高速鐵路動車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)分析

李俊龍，楊默涵，王悍梟，陳晉衡，張潤澤，王海瑞

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130000；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266000）

電氣化鐵路是我國鐵路行業(yè)的主要組成部分。近年來，隨著鐵路電網(wǎng)規(guī)模擴大和牽引電壓等級的升高，高速動車組列車對電氣化鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的平穩(wěn)提出了更高的要求。動車組受電弓直接從接觸網(wǎng)受流取壓，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓直接影響動車組列車的運行狀態(tài)，同時網(wǎng)壓的平穩(wěn)與否也直接關(guān)系到變電所內(nèi)供電設(shè)備的正常運行[1-2]。動車組列車通過接觸網(wǎng)分相時的操作過電壓等因素也會影響高速動車組列車的正常運行[3-5]。

為了尋求解決動車組因網(wǎng)壓、網(wǎng)流波動引起主斷誤動作售后慣性質(zhì)量問題，經(jīng)常需要對線路的網(wǎng)壓、網(wǎng)流進行長期跟蹤測試。目前，牽引網(wǎng)電能品質(zhì)監(jiān)控主要由測試人員利用數(shù)據(jù)采集裝置隨車長時間操作監(jiān)視，而鐵路上隨車進行接觸網(wǎng)品質(zhì)監(jiān)測時，存在測試時間不固定、測試條件艱苦和持續(xù)時間長等問題。同時，平均每年的動車組網(wǎng)壓和網(wǎng)流檢測任務(wù)達10 次以上，費用支出較高[6-9]。

目前，市場上通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還無法解決這種問題，無人值守式的接觸網(wǎng)電能品質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)還處于空白階段?；诖?，該文開發(fā)出一套高速鐵路動車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)，對運行中動車組的網(wǎng)壓網(wǎng)流數(shù)據(jù)進行長期無人值守采集、數(shù)據(jù)保存，解決現(xiàn)有測試問題[10-11]。該文首先對監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)進行介紹，而后通過監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析，證明該文研發(fā)系統(tǒng)的有效性。

1 總體硬件框架設(shè)計

該文設(shè)計的網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)主要是對運行中的動車組網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控和存儲。系統(tǒng)主要是由上位機和網(wǎng)壓、網(wǎng)流采集設(shè)備兩部分組成，適用于包括CRH5、CRH3A、CRH380B、CRH380C、CR400BF、CR300BF 型系列高鐵列車的網(wǎng)壓傳感器、網(wǎng)流傳感器副邊輸出信號的采集、保存和監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框架設(shè)計

系統(tǒng)整體以FPGA 為核心進行構(gòu)建，在電路中涉及電源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、人機交互等模塊，在FPGA 中以VHDL 語言設(shè)計滿足技術(shù)要求的專用芯片。另外，可以通過上位機與設(shè)備通信實現(xiàn)對一些參數(shù)的修改。

1.1 電源模塊

電源模塊采用多種供電方式。首先是配備設(shè)備專用AC220V 交流電源適配器可以直接從外部取電，通過專用航插與設(shè)備主機上的供電端口給設(shè)備主機直接供電；配備專用線纜直接接入車上DC110V、DC24V 控制電，通過專用航插與設(shè)備主機上的供電端口連接給設(shè)備供電，設(shè)備主機內(nèi)部設(shè)計有專用電源轉(zhuǎn)換模塊用于電壓轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)主供電為24 V，且有防浪涌和電磁兼容設(shè)計。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊具有兩個輸入通道和兩個輸出通道。輸入通道分別接網(wǎng)壓傳感器和網(wǎng)流傳感器，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。模擬量信號采集范圍為電壓-14～14 V，2 通道同步采集，支持最高100 kS/s 的采樣率。

1.3 通信模塊

通信接口連接通信模塊，通信模塊包括以太網(wǎng)通信模塊及USB 通信模塊。設(shè)備與上位機通過以太網(wǎng)進行通信，讀取設(shè)備當(dāng)前信息，同時對設(shè)備進行設(shè)置、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)監(jiān)測。以太網(wǎng)及USB 端口支持對硬盤存儲的數(shù)據(jù)進行讀取和導(dǎo)出，方便后續(xù)分析。

1.4 存儲模塊

存儲選用專用高可靠性硬盤作為存儲介質(zhì)、可確保800 小時的存儲時間，存儲介質(zhì)可靠固定且方便更換。設(shè)備存儲介質(zhì)寫滿后，后續(xù)新數(shù)據(jù)按照先入先覆蓋原則，自動覆蓋存儲介質(zhì)內(nèi)已有的數(shù)據(jù)，保證最新數(shù)據(jù)的保留。在設(shè)備意外掉電時，能保證設(shè)備不損壞，掉電前已保存的數(shù)據(jù)不丟失，上電后實現(xiàn)自啟動，數(shù)據(jù)自動繼續(xù)保存。

1.5 上位機

上位機的主要功能為對數(shù)據(jù)信息進行存儲、處理和加工，實現(xiàn)對動車組運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)配置軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件具備參數(shù)配置、數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)處理及查看、數(shù)據(jù)分析等功能，系統(tǒng)的軟件框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計

參數(shù)配置功能可對采樣率、通道PGA 增益、文件大小、探頭信息及通道名稱信息等進行配置；

數(shù)據(jù)實時采集功能可對實時采集數(shù)據(jù)進行可視化顯示，時間軸與墻鐘保持一致；

數(shù)據(jù)處理及查看功能，主要包括文件格式轉(zhuǎn)換功能、文件拼接功能及數(shù)據(jù)查看功能。文件格式轉(zhuǎn)換功能可將儲存介質(zhì)內(nèi)數(shù)據(jù)以通用數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出到本地，所有數(shù)據(jù)文件均以采集時間作為文件名保存；文件拼接功能可將多個數(shù)據(jù)文件進行拼接；數(shù)據(jù)查看功能，保證所有數(shù)據(jù)均可打開查看，數(shù)據(jù)查看時，可通過輸入變比系數(shù)對數(shù)據(jù)值進行變比轉(zhuǎn)化，可對數(shù)據(jù)曲線放大縮小等操作；

數(shù)據(jù)分析功能，可利用傅里葉計算進行數(shù)據(jù)諧波分布計算分析，提供數(shù)據(jù)的基波數(shù)值與諧波分布曲線。

3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用上述測量監(jiān)控設(shè)備對某高速鐵路動車組進行網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，并進行諧波分析。數(shù)據(jù)測量點分為牽引變電所出線25 kV 電壓、出線電流、列車受電弓位置網(wǎng)壓、列車受電弓電流共4 處，測量位置選擇在沿線各站點及牽引變電所[12]。

選取動車組恒功率運行區(qū)間，持續(xù)采集車輛和牽引變電所電壓、電流數(shù)據(jù)。取10 個典型波形周期，對測得的電壓、電流進行快速傅里葉變換，計算基波幅值和電壓、電流的總諧波畸變率，結(jié)果如圖3～6 所示。計算該區(qū)間內(nèi)電壓、電流的有效值，并且以每個基波周期為單位計算電壓和電流的總諧波畸變率分布，結(jié)果如圖7～8 所示。

圖3 恒功率區(qū)間列車網(wǎng)壓諧波分布

圖4 恒功率區(qū)間變電所網(wǎng)壓諧波分布

圖5 恒功率區(qū)間列車網(wǎng)流諧波分布

圖6 恒功率區(qū)間變電所網(wǎng)流諧波分布

選取動車組在站點停靠的時段，持續(xù)采集電壓電流數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖9～14 所示。

恒功率狀態(tài)下動車組網(wǎng)壓諧波次數(shù)主要分布在3、5、7、9、11、13、19、21 次，網(wǎng)流諧波次數(shù)主要分布在3、5、7 次，停站區(qū)間網(wǎng)壓平穩(wěn)。動車組在整個運行區(qū)間內(nèi)網(wǎng)壓諧波幅值較低，網(wǎng)壓和網(wǎng)流的總諧波畸變率始終小于5%，反映了列車運行的穩(wěn)定性[13-15]。

圖7 恒功率區(qū)間列車受電弓電壓及整車電流分析

圖8 恒功率區(qū)間變電所電壓及電流分析

圖9 停站區(qū)間列車網(wǎng)壓諧波分布

圖10 停站區(qū)間變電所網(wǎng)壓諧波分布

圖11 停站區(qū)間列車網(wǎng)流諧波分布

圖12 停站區(qū)間變電所網(wǎng)流諧波分布

變電所所在位置的網(wǎng)壓、電流諧波與列車位置的網(wǎng)壓、電流諧波有所差異，該差異主要由諧波在線路上傳播所致[16]。

圖13 停站區(qū)間列車受電弓電壓及整車電流分析

圖14 停站區(qū)間變電所電壓及電流分析

綜合圖3～8 可得，該文使用的高速鐵路動車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守情況下長時間對車輛網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)對網(wǎng)壓、網(wǎng)流的采集和分析計算準(zhǔn)確可靠，很好地反映了動車組網(wǎng)壓、網(wǎng)流的諧波分布情況。

4 結(jié)論

文中提供了一種高速鐵路動車組網(wǎng)壓品質(zhì)無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路。安裝于動車組的監(jiān)控系統(tǒng)可以在無人操作的情況下持續(xù)采集、記錄和保存動車組網(wǎng)壓、網(wǎng)流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，存儲時間長。該系統(tǒng)的實現(xiàn)能夠有效地提高數(shù)據(jù)采集效率，降低人工成本。通過上位機能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)查看和分析功能，可以進行有效值計算和諧波分析。通過實車測試與數(shù)據(jù)分析，驗證了該系統(tǒng)的運行可靠性和測量準(zhǔn)確性，為后續(xù)網(wǎng)壓質(zhì)量監(jiān)控與諧波分析提供了基礎(chǔ)。