地铁供电变断路器在线监测装置探究

徐永瑞

摘 要：社会基础设施建设的不断完善，公共交通产业的快速发展，一方面为地铁交通体系的建设与完善提供了有力的保障；另一方面也使得供电系统的安全性与可靠性成为地铁运行的重要基础。在此基础之上，本文通过对断路设备监测装置现存问题及改进措施的有效分析，为在线监测系统的合理应用提供简单的参考。

关键词：外设功能；开发环境；模拟信号

在线监测技术采用A -D程序进行数据收集，能够保证检测系统的高效性与程序操控的准确性，利用模拟信号实现了网络传输功能。在此基础上，通过ARM芯片及Linux监测程序，保证了对供电系统的动态管理，降低了供电变断路设备的维修养护成本。

一、当前阶段断路系统的发展状况

1、断路器的常见故障

目前，在地铁供电系统中，常见的断路器故障原因以操动机构的机械故障为主。因此，为了保证断路系统的安全、稳定运转，地铁运营部门每年都要投入大量的成本，对断路系统进行维修、养护，这种情况不仅影响了地铁供电体系的正常运转，提升了系统的运营成本，还在一定程度上增加了人为损坏设备的可能性，埋下了安全隐患。在此基础上，技术部门通过在线监测设备对断路器进行实时监控，成为了当前阶段保证地铁供电安全的首要选择。

2、在线监测系统的优势

传统的电路监测系统，是以单片机为设备的核心，对断路器实施监测的，由于硬件设施的限制，使得监测功能較为单一，核心芯片的扩展性不强。与此同时，单片机监测系统并没有设置操作程序，因此在可视性与系统操作性方面存在缺陷。基于这种情况，在线监测系统逐步替代了原有的监测装置，以ARM芯片为操作核心的系统，不仅保留了单片机的功能，还以此为基础提升了可视化效果，运用网络通信，实现了数据的实时传输。在系统方面，搭载了Linux程序，在获取动态信息的基础上，通过该平台对断路器进行控制，提升了供电系统运行的稳定性与可靠性。

二、监测系统的主要功能

结合地铁供电程序的客观需求，该种监测系统主要开发了以下几方面的功能：

1、对断路器进行机械性的功能监测

断路器整体系统的机械安装牢固性与使用质量都直接影响着供电体系的运行效率，但在机械的实际工作过程中，操动机构以及断路设备的机械失效情况频发，电气控制系统及电路问题不仅增加了断路器发生故障的可能性，还为供电设备的控制埋下隐患。因此，为提升异常情况的监测效率，在最短的时间内解决故障问题，在线监测设备通过对分、合闸电流、线圈状态、周期性机械振动等方面的监管、控制，来提升对断路器机械设备的管理效率。

2、对断路设备电流、电压的实时监测

在线监测程序通过测量设备中一次电流的电压、损耗情况，来确定触头的使用情况，观察设备的实际磨损程度。同时，对断路设备储能电机流经的电流量、工作时间以及承受电压等方面进行数据监测，并根据数据信息测算储能电机的运行状态。结合检测数据可以客观的对断路设备进行质量评估，从而利用操作系统进行合理的调整，结合历史故障原因及发生规律，开展维护/检修工作。

3、在线监测的网络通信及可视化功能

在监测设备设置对应的信号接收端口，能够对收集到的信息进行及时的抄录，并在此基础上利用以太网将信息传送到主控平台，由主站对数据进行分析、处理，并反馈异常情况。监测系统的显示功能是通过LCD的模块显示设备，将收集到的数据在窗口显现出来。

三、在线监测设备的硬件设计

1、模拟信号的采集、测量设计

在线监测模拟信号的采集内容包括：合分闸线圈电流信号、一次电流信号、合分闸控制电源电压、储能电机电压、交流控制电源电压、振动信号和行程信号等。具体的测量过程如下：线圈模拟信号的测量选择的是霍尔传感器，可以对交流电流信号进行测量，也可以测量直流信号（KT10A）；主回路相流经的电流是交流信号，由电流互感器出发，经过霍尔传感器时变为弱电信号；电压信号的模拟信号测量主要包括电源电压、电机电压等，同样使用霍尔传感器进行测试；振动模拟信号的监测则使用加速度型的传感设备对振动信号的速率、振幅进行计算。

2、开关量测量的硬件模块

开关量的内容包括：断路器的辅助节点，隔离开关辅助节点的位置，小车的位置，储能系统的状态等。在实际测量阶段，选择光耦隔离对具体数据进行检测。

3、电路的调理硬件模块

在传感器中收集的模拟信号主要指工频电压，有时也会出现高频信号。为此，在监测系统中通常会设置低通滤波的电路设备作为电路的调理模块，降低高频信号对传感设备的干扰，地铁断路器主要使用二阶Sallen-Key型号的滤波器。

4、外设功能的硬件模块设计

除了上述的硬件功能模块外，在线监测系统还包括外设功能，当主控制设备对测试数据进行读取后，为了保证数据安全，通常会利用存储器保存数据，并在此基础上，将数据信息传输到显示器上。在这一过程中，需要设备提供电源才能确保数据收集、传输、存储工作的正常进行。

四、监测系统中Linux软件程序的应用设计

在线监测利用ADC程序对数据进行全面、系统的采集，并以以太网为基础实现数据通信。因此，程序系统中包含A-D转换驱动程序的设计移植、网卡驱动程序的移植和Socket通信程序的设计移植。

1、构建Linux系统的开发环境

由于Linux程序属于嵌入式的设备运行系统，因此，其本身不具有开发能力，只有构建出与系统配套的开发环境，才能保证在线监测的实时性。构建开发环境的主要流程如下：首先，建立起可交叉的程序编译环境；其次，通过平台构建内核环境；第三，根据应用程序的设计需求，建立集成开发的环境；最后在控制芯片上安装Linux程序。

2、A-D转换驱动程序的设计移植

A-D转换驱动程序的原理为Linux在内核态下与硬件通信完成数据采集，再将转换结果传递给用户态下，实现数据转换。采集的数据量包括电流、电压和振动等模拟量。本设计采用外扩ADC芯片方式实现数据采集，当A-D转换完成后产生A-D中断，在中断服务程序中来读取。

3、监测装置的通信协议

本监测装置采用的通信规约完全遵循国标《远动设备及系统第5部分传输规约第101篇基本远动任务配套标准》。本标准规定了电网数据采集和监视控制系统（SCADA）中主站和子站（远动终端）之间以问答方式进行数据传输的帧格式、链路层的传输规则、服务原语、应用数据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式。

4、Socket通信程序设计移植

本设计采用基于TCP/IP的以太网，在此基础上设计上层通信模块，通过调用Socket函数来实现各种功能，包括数据的接收和发送，数据的校验等。采用自带TCP/IP协议的Linux操作系统，它可以直接调用底层的函数，驱动上层模块完成Socket通信。

结语：地铁断路设备的在线监测技术主要以RAM芯片为核心设备，运载Linux 程序系统，通过模拟信号将设备运行的状态及时的反馈到主站，并通过操作系统对信息进行处理，降低了断路器机械故障的发生频率。与此同时，由于具备可视化功能以及较强的扩展性，使得数据收集更为全面、准确，搭载的操作程序能够控制断路器的运行状况，因此，现阶段该监测技术在供电系统的应用范围正在逐步扩大。

参考文献：

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[2]何艳楠.基于ZigBee技术的断路器真空度在线监测系统研究[D].大连理工大学，2016；

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