城市轨道交通电源屏系统的故障检测研究路径.pdf

2022.03真情 管理观察263 城市轨道交通电源屏系统的故障检测研究路径刘继光辽宁省交通高等专科学校摘要：城市轨道交通中对电源屏系统的管理是一个必不可少的环节，一个安全，稳定，可靠性强的供电系统才能保证城市轨道交通的安全运行。为了确保供电系统拥有很强的可靠性，能够长期保障城市轨道交通的安全、稳定运行，对供电系统中的电源屏系统进行故障的检测与监控就显得尤为重要，本文正是以此为依据来开展城市轨道交通电源屏系统的故障检测系统研究与实现。关键词：轨道交通；电源屏；系统；故障检测一、研究现状为了解决城市轨道交通电源屏系统的故障检测问题，预期提出并设计一种电源屏系统故障检测的完整解决方案。实现对于城市轨道交通电源屏系统的本地和远程监控。下面对研究的现状与问题进行分析。（1）国内外同类工作的研究现状我国城市轨道交通为了实现提速、重载、扩能、安全的目标，从国外引进和国内开发了许多先进技术。其中电源屏的应用与研究是我国城市轨道交通发展的重要组成部分，同时国内外的发展状态与技术手段基本保持在相当的水平，因此我们探析国内外研究现状时，主要以国内电源屏的研究与发展为切入点和主线。当前，电源屏的供电质量、供电安全性及可靠性也随着城市轨道交通的快速发展不断得到提高。我国城市轨道交通信号电源屏经历了四个发展阶段，现己形成了类型多样、功能齐全、安全可靠的信号电源屏系列产品。1）第一代电源屏我国的信号电源屏出现于 20 世纪 GO 年代后期，是我国城市轨道交通信号电源不断改进、不断完善和不断发展的产物。第一代电源屏一般都采用工频变压器加相控整流器来完成电气隔离和电压变换任务。2）第二代电源屏70 到 80 年代，一些先进的铁路信号设备开始陆续投人使用，第二代信号电源屏开始采用自动补偿稳压器(机械调压型稳压、感应调压器式稳压器)、铁磁谐振稳压(磁饱和稳压器、恒压变压器、参数稳压器)来满足信号设备的要求。参数稳压技术是利用非线性元件对电路中的电压和电流进行调整，实现输出电压稳定。3）第三代电源屏90 年代，铁路信号电源屏开始采用微电子补偿式(无触点自动补偿稳压器)来进行调压，无触点补偿型自动稳压器的调压系统是“多路补偿变压器组合群体”，通过“多路全桥功率电路”来控制多个无触点开关的通断取得正负补偿电压。4）第四代电源屏从 90 年代后期起，针对当时铁路信号电源屏制式单一、种类繁杂整体技术落后，不能适应铁路信号新的装备技术的发展，多家企业和研究所于开始论证，开发和研制了铁路信号智能化电源屏，2000 年第一套智能化电源屏通过了铁道部技术鉴定。原铁道部运输局于 2005 年 12 月 22 日印发了铁路信号智能电源屏技术条件(暂行)，统一了标准，规范了功能，提高信号设备供电的可靠性，便于电务维护与管理。随着铁路客运专线的大批建设，信号电源屏前置大功率UPS(不间断电源)方式，在铁路客运专线信号电源系统中得到广泛应用。这种前置大公率 UPS 并接、交直流模块并联冗余输出等技术，完全实现了信号设备不间断供电，己成为城市轨道交通电源屏系统的主要特征。目前，已有近十家单位掌握了智能电源屏技术。它们的电源屏设备应用在全国各地的车站，以及城市轨道交通领域，但某些电源屏不具备完全且直观的故障检测与监控功能。部分公司最近新研发的电源屏具有故障的检测与监控功能，但在范围内更换电源屏，存在时间周期长、价格昂贵的问题。所以范围内更换电源屏不是解决问题的根本方法，应该从城市轨道交通现场使用的电源屏解决问题。当然，国内和国外一些公司研制的电源屏具备了故障的检测与监控的全功能，如施耐德电气电源屏、德力西电源屏、上海工控电源屏、正泰电气电源屏等。但这些产品主要应用于工业系统中，并且它们并不具备通信功能，所以并不满足城市轨道交通系统电源屏远程监控的需求1。（2）存在问题从城市轨道交通电源系统的研究现状我们可以看到，其在技术上已经有了长足的进步，但部分正在线路上使用的电源屏系统功能还不够完善，尤其是对于电源屏系统的故障检测与监控功能。根据项目组前期的调研发现在成都地铁、西安地铁、郑管理观察 264 州地铁等城市轨道交通运营公司的电源屏系统中均没有系统的故障检测与监控功能，电源设备出现异常后在 ATS 界面无自动报警功能，只有故障对行车产生影响后或巡检人员及站务人员定期巡查时才能发现并处理，此类故障会导致本站 ATS工作站停止工作，相关车站及所对应区间内信号无线设备断电失效，列车产生紧急停车以及不能在相关区间以 CBTC 模式运行，对市民的乘车舒适度及列车正点率产生较大的影响。二、研究意义城市轨道交通中对电源屏系统的管理是一个必不可少的环节，一个安全，稳定，可靠性强的供电系统才能保证城市轨道交通的安全运行。但是，每个供电系统都有着缺陷，无论是自然原因:雷电天气、火灾等意外情况，还是其本身存在的缺点，如:设备的老化、设备间的电磁干扰、噪声的干扰等，都会使得供电系统变得不安全，可靠性不强。一旦供电系统出现了问题，那么对城市轨道交通势必会带来严重的后果。比如，地铁的停运导致人流量短时间内过大，可能会引起恐慌踩踏等意外事件，严重的还可能会导致交通事故的发生等等。为了确保供电系统拥有很强的可靠性，能够长期保障城市轨道交通的安全、稳定运行，对供电系统中的电源屏系统进行故障的检测与监控就显得尤为重要，并且对其进行深入的研究将具有深远的现实意义2。三、研究必要性（1）增强系统的可靠性通过本项目的研究与开发，可有效避免因电源设备故障导致所辖设备掉电使列车运营延误，降低了故障不能被及时发现的风险，从而保证信号系统可靠性。（2）提升网络化管理城市轨道交通行业所涉及的设备越来越多，所以电源屏系统对应的设备也越来越多，管理人员不可能实时在这些设备附近。因此，当系统出现异常时，管理人员很难在第一时间赶到现场，所以将电源屏系统的故障和监控数据通过网络传递给管理人员，让管理人员可以实时进行远程监控终将成为大趋势。（3）降低维护成本传统方式中，对电源设备的管理和维护大都是采用点对点的人工监控方式。本项目将把不具备统一监控和检测功能的电源屏系统建立起网络连接，改善电源屏系统设备维修工作量，减少所需成本，实现设备现场无人监控。综上所述，在城市轨道交通的系统中合理地应用电源屏系统，并加以维护和管理，就可以避免发生一些由于供电质量不好而造成的严重后果（数据的丢失、设备的停运、设备不可逆转的损坏等）。城市轨道交通电源屏系统的检测与监控系统能够及时通知设备管理员，提升设备的使用率，增加使用寿命，保障用电安全3。四、关键问题（1）系统框架的构建设计出一套具备实时监控、数据传输、智能监控和本地显示等功能的较为完善的监控系统。这就需要项目组的全体成员通过充分的调研与研讨，反复的进行合理化设计才能实现。（2）各单元核心模块的选择监控系统预期包括智能数据采集单元、智能数据监测单元和网络数据传输单元三个主要的核心单元。每个单元核心模块的选择都需要经过数次的研讨与分析，尤其智能数据采集单元中的核心控制器的选型、智能数据监测单元中的开发环境选择以及网络数据传输单元中如何与现有系统的兼容4。五、研究内容城市轨道交通部分正在线路上使用的电源屏系统功能还不够完善，尤其是对于电源屏系统的故障检测与监控功能。主要从研究背景及意义、监控系统的整体构架以及各个监控单元等方面进行开展，从而实现城市轨道交通电源屏监控系统，如图 1 所示。（1）了解掌握电源屏监控系统的历史发展和研究现状，对电源屏监控的发展进行展望。（2）研究整个监控系统的总体架构，设计并实现系统中的各个监控单元，研究如何通过这些监控单元搭建一个对电源屏进行监控的大系统。（3）系统智能数据采集单元，预期采用一块单片机作为主控芯片，包括电源电路、接口转换电路和数据处理电路等部分，最终实现对电源屏系统的智能数据采集功能。（4）系统智能数据监测单元，包括整个单元的功能设计，使用何种通讯协议、与数据采集单元通讯的参数配置、个人机交互界面的设计以及数据运行显示界面，软件上实现监控单元的数据采集过程以及与其他单元通信的过程。（5）系统网络数据传输单元，该单元在整个系统中承担的着数据传路径的重要角色，预期通过在整个数据通信网络中划分新的 WLAN，然后将采集到的数据传送至监测单元。图 1研究内容2022.03真情 管理观察265 六、研究方法（1）数据分析法对进行研究就显得尤为重要。所以在进行探索的过程中，我们需要充分利用大数据的分析方法来进行相关研究。（2）仿真试验法利用仿真试验法，在研究过程中搭建仿真的试验环境，不涉及实际的地铁系统，仅对项目组的研究成果在仿真的条件下先进行充分的试验，确保其实际应用的性能。（3）实验测试法利用实验测试法，在沈阳地铁的电源屏系统进行实验。这种情况下的实验测试结果对项目的研究具有重大的意义。通过这种方法能够进一步确保研究成果在实际应用中的安全性。（4）联合调试法形成的监控系统通过仿真试验和实验测试后，预期将与沈阳地铁建立联系，并在沈阳地铁一号线的实际设备或试车线设备上进行联合调试，以检验系统运行的功能和可靠性，为将来的成果转化打下坚实的基础。图 2研究方法七、技术路线预期在各种研究方法指导下进行项目的具体实施。通过资料查阅与调研的方法，进行项目所提出问题的理论研究并明确提出所待解决的城市轨道交通现阶段存在的实际问题；通过数据分析法，找到电源屏系统中都需要采集那些重要的数据，从而实现项目整体研究框架的设计，在框架的指导下再有序的开展研究；利用仿真试验法和实验测试法，来解决项目研究过程中会出现的关键技术问题；最后利用联合调试法，把取得的研究成果在沈阳地铁的实际运营设备或试车线设备上进行联合调试，实现应用的目标5。研究的具体技术路线如图 3 所示。八、特色与创新（1）来源于城市轨道交通行业实际问题从前期的资料搜集和调研开始，都是紧紧的围绕城市轨道交通行业现在有待解决的技术问题，来源于专业教师与城市轨道交通一线的检修人员和工程师多次的反复沟通与交流，是其日常工作中急需解决，但有具备相当难度的技术问题。（2）完善系统降低维护成本电源屏监控系统将在一定程度上完善城市轨道交通的供电系统。按照传统的监控方式，所花费的人力会越来越多，维护和管理成本也就随之增加。对电源屏系统进行统一监控、统一维护与管理，完成了系统功能，降低了系统维护成本。参考文献：1 王福鑫,黄幸福,郑侃.城市轨道交通集中 UPS 电源系统设置方案研究 J.中小企业管理与科技,2020(4):194-196.2 杨月琴.浅谈城市轨道交通信号电源 J.南方农机,2017,09(v.34;No.244):90+108.3 梁青义.信号智能电源屏常见故障及维修处理措施J.电子世界,2017,11(No.447):142-142.4 朵建华.地铁信号系统电源配置方案探讨 J.城市建设理论研究（电子版）,2015,000(023):667-667.5 朵建华.宁波轨道交通 3 号线信号系统电源设备加强措施 J.城市轨道交通研究,2018,021(010):123-127.基金项目：辽宁省教育厅 2021 年度科学研究经费项目（面上项目）（项目编号：LJKZ1231）；辽宁省交通高等专科学校 2021 年度校应用技术研究项目（项目编号：lnccjyky202106）。图 3技术路线