浅谈智能安全用电系统在轨道交通中的应用

关键词:轨道交通；安全用电；智能监测；电力载波
 
一、引言：
      铁路、轻轨、地铁等轨道交通在国家经济的发展中起着至关重要的作用。随着电气化发展和智能化进程，轨道交通中电气设备数量和用电负荷不断的增加，这对用电安全提出越来越高的要求。近年来，电气火灾在轨道交通事故所占比例不断增大，且轨道交通投资巨大、设备复杂多样、人员密集，一旦因电气故障发生火灾，将造成严重的后果。2012 年以来，全球发生轨道交通火灾事故 2000 多宗，电气火灾成因占32%。国内轨道交通发生火灾 100 余起，其中电气火灾成因占 26% 左右。
      为了预防电气火灾，提高用电安全性，对轨道交通系统用电状态进行智能监测，对可能发生的电气故障进行预警。这样可以将电气火灾消灭在萌芽阶段，防止造成巨大损失。国家有关部门早已认识到电气火灾在线监测的必要性，制定了一系列标准和规范，要求在建筑中设置电气火灾监控报警系统但对轨道交通电气火灾监测系统，暂未形成规范和标准，由于轨道交通用电设备的复杂性，对电气火灾的监测具有其特殊的要求。本文研究了适合轨道交通系统的安全用电智能监测系统，对铁路站场、牵引变电所、列车上的用电安全状态进行实时监控，对由于过流、短路、过温等情况进行提前预警，为提前采取避免火灾的措施提供依据，对防止电气火灾、排除电气故障、保证轨道交通系统人员及设备的安全具有重要的意义。
二、国内外研究现状                                                
2.1国外研究现状分析
      美、日、德等国轨道交通发展迅速，高铁和地铁在公共交通已成为不可替代的工具，由于轨道交通电气火灾时有发生，其对轨道交通电气火灾监测系统相继出台了规范和标准，强制对主要配电设备进行电气火灾监测。美国研制的电气火灾监测系统，进行电压、电流、剩余电流和温度的采集，利用网线将信号传输至控制中心，进行实时监控，该系统已在多个高铁站和地铁站使用。日本与德国也专门针对轨道交通研制了电气火灾监测系统，并建立了网络云端，对各监测点的状态进行整理，可实时查询用电状态。随着电气火灾监测系统的推广应用，2015 年以来，国外轨道交通的电气火灾起数每年以不小于 10% 的比例下降。
2.2国内研究现状分析
      随着国内高铁和地铁的快速发展，对轨道交通的电气火灾监测和预防也得到足够地重视。国内对于电力火灾的监控设备，主要集中于建筑供配电系统，进行简单的改动后应用于轨道交通中。目前，国内已有多个厂家进行了电气火灾监测系统的研制，并形成了推向市场的产品，在商场、医院、会展中心、车站等低压配电系统中得以应用。其中，剩余电流式电气火灾监控系统利用剩余电流传感器和温度传感感采集配电网络的剩余电流和线缆上的温度，以此为依据判断是否出现短路、漏电或过温情况，并通过 RS485 总线将数据传输至控制中心，对电气火灾进行预警针对国内轨道交通的特征，目前的电气火灾监测系统存在如下问题。
      （1）采用 RS485 总线、CAN 总线、网线和光纤等有线进行数据通信，需要额外敷设电缆或光纤，对于已经建设好的火车站、牵引变电所、地铁站等轨道交通电气火灾高隐患场所，安装常规电气火灾监测系统的施工难、周期长、成本高；而采用无线电进行数据通信，又存在传输距离有限、容易受干扰等问题。
      （2）数据采集精度不足，电流和温度的采集精度较差，无法对电流的配电线路进行精确监控。针对国内电气火灾监测系统存在的不足，本项目将电力载波通信技术和全相位快速傅里叶变换（APFFT）算法应用于轨道交通电气火灾监测系统中，开发轨道交通安全用电智能监测系统。                                     
三、轨道交通安全用电智能监测系统方案
      轨道交通安全用电智能监测系统如图 1 所示，由监测终端、传感器、集中器和显控中心组成。其中采集终端实现数据采集和处理，并设置有电力载波模块，用于数据传输；传感器包括多个电流传感器、1 个剩余电流传感器和多个温度传感器，用于将各相电流、剩余电流和各处温度参数转化为可供监控终端采集的电信号；集中器通过电力载波多个监测终端通信，对各监控终端的数据进行打包处理，传输各显控中心；显控中心包括计算机、监控软件和报警器，为操作人员提供数据显示、处理、参数设计和火灾预警。

3.1传感器选型
      本系统每个监控终端安装3个开口式电流传感器，分别套在 A、B、C 三相的进线电缆上，用于测量 A、B、C 三相的工作电流。另外使用一个大测量值为 1 A 的剩余电流传感器，套在 A、B、C、N 电缆上，用于测量剩余电流。电流传感器的输出为电压或电流模拟信号，量程由所测量配电电缆的额定工作电流决定，量程不小于额定工作电流的 2 倍。本系统选用 PT100 铂电阻温度传感器，在电控柜总电源进线处 A、B、C 三相各安装一个，并固定好，用于测量电缆线的表面温度；在电控柜空旷处安装一个 PT100 铂电阻型温度传感器，用于测量环境温度，温度传感器的输出为电阻信号。
3.2智能监测终端硬件功能
      智能监测终端的硬件电路板基于AD芯片+STM32F407核心处理芯片进行设计，引出RS485 总线用于对外通信。由于温度传感器输出为电阻信号，无法直接采集，本系统采用恒流源芯片将电阻信号转为微电压信号，再经运放电路放大后，由监控终端进行采集。此外，为了解决PT100电阻信号的非线性问题，提高温度采集精度，在核心处理芯片中进行查表处理。硬件电路板支持通信地址及阈值参数的读写，通信地址及阈值参数写入 FLASH 中，掉电不丢失。安装调试探测器时，使用小型触摸显示屏，就地查看采集数据并设定阈值。电路板上预留指示灯和 D0 接口，出现温度报警时可以通过 D0 接口输出一对无源干接点，作为2.3智能监测终端软件功能本项目智能监控终端软件基于 STM32F407 核心处理芯片进行开发，具体功能有：使用 FSMC 总线进行AD 采集；电力载波通信协议对接；温度计算查表；输出存储（掉电数据不丢失）；电流信号处理（采用APFFT 算法）。
3.3显控设备功能
      本系统的显控设备在设计时，充分考虑人机交付友好性，具有如下功能。
      （1）在线监测功能：显控设备实时接收各监测终端的数据，并对各节点的用电状态和电参数进行显示；对历史数据进行存储，可方便调取历史数据进行曲线绘制，监测各时段的电参数变化情况。
      （2）异常报警功能：当通过采集的数据，判断出现短路、漏电、过温等故障时，立刻进行声光报警，并在显示屏幕上显示异常情况和位置，使得操作人员迅速做出判断，采取应对措施。
      （3）多个报警信号处理：监控设备能显示监控报警信号的总数，当有多个监控报警信号输入时，监控设备按时间顺序显示报警信息，在不能同时显示所有的监控报警信息时，未显示的信息能手动可查。显控设备硬件电路板解析监控终端上传的信号，预留LCD显示接口、触摸按键接口、RS485、RS232接口，可直接在 LCD 显示屏上显示监控数据和报警信息，也可通过 RS485 或 RS232 接口与计算机相连，在计算机上显示监控数据和报警信息。上位机软件默认采用轮询方式与监控终端进行通信，按照地址逐个提取监控终端的数据，轮询时间及主界面数据刷新时间应可设置。上位机软件主界面能够实时显示多台探测器测试的电流、剩余电流值、电缆线温度、环境温度等参数，并能够存储历史数据、报警日志。操作人员可以设定电流和温度的报警阈值、预警阈值，当采集数值超过报警阈值时，将自动启动声光报警器并发送手机短信通知相关责任人。
 
四、安科瑞安全用电智能监测平台架构和硬件选型
      本平台的整体结构如图所示：

 
硬件配置：
 
      1、平台服务器：建议按照我方提供配置标准购买，或者客户自己租用阿里云资源。
推荐硬件配置：（如申请阿里云可忽略）

2、现场硬件配置
方案一：100A以下回路，开口式互感器

 
方案二：100A以下回路，普通互感器，会增加施工量

方案三：100A以下回路，普通电流互感器，探测器和无线模块分开，可适用多回路

      配置针对1个回路，剩余电流互感器根据现场回路电流大小选择。
运行条件
1）浏览器运行设备：
      台式电脑（Windows XP以上），安卓系统或IOS系统手机（android 或IOS4.0及以上版本）。
2）浏览器端运行环境：
      Windows系统下使用谷歌、火狐、360（速模式）等浏览器访问。
主要技术指标 
      数据上传频率：2分钟
      通信方式：RS485、2G/3G/4G
      并发访问量：>=10000
      历史数据存储：>=3年
 
五、结论
      轨道交通安全用电智能监测系统主要是对轨道交通用电安全状态进行实时监控，将电力载波通信和全相位快速傅里叶变换（APFFT）算法相结合，一方面安装改造方便，另一方面保障了采集精度，可以对轨道交通用电回路电流过大、短路、温度过高等情况进行提前预警，提前采取措施，避免严重事故的发生。该系统不仅可用于轨道交通行业，也能用于工厂商业领域安全用电监测。
参考文献：
[1]王永生，低压配电网用电安全监测技术研究 [J]. 机电信息，2017，（27）：18-19.
[2]周湘杰，轨道交通安全用电智能监测系统研究.
[3]安科瑞安全用电管理云平台样本.2020.2版.

作者简介：
王蒙蒙，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为安全用电智能监测系统的研发与应用。