地铁整流器监控装置的研究

宋琳琳，尹晓光，李 强，高 昉

0 引言

随着国内国民经济的迅速发展和城市交通量的增长，以地铁为主的城市轨道系统在国内许多城市中得到了越来越广泛的应用。整流设备作为地铁直流牵引供电系统中的重要设备，其监测与控制部分的研究是十分迫切的。基于潜在的市场需求，研制高性能、高可靠性的地铁整流柜监控装置不仅具有广阔的市场前景，而且也可以提高国产工业控制器的制造水平，减少对进口产品的依赖，降低城市轨道交通建设的投资和维护成本。本文根据整流器柜监控装置功能原理，通过分析系统的需求对监控装置的功能进行设计研究。

1 牵引整流机组设备配置及工作原理

牵引整流机组包括牵引整流变压器和牵引整流器，它的主要功能是将其交流进线电压经过整流变压器降压，然后通过整流器将交流电转换成直流电向接触网供电。一个相数为p 的整流器，在其直流侧将主要产生n = kp 次谐波，而在其交流侧主要产生n = kp±1 次谐波[1]。为了提高功率因数、降低牵引变压器网侧线电压波形畸变，以减少对电网的干扰，以及降低输出直流电压的纹波系数，城市轨道供电系统中的牵引整流机组采用等效24 脉波整流电路[2]。

单台整流器由2 个6 脉波三相整流桥并联组成，其中一个三相整流桥接至牵引变压器阀侧星形绕组，另一个三相整流桥接至牵引变压器阀侧三角形绕组。由于每台牵引变压器阀侧星形绕组和三角形绕组对应的线电压相位错开π/6，将2 个整流桥并联便组成12 脉波整流电路，如图1 所示。

将2 台12 脉波整流器的整流变压器网侧绕组采用延边三角形移相的方法，使得一次侧绕组分别移相+7.5°和-7.5°，2 套整流机组并联运行构成等效24 脉波整流，如图2 所示。

2 监控装置的硬件结构原理

整流器（柜）监控装置的功能是对整流器运行各状态量集中进行采集、检测以及信号的传送，最终能以文字的方式显示各种运行状态和故障报警，并能将报警信号传送至变电所综合自动化系统。

图2 等效24 脉波整流机组示意图

2.1 系统硬件结构框图

根据整流机组所配备的过电压保护（换相过电压保护、交流侧过电压保护、直流侧过电压保护）、过电流保护、逆流保护、温度保护等各项保护，分别要采集直流侧电压、交流侧电压、逆流跳闸信号、温度传感器的测量值等量。因而，整流器（柜）监控装置硬件结构由电压电流采样模块（模拟量采集电路、数字量采集电路）、模数转换模块、微处理器模块、LCD 显示模块、键盘模块、CAN 总线接口模块和开关量输出模块等组成，其硬件结构原理图如图3 所示。

图3 硬件结构原理图

整流器（柜）监控装置通过采集整流器交流侧的电压、直流侧的电压、电流、与二极管串联的快速熔断器等信号，对各状态量集中进行监测，实时、准确地检测并监控交直流侧输出电压、直流侧输出电流、整流管的温度、快速熔断器上的微动开关信号等主要运行参数的状态信息，通过一套精确的控制方法，协调控制复杂系统中各单元信号，从而及时有序地输出相应的控制信号给直流断路器、继电器等，将报警信号、跳闸信号传送至变电所综合自动化系统，供值班人员处理。

2.2 微处理器模块

微处理器选用Cygnal公司的C8051F系列单片机中的C8051F206 芯片。该款单片机采用CIP-51内核，具有与MCS51 指令系统全兼容可用标准的ASM51Keil C 高级语言开发编译C8051F 系列单片机的程序。它包含一个12 位多通道ADC，有8K字节的FLASH 存储器，还有用硬件实现的UART和SPI 串行接口，拥有32 个通用的I/O 引脚，其中一些能用于指定的数字外设接口，任意一个I/O引脚均可配置成模拟信号输入至ADC。

2.3 交流数据采样模块

2.4 CAN 总线收发器

CAN总线收发器是CAN控制器与物理总线之间的接口，它能够提高对总线的差动发送和接收能力，它在微处理器的控制下，将装置实时采集的各状态量传送到变电站综合自动化系统，以实现远程监控。

CAN 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有完善的通信协议，其通信协议采用了CRC 检验并可提供相应的错误处理功能。另外，与其他现场总线相比，CAN 总线具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点，使得CAN 总线技术已经成为当今工业自动化发展的方向[4]。

3 监控装置的软件设计

系统软件设计的主要任务是完成对各状态量的数据采集、处理，并将故障的报警和跳闸信号传送至变电所综合自动化系统。在软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于以后根据需求进一步扩展系统的功能。系统软件设计主要包括以下方面：主程序、定时器及其中断服务程序、数据处理程序、CAN 通讯程序、LCD 显示驱动程序等。

系统主程序的功能主要是将系统进行初始化，启动定时器，然后依次执行数据采集与处理、文本显示和数据传送等。

系统数据采集处理子程序的功能主要是进行整流器各桥臂快速熔断器状态、二极管整体状态、温度状态、交直流侧过压保护、逆流保护及柜门状态等一些状态量的采集，数字滤波、数据存储与上传。

CAN总线通讯子程序包括CAN控制器的初始化、数据发送、中断方式的数据接收。当上位机发送命令时，CAN 接收到一个报文；当接收到数据后，CAN 模块触发中断，进入到中断子程序；当收到上位机通过CAN 总线发送来的数据发送请求后，向上位机传送该节点的运行状态及参数。

4 结论

（1）参照地铁整流器柜的资料，研究了地铁整流柜监控装置的技术参数，并根据需求分析、计算相关状态量的数据采集通道数、输出量的数目及采集方式。

（2）根据所需的各监测量，给出了硬件原理图，包括外围检测电路、调理电路及微处理器芯片的选用、总线收发器的使用构想和简介。

（3）在硬件平台的基础上，完成软件流程图的设计，并选用CAN 总线技术，完成数据的传送与显示。

（4）本文侧重于根据地铁整流器柜在电力监控系统上的主要要求的情况下测量、监测、控制和上传数据，若要得到地铁整流器柜功能更全面、更便捷，则需要采集更多的数据，并对其进行分析处理。

[1] 谢方.城市轨道交通直流供电整流机组研究[D].硕士学位论文，西南交通大学，2009.

[2] 于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[3] 郭世明.微机检测与故障诊断技术[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[4] 来清民，曲贺梅.基于CAN总线的分布式三维步进电机控制系统[J].微计算机信息，2005，（10）：40-42.