秦 超

（沈陽鐵道科學(xué)技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽 110013）

0 引言

在電氣化鐵路上，電力機(jī)車是將走行軌道作為牽引電流回流的主要途徑，大部分電流經(jīng)過與之相連的吸上線直接回到變電所，吸上線的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)直接影響相關(guān)聯(lián)信號設(shè)備的正常工作[1-3]?，F(xiàn)階段，只能通過測試列車通過時(shí)吸上線上產(chǎn)生的回流電流來判斷吸上線的連接狀態(tài)。由于信號設(shè)備檢修天窗時(shí)沒有列車通過，吸上線上不能產(chǎn)生回流電流，因此無法通過人工對吸上線的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。

為了解決上述問題，該文提出了吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自感應(yīng)取電的方式，長期、穩(wěn)定地為設(shè)備供電，能夠?qū)ξ暇€的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并采用穩(wěn)定成熟的4G無線傳輸方式將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)程管理平臺，配合輔助監(jiān)控設(shè)備，將吸上線的工作狀態(tài)定時(shí)反饋給作業(yè)人員，有助于保證鐵路牽引回流的穩(wěn)定性以及保障電務(wù)設(shè)備正常工作的安全性，對鐵路系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)輸具有重要意義。

1 吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)利用先進(jìn)的電磁感應(yīng)取電的方式來給設(shè)備供電；采用羅氏線圈搭配坡莫合金環(huán)的方式，并運(yùn)用精準(zhǔn)算法對線路的電流進(jìn)行測量；通過4G模塊穩(wěn)定地傳輸信號數(shù)據(jù)；客戶端還可以利用軟件對其進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分析、監(jiān)測。

吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由吸上線電流檢測裝置、吸上線電流遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)以及監(jiān)測與監(jiān)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)3個(gè)模塊組成，各模塊的功能簡介如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 吸上線電流監(jiān)測裝置

吸上線電流檢測裝置主要由數(shù)據(jù)采集控制單元、測量取能用電磁芯以及固定裝置組成，如圖2所示。

圖2 吸上線狀態(tài)監(jiān)測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中，數(shù)據(jù)采集控制單元主要分為供電模塊（取能、儲能）、電流采集、數(shù)據(jù)存儲單元、測量單元、通信模塊和時(shí)鐘模塊。

1.1.1 電流采集傳感器

電流采集傳感器作為系統(tǒng)的重要元器件，主要用于采集線路中瞬時(shí)暫態(tài)電流值（包括機(jī)車通過和未通過的瞬時(shí)暫態(tài)值），電流傳感器采用高精度電流互感單元，能夠有效分辨1 A以下的電流值。

1.1.2 取能傳感器

取能傳感器是系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，主要通過電磁耦合的方式從線路中取出能量，再分別給控制單元和儲能單元提供電能，該文設(shè)計(jì)的取能傳感器的取電功率可控，大電流不會(huì)過載。取電模塊選用特制合金材料，因此取電效率高且無生銹問題。

電能采集傳感器采用軟磁合金中可塑性較好的鐵鎳合金。通過適當(dāng)工藝對鐵鎳合金進(jìn)行加工后生產(chǎn)的產(chǎn)品可以有效地控制磁性能，其中1J85的初始磁導(dǎo)率高，適合作為弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。自取能傳感器采用1J85鐵鎳合金。

交流電流流過磁芯繞線線圈要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢通過負(fù)載電阻輸出功率[4-5]，如公式（1）所示。

式中：P為輸出功率，滿足設(shè)計(jì)要求取10 W；R為負(fù)載電阻，滿足設(shè)計(jì)要求取10 Ω；E為感應(yīng)電動(dòng)勢。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的公式如公式（2）所示。

式中：SC為鐵芯截面積，cm2；f為交流工作頻率，通常為50 Hz；K為鐵芯的疊片（卷繞）系數(shù)，通常取值0.9；N2為鐵芯二次繞組匝數(shù)。

求解SC的公式如公式（3）所示。

通過反復(fù)試驗(yàn)可知，取能傳感器在不同繞線匝數(shù)下的取能能力，當(dāng)1 020取能傳感器的負(fù)載電阻為500 Ω 且繞線匝數(shù)約為320匝時(shí)的取電功率最大；當(dāng)1 020取能傳感器的負(fù)載電阻為1 000 Ω 且繞線匝數(shù)約為450匝時(shí)的取電功率最大。由于實(shí)際應(yīng)用中匝數(shù)越少其穩(wěn)定性越好，因此為了滿足最大取電功率性能的要求，系統(tǒng)選用負(fù)載電阻為500 Ω、繞線匝數(shù)為300匝的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的取值范圍為0.6 T～0.8 T，該設(shè)計(jì)取值為0.6 T，由此可以推算出鐵芯的截面積SC，如公式4所示。

通過測量現(xiàn)場吸上線穩(wěn)定電流值的大小，最終設(shè)計(jì)鐵芯的截面積SC為2 cm2。

1.1.3 儲能單元

取能傳感器將線路中取出的能量補(bǔ)充到超級電容中，當(dāng)線路中的能量不夠支撐控制單元工作的時(shí)候，它就會(huì)替代取能傳感單元給主控單元供電[6-10]。

2 吸上線狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

吸上線狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可以清晰地反映出吸上線全天的電流變化信息，包括不過車的基準(zhǔn)電流值、過車瞬時(shí)電流信息以及吸上線故障時(shí)系統(tǒng)提示的呼吸燈報(bào)警信息，可以為監(jiān)測人員提供最直觀、必要的監(jiān)測信息。

2.1 主界面設(shè)計(jì)

成功登陸系統(tǒng)后，默認(rèn)進(jìn)入全景監(jiān)控子頁面。以鐵路示意圖為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)將Web端軟件作為登錄入口。

2.2 子界面設(shè)計(jì)

全景監(jiān)控界面的左側(cè)為組織架構(gòu)樹狀圖，它可以顯示站點(diǎn)和區(qū)間信息。樹狀圖上方包括搜索欄，可以根據(jù)名稱搜索站點(diǎn)、區(qū)間以及具體監(jiān)測點(diǎn)。單擊樹狀圖的監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，該檢測點(diǎn)就會(huì)突出高亮顯示。

全景監(jiān)控界面的右側(cè)為區(qū)間示意圖，它可以顯示該站點(diǎn)吸上線的狀態(tài)信息，它包括多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)會(huì)以顏色來區(qū)分不同狀態(tài)：綠色代表正常在線，黃色代表故障離線、灰色代表未啟用，紅色代表數(shù)據(jù)報(bào)警。監(jiān)控點(diǎn)可以顯示對應(yīng)的狀態(tài)信息（包括設(shè)備ID、位置信息、所屬區(qū)域以及工作狀態(tài)），單擊監(jiān)控點(diǎn)可以跳轉(zhuǎn)到電流曲線圖界面。

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可以以時(shí)間為單位查詢、下載各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的歷史電流變化曲線（包括電流的最大值、最小值以及平均值）和故障報(bào)警數(shù)據(jù)，并按組織架構(gòu)分級設(shè)置訪問權(quán)限。

2.3 平臺加密設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用終端加密+服務(wù)器解密+用戶key的方式保證數(shù)據(jù)不受外部侵襲。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集終端

采集終端安裝即用型Ready-to-Use安全元件，在數(shù)據(jù)采集終端將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器之前，該安全元件會(huì)對提交的信息進(jìn)行處理（包括加密、消息數(shù)字簽名）。

2.3.2 服務(wù)器端

服務(wù)器搭載多SE PCI/PCI-E拓展卡，并支持遙測傳輸協(xié)議（Message Queue Telemetry Transport，MQTT）。當(dāng)服務(wù)器收到終端上傳的加密數(shù)據(jù)時(shí)，先驗(yàn)證簽名是否正確，如果正確就解密，解密之后再將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫。

2.3.3 用戶終端

用戶終端安裝USB Key型安全元件。在建立通信連接之后，服務(wù)器會(huì)先對用戶終端（安全元件）進(jìn)行身份驗(yàn)證，用戶終端與服務(wù)器之間交換的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過安全元件處理（包括加密、消息數(shù)字簽名）。

3 輔助監(jiān)控系統(tǒng)

為了更精確地反應(yīng)線路電流與來往車輛信息的對應(yīng)關(guān)系以及方便巡檢偏遠(yuǎn)地區(qū)吸上線電流采集點(diǎn)的設(shè)備工作狀態(tài)，該文設(shè)計(jì)了輔助監(jiān)控設(shè)備來完善吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的功能。輔助監(jiān)控設(shè)備的設(shè)置，不僅可以有效、直觀地對比線路電流的波動(dòng)情況與車輛的運(yùn)行情況；還可以在監(jiān)測電流異常時(shí)，通過對比監(jiān)控信息更加直觀地判斷現(xiàn)場的故障情況，真正實(shí)現(xiàn)對吸上線狀態(tài)的智能化監(jiān)測。

監(jiān)控?cái)z像頭滿足低功耗的工作要求，在沒有車輛經(jīng)過時(shí)保持睡眠狀態(tài)，有車輛經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)時(shí)喚醒監(jiān)控?cái)z像頭，因此耗電量低至mW級別。采集的影像資料通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺，并對其進(jìn)行收集和比對。

4 現(xiàn)場試用情況

吸上線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)選取了3個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)，分別是輝山站（車流量小，吸上線上電流較小）、大成站（沈于線站內(nèi)測試點(diǎn)、沈于線區(qū)間測試點(diǎn)）以及虎石臺站（臨近變電所，吸上線上電流較大），涵蓋了各類吸上線通過電流的情況，可以驗(yàn)證設(shè)備的工作性能。三批試點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)完整、精確，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、便于操作。吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝效果如圖3所示。

圖3 吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場照片

4.1 輝山站試點(diǎn)

輝山站日均列車走行對數(shù)較少，吸上線上回流較低，通過在該點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，可以驗(yàn)證設(shè)備在低電流情況下的取電性能以及在該工作條件下設(shè)備可持續(xù)運(yùn)行的能力。輝山站吸上線電流采集波形圖如圖4所示。

圖4 2019年11月18日輝山站吸上線電流波形

由圖4可以看到，輝山站的吸上線上的電流波形圖，橫坐標(biāo)X軸為時(shí)間軸，豎坐標(biāo)Y為電流值，由于車站列車走行對數(shù)較少，因此引起的吸上線回流電流波動(dòng)也偏低，線上電流平均值為34 A。

4.2 沈于線試點(diǎn)

大成站-沈于線上分別在站內(nèi)、區(qū)間各安裝1套設(shè)備，從而滿足對于同條線路站內(nèi)、區(qū)間不同點(diǎn)的吸上線狀態(tài)電流的監(jiān)控。大成站吸上線電流采集波形圖如圖5所示。

圖5 2019年11月18日沈于線吸上線電流波形

由圖5（a）和圖5（b）可以清晰地看出，在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)（同一列車走行）附近電流的波動(dòng)基本一致，電流24 h內(nèi)的峰值波動(dòng)區(qū)間基本一致，但是因?yàn)楸O(jiān)控兩點(diǎn)位置分別設(shè)在站內(nèi)、區(qū)間，臨道過車會(huì)對附近監(jiān)控點(diǎn)的電流造成影響，所以同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)附近電流波動(dòng)的數(shù)值有所偏差。

4.3 虎石臺站試點(diǎn)

虎石臺站旁設(shè)有變電所，日常吸上線上回流值較大，可以有效驗(yàn)證設(shè)備在長時(shí)間、大電流狀態(tài)下的電流采集及穩(wěn)定工作的能力?；⑹_站吸上線電流采集波形圖如圖6所示。

圖6 2020年1月15日虎石臺站吸上線電流波形

與圖5電流波形形成鮮明對比，虎石臺站靠近變電所且列車走行頻繁，設(shè)備于5:45安裝并正常運(yùn)行，遠(yuǎn)程端實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，虎石臺站吸上線上的電流波動(dòng)頻繁且數(shù)值偏高，最大電流峰值達(dá)到348 A。

圖7為虎石臺車站吸上線狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備輔助監(jiān)控系統(tǒng)的工作截圖，圖7（a）為監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程客戶端讀取錄制視頻的列表，記錄了2020年1月16日獲取的相關(guān)視頻信息，每個(gè)視頻錄制時(shí)間為8 s，即有列車行駛接近監(jiān)控點(diǎn)時(shí)，監(jiān)控?cái)z像頭通過感應(yīng)激活工作狀態(tài)開始視頻錄制，并將視頻保存至客戶端，方便日后查詢；圖8（b）為列車走行時(shí)視頻錄制的截圖，可以看到即使是在夜間錄制的視頻，其清晰度也非常高，并可以通過拍照功能截取圖片。

圖7 輔助監(jiān)控系統(tǒng)工作截圖

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場試用證明，研制的吸上線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)滿足北方低溫環(huán)境下低功耗運(yùn)行的條件，適用于線路復(fù)雜震動(dòng)及存在電磁干擾的環(huán)境，該系統(tǒng)采用自感應(yīng)取電方式長期、穩(wěn)定地為設(shè)備提供電源，可以對吸上線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并采用穩(wěn)定成熟的4G無線傳輸方式，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)程管理平臺。遠(yuǎn)程管理平臺能夠?qū)ξ暇€采集的電流信息進(jìn)行分析反饋，工作人員可以隨時(shí)掌握吸上線的運(yùn)行情況。當(dāng)吸上線發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)配合輔助監(jiān)控設(shè)備能夠精準(zhǔn)識別吸上線的故障類型，并快速定位故障區(qū)段，同時(shí)通過無線傳輸?shù)姆绞?，將線路故障情況發(fā)送給遠(yuǎn)程管理平臺和現(xiàn)場作業(yè)人員，從而縮短對吸上線故障響應(yīng)和處理的時(shí)間，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對吸上線狀態(tài)的智能化監(jiān)測，有助于保證鐵路牽引回流的穩(wěn)定性以及保障電務(wù)設(shè)備正常工作時(shí)的安全性，對鐵路系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)輸具有重要意義。