接觸網(wǎng)感應(yīng)式有電示警無線監(jiān)測裝置研究

陳天宇，王思華，王 宇，周麗君，王 恬

(蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅省軌道交通電氣自動化工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070)

0 引言

現(xiàn)有的電壓傳感器存在測量時(shí)需要與輸電線路接觸以及在接觸網(wǎng)高電壓等級下的高成本絕緣結(jié)構(gòu)等問題[1]。文獻(xiàn)[2]中，日本學(xué)者應(yīng)用靜電感應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)暫態(tài)電壓的非接觸測量。文獻(xiàn)[3]提出在用B-dot和D-dot監(jiān)控器進(jìn)行電流電壓測量時(shí)，對傳感器輸出產(chǎn)生的極性相反信號，通過具有差分輸出的檢測器，抑制共模噪聲。但其中采用的WiFi無線通信方式耗能大，成本高，且安全性低。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一套多重電極并聯(lián)的交流電壓采集系統(tǒng)，有效抑制參數(shù)擾動引起的傳感器誤差，改進(jìn)了傳統(tǒng)電力采集系統(tǒng)接地極導(dǎo)致的絕緣設(shè)計(jì)難度大的問題，但裝置僅針對電網(wǎng)用戶。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)電壓點(diǎn)對點(diǎn)測量裝置可定量測量網(wǎng)壓，精度良好，不足的是需要通過取電金屬叉實(shí)現(xiàn)高低壓部分的接觸測量，測量過程存在安全隱患。

本文針對電氣絕緣導(dǎo)致的人身驗(yàn)電安全以及無線通信無法覆蓋的數(shù)據(jù)采集盲區(qū)和信道重疊的缺點(diǎn)，提出一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、測量結(jié)果更加可靠的接觸線帶電狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)。裝置可定量測量接觸網(wǎng)電壓的各種參數(shù)，防止隔離開關(guān)處于閉合狀態(tài)，而接觸線電壓依然為0或較低時(shí)，錯(cuò)誤調(diào)度列車進(jìn)入無電區(qū)所帶來的一系列問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為監(jiān)控現(xiàn)場與數(shù)據(jù)中心兩部分。當(dāng)電氣化鐵路接觸網(wǎng)故障或變電所越區(qū)供電時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)獲取電壓信號，各條饋線所供接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓數(shù)據(jù)通過ZigBee無通信網(wǎng)絡(luò)將電壓數(shù)據(jù)發(fā)送至供電段監(jiān)控終端。終端設(shè)備將獲取的電壓信息進(jìn)行存儲，應(yīng)用Internet與鐵路局監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，以便鐵路局對各供電段運(yùn)行情況的直觀掌握與數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 感應(yīng)式傳感器設(shè)計(jì)

2.1 格拉段供電方式

格拉段牽引變電所采用帶回流線的直接供電方式(TRNF)，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行單相交流50 Hz的27.5 kV電壓，將監(jiān)測裝置安裝在鐵路沿線桿塔上，與供電線保持足夠的安全距離后，測試接觸網(wǎng)供電電壓。

2.2 格拉段接觸網(wǎng)電位仿真分析

格拉段為單線鐵路，仿真時(shí)設(shè)定周圍電場僅由接觸線、承力索上的電荷產(chǎn)生，對應(yīng)在現(xiàn)場測試中，將其他帶電體遠(yuǎn)離待測電場，盡可能地降低強(qiáng)電磁場干擾。直供加回流的格拉段單線線路主要由接觸線、承力索、架空回流線、鋼軌構(gòu)成[6]。其中各導(dǎo)線型號及參數(shù)見表1[7]。

表1 TRNF單線鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線參數(shù)

圖2 TRNF單線鐵路接觸網(wǎng)模型

圖3 接觸線正左方徑向電位變化趨勢

圖2為格拉段TRNF單線接觸網(wǎng)截面圖模型，圖2中數(shù)值單位為mm。如圖3所示，在對地6.1 m的接觸線高度處，利用COMSOL仿真以TRNF單線接觸線為中心的空間電位分布。分析計(jì)算電場和電磁對電位的總影響，發(fā)現(xiàn)電位隨接觸線正左方徑向距離的增大而減小。

通過后處理，接觸線水平正左方500～502 mm間的電位與距離成線性變化，該短距離內(nèi)的電位差約為16 V，變化趨勢如圖4所示，因此可將裝置固定于接觸線正左方，并設(shè)計(jì)左右金屬電極間距2 mm，使其內(nèi)部電位變化與圖4相近。

圖4 接觸線正左方500～502 mm間電位變化

2.3 傳感器設(shè)計(jì)原理

互感器是測量電網(wǎng)電壓的傳統(tǒng)方法，其成本高、設(shè)備易損壞；考慮到受電弓滑板的摩擦取流以及操作過程中電弧對周圍通信帶來干擾，因此利用高壓傳感器接觸線測量的方法也不合適。

本文借鑒分壓器測量電壓以及靜電感應(yīng)原理，采用一種感應(yīng)式的無線采集方法獲取接觸網(wǎng)電壓，其設(shè)計(jì)原理是：在待測接觸線產(chǎn)生的電場中，引入2個(gè)存在一定間距且正對放置的金屬極板，利用極間電容與空間分布電容分壓，極間電容電位差U2再通過信號線傳輸給信號處理電路，經(jīng)降壓整流濾波后，由DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，對標(biāo)準(zhǔn)接觸線電壓源進(jìn)行標(biāo)定，得到相關(guān)比例系數(shù)，從而將處理后的低電壓還原為接觸線高電壓。

靜電電容空間分壓器等效電路如圖5所示。C1為平行電容器右極板正對接觸線中心的等效電容，C2為平行電容器的極間電容，C3為平行電容器左極板對地等效電容。

圖5 靜電電容空間分壓器等效電路

由分壓公式得到平行電容器左右極板間電壓輸出U傳與接觸線電壓U接的關(guān)系為

(1)

無限長直導(dǎo)線在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的電位值，結(jié)合電容的定義公式，利用高斯定理與鏡像法分別計(jì)算C1、C2、C3的值，代入式(1)中，可知k1的關(guān)系式為

(2)

式中：d為左右極板的間距，mm；R為電容極板的半徑，mm；L為右極板距接觸線中心的間距，mm；r為接觸線半徑，mm。

因此在實(shí)際設(shè)計(jì)裝置時(shí)只需分析d、R、L、r的大小，即可確定所需的分壓比。考慮監(jiān)測裝置實(shí)際大小，取R=30 mm，L=500 mm，d=2 mm，r=5.04 mm，此時(shí)k1=0.000 97。

為保證接觸網(wǎng)電壓工作在最大瞬時(shí)值29 kV時(shí)裝置不被擊穿，傳感器的平行電容通過在環(huán)氧樹脂PCB板上敷銅來實(shí)現(xiàn)，以環(huán)氧樹脂作為電容的中間介質(zhì)層，其相對介電系數(shù)為3.6，臨界電場強(qiáng)度為20～30 kV/mm，適合在格拉段鐵路寒冷干燥、無強(qiáng)酸堿油污的氣候環(huán)境中使用，如圖6所示。

圖6 接觸線正左方徑向電場變化趨勢

傳感器附近的最大電場強(qiáng)度值0.02 kV/mm出現(xiàn)在傳感器中心處，遠(yuǎn)小于其制作材料的臨界電場強(qiáng)度，因此該傳感器具有足夠的絕緣強(qiáng)度。

3 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

3.1 感應(yīng)采集模塊

采用本文靜電電容空間傳感器，安裝于鐵路沿線桿塔，水平距離接觸線50 cm的位置，采集對應(yīng)的接觸線電壓原始數(shù)據(jù)。

3.2 信號處理模塊

本文以TMS320F28377為主控制芯片，建立低功耗、高可靠的交流電壓處理系統(tǒng)。使用CCS8.3編寫DSP程序，整機(jī)工作流程為：C2000通電；對ADC、比較器、串口、PWM等初始化，并啟動標(biāo)志位；根據(jù)模擬輸入引腳連續(xù)采樣1 024次的A/D值計(jì)算當(dāng)前頻率，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行慣性濾波，得到基波頻率值；將256倍的基波頻率作為PWM定時(shí)器的采樣頻率以觸發(fā)ADC采樣；為防止采樣頻率造成的數(shù)據(jù)異常，先進(jìn)行2輪預(yù)采樣；且網(wǎng)壓一旦低于19 kV，立刻發(fā)送報(bào)警信息；每采樣完4個(gè)周期，將測量的波形數(shù)據(jù)通過P1_0RF_N、P1_1、P1_2RF_P三個(gè)I/O口傳輸至CC2530,再由RS-232串行通信給PC端；在MATLAB中計(jì)算FFT，得到幅頻特性，有效值，THD等信息；將讀取并處理后的數(shù)據(jù)保存至以當(dāng)前日期命名的.csv文件中，方便工作人員選擇任意一次測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀。

模擬信號的直接傳輸易受電磁干擾的影響，但DSP內(nèi)部自帶的高速ADC比較器可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，無需外接電壓比較器，顯著簡化硬件設(shè)計(jì)，節(jié)約成本。

由于傳感器輸出的是交流差動信號，該信號易受周圍電磁波擾動。采用OPA2171設(shè)計(jì)該差動信號調(diào)理電路來抑制干擾信號所帶來的誤差，并將左右極板對地電位差轉(zhuǎn)換為傳感器對地單端信號，如圖7所示。OPA2171是一款擁有低噪聲、高精度共模抑制比、高帶寬增益的運(yùn)算放大器，其輸入偏置電流不超過8 pA，供電范圍自-18 V至+18 V可調(diào)，對交流和直流都有良好的放大功能。

內(nèi)置的差動放大電路采用雙電源供電，存在輸出為負(fù)電壓的可能，于是添加電平抬升電路對前一級輸出信號進(jìn)行上拉，使電壓符合DSP的ADC通道0～3.3 V的采樣范圍。電平抬升電路如圖8所示。

圖7 差動放大電路

圖8 比例電平抬升電路

為保證接觸網(wǎng)工作在電壓最大值29 kV時(shí)，監(jiān)測裝置依然能滿足A/D轉(zhuǎn)換的采樣范圍，設(shè)計(jì)預(yù)處理電路增益k2最大不能超過DSP采樣最大值3.3 V與傳感器平行電容極板輸出電壓最大值的比值，因此

(3)

3.3 無線傳輸模塊

3.3.1 ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)

綜合考慮供電區(qū)間負(fù)責(zé)的供電臂分布情況，供電臂數(shù)量多，供電段監(jiān)控終端與監(jiān)測裝置之間的距離較遠(yuǎn)，且傳統(tǒng)的有線通信，因昂貴的線路敷設(shè)成本與復(fù)雜的現(xiàn)場測試而被逐步淘汰。兼顧數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、及時(shí)性等因素考慮，對表2中的5種通信方式作比較，其中ZigBee使用的是全球通用的2.4 GHz頻段，協(xié)議較另外4種通信方式簡單，成本低、耗能少、易抗干擾，且網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

表2 短距無線通信性能對比

本系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議形成的網(wǎng)狀無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式數(shù)據(jù)采集，該結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可當(dāng)作ZigBee協(xié)調(diào)器，從而大幅降低消息延遲。圖9為協(xié)調(diào)器工作流程圖。

圖9 協(xié)調(diào)器流程圖

本文使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于大量分布的供電臂電壓采集節(jié)點(diǎn)增大了監(jiān)測區(qū)域的覆蓋面積；由拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使節(jié)點(diǎn)之間以接力的方式傳輸數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性；同時(shí)，減小了節(jié)點(diǎn)之間單跳通信的距離，盡可能地降低通信能耗[8]；位于終端的采集節(jié)點(diǎn)可加入或離開網(wǎng)絡(luò)，并自動進(jìn)行組網(wǎng)、配置與管理，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。

3.3.2 動態(tài)信道擇優(yōu)算法

利用2.4 GHz頻段同時(shí)通信的無線網(wǎng)絡(luò)會對本系統(tǒng)的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)造成干擾[9]。類似被其他接收機(jī)截獲的輕微干擾，ZigBee底層無線通信協(xié)議會自動處理；而受同區(qū)同頻信號限制，如基于IEEE802.11協(xié)議的WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋ZigBee通信信道造成高達(dá)90%的丟包率嚴(yán)重干擾，需要用算法進(jìn)行定位和選擇。

該算法從各個(gè)隱藏信道組成的通信路徑中，找出在給定每個(gè)測試時(shí)刻t的RSSI樣本觀測值時(shí)，下一時(shí)刻信道最空閑的路徑。算法步驟如下：

步驟1：采集各個(gè)信道的接收信號強(qiáng)度值RSSI，對其文本格式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,構(gòu)造隱馬爾可夫模型HMM。

λ=(S，O，π，A，B)

(4)

步驟2：根據(jù)HMM的觀測值個(gè)數(shù)，采用FCMA算法，以目標(biāo)函數(shù)J收斂為終止條件劃分RSSI離散區(qū)間觀測序列值O={oi,i=1，2,…,c}。

步驟3：根據(jù)HMM的隱藏值個(gè)數(shù)劃分信道等級，并測量各級信道初始狀態(tài)，得到初始信道狀態(tài)概率序列π。

步驟4：對HMM采用Forward-backward算法，不斷迭代更新信道隱藏狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣AN×N和混淆矩陣BN×M，轉(zhuǎn)移概率aij和觀測值概率bjk如下：

(5)

(6)

式中：ξt(i,j)為從狀態(tài)Si到Sj的狀態(tài)轉(zhuǎn)移期望值;γt(i)、γt(j)為從狀態(tài)Si、Sj出發(fā)的轉(zhuǎn)移期望值。

步驟5：利用Viterbi算法計(jì)算t時(shí)刻信道狀態(tài)為Si的所有路徑中概率最大值δt(i)以及δt(i)對應(yīng)的前一時(shí)刻信道狀態(tài)ψt(i)：

(7)

(8)

直到更新前后δt(j)的差值小于規(guī)定閾值，結(jié)束迭代，得到最終確定的HMM的3個(gè)參數(shù)π，A，B，即找到最空閑通信路徑。

3.4 上位機(jī)模塊

MATLAB的GUI設(shè)計(jì)是針對每一個(gè)控件編寫相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)界面控制，用戶只需點(diǎn)擊某一個(gè)控件，代碼就會調(diào)用該控件所對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)。如圖10所示，本裝置采用MATLAB編寫接觸網(wǎng)電壓波形顯示和數(shù)據(jù)分析的上位機(jī)軟件。

圖10 上位機(jī)主控界面

上位機(jī)與接觸網(wǎng)電壓監(jiān)測裝置之間通過bytes-available event串口中斷事件機(jī)制接收數(shù)據(jù)，利用axes控件對各個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)坐標(biāo)軸進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)劃線，從而實(shí)現(xiàn)不同供電臂測試曲線與數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示，并對接觸網(wǎng)帶電低于19 kV的欠壓情況給予實(shí)時(shí)聲光報(bào)警，接觸網(wǎng)電壓歷史數(shù)據(jù)在后臺實(shí)時(shí)存儲。文件索引窗口如圖11所示。

圖11 文件索引窗口

上位機(jī)顯示的時(shí)域波形單位是kV，DSP采樣值的單位是V，僅考慮顯示數(shù)值大小，則還原比例系數(shù)k3為

(9)

k1、k2為理想理論值，實(shí)際中k1會受周圍帶電體分布環(huán)境和接觸線舞動等影響，k2會受到電路器件單元的影響，造成上位機(jī)顯示結(jié)果與接觸線電壓實(shí)際值存在一定誤差，于是在校準(zhǔn)時(shí)從程序中引入修正系數(shù)z對實(shí)際采樣值進(jìn)行補(bǔ)償，使測量結(jié)果更加接近所測標(biāo)準(zhǔn)值。

3.5 供電模塊

青藏地區(qū)光照充足，考慮電池能量存儲密度、使用壽命及對環(huán)境污染等因素，采用太陽能與2節(jié)3.7 V的18650型鋰電池通過LM2596S可調(diào)降壓模塊結(jié)合供電的方式給系統(tǒng)各部分供電。

4 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺

試驗(yàn)電壓模擬接觸網(wǎng)正常運(yùn)行幅值27.5 kV，頻率45～55 Hz的單相交流電壓。試驗(yàn)電源由250 kW發(fā)電機(jī)、調(diào)壓器、工頻試驗(yàn)變壓器及固體保護(hù)電阻裝置組成，滿足電力推薦標(biāo)準(zhǔn)DL/T 848.2—2004《高壓試驗(yàn)裝置通用技術(shù)條件 第2部分：工頻高壓試驗(yàn)裝置》對試驗(yàn)電源的要求。

本文采用CC2530芯片作為2.4 GHz頻段的ZigBee無線射頻模塊。以兩部手機(jī)之間通過WiFi不間斷地傳輸大碼率視頻文件，模仿強(qiáng)通信干擾源。

4.2 標(biāo)定試驗(yàn)

為確定程序校準(zhǔn)時(shí)的比例修正系數(shù)z與本系統(tǒng)的測量精確等級，由調(diào)壓器調(diào)節(jié)工頻試驗(yàn)變壓器，使模擬接觸線一次電壓從19 kV以1 kV為步長至29 kV，如圖12所示，記錄系統(tǒng)每一測量點(diǎn)在上位機(jī)顯示的電壓有效值。

圖12 電壓校正曲線

對模擬接觸線一次電壓與PC端的顯示電壓數(shù)值進(jìn)行一次線性擬合，得到修正比例系數(shù)Z為0.992 8，一次擬合平方誤差為0.146 4，表明裝置具有較好的線性度。

綜上所述，整理監(jiān)測裝置各級電壓映射關(guān)系如下：

(10)

4.3 測量精度

將校準(zhǔn)后的裝置以跳電壓百分比的形式，計(jì)算每一點(diǎn)運(yùn)行電壓的幅差ε和相差φu。

如表3所示，Un為接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行電壓，Ub為測量的模擬接觸線一次電壓，Ux為上位機(jī)顯示的電壓有效值，該靜電電容空間傳感器幅差ε<0.5%，相差φu<20＇，符合IEC60044-7中0.5級計(jì)量用電壓傳感器標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 靜電電容空間傳感器測量誤差分析

4.4 PRR對比

采集節(jié)點(diǎn)分別通過動態(tài)信道擇優(yōu)算法和標(biāo)準(zhǔn)跳信道算法，預(yù)測最為空閑的通信路徑，將結(jié)果發(fā)送至協(xié)調(diào)器，如圖13所示，并對包接收率PRR進(jìn)行對比分析。由圖13可知，動態(tài)信道擇優(yōu)算法的PRR約為0.81，較標(biāo)準(zhǔn)跳信道算法更好，能進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)丟包率。

圖13 包接收率對比

5 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)驗(yàn)電方案存在缺陷，設(shè)計(jì)出一套針對接觸線帶電狀態(tài)的感應(yīng)式測量無線監(jiān)測系統(tǒng)。

(1)系統(tǒng)遵循電氣隔離和故障導(dǎo)向安全原則設(shè)計(jì)，提高了工作人員在牽引變電所越區(qū)供電緊急情況下的反應(yīng)速度，減少了現(xiàn)場故障巡視和人體暴露在工頻電場下的時(shí)間；

(2)實(shí)現(xiàn)了采集節(jié)點(diǎn)的非接觸取壓，消除電氣化作業(yè)人員利用高壓驗(yàn)電器接觸驗(yàn)電時(shí)的安全隱患；

(3)對檢修人員不易到達(dá)的故障區(qū)間，利用ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)減少電壓監(jiān)測盲區(qū)，實(shí)時(shí)掌握接觸網(wǎng)電壓真實(shí)數(shù)據(jù)；

(4)通過動態(tài)信道擇優(yōu)算法，進(jìn)一步提高實(shí)際環(huán)境中強(qiáng)WiFi干擾下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)包接收率。