鐵路智能信號電源系統監測單元研究

趙麗琴，李國慶，李秀聰

（1.柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州 545616；2.中鐵四院集團南寧勘察設計院有限公司，廣西南寧 530000）

1 鐵路智能信號電源系統概述

鐵路智能信號電源系統作為軌道交通中的專用電力供應系統，其可靠性要求非常高。利用現代監控手段，對電源系統的各種工作狀態進行實時監控，以便能及時地發現并解決出現的問題，保證鐵道信號裝置的安全可靠工作。鐵路智能信號電源系統在軌道交通中的應用，對于保障軌道交通的安全性和運營效益有著重大的作用。

鐵路智能信號電源系統主要由以下內容組成：①電源設備：電源設備是智能信號電源系統的基石，主要由整流器、穩壓器、濾波器等構成，將輸入的交流電源變換成平穩的直流供電，以達到鐵路信號設備對電源質量的需求；②監控裝置：監控裝置是該系統的中心部件，其功能是對系統的各種工作參數（電壓、電流、功率因數、溫度等）進行實時監控，并將監控結果傳送到中央處理器，分析判定電源系統的工作狀態，以便能夠及時地發現并解決問題；③處理器：處理器負責對監控裝置傳送來的資料進行處理與解析，依據預先設定的門限值及警報準則判定電源系統的工作狀態，并作出相應的處理；④通信界面：通信界面將監控信息傳送給上位機，對電源系統進行遠程監視與管理，實現了對電源系統的監測、控制指令、告警等功能；⑤人機接口：對電源系統工作狀態、監控信息進行實時監控，并能接受使用者的工作指示，人機界面通過液晶顯示屏和觸摸屏，為用戶提供了良好的操作體驗。

2 鐵路信號監測電源單元設計

2.1 需求分析

2.1.1 中心單元

本設計的中心單元采用了工控機，能夠接收來自下位機發出的單元采集數據并完成組網任務，負責儲存輸入、輸出對應的電壓、電流信息，確保監測數據存儲有效性，并通過報表、圖形等形式將系統監測信息以及報警信息內容顯示出來。通常情況下，信息存儲時間需要控制在30 d 以上，系統報警信息的存儲時間需要控制在90 d 以上。

2.1.2 報警功能

系統報警功能的設定，需要符合下述規定要求：①顯示、記錄并保存所有的故障報警信息，主要包括故障數據、故障時間和故障描述內容；②故障消除后，需要準確記錄并保存故障消除（即系統恢復正常工作狀態）的時間信息；③報警過程中，顯示界面需要及時彈出對應的閃爍報警窗口，同時發出報警提示音。

2.1.3 電磁兼容性

（1）電源端口信息的傳導發射需要滿足以下要求：0.15～0.50 MHz 區間內，準峰值標準為79 dBμV，系統平均值為66 dBμV；0.50～30 MHz 區間內，準峰值標注為73 dBμV，系統平均值為60 dBμV；在過渡頻率為0.50 MHz 時，需要采用較低限值標準。

（2）機箱端口區域的輻射發射標準要求如下：30～230 MHz 區間內，系統準峰值限值設定為10 m 測試距離為40 dB（μV/m）、3 m 測試距離為50 dB（μV/m）；230～1000 MHz 區間內，系統準峰值限值設定為10 m測試距離為47 dB（μV/m）、3 m 測試距離為57 dB（μV/m）；過渡頻率為230 MHz 時需要采用較低限值標準。EMS符合標準詳情如表1 所示。

表1 EMS 項目及標準

2.2 采集單元設計

為克服采集頻率以及精度過低對信號造成的干擾，需要根據現場的實際需求并適度提升采集單元中的硬件精度，保證選型效率，并配合更加優化的算法，以保證采集信息的精準度。

首先，將采樣到的頻率信息按照級別的差異劃分出具體級別，并確定采樣周期：①輸入電源端的采樣周期需要低于10 ms；②系統輸出電壓對應的采樣周期需要控制在250 ms 范圍內，其中，KZ/KF 電源需要控制在150 ms 范圍內。

其次，將信號采集精度根據信號性質的區別設定精度范圍：①電壓型信號采集精度浮動范圍±1%；②電流型信號采集精度浮動范圍±2%；③頻率型信號采集精度浮動范圍：±0.5 Hz；④相位角型信號采集精度浮動范圍為±1°。

3 鐵路信號系統設計

3.1 信號系統功能設定

在本文的設計方案中，集控測試裝置控制核心系統分別包括：電源電路模塊、數據采集放大電路模塊、A/D 轉換電路模塊、MAX232 串行接口電路模塊、單片機外圍電路模塊、繼電器輸出電路模塊以及LED 顯示電路模塊等。裝置配置有2 個測試用接口：①電源接口，主要用途為連接單車端的DC 110 V 插座；②控制插座，主要用途為與單車端的通信連接器進行連接。上述2 個接口均采用標準的航空插座，具有插拔方便、電氣特性良好的特點。裝置的工作電源主要來自單車電氣柜裝置的AC 220 V 插座。智能電源信號管理系統結構如圖1 所示。

圖1 智能電源信號管理系統結構

集控測試裝置包含的主要任務是相繼實現單車塞拉門控制測試任務、全/半燈控制測試任務、安全環路測試任務。

（1）完成單車車門控制試驗過程中，裝置按照測試平臺給出的控制指令實現控制切換，并將引入系統的DC 110 V 電源準確供應至對應的塞拉門控制箱，使其為對應的集控中心提供工作電源，以保證核心系統的運行穩定性。

（2）在全/半燈試驗的過程中，裝置本身的核心控制系統需要按照上位機發出最終全燈、半燈控制信號執行操作任務，并將DC 110 V 發出的控制信號準確傳遞至對應的燈控制回路中，以達到對全/半燈開關的有效控制效果。

（3）在無安全報警的狀態下，車端匹配的硬線電壓標準為DC 110 V 高電平。出現安全報警后，車端硬線電壓會轉化為0 V 低電平。裝置核心控制系統能夠準確檢測出車端安全環路中的硬線電壓，并據此判斷安全環路是否存在報警。

3.2 信號采集取樣設計

用測試用線纜將已經裝置完畢的DC 110 V 插座與車端DC 110 V 插座進行連接，此時通信控制插座需要與車端通信控制連接器使用插座連接。連接好所有線纜裝置后，正式合上單車中的控制電源，然后打開設備工作電源，并啟動工控機中的測試平臺軟件。在通信連接工作全部完成后，即可通過工控機中的測試平臺軟件完成操作控制裝置任務。對不同功能執行測試，測試數據結果會自動存儲在工控機中，以供后續打印或查詢。智能信號電源系統的監測單元如圖2 所示。

圖2 智能信號電源系統監測單元

為保證采集板功能的標準統一，系統的所有交流、直流信號均需要統一標準的獨立通道完成數據采集任務。其中，在信號調理電路的設計過程中，需要同時滿足交流、直流信號的采樣需求。在全部信號經過信號初次取樣處理后，其電壓最大值需要統一整定至2 V 對應的電壓或電流額定值水平，以保證最終采集信息的準確性和執行標準的統一性。

4 結束語

鐵路系統中的電力電子設備在實際使用過程中，信號干擾源主要源自3 個方面，分別為空間干擾源、傳輸通道干擾源以及供電系統干擾源。設計人員需要對設備自身的輻射條件和抗擾能力做出充分考量，降低傳輸線路長度標準、延時水平、畸變水平、衰減比例以及其他通道干擾的不良影響，避免供電端出現過壓、欠壓、浪涌、諧波、跌落等情況，同時設定整機綜合布線方式、接地方案，進一步提升測量精度，為監測單元提供良好的工作穩定性保障。