分布式杂散电流监测系统的研究

蔡李花， 许少毅， 殷庆华

（中国矿业大学，江苏徐州221116）

地铁杂散电流监测是地铁设计、建设和运营维护中必须考虑的问题。地铁列车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网向列车送电，并通过走形轨作为牵引电流回路，返回到牵引变电所。由于钢轨很难做到完全对地绝缘，所以在直流牵引供电系统中，牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所，而是有一部分由钢轨杂散流入大地，再由大地流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流。地铁列车运行时产生的杂散电流，会对地铁隧道的结构钢筋以及地铁附近土壤中埋设的通讯电缆、水管气管等产生电化学腐蚀；因此，在地铁正常运行时对地铁杂散电流加强监测是非常必要的。随着城市轨道交通建设的迅速发展，杂散电流监测得到了人们的广泛重视，国家建设部为地铁行业制定了相关防护技术规程。研究新的监测方法，架构新的监测系统，是地铁杂散电流监测发展的必然趋势。光纤传感技术的发展为基于光纤传感技术的杂散电流监测系统的研究提供了理论基础。要获得整个地铁运行线路的杂散电流情况，使用传统的单点移动式传感方式既耗时又耗资，且在布线上也不方便，故使用分布式杂散电流监测是最有效的方法。

目前，城市轨道交通系统都利用公司内部局域网来组建监测系统。基于该系统进行杂散电流监测不仅能节约成本、方便维护，且有利于监测数据的共享。本文在现有办公自动化系统的基础上，采用分布式监测系统的方法，搭建基于光纤传感技术的杂散电流监测平台，研制了一套智能杂散电流监测系统，为杂散电流的腐蚀判断提供数据支持。

1 光纤电流传感器的信号采集装置设计

光纤电流传感器的信号采集装置是一个以单片机为核心的数据采集系统，负责采集光纤电流传感模块输出的偏振光信号，并把此光信号转换处理后通过应用成熟的RS－485通讯总线实时地传输到供电所的现场监控计算机。其原理框图如图1所示。

图1 光纤电流传感器信号采集装置原理框图

由于每个光纤电流传感模块输出两路偏振光信号，所以需要采集两路信号。这两路信号分别进入各自的信号变换电路，把信号变换为A／D转换器容许的数值范围，并送入A／D转换器进行转换。单片机读取A／D转换结果并处理，将处理结果存储起来。另外，单片机外接有串行通信电路，用来实现与现场工控机的数据通信。

2 分布式杂散电流监测系统的总体架构

2.1 分布式光纤电流传感系统的架构模式

由于杂散电流的随机性和不确定性，需要对杂散电流进行长期监测。根据地铁系统的实际情况，需要全线对其进行监测，所以地铁杂散电流监测系统应该是一个分布式的在线监测系统。采用光纤进行分布式温度测量的光纤传感系统在国内外均有研究报道。分布式光纤温度传感系统最早在1981年由英国南安普顿大学提出。1983年英国的Hartog用液体光纤的瑞利散射（Rayleigh scattering）效应进行了分布式光纤温度传感器的原理性实验。1985年英国的Hartog和Dakin分别利用半导体激光器作为光源研制了测温用的分布式光纤温度实验装置。随着光纤技术的成熟，其适用范围也在慢慢拓展。南昌航空工业学院的万雄[1]等提出了一种分布式光纤多点电流传感系统。鉴于上述理论基础，本文提出了一种分布式地铁杂散电流光纤传感系统。

分布式地铁杂散电流光纤传感系统的架构原理如图2所示。由高稳定光源输出的光耦合进入主光纤，主光纤线路连接附近所有的需要监测的各个结点。在每个结点上设有1个1×2单模光纤耦合器，即光信号经过耦合器之后将其分成两部分传输，从主光纤线路上获取光源。光纤电流传感模块传感结点的电流信号，在每个支路上检测出与电流对应的偏振光信号以后，通过光电探测器转换为电信号，再经信号转换、调理、传输电路传送至现场工控机。

图2 分布式地铁杂散电流光纤传感系统的架构原理

2.2 工控机监测系统的实现

在本设计中工控机监测系统主要包括现场工控机监测系统和主监控工控机监测系统两部分。现场工控机监测系统主要对现场光纤电流传感器信号采集装置传输的数据进行集中处理和显示，并将处理好的数据上传到主监控工控机。主监控工控机负责对现场工控机的集中管理，将地铁全线各供电区间的杂散电流信息数据集中起来，并显示在监控界面上，同时将数据存入数据库服务器，供Web服务器来查询输出。现场工控机与传感器信号采集装置要通过RS－485总线进行通信。

2.2.1 软件的开发平台

在系统设计中，采用Windows XP SP2作为系统平台，并在此基础上架构监测系统。上位机软件基于C＋＋Builder6.0进行开发。C＋＋Builder 6.0是Borland公司推出的一种通用的、功能强大的、高效率的软件开发工具，支持面向对象的程序设计模式，特别适合于在Windows环境下编制具有人机交互功能的用户图形界面；它包括全新的数据库支持和网络支持，内部集中了大量的ActiveX对象和API函数，从而可以对数据对象进行驱动和网络操作[2－4]。

2.2.2 现场工控机监控软件

现场工控机监控软件主要由现场数据采集、数据处理、监控界面显示和数据传输4个模块组成。现场工控机定时对光纤电流传感器信号采集装置进行循环的数据采集，并将采集的数据进行数据处理，最后处理结果上传到主监控计算机。现场数据采集模块主要负责对一个供电区间内的光纤电流传感器信号采集装置进行定时循环的数据采集。该模块的软件设计主要是通过MSComm控件对串口初始化设置和数据传输的控制。数据处理模块是工控计算机软件设计的核心，主要是对采集来的杂散电流数据进行小波阈值去噪处理。数据传输模块主要是将该供电区间内杂散电流信息传输到主监控计算机，从而实现对地铁全线杂散电流状态的集中监控。在与主监控计算机的通信中，现场工控机充当的是服务器的角色。当接收到主监控计算机的连接请求后，建立连接，并根据主监控计算机的指令类型，进行数据传输。监控界面显示模块用来实时显示一个供电区间内的现场采集数据信息和经过处理后的数据信息。为了更加明确详细地给出该区段内的杂散电流状态信息，在软件设计中，以曲线形式显示各测点数据变化情况。现场监控软件的主监控界面如图3所示。

2.2.3 主监控计算机监控软件设计

主监控计算机监控软件主要由现场数据传输、数据的查询及显示和数据存储3个模块组成。该软件的功能是将采集来的地铁全线各供电区间的杂散电流信息数据显示在监控界面上，并将采集的数据存入数据库服务器，供Web服务器来查询输出。监控软件还需具有打印功能，以便在必要时打印输出。主监控计算机界面如图4所示。

图3 现场工控机监控界面

图4 综合监控软件界面

数据传输是主监控计算机与现场工控计算机进行数据通信的模块，其数据传输是定时循环进行的，一般0.5 h进行一次循环采集。现场工控计算机接收到主监控计算机的连接请求后，与主监控计算机建立连接。当连接建立后，主监控计算机发出协议规定的指令向该工控机获取监测数据，现场工控计算机接收到指令后，就将其最新的杂散电流监测状态的数据信息传输到主监控计算机。主监控界面显示模块主要是将从现场工控机采集来的地铁全线的杂散电流状态数据保存和集中显示，并具有数据查询和打印功能，用户可以通过对软件的操作了解地铁全线的杂散电流状况。其监控界面如图4所示。数据存储是将从现场工控机采集来的数据存储到数据库服务器。主监控计算机将采集的杂散电流状态信息存储到SQL Server 2000数据库中，供Web服务器进行查询操作。

2.3 基于Web的杂散电流监测系统原理

目前，基于Web的系统架构方式主要有2种，即客户机／服务器 Client／Server（C／S）模式和浏览器／服务器 Browser／Server（B／S）模式[5]。在本设计中，综合考虑负荷均衡，采用B／S模式和C／S模式的混合结构，如图5所示。一些需要满足大多数访问者请求的功能界面采用B／S结构，后台只需少数人使用的功能应用使用C／S结构。

图5 基于Web的杂散电流监测系统

3 结 语

（1）搭建了一套分布式的杂散电流监测系统，为杂散电流腐蚀的判断提供了良好的依据。

（2）根据光纤电流传感的特点，搭建基于光纤传感技术的杂散电流监测平台，研制一套智能杂散电流监测系统，为杂散电流的腐蚀判断提供数据支持。

（3）该方案结合Web技术，将杂散电流监测与局域网联系起来，通过局域网来实现数据资源的共享，友好的人机交互界面使得管理决策更加快捷高效。

[1] 万 雄，黄清龙，王 庆.一种分布式光纤多点电流传感系统[J].南昌航空工业学院学报，2001，15（4）：16－18.

[2] 汪圆圆.杂散电流监测方案的探讨[J].电气化铁道，2001（1）：48－50.

[3] 余昌盛，汪晓平，权毓舒.C＋＋Builder 6数据库系统开发实例导航[M].北京：人民邮电出版社，2003：1－35.

[4] 贺 涛.Borland C＋＋Builder网络编程[M].北京：清华大学出版社，2002：5－40.

[5] 杨 冰，许 静，闫会强，等.分布式自动测试系统及其客户端的实现[J].南开大学学报，2003，36（1）：39－43.