淺談智能安全用電系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：

      隨著軌道交通電氣設(shè)備的增加和用電負(fù)荷的變大，用電安全問(wèn)題愈發(fā)突出，而對(duì)電力狀況在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警是實(shí)現(xiàn)安全用電的關(guān)鍵。本文研究了軌道交通安全用電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)電力載波技術(shù)可利用原電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)化安裝難度，降低了改造成本；通過(guò)全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)電流采集，可對(duì)軌道交通用電回路電流過(guò)大、短路、過(guò)溫等情況進(jìn)行提前預(yù)警，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生，對(duì)提高軌道交通系統(tǒng)用電安全性具有重要的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:軌道交通；安全用電；智能監(jiān)測(cè)；電力載波

一、引言：

      鐵路、輕軌、地鐵等軌道交通在國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。隨著電氣化發(fā)展和智能化進(jìn)程，軌道交通中電氣設(shè)備數(shù)量和用電負(fù)荷不斷的增加，這對(duì)用電安全提出越來(lái)越高的要求。近年來(lái)，電氣火災(zāi)在軌道交通事故所占比例不斷增大，且軌道交通投資巨大、設(shè)備復(fù)雜多樣、人員密集，一旦因電氣故障發(fā)生火災(zāi)，將造成嚴(yán)重的后果。2012 年以來(lái)，發(fā)生軌道交通火災(zāi)事故 2000 多宗，電氣火災(zāi)成因占32%。國(guó)內(nèi)軌道交通發(fā)生火災(zāi) 100 余起，其中電氣火災(zāi)成因占 26% 左右。

      為了預(yù)防電氣火災(zāi)，提高用電安全性，對(duì)軌道交通系統(tǒng)用電狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的電氣故障進(jìn)行預(yù)警。這樣可以將電氣火災(zāi)消滅在萌芽階段，防止造成巨大損失。國(guó)家有關(guān)部門(mén)早已認(rèn)識(shí)到電氣火災(zāi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的必要性，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，要求在建筑中設(shè)置電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)但對(duì)軌道交通電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，暫未形成規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，由于軌道交通用電設(shè)備的復(fù)雜性，對(duì)電氣火災(zāi)的監(jiān)測(cè)具有其特殊的要求。本文研究了適合軌道交通系統(tǒng)的安全用電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鐵路站場(chǎng)、牽引變電所、列車(chē)上的用電安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)由于過(guò)流、短路、過(guò)溫等情況進(jìn)行提前預(yù)警，為提前采取避免火災(zāi)的措施提供依據(jù)，對(duì)防止電氣火災(zāi)、排除電氣故障、保證軌道交通系統(tǒng)人員及設(shè)備的安全具有重要的意義。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀                                                

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀分析

      美、日、德等國(guó)軌道交通發(fā)展迅速，高鐵和地鐵在公共交通已成為不可替代的工具，由于軌道交通電氣火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，其對(duì)軌道交通電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相繼出臺(tái)了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制對(duì)主要配電設(shè)備進(jìn)行電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)。美國(guó)研制的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行電壓、電流、剩余電流和溫度的采集，利用網(wǎng)線(xiàn)將信號(hào)傳輸至控制中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，該系統(tǒng)已在多個(gè)高鐵站和地鐵站使用。日本與德國(guó)也專(zhuān)門(mén)針對(duì)軌道交通研制了電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并建立了網(wǎng)絡(luò)云端，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行整理，可實(shí)時(shí)查詢(xún)用電狀態(tài)。隨著電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，2015 年以來(lái)，國(guó)外軌道交通的電氣火災(zāi)起數(shù)每年以不小于 10% 的比例下降。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀分析

      隨著國(guó)內(nèi)高鐵和地鐵的快速發(fā)展，對(duì)軌道交通的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)和預(yù)防也得到足夠地重視。國(guó)內(nèi)對(duì)于電力火災(zāi)的監(jiān)控設(shè)備，主要集中于建筑供配電系統(tǒng)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的改動(dòng)后應(yīng)用于軌道交通中。目前，國(guó)內(nèi)已有多個(gè)廠(chǎng)家進(jìn)行了電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制，并形成了推向市場(chǎng)的產(chǎn)品，在商場(chǎng)、醫(yī)院、會(huì)展中心、車(chē)站等低壓配電系統(tǒng)中得以應(yīng)用。其中，剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)利用剩余電流傳感器和溫度傳感感采集配電網(wǎng)絡(luò)的剩余電流和線(xiàn)纜上的溫度，以此為依據(jù)判斷是否出現(xiàn)短路、漏電或過(guò)溫情況，并通過(guò) RS485 總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，對(duì)電氣火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警針對(duì)國(guó)內(nèi)軌道交通的特征，目前的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在如下問(wèn)題。

      （1）采用 RS485 總線(xiàn)、CAN 總線(xiàn)、網(wǎng)線(xiàn)和光纖等有線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需要額外敷設(shè)電纜或光纖，對(duì)于已經(jīng)建設(shè)好的火車(chē)站、牽引變電所、地鐵站等軌道交通電氣火災(zāi)高隱患場(chǎng)所，安裝常規(guī)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工難、周期長(zhǎng)、成本高；而采用無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，又存在傳輸距離有限、容易受干擾等問(wèn)題。

      （2）數(shù)據(jù)采集精度不足，電流和溫度的采集精度較差，無(wú)法對(duì)電流的配電線(xiàn)路進(jìn)行精確監(jiān)控。針對(duì)國(guó)內(nèi)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足，本項(xiàng)目將電力載波通信技術(shù)和全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法應(yīng)用于軌道交通電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)軌道交通安全用電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。                                     

三、軌道交通安全用電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

      軌道交通安全用電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖 1 所示，由監(jiān)測(cè)終端、傳感器、集中器和顯控中心組成。其中采集終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，并設(shè)置有電力載波模塊，用于數(shù)據(jù)傳輸；傳感器包括多個(gè)電流傳感器、1 個(gè)剩余電流傳感器和多個(gè)溫度傳感器，用于將各相電流、剩余電流和各處溫度參數(shù)轉(zhuǎn)化為可供監(jiān)控終端采集的電信號(hào)；集中器通過(guò)電力載波多個(gè)監(jiān)測(cè)終端通信，對(duì)各監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，傳輸各顯控中心；顯控中心包括計(jì)算機(jī)、監(jiān)控軟件和報(bào)警器，為操作人員提供數(shù)據(jù)顯示、處理、參數(shù)設(shè)計(jì)和火災(zāi)預(yù)警。

3.1 傳感器選型

      本系統(tǒng)每個(gè)監(jiān)控終端安裝3個(gè)開(kāi)口式電流傳感器，分別套在 A、B、C 三相的進(jìn)線(xiàn)電纜上，用于測(cè)量 A、B、C 三相的工作電流。另外使用一個(gè)大測(cè)量值為 1 A 的剩余電流傳感器，套在 A、B、C、N 電纜上，用于測(cè)量剩余電流。電流傳感器的輸出為電壓或電流模擬信號(hào)，量程由所測(cè)量配電電纜的額定工作電流決定，量程不小于額定工作電流的 2 倍。本系統(tǒng)選用 PT100 鉑電阻溫度傳感器，在電控柜總電源進(jìn)線(xiàn)處 A、B、C 三相各安裝一個(gè)，并固定好，用于測(cè)量電纜線(xiàn)的表面溫度；在電控柜空曠處安裝一個(gè) PT100 鉑電阻型溫度傳感器，用于測(cè)量環(huán)境溫度，溫度傳感器的輸出為電阻信號(hào)。

3.2 智能監(jiān)測(cè)終端硬件功能

      智能監(jiān)測(cè)終端的硬件電路板基于AD芯片+STM32F407核心處理芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，引出RS485 總線(xiàn)用于對(duì)外通信。由于溫度傳感器輸出為電阻信號(hào)，無(wú)法直接采集，本系統(tǒng)采用恒流源芯片將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)為微電壓信號(hào)，再經(jīng)運(yùn)放電路放大后，由監(jiān)控終端進(jìn)行采集。此外，為了解決PT100電阻信號(hào)的非線(xiàn)性問(wèn)題，提高溫度采集精度，在核心處理芯片中進(jìn)行查表處理。硬件電路板支持通信地址及閾值參數(shù)的讀寫(xiě)，通信地址及閾值參數(shù)寫(xiě)入 FLASH 中，掉電不丟失。安裝調(diào)試探測(cè)器時(shí)，使用小型觸摸顯示屏，就地查看采集數(shù)據(jù)并設(shè)定閾值。電路板上預(yù)留指示燈和 D0 接口，出現(xiàn)溫度報(bào)警時(shí)可以通過(guò) D0 接口輸出一對(duì)無(wú)源干接點(diǎn)，作為2.3 智能監(jiān)測(cè)終端軟件功能本項(xiàng)目智能監(jiān)控終端軟件基于 STM32F407 核心處理芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具體功能有：使用 FSMC 總線(xiàn)進(jìn)行AD 采集；電力載波通信協(xié)議對(duì)接；溫度計(jì)算查表；輸出存儲(chǔ)（掉電數(shù)據(jù)不丟失）；電流信號(hào)處理（采用APFFT 算法）。

3.3 顯控設(shè)備功能

      本系統(tǒng)的顯控設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮人機(jī)交付友好性，具有如下功能。

      （1）在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能：顯控設(shè)備實(shí)時(shí)接收各監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)，并對(duì)各節(jié)點(diǎn)的用電狀態(tài)和電參數(shù)進(jìn)行顯示；對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可方便調(diào)取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)繪制，監(jiān)測(cè)各時(shí)段的電參數(shù)變化情況。

      （2）異常報(bào)警功能：當(dāng)通過(guò)采集的數(shù)據(jù)，判斷出現(xiàn)短路、漏電、過(guò)溫等故障時(shí)，立刻進(jìn)行聲光報(bào)警，并在顯示屏幕上顯示異常情況和位置，使得操作人員迅速做出判斷，采取應(yīng)對(duì)措施。

      （3）多個(gè)報(bào)警信號(hào)處理：監(jiān)控設(shè)備能顯示監(jiān)控報(bào)警信號(hào)的總數(shù)，當(dāng)有多個(gè)監(jiān)控報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)，監(jiān)控設(shè)備按時(shí)間順序顯示報(bào)警信息，在不能同時(shí)顯示所有的監(jiān)控報(bào)警信息時(shí)，未顯示的信息能手動(dòng)可查。顯控設(shè)備硬件電路板解析監(jiān)控終端上傳的信號(hào)，預(yù)留LCD顯示接口、觸摸按鍵接口、RS485、RS232接口，可直接在 LCD 顯示屏上顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和報(bào)警信息，也可通過(guò) RS485 或 RS232 接口與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)上顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和報(bào)警信息。上位機(jī)軟件默認(rèn)采用輪詢(xún)方式與監(jiān)控終端進(jìn)行通信，按照地址逐個(gè)提取監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)，輪詢(xún)時(shí)間及主界面數(shù)據(jù)刷新時(shí)間應(yīng)可設(shè)置。上位機(jī)軟件主界面能夠?qū)崟r(shí)顯示多臺(tái)探測(cè)器測(cè)試的電流、剩余電流值、電纜線(xiàn)溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)，并能夠存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警日志。操作人員可以設(shè)定電流和溫度的報(bào)警閾值、預(yù)警閾值，當(dāng)采集數(shù)值超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警器并發(fā)送手機(jī)短信通知相關(guān)責(zé)任人。

四、安科瑞安全用電智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)和硬件選型

      本平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示：

硬件配置：

      1、平臺(tái)服務(wù)器：建議按照我方提供配置標(biāo)準(zhǔn)購(gòu)買(mǎi)，或者客戶(hù)自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置：（如申請(qǐng)阿里云可忽略）

2、現(xiàn)場(chǎng)硬件配置

方案一：100A以下回路，開(kāi)口式互感器

方案二：100A以下回路，普通互感器，會(huì)增加施工量

方案三：100A以下回路，普通電流互感器，探測(cè)器和無(wú)線(xiàn)模塊分開(kāi)，可適用多回路

      配置針對(duì)1個(gè)回路，剩余電流互感器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回路電流大小選擇。

運(yùn)行條件

1）瀏覽器運(yùn)行設(shè)備：

      臺(tái)式電腦（Windows XP以上），安卓系統(tǒng)或IOS系統(tǒng)手機(jī)（android 或IOS4.0及以上版本）。

2）瀏覽器端運(yùn)行環(huán)境：

      Windows系統(tǒng)下使用谷歌、火狐、360（速模式）等瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)。

主要技術(shù)指標(biāo) 

      數(shù)據(jù)上傳頻率：2分鐘

      通信方式：RS485、2G/3G/4G

      并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)量：>=10000

      歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：>=3年

五、結(jié)論

      軌道交通安全用電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)軌道交通用電安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將電力載波通信和全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法相結(jié)合，一方面安裝改造方便，另一方面保障了采集精度，可以對(duì)軌道交通用電回路電流過(guò)大、短路、溫度過(guò)高等情況進(jìn)行提前預(yù)警，提前采取措施，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。該系統(tǒng)不僅可用于軌道交通行業(yè)，也能用于工廠(chǎng)商業(yè)領(lǐng)域安全用電監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王永生，低壓配電網(wǎng)用電安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究 [J]. 機(jī)電信息，2017，（27）：18-19.

[2]周湘杰，軌道交通安全用電智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究.

[3]安科瑞安全用電管理云平臺(tái)樣本.2020.2版.