淺談智能安全用電系統在軌道交通中的應用

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備的增加和用電負荷的變大，用電安全問題愈發突出，而對電力狀況在線監測和故障預警是實現安全用電的關鍵。本文研究了軌道交通安全用電智能監測系統。該系統通過電力載波技術可利用原電纜進行數據傳輸，簡化安裝難度，降低了改造成本；通過全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法進行數據處理，實現電流采集，可對軌道交通用電回路電流過大、短路、過溫等情況進行提前預警，避免嚴重事故的發生，對提高軌道交通系統用電安全性具有重要的實用價值。

關鍵詞:軌道交通；安全用電；智能監測；電力載波

一、引言：

      鐵路、輕軌、地鐵等軌道交通在國家經濟的發展中起著至關重要的作用。隨著電氣化發展和智能化進程，軌道交通中電氣設備數量和用電負荷不斷的增加，這對用電安全提出越來越高的要求。近年來，電氣火災在軌道交通事故所占比例不斷增大，且軌道交通投資巨大、設備復雜多樣、人員密集，一旦因電氣故障發生火災，將造成嚴重的后果。2012 年以來，發生軌道交通火災事故 2000 多宗，電氣火災成因占32%。國內軌道交通發生火災 100 余起，其中電氣火災成因占 26% 左右。

      為了預防電氣火災，提高用電安全性，對軌道交通系統用電狀態進行智能監測，對可能發生的電氣故障進行預警。這樣可以將電氣火災消滅在萌芽階段，防止造成巨大損失。國家有關部門早已認識到電氣火災在線監測的必要性，制定了一系列標準和規范，要求在建筑中設置電氣火災監控報警系統但對軌道交通電氣火災監測系統，暫未形成規范和標準，由于軌道交通用電設備的復雜性，對電氣火災的監測具有其特殊的要求。本文研究了適合軌道交通系統的安全用電智能監測系統，對鐵路站場、牽引變電所、列車上的用電安全狀態進行實時監控，對由于過流、短路、過溫等情況進行提前預警，為提前采取避免火災的措施提供依據，對防止電氣火災、排除電氣故障、保證軌道交通系統人員及設備的安全具有重要的意義。

二、國內外研究現狀                                                

2.1 國外研究現狀分析

      美、日、德等國軌道交通發展迅速，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時有發生，其對軌道交通電氣火災監測系統相繼出臺了規范和標準，強制對主要配電設備進行電氣火災監測。美國研制的電氣火災監測系統，進行電壓、電流、剩余電流和溫度的采集，利用網線將信號傳輸至控制中心，進行實時監控，該系統已在多個高鐵站和地鐵站使用。日本與德國也專門針對軌道交通研制了電氣火災監測系統，并建立了網絡云端，對各監測點的狀態進行整理，可實時查詢用電狀態。隨著電氣火災監測系統的推廣應用，2015 年以來，國外軌道交通的電氣火災起數每年以不小于 10% 的比例下降。

2.2 國內研究現狀分析

      隨著國內高鐵和地鐵的快速發展，對軌道交通的電氣火災監測和預防也得到足夠地重視。國內對于電力火災的監控設備，主要集中于建筑供配電系統，進行簡單的改動后應用于軌道交通中。目前，國內已有多個廠家進行了電氣火災監測系統的研制，并形成了推向市場的產品，在商場、醫院、會展中心、車站等低壓配電系統中得以應用。其中，剩余電流式電氣火災監控系統利用剩余電流傳感器和溫度傳感感采集配電網絡的剩余電流和線纜上的溫度，以此為依據判斷是否出現短路、漏電或過溫情況，并通過 RS485 總線將數據傳輸至控制中心，對電氣火災進行預警針對國內軌道交通的特征，目前的電氣火災監測系統存在如下問題。

      （1）采用 RS485 總線、CAN 總線、網線和光纖等有線進行數據通信，需要額外敷設電纜或光纖，對于已經建設好的火車站、牽引變電所、地鐵站等軌道交通電氣火災高隱患場所，安裝常規電氣火災監測系統的施工難、周期長、成本高；而采用無線電進行數據通信，又存在傳輸距離有限、容易受干擾等問題。

      （2）數據采集精度不足，電流和溫度的采集精度較差，無法對電流的配電線路進行精確監控。針對國內電氣火災監測系統存在的不足，本項目將電力載波通信技術和全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法應用于軌道交通電氣火災監測系統中，開發軌道交通安全用電智能監測系統。                                     

三、軌道交通安全用電智能監測系統方案

      軌道交通安全用電智能監測系統如圖 1 所示，由監測終端、傳感器、集中器和顯控中心組成。其中采集終端實現數據采集和處理，并設置有電力載波模塊，用于數據傳輸；傳感器包括多個電流傳感器、1 個剩余電流傳感器和多個溫度傳感器，用于將各相電流、剩余電流和各處溫度參數轉化為可供監控終端采集的電信號；集中器通過電力載波多個監測終端通信，對各監控終端的數據進行打包處理，傳輸各顯控中心；顯控中心包括計算機、監控軟件和報警器，為操作人員提供數據顯示、處理、參數設計和火災預警。

3.1 傳感器選型

      本系統每個監控終端安裝3個開口式電流傳感器，分別套在 A、B、C 三相的進線電纜上，用于測量 A、B、C 三相的工作電流。另外使用一個大測量值為 1 A 的剩余電流傳感器，套在 A、B、C、N 電纜上，用于測量剩余電流。電流傳感器的輸出為電壓或電流模擬信號，量程由所測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。本系統選用 PT100 鉑電阻溫度傳感器，在電控柜總電源進線處 A、B、C 三相各安裝一個，并固定好，用于測量電纜線的表面溫度；在電控柜空曠處安裝一個 PT100 鉑電阻型溫度傳感器，用于測量環境溫度，溫度傳感器的輸出為電阻信號。

3.2 智能監測終端硬件功能

      智能監測終端的硬件電路板基于AD芯片+STM32F407核心處理芯片進行設計，引出RS485 總線用于對外通信。由于溫度傳感器輸出為電阻信號，無法直接采集，本系統采用恒流源芯片將電阻信號轉為微電壓信號，再經運放電路放大后，由監控終端進行采集。此外，為了解決PT100電阻信號的非線性問題，提高溫度采集精度，在核心處理芯片中進行查表處理。硬件電路板支持通信地址及閾值參數的讀寫，通信地址及閾值參數寫入 FLASH 中，掉電不丟失。安裝調試探測器時，使用小型觸摸顯示屏，就地查看采集數據并設定閾值。電路板上預留指示燈和 D0 接口，出現溫度報警時可以通過 D0 接口輸出一對無源干接點，作為2.3 智能監測終端軟件功能本項目智能監控終端軟件基于 STM32F407 核心處理芯片進行開發，具體功能有：使用 FSMC 總線進行AD 采集；電力載波通信協議對接；溫度計算查表；輸出存儲（掉電數據不丟失）；電流信號處理（采用APFFT 算法）。

3.3 顯控設備功能

      本系統的顯控設備在設計時，充分考慮人機交付友好性，具有如下功能。

      （1）在線監測功能：顯控設備實時接收各監測終端的數據，并對各節點的用電狀態和電參數進行顯示；對歷史數據進行存儲，可方便調取歷史數據進行曲線繪制，監測各時段的電參數變化情況。

      （2）異常報警功能：當通過采集的數據，判斷出現短路、漏電、過溫等故障時，立刻進行聲光報警，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，采取應對措施。

      （3）多個報警信號處理：監控設備能顯示監控報警信號的總數，當有多個監控報警信號輸入時，監控設備按時間順序顯示報警信息，在不能同時顯示所有的監控報警信息時，未顯示的信息能手動可查。顯控設備硬件電路板解析監控終端上傳的信號，預留LCD顯示接口、觸摸按鍵接口、RS485、RS232接口，可直接在 LCD 顯示屏上顯示監控數據和報警信息，也可通過 RS485 或 RS232 接口與計算機相連，在計算機上顯示監控數據和報警信息。上位機軟件默認采用輪詢方式與監控終端進行通信，按照地址逐個提取監控終端的數據，輪詢時間及主界面數據刷新時間應可設置。上位機軟件主界面能夠實時顯示多臺探測器測試的電流、剩余電流值、電纜線溫度、環境溫度等參數，并能夠存儲歷史數據、報警日志。操作人員可以設定電流和溫度的報警閾值、預警閾值，當采集數值超過報警閾值時，將自動啟動聲光報警器并發送手機短信通知相關責任人。

四、安科瑞安全用電智能監測平臺架構和硬件選型

      本平臺的整體結構如圖所示：

硬件配置：

      1、平臺服務器：建議按照我方提供配置標準購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置：（如申請阿里云可忽略）

2、現場硬件配置

方案一：100A以下回路，開口式互感器

方案二：100A以下回路，普通互感器，會增加施工量

方案三：100A以下回路，普通電流互感器，探測器和無線模塊分開，可適用多回路

      配置針對1個回路，剩余電流互感器根據現場回路電流大小選擇。

運行條件

1）瀏覽器運行設備：

      臺式電腦（Windows XP以上），安卓系統或IOS系統手機（android 或IOS4.0及以上版本）。

2）瀏覽器端運行環境：

      Windows系統下使用谷歌、火狐、360（速模式）等瀏覽器訪問。

主要技術指標 

      數據上傳頻率：2分鐘

      通信方式：RS485、2G/3G/4G

      并發訪問量：>=10000

      歷史數據存儲：>=3年

五、結論

      軌道交通安全用電智能監測系統主要是對軌道交通用電安全狀態進行實時監控，將電力載波通信和全相位快速傅里葉變換（APFFT）算法相結合，一方面安裝改造方便，另一方面保障了采集精度，可以對軌道交通用電回路電流過大、短路、溫度過高等情況進行提前預警，提前采取措施，避免嚴重事故的發生。該系統不僅可用于軌道交通行業，也能用于工廠商業領域安全用電監測。

參考文獻：

[1]王永生，低壓配電網用電安全監測技術研究 [J]. 機電信息，2017，（27）：18-19.

[2]周湘杰，軌道交通安全用電智能監測系統研究.

[3]安科瑞安全用電管理云平臺樣本.2020.2版.