倪小龍

（南京泰通科技股份有限公司，南京 210039）

1 概述

在鐵路沿線，山區(qū)、隧道和橋梁存在較多無(wú)線信號(hào)弱場(chǎng)區(qū)，主要采用GSM-R直放站來(lái)解決信號(hào)覆蓋。但直放站區(qū)域的供電環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷電、電網(wǎng)波動(dòng)的情況，為保證直放站長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，需要對(duì)直放站的多種供電電源進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，便于工程師的維護(hù)。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)控的電源數(shù)據(jù)也可分析出故障發(fā)生原因，有利于編制防護(hù)措施，提高直放站系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

直放站供電在實(shí)際工程中采用AC220 V或者DC48 V，同時(shí)布置一組蓄電池保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性。一般采用AC220 V或者DC48 V給直放站供電，若供電發(fā)生中斷，系統(tǒng)自動(dòng)切換至電池供電模式。當(dāng)供電恢復(fù)后，自動(dòng)切換至AC220 V或者DC48 V工作模式。同時(shí)給電池充電，電池充滿后處于浮充狀態(tài)。若未對(duì)電池供電進(jìn)行欠壓保護(hù)措施，一旦供電中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電池電量持續(xù)消耗為0。電池多次虧電，電池會(huì)損壞或壽命減少。為解決這些實(shí)際的工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)直放站供電監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 System architecture

正常情況下，系統(tǒng)通過(guò)市電220 V或DC48 V供電。當(dāng)供電中斷或電壓超出預(yù)設(shè)的安全值時(shí)，供電監(jiān)控終端監(jiān)控到供電異常信息，上報(bào)到網(wǎng)管平臺(tái)，顯示供電故障，提醒及時(shí)維修。當(dāng)供電異?；謴?fù)后，供電信息自動(dòng)恢復(fù)正常。外部供電中斷由電池供電后，一直未恢復(fù)外部供電，為保護(hù)蓄電池，供電監(jiān)控終端實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電壓，一旦電池電壓低于預(yù)設(shè)門(mén)限時(shí)，通過(guò)繼電器斷開(kāi)電池供電，避免電池耗盡，可有效延長(zhǎng)電池壽命。

3 供電監(jiān)控終端硬件架構(gòu)

供電監(jiān)控終端主要由嵌入式處理器LPC1768、交流電壓檢測(cè)電路、直流電壓檢測(cè)電路、以太網(wǎng)通信電路、繼電器控制電路和電源管理電路等組成。供電監(jiān)控終端硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 供電監(jiān)控終端硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of power supply monitoring terminal

嵌入式處理器LPC1768作為監(jiān)控終端的核心處理單元，具有豐富的片上和接口資源，主要調(diào)配各個(gè)模塊單元。由于采樣精度的要求，通過(guò)分壓電阻直接將大的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為小信號(hào)，通過(guò)專用采樣芯片進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)采樣，并通過(guò)光耦與處理器進(jìn)行隔離通信，防止強(qiáng)電干擾。故障信息通過(guò)以太網(wǎng)通道上傳至網(wǎng)管平臺(tái)。系統(tǒng)進(jìn)入電池供電模式后，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電壓，電池電壓過(guò)低，監(jiān)控終端控制繼電器斷開(kāi)電池供電。

3.1 電池電壓監(jiān)控與自動(dòng)切斷

市電或直流供電時(shí)，嵌入式處理器LPC1768通過(guò)采樣芯片獲取市電或直流供電正常，通過(guò)GPIO口控制電池線路上的繼電器吸合。開(kāi)關(guān)電源給電池進(jìn)行充電。當(dāng)市電或直流供電中斷后，處理器檢測(cè)到供電消失，開(kāi)始監(jiān)測(cè)電池電壓。一旦電池電壓低于設(shè)定值，立即關(guān)閉電池線路上的繼電器，電池與負(fù)載斷開(kāi)。處理器再次檢測(cè)到供電恢復(fù)后，恢復(fù)繼電器吸合，電池充電。

3.2 電壓檢測(cè)

3.2.1 電壓檢測(cè)原理

市電220 V交流電理想情況下為正弦周期信號(hào)，頻率為50 Hz。實(shí)際工程環(huán)境下，波形會(huì)發(fā)生失真，DC48 V和電池供電也存在波動(dòng)，因此計(jì)算有效值可表示為公式（1）。

公式（1）中，Urms為電壓有效值；U(t)為瞬時(shí)電壓值；T為檢測(cè)周期。

3.2.2 電壓檢測(cè)結(jié)果

對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，交流可調(diào)電源提供供電，改變電壓范圍 150 ～ 290 V，頻率 45 ～ 55 Hz。直流可調(diào)電源提供電壓 1～ 66 V。在 -25°C 、25°C、55°C環(huán)境下，測(cè)試交流電壓數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試直流電壓數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 交流電壓測(cè)試結(jié)果Tab.1 AC voltage test results

表2 直流電壓測(cè)試結(jié)果Tab.2 DC voltage test results

3.2.3 以太網(wǎng)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用100 Mbit/s以太網(wǎng)通道，嵌入式處理器已內(nèi)置MAC核，外圍電路需增加PHY內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)通信芯片。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議，作為客戶端，通過(guò)鐵路專網(wǎng)向網(wǎng)管平臺(tái)服務(wù)端上報(bào)數(shù)據(jù)，同時(shí)模塊也可以接受網(wǎng)管下發(fā)的命令。

4 供電監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

供電監(jiān)控終端程序工作的流程如圖3所示。

圖3 供電監(jiān)控終端程序工作流程Fig.3 Work flow of power supply monitoring terminal program

供電監(jiān)控終端上電開(kāi)啟的時(shí)候，電池線路繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)。首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括初始化繼電器的狀態(tài)、電壓監(jiān)測(cè)模塊、以太網(wǎng)通信模塊和處理器的寄存器等。然后進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)函數(shù)。程序一直檢測(cè)市電或直流的供電情況，任一供電方式正常則閉合電池線路上的繼電器，使電池處于充電狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到市電和直流的供電發(fā)生中斷，程序首先會(huì)把故障信息上報(bào)至網(wǎng)管平臺(tái)，然后監(jiān)測(cè)電池電壓情況。電池電壓正常則繼續(xù)循環(huán)監(jiān)控供電情況，一旦發(fā)現(xiàn)供電恢復(fù)則電池充電。當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)則斷開(kāi)繼電器，系統(tǒng)失去供電，進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，等待供電恢復(fù)。

根據(jù)公式（1）實(shí)現(xiàn)電壓有效值計(jì)算的軟件流程如圖4所示。

圖4 電壓有效值軟件實(shí)現(xiàn)流程Fig.4 Software implementation process of voltage effective value

采集到的電壓值，經(jīng)過(guò)平方計(jì)算（X2）、低通濾波器（LPF_RMS）、開(kāi)根計(jì)算（ROOT），得到有效值的瞬時(shí)值RMS_t，再經(jīng)過(guò)平均得到有效值的平均值（V_RMS）。

5 電源質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)影響分析

為分析電源質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓波形數(shù)據(jù)采集功能。功能實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 電壓波形采集方法Fig.5 Acquisition method for voltage waveform

如圖5所示，電壓通過(guò)模擬模塊放大器(PGA)和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）得到兩路1 bit PDM給數(shù)字模塊，數(shù)字模塊經(jīng)過(guò)采樣濾波器（SINC3）、高通濾波器（HPF）、通道偏置校正等模塊，得到需要的電壓波形數(shù)據(jù)（V_WAVE）。

采集到的電壓波形數(shù)據(jù)以7.8 k的速率更新，網(wǎng)管平臺(tái)會(huì)定時(shí)獲取全部的電壓波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。同時(shí)對(duì)網(wǎng)管收集到的故障告警信息進(jìn)行匹配，分析出供電異常造成的直放站故障報(bào)警。

6 結(jié)束語(yǔ)

供電的穩(wěn)定是直放站正常工作的基本保證，但實(shí)際工程中，供電的質(zhì)量難以保證。設(shè)計(jì)可監(jiān)控供電的終端設(shè)備，能對(duì)直放站的正常工作提供額外的保障。經(jīng)試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的直放站供電監(jiān)控系統(tǒng)，工作穩(wěn)定，測(cè)量精度高，可監(jiān)控電池狀態(tài)，延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控電源電壓數(shù)據(jù)，為解決供電造成的故障，提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。