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺主電路結(jié)構(gòu)

城軌列車牽引供電系統(tǒng)機(jī)組聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)，被試變壓器輸入端連接到10 kV電網(wǎng)上，模擬運(yùn)行時(shí)中壓網(wǎng)絡(luò)供電，牽引整流器輸出端連接到電源逆變回路變流器直流側(cè)，實(shí)現(xiàn)電能回饋；單獨(dú)逆變器試驗(yàn)時(shí)，電能經(jīng)變壓器降為1 180 V或590 V交流電整流后給被試逆變器供電，輸出電能回饋到電網(wǎng)。基于試驗(yàn)系統(tǒng)需要和檢測數(shù)據(jù)要求，監(jiān)控系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)監(jiān)測各測量點(diǎn)電參量及溫度數(shù)據(jù)，以保證設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判斷和后續(xù)試驗(yàn)分析質(zhì)量。

2 分布式數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮到試驗(yàn)平臺最大試驗(yàn)?zāi)芰ν度胧褂脮r(shí)，可滿足兩路整流、兩路逆變同時(shí)使用，測量系統(tǒng)則需要采集直流側(cè)電參量(兩路直流電壓、電流)、逆變回饋側(cè)交流電參量(兩路三相電壓、電流)、10 kV側(cè)交流電參量(一路三相電壓、電流)等11路電信號；被試產(chǎn)品性能測試過程中，多數(shù)元器件具有溫度限值要求，要保證產(chǎn)品安全運(yùn)行，必須監(jiān)測各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)用于判斷狀態(tài)及溫升試驗(yàn)等。

為了保證上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，更加準(zhǔn)確、迅速判斷運(yùn)行狀態(tài)，要求監(jiān)控系統(tǒng)具備較快的采集速度和數(shù)據(jù)處理速度，其硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，采用功率分析儀、記錄儀、工控機(jī)等傳輸速度快、處理效率高的監(jiān)測裝備。系

圖2 試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

統(tǒng)利用分布式電壓、電流、溫度傳感器實(shí)時(shí)測量電參數(shù)和溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)信號處理和放大后接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)初步處理；通過以太網(wǎng)交換機(jī)將功率分析儀和記錄儀中的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到工控機(jī)中，使用監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、篩選、存儲；控制按照IPv4通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換、信息處理、指令發(fā)送等過程。

3 基于有限狀態(tài)機(jī)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件部分是數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)信息與控制的交互中心，負(fù)責(zé)對監(jiān)測設(shè)備發(fā)送配置命令和采集指令、顯示現(xiàn)場返還數(shù)據(jù)信息。根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境要求，軟件需具備響應(yīng)速度快、能夠長時(shí)間工作、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，主要功能包括：參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)顯示；波形顯示；溫升計(jì)算；趨勢查詢；數(shù)據(jù)導(dǎo)出及分析等。

系統(tǒng)基于Labview虛擬儀器軟件進(jìn)行編寫和開發(fā)，通過VISA庫函數(shù)[1]調(diào)用硬件資源，利用NI-MAX添加數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備I/O地址，從而使用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互，對監(jiān)測設(shè)備發(fā)送配置命令、完成數(shù)據(jù)信息采集、狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換等。系統(tǒng)采用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，如圖3所示，狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)包括“初始化”、“設(shè)置”、“準(zhǔn)備開始”、“開始”、“配置參數(shù)”、“數(shù)據(jù)采集”、“資源釋放”、“停止”、“選擇波形”、“溫升計(jì)算”、“查看波形”、“查詢參數(shù)”、“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”等13個(gè)狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)控制子模塊負(fù)責(zé)操作指令轉(zhuǎn)發(fā)、控制系統(tǒng)進(jìn)程。功能按鈕值改變后，狀態(tài)機(jī)隊(duì)列輸出更新，系統(tǒng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)集中調(diào)用各功能子VI。

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)登錄成功后，軟件自動初始化，完成各儀器參數(shù)設(shè)置后系統(tǒng)隨時(shí)等待“開始采集”的指令；若系統(tǒng)已進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)采集，過程中需停止，“停止采集”值改變后占用資源釋放，系統(tǒng)再次進(jìn)入“準(zhǔn)備開始”狀態(tài)，等待指令?！伴_始采集”值改變，檢查配置是否更新，若系統(tǒng)配置改變，狀態(tài)機(jī)發(fā)送新的狀態(tài)指令、更新隊(duì)列輸出，跳轉(zhuǎn)到“配置參數(shù)”開始配置狀態(tài)，調(diào)用接線配置、掃描配置、故障處理等多個(gè)子VI，完成數(shù)據(jù)采集前個(gè)監(jiān)測儀器的參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)將儀器參數(shù)配置到各個(gè)監(jiān)控設(shè)備后，“配置參數(shù)”狀態(tài)結(jié)束直接跳轉(zhuǎn)到“數(shù)據(jù)采集”狀態(tài)，開始采集數(shù)據(jù)，“運(yùn)行狀態(tài)”顯示“進(jìn)入采集狀態(tài)”；若“開始采集”值改變，系統(tǒng)配置未更新，則狀態(tài)機(jī)直接跳轉(zhuǎn)到“數(shù)據(jù)采集”狀態(tài)，基于此狀態(tài)軟件進(jìn)一步拓展功能應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作管理等功能設(shè)計(jì)，“數(shù)據(jù)采集”作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用和可視化顯示的應(yīng)用程序基礎(chǔ)，是一個(gè)重要狀態(tài)分支，該狀態(tài)的程序設(shè)計(jì)和正常運(yùn)行是監(jiān)控系統(tǒng)解決的核心問題。圖4所示為部分采集模塊程序，“數(shù)據(jù)采集”狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠獲取所有監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)，包括電壓和電流的實(shí)測值、基波有效值、全波有效值、頻率以及溫度等試驗(yàn)參數(shù)，將通道名稱與參數(shù)信息捆綁輸出創(chuàng)建全局變量。軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、篩選、顯示存儲等多個(gè)子程序進(jìn)程，應(yīng)用“測量數(shù)據(jù)”全局變量傳遞數(shù)據(jù)流，對數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫預(yù)處理，通過SQL操作將信息存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，釋放數(shù)據(jù)庫連接，完成數(shù)據(jù)存儲過程。在采集系統(tǒng)完善的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)“選擇波形”、“溫升計(jì)算”、“查看波形”、“電參量趨勢”、“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”等多個(gè)功能應(yīng)用，用戶可通過點(diǎn)選功能按鈕進(jìn)入子VI實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步數(shù)據(jù)操作。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊子程序

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫子模塊設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺測試測量過程中采集到的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)存儲，并同步調(diào)用數(shù)據(jù)用于判定試驗(yàn)狀態(tài)，存在大量數(shù)據(jù)查詢和管理工作，若通過人工管理和讀寫文件實(shí)現(xiàn)則會加長系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、降低處理速度、影響試驗(yàn)效果的準(zhǔn)確性[2-4]，因此文中設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)應(yīng)用Microsoft Office Access關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫，如圖5所示為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫調(diào)用方法設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括試驗(yàn)配置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)兩個(gè)表單，涵蓋ID地址、試驗(yàn)負(fù)責(zé)人ID、試驗(yàn)負(fù)責(zé)人姓名、登錄密碼、權(quán)限、試驗(yàn)類型、試驗(yàn)編碼、存儲時(shí)間、以及實(shí)測參量等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)程序調(diào)用庫中內(nèi)容可判斷試驗(yàn)工程師是否有權(quán)限使用數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、修改數(shù)據(jù)信息，用于軟件使用權(quán)限管理；對表單內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入、查詢、調(diào)用、導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中處理和分析。

圖5 數(shù)據(jù)庫調(diào)用方法設(shè)計(jì)

4 數(shù)據(jù)處理與可視化應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)查詢、篩選與導(dǎo)出應(yīng)用設(shè)計(jì)

較之傳統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)后期數(shù)據(jù)分析過程繁雜，本系統(tǒng)在虛擬儀器技術(shù)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用相結(jié)合的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如圖6所示的數(shù)據(jù)查詢、篩選及導(dǎo)出子模塊。程序通過“while”循環(huán)實(shí)現(xiàn)主程序?qū)Ρ灸K的調(diào)用，子VI啟用后數(shù)據(jù)庫后臺自動連接，檢測人員可通過選擇試驗(yàn)起始時(shí)間、試驗(yàn)終止時(shí)間、樣品編號、試驗(yàn)類型中任何試驗(yàn)條件查詢數(shù)據(jù)情況，后臺程序通過“where”操作符自動掃描信息位置，導(dǎo)出該部分內(nèi)容。但隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷累積，實(shí)時(shí)存儲的數(shù)據(jù)量逐漸龐大，用于檢測分析的只是能夠代表被測設(shè)備性能的典型值，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加簡潔，系統(tǒng)增設(shè)“多重查詢”方法?？梢愿鶕?jù)試驗(yàn)需求通過“for”循環(huán)使用“where”、“and”等操作符直接定位選擇特定內(nèi)容數(shù)據(jù)。該功能的實(shí)現(xiàn)大幅度提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理效率，同時(shí)也保證所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效存儲、防止數(shù)據(jù)丟失。

圖6 數(shù)據(jù)查詢、篩選及導(dǎo)出應(yīng)用界面

4.2 數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)可視化通過圖形、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺及用戶界面等圖形化方式，能夠更加直觀的表現(xiàn)出數(shù)據(jù)信息和關(guān)鍵特征[5-6]?，F(xiàn)場試驗(yàn)過程中，檢測人員為了方便判斷產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)及試驗(yàn)環(huán)境特點(diǎn)，往往需要大量示波器、記錄儀等能夠?qū)崿F(xiàn)圖形化顯示的儀器，不僅提高了試驗(yàn)成本，也增加了試驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜程度。為解決這一問題，監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息最優(yōu)化顯示，圖7所示為部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示界面。

圖7 部分?jǐn)?shù)據(jù)可視化界面

程序設(shè)計(jì)過程中完善所有信息的讀取應(yīng)用，通過采樣頻率的合理設(shè)置保證信息傳遞的實(shí)時(shí)性，采用以太網(wǎng)交換機(jī)控制數(shù)據(jù)傳輸，以字符串格式在主界面上顯示實(shí)時(shí)電壓、電流、功率、頻率、溫度等名稱及數(shù)值。在滿足基本數(shù)據(jù)測量的前提下，系統(tǒng)應(yīng)用VISA會話句柄可以隨時(shí)調(diào)用功率分析儀任何通道的原始波形和計(jì)算后數(shù)據(jù)波形，以二維圖表的形式、通過點(diǎn)選所需參量名稱有選擇性的顯示特征波形。不會因采樣通道數(shù)量、引線距離、試驗(yàn)費(fèi)用等問題影響試驗(yàn)進(jìn)度和質(zhì)量。除此之外，系統(tǒng)應(yīng)用布爾型變量設(shè)計(jì)各個(gè)限值超高指示，直觀反映運(yùn)行狀態(tài)，便于判斷試驗(yàn)進(jìn)程；應(yīng)用外推法計(jì)算溫差，采用描點(diǎn)圖和線性擬合曲線圖顯示溫度變化實(shí)際曲線和計(jì)算曲線。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性，在列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)了試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)行過程中軟件主頁面如圖8所示，集成所有功能選項(xiàng)，界面簡單明了，便于操作。

圖8 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

通過地鐵牽引整流機(jī)組變流柜、再生能量逆變回饋裝置、儲能式有軌電車充電裝置、制動電阻等設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，對比現(xiàn)場設(shè)備讀數(shù)信息，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確一致、顯示同步。系統(tǒng)控制與測量功能符合試驗(yàn)要求，拓展功能使用正常，實(shí)現(xiàn)了既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié) 論

本系統(tǒng)應(yīng)用以太網(wǎng)交換機(jī)、現(xiàn)場監(jiān)測儀器和工控機(jī)等硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)完成了狀態(tài)機(jī)控制、信號量控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄等4個(gè)核心模塊，保證列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件功能；通過VISA串口通信和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化顯示，試驗(yàn)全過程可快速判斷運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)集中存儲、管理，設(shè)計(jì)開發(fā)了“數(shù)據(jù)導(dǎo)出及分析”功能，可選擇性查詢、導(dǎo)出有效信息，解決了數(shù)據(jù)量龐大難以處理分析的問題。

通過系統(tǒng)搭建和軟件測試，驗(yàn)證了文中列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)的應(yīng)用將有利于提高試驗(yàn)人員現(xiàn)場操作安全性，提高整體工作效率，集成顯示各類型試驗(yàn)參數(shù)便于發(fā)現(xiàn)問題，降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量，具備一定推廣應(yīng)用價(jià)值。接下來可進(jìn)一步開發(fā)系統(tǒng)軟件和移動設(shè)備相結(jié)合，通過無線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，著重網(wǎng)絡(luò)安全防范，便于試驗(yàn)人員隨時(shí)掌握現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)，提升試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>