高速動(dòng)車組電壓電流一體化互感器

黃穎斯 劉通 張宇 涂之瑩 藍(lán)茗演

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)電子式互感器存在的電流、電壓無(wú)法同時(shí)檢測(cè)、抗干擾性能差、數(shù)據(jù)更新滯后等問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一款高速動(dòng)車組電壓電流一體化互感器。該互感器采用智能的一體化互感器取代傳統(tǒng)單一電磁式互感器，不僅能夠使電壓、電流一體化，更大幅提高了系統(tǒng)的安全可靠程度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳輸處理與遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，具有良好的社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：互感器;NB-IoT

1 作品簡(jiǎn)介

工業(yè)電力系統(tǒng)發(fā)展不斷走向智能化，電子式互感器也逐漸步入社會(huì)公眾的視野。目前現(xiàn)有的無(wú)論是傳統(tǒng)電磁式互感器還是如今的電子式互感器仍然具有電流電壓無(wú)法同時(shí)檢測(cè)、抗干擾性能差、數(shù)據(jù)更新滯后等問(wèn)題，在電力機(jī)車實(shí)際作業(yè)中存在嚴(yán)重的安全隱患。

針對(duì)上述問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了高速動(dòng)車組電壓電流一體化互感器，采用智能的一體化互感器取代傳統(tǒng)單一電磁式互感器，使電壓、電流一體化;采用冗余設(shè)計(jì)提高其安全可靠程度;采用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)傳輸處理等監(jiān)控功能，以便實(shí)時(shí)預(yù)警，同步化數(shù)據(jù)處理，有效保證鐵路動(dòng)車行車安全;體積小，重量輕，占地面積小，易于安裝。本系統(tǒng)有效解決了上述問(wèn)題，特別適用于新時(shí)代數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的電力系統(tǒng)，具有尤為廣闊的市場(chǎng)前景。部件實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

高速動(dòng)車組電壓電流一體化互感器主要由傳感頭、控制器和智能監(jiān)測(cè)模塊組成。傳感頭將檢測(cè)一次高壓或高電流，并將其轉(zhuǎn)變成二次低壓或低電流，實(shí)現(xiàn)高壓和低壓或高電流和低電流的隔離;控制器主要完成交直流信號(hào)分離、信號(hào)處理、交直流開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出、交直流電流信號(hào)輸出;智能監(jiān)測(cè)模塊將分壓電阻器輸出的網(wǎng)壓信號(hào)經(jīng)過(guò)線性光電隔離轉(zhuǎn)換后傳送到控制單元，控制單元將信息融合后，通過(guò)RS 485協(xié)議將電信號(hào)傳輸至外部，或?qū)?shù)據(jù)封包后采用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端。

（1）傳感頭

傳感頭將檢測(cè)一次高壓或高電流，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎蔚蛪夯虻碗娏?，?shí)現(xiàn)高壓和低壓或高電流和低電流的隔離以及傳感頭與控制器之間的通信和供電。

在傳感頭部分供電線路首先經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)端的Rogowski線圈檢測(cè)出電流值，再傳至位于電流檢測(cè)端下部的環(huán)氧樹(shù)脂套筒內(nèi)，經(jīng)過(guò)高、低壓臂電阻分壓后測(cè)出電壓。同時(shí)在套筒外設(shè)有電磁波發(fā)射、接收線圈以及光導(dǎo)纖維，通過(guò)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)姆绞綄?duì)電流檢測(cè)端供電，利用光纖絕緣特性傳輸電流檢測(cè)信號(hào)。

（2）控制器

在控制器部分，對(duì)于分壓電阻器輸出的AC 0～4 V的網(wǎng)壓信號(hào)，先經(jīng)過(guò)線性光電隔離，后通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)光電隔離信號(hào)進(jìn)行整形以及正向反饋，最后將AC 0～4 V的信號(hào)轉(zhuǎn)化為AC 0～100 V信號(hào)，滿足機(jī)車控制和網(wǎng)壓表顯示的要求;對(duì)于頂端電流檢測(cè)端的供電，使用兩個(gè)MOS管輪流導(dǎo)通，通過(guò)LC并聯(lián)諧振的方法將直流電轉(zhuǎn)化為高頻電磁波，將其發(fā)射后對(duì)頂端電流檢測(cè)端供電;對(duì)于頂端通過(guò)光纖傳輸?shù)男盘?hào)，可通過(guò)光纖信號(hào)接收電路進(jìn)行信號(hào)接收，并經(jīng)放大后傳輸至列車內(nèi)。

（3）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

控制器內(nèi)嵌高性能的ARM，同時(shí)還支持NB-IoT以及GPRS的NB75模塊，ARM芯片對(duì)四路信號(hào)進(jìn)行換算后將數(shù)據(jù)打包，通過(guò)NB75模塊使用CoAP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。在服務(wù)器上支持對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記錄以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端檢測(cè)等。

高速動(dòng)車組電壓、電流一體化互感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新

設(shè)計(jì)思路具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）采用電子式傳感器替代電磁式傳感器;

（2）采用冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)安全性能;

（3）實(shí)現(xiàn)與機(jī)車網(wǎng)絡(luò)總線通信;

（4）實(shí)現(xiàn)交直流雙制式兩用;

（5）實(shí)現(xiàn)電壓電流同時(shí)檢測(cè)。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

技術(shù)創(chuàng)新的要點(diǎn)如下：

（1）分壓器對(duì)電網(wǎng)的高電壓進(jìn)行分壓取樣，設(shè)計(jì)一級(jí)過(guò)電壓保護(hù)電路，其材料和結(jié)構(gòu)等不同于以往電力行業(yè)采用的材料與結(jié)構(gòu);

（2）采用高壓側(cè)光電隔離處理單元低壓放大電路;

（3）采用功率放大電路（普通電力行業(yè)無(wú)此部分）;

（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字輸出接口電路把低壓放大電路輸出的低壓交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，按IEEE-485接口要求輸出，同時(shí)軟件編程根據(jù)IEEE-485接口的要求，采用機(jī)車專用的MVB列車多功能協(xié)議進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與機(jī)車的CCU控制箱網(wǎng)絡(luò)通信（普通電力行業(yè)無(wú)此部分）;

（5）機(jī)車或列車提供的DC 110 V電源經(jīng)DC/DC模塊電路的轉(zhuǎn)換并隔離，分兩路輸出±15 V，±50 V電壓（普通電力行業(yè)無(wú)此部分）。

3.3 產(chǎn)品先進(jìn)性

產(chǎn)品先進(jìn)性體現(xiàn)在如下幾方面：

（1）只需一臺(tái)互感器即可測(cè)量交流電壓、電流，或測(cè)量直流電壓、電流;

（2）使用NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;

（3）無(wú)鐵心，無(wú)鐵磁諧振、飽和等缺陷;

（4）采用電阻分壓，線性度好;

（5）采用進(jìn)口環(huán)氧樹(shù)脂澆注，絕緣性能好;

（6）過(guò)壓能力強(qiáng)，1 min工頻耐壓可達(dá)100 kV;

（7）體積小、重量輕、占地面積小、易于安裝;

（8）測(cè)量范圍廣、受地電位影響小、頻帶寬、響應(yīng)速度快、可滿足電力機(jī)車自動(dòng)化發(fā)展的需求;

（9）無(wú)儀表保安系數(shù)的要求，可大幅提高電力機(jī)車自動(dòng)化的可靠性;

（10）采用電流輸出，無(wú)電壓互感器短路的危險(xiǎn)。

4 市場(chǎng)前景

4.1 市場(chǎng)機(jī)會(huì)分析

4.1.1 政策支持

當(dāng)前社會(huì)各界對(duì)智能制造的發(fā)展高度重視。我國(guó)先后出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》《積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)指導(dǎo)意見(jiàn)》《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，并以此形成了制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略政策體系。上述三大政策都對(duì)我國(guó)智能制造的未來(lái)發(fā)展做出了詳細(xì)規(guī)劃，并指出智能制造不僅是我國(guó)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要契機(jī)，還關(guān)系著制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的成敗。為此，工信部等部委還出臺(tái)了《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》《智能制造工程實(shí)施指南（2016—2020年）》等政策，并于2016年展開(kāi)智能制造試點(diǎn)示范工作。

4.1.2 發(fā)展迫切性

國(guó)外發(fā)展起步早，智能化水平較高，在電壓電流一體化互感器的研制上投入了較大的資金和人力，不斷推進(jìn)系統(tǒng)主裝置電子式互感器的發(fā)展，相關(guān)行業(yè)的部分企業(yè)已邁向產(chǎn)品化、市場(chǎng)化的道路。相關(guān)互感器產(chǎn)品技術(shù)含量高，目前已有較高水平的研究成果，一些互感器產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)流通。采用電子式互感器的數(shù)字化變電站在歐洲也已投入運(yùn)行，但其高昂的價(jià)格仍是其在國(guó)內(nèi)大量引進(jìn)的主要制約因素。

相比而言，國(guó)內(nèi)同行業(yè)的發(fā)展起步晚、電子互感器研制速度慢，迄今成果并不顯著。國(guó)內(nèi)眾多高校也研究過(guò)互感器，但研究規(guī)模較小，多處于實(shí)驗(yàn)階段，當(dāng)前已有小部分公司實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模地生產(chǎn)符合國(guó)標(biāo)的有源電子式電流電壓互感器，并己有若干套設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。

目前國(guó)際市場(chǎng)已存在較高技術(shù)水平的電子式電壓互感器及電流互感器，然而在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中需要測(cè)量的不僅僅是單一的電流或電壓信號(hào)，復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境決定了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)，要同時(shí)測(cè)量電網(wǎng)的電壓和電流就需要在現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)安裝電子式電壓互感器和電流互感器，使用多個(gè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，此舉不僅耗費(fèi)資源，更導(dǎo)致多設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)誤差疊加，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的人工采集分析處理時(shí)，實(shí)際測(cè)量精度受到極大影響。因此，市場(chǎng)迫切需要研制一種交直流兩用并且能夠同時(shí)進(jìn)行電流和電壓測(cè)量的電壓電流一體化互感器，結(jié)合智能化數(shù)據(jù)采集處理及監(jiān)測(cè)將是一體化檢測(cè)裝置及事故預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)品領(lǐng)域的一次極具創(chuàng)新性的突破。

4.2 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

本產(chǎn)品具有如下所示競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

（1）電壓電流一體化測(cè)量及安全預(yù)警。本產(chǎn)品可在“交-直流兩種制式”軌道裝備上使用。同時(shí)其大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將自動(dòng)分析并處理電壓電流一體化互感器所測(cè)量的電壓、電流數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷數(shù)據(jù)是否處在正常閾值范圍內(nèi)，以便及時(shí)采取保護(hù)措施，從而保證鐵路行車安全。高系統(tǒng)不僅適用于現(xiàn)階段大力發(fā)展的城際軌道交通用電力機(jī)車，還可運(yùn)用于牽引變電站內(nèi)的電壓電流檢測(cè)。通過(guò)雙備份、交直兩用、智能網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)分析與電壓電流一體化測(cè)量等獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目可充分立足于系統(tǒng)主裝置電子式互感器這一市場(chǎng)領(lǐng)域，創(chuàng)造巨大的商業(yè)價(jià)值。

（2）交直流兩用。采用現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)有源一次高電壓采集，通過(guò)光電隔離變換將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷?交直流大電流通過(guò)霍爾傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榻恢毙‰娏?，再通過(guò)二次電子線路完成交直流分離，最后輸出與一次成比例的電流信號(hào)。國(guó)家或國(guó)際社會(huì)已出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們研制的智能一體式檢測(cè)裝置參照國(guó)標(biāo)GB/T20840.7/.8或IEC60044-7/-8標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合電力機(jī)車互感器的技術(shù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）運(yùn)用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于智能化監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以無(wú)線方式通過(guò)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)上傳到監(jiān)控中心，其為含有NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊的智能終端的集成模組，由物聯(lián)網(wǎng)通信模塊與監(jiān)控中心的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)基站進(jìn)行通信。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)基站接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)分組核心網(wǎng)以及IoT連接管理平臺(tái)處理，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)將被提供給應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器可通過(guò)三種方式訪問(wèn)監(jiān)控中心的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)基站獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。管理員可通過(guò)調(diào)度監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件獲取數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員可通過(guò)手機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行訪問(wèn)，了解網(wǎng)壓狀況。同時(shí)維修人員還可以通過(guò)軟件鎖定調(diào)度中心送電開(kāi)關(guān)，避免維修時(shí)誤操作。