接触网感应式有电示警无线监测装置研究

陈天宇，王思华，王 宇，周丽君，王 恬

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室，甘肃兰州 730070)

0 引言

现有的电压传感器存在测量时需要与输电线路接触以及在接触网高电压等级下的高成本绝缘结构等问题[1]。文献[2]中，日本学者应用静电感应方式实现暂态电压的非接触测量。文献[3]提出在用B-dot和D-dot监控器进行电流电压测量时，对传感器输出产生的极性相反信号，通过具有差分输出的检测器，抑制共模噪声。但其中采用的WiFi无线通信方式耗能大，成本高，且安全性低。文献[4]设计了一套多重电极并联的交流电压采集系统，有效抑制参数扰动引起的传感器误差，改进了传统电力采集系统接地极导致的绝缘设计难度大的问题，但装置仅针对电网用户。文献[5]设计的接触网电压点对点测量装置可定量测量网压，精度良好，不足的是需要通过取电金属叉实现高低压部分的接触测量，测量过程存在安全隐患。

本文针对电气绝缘导致的人身验电安全以及无线通信无法覆盖的数据采集盲区和信道重叠的缺点，提出一种成本低、结构简单、测量结果更加可靠的接触线带电状态无线监测系统。装置可定量测量接触网电压的各种参数，防止隔离开关处于闭合状态，而接触线电压依然为0或较低时，错误调度列车进入无电区所带来的一系列问题。

1 系统结构设计

系统分为监控现场与数据中心两部分。当电气化铁路接触网故障或变电所越区供电时，传感器节点获取电压信号，各条馈线所供接触网的网压数据通过ZigBee无通信网络将电压数据发送至供电段监控终端。终端设备将获取的电压信息进行存储，应用Internet与铁路局监控中心实现远程访问，以便铁路局对各供电段运行情况的直观掌握与数据共享。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 感应式传感器设计

2.1 格拉段供电方式

格拉段牵引变电所采用带回流线的直接供电方式(TRNF)，标准运行单相交流50 Hz的27.5 kV电压，将监测装置安装在铁路沿线杆塔上，与供电线保持足够的安全距离后，测试接触网供电电压。

2.2 格拉段接触网电位仿真分析

格拉段为单线铁路，仿真时设定周围电场仅由接触线、承力索上的电荷产生，对应在现场测试中，将其他带电体远离待测电场，尽可能地降低强电磁场干扰。直供加回流的格拉段单线线路主要由接触线、承力索、架空回流线、钢轨构成[6]。其中各导线型号及参数见表1[7]。

表1 TRNF单线铁路接触网导线参数

图2 TRNF单线铁路接触网模型

图3 接触线正左方径向电位变化趋势

图2为格拉段TRNF单线接触网截面图模型，图2中数值单位为mm。如图3所示，在对地6.1 m的接触线高度处，利用COMSOL仿真以TRNF单线接触线为中心的空间电位分布。分析计算电场和电磁对电位的总影响，发现电位随接触线正左方径向距离的增大而减小。

通过后处理，接触线水平正左方500～502 mm间的电位与距离成线性变化，该短距离内的电位差约为16 V，变化趋势如图4所示，因此可将装置固定于接触线正左方，并设计左右金属电极间距2 mm，使其内部电位变化与图4相近。

图4 接触线正左方500～502 mm间电位变化

2.3 传感器设计原理

互感器是测量电网电压的传统方法，其成本高、设备易损坏；考虑到受电弓滑板的摩擦取流以及操作过程中电弧对周围通信带来干扰，因此利用高压传感器接触线测量的方法也不合适。

本文借鉴分压器测量电压以及静电感应原理，采用一种感应式的无线采集方法获取接触网电压，其设计原理是：在待测接触线产生的电场中，引入2个存在一定间距且正对放置的金属极板，利用极间电容与空间分布电容分压，极间电容电位差U2再通过信号线传输给信号处理电路，经降压整流滤波后，由DSP进行A/D转换和运算，对标准接触线电压源进行标定，得到相关比例系数，从而将处理后的低电压还原为接触线高电压。

静电电容空间分压器等效电路如图5所示。C1为平行电容器右极板正对接触线中心的等效电容，C2为平行电容器的极间电容，C3为平行电容器左极板对地等效电容。

图5 静电电容空间分压器等效电路

由分压公式得到平行电容器左右极板间电压输出U传与接触线电压U接的关系为

(1)

无限长直导线在空间某点产生的电位值，结合电容的定义公式，利用高斯定理与镜像法分别计算C1、C2、C3的值，代入式(1)中，可知k1的关系式为

(2)

式中：d为左右极板的间距，mm；R为电容极板的半径，mm；L为右极板距接触线中心的间距，mm；r为接触线半径，mm。

因此在实际设计装置时只需分析d、R、L、r的大小，即可确定所需的分压比。考虑监测装置实际大小，取R=30 mm，L=500 mm，d=2 mm，r=5.04 mm，此时k1=0.000 97。

为保证接触网电压工作在最大瞬时值29 kV时装置不被击穿，传感器的平行电容通过在环氧树脂PCB板上敷铜来实现，以环氧树脂作为电容的中间介质层，其相对介电系数为3.6，临界电场强度为20～30 kV/mm，适合在格拉段铁路寒冷干燥、无强酸碱油污的气候环境中使用，如图6所示。

图6 接触线正左方径向电场变化趋势

传感器附近的最大电场强度值0.02 kV/mm出现在传感器中心处，远小于其制作材料的临界电场强度，因此该传感器具有足够的绝缘强度。

3 整机方案设计

3.1 感应采集模块

采用本文静电电容空间传感器，安装于铁路沿线杆塔，水平距离接触线50 cm的位置，采集对应的接触线电压原始数据。

3.2 信号处理模块

本文以TMS320F28377为主控制芯片，建立低功耗、高可靠的交流电压处理系统。使用CCS8.3编写DSP程序，整机工作流程为：C2000通电；对ADC、比较器、串口、PWM等初始化，并启动标志位；根据模拟输入引脚连续采样1 024次的A/D值计算当前频率，并对异常数据进行惯性滤波，得到基波频率值；将256倍的基波频率作为PWM定时器的采样频率以触发ADC采样；为防止采样频率造成的数据异常，先进行2轮预采样；且网压一旦低于19 kV，立刻发送报警信息；每采样完4个周期，将测量的波形数据通过P1_0RF_N、P1_1、P1_2RF_P三个I/O口传输至CC2530,再由RS-232串行通信给PC端；在MATLAB中计算FFT，得到幅频特性，有效值，THD等信息；将读取并处理后的数据保存至以当前日期命名的.csv文件中，方便工作人员选择任意一次测试数据进行回读。

模拟信号的直接传输易受电磁干扰的影响，但DSP内部自带的高速ADC比较器可实现数字信号的转换，无需外接电压比较器，显著简化硬件设计，节约成本。

由于传感器输出的是交流差动信号，该信号易受周围电磁波扰动。采用OPA2171设计该差动信号调理电路来抑制干扰信号所带来的误差，并将左右极板对地电位差转换为传感器对地单端信号，如图7所示。OPA2171是一款拥有低噪声、高精度共模抑制比、高带宽增益的运算放大器，其输入偏置电流不超过8 pA，供电范围自-18 V至+18 V可调，对交流和直流都有良好的放大功能。

内置的差动放大电路采用双电源供电，存在输出为负电压的可能，于是添加电平抬升电路对前一级输出信号进行上拉，使电压符合DSP的ADC通道0～3.3 V的采样范围。电平抬升电路如图8所示。

图7 差动放大电路

图8 比例电平抬升电路

为保证接触网工作在电压最大值29 kV时，监测装置依然能满足A/D转换的采样范围，设计预处理电路增益k2最大不能超过DSP采样最大值3.3 V与传感器平行电容极板输出电压最大值的比值，因此

(3)

3.3 无线传输模块

3.3.1 ZigBee无线通信网络

综合考虑供电区间负责的供电臂分布情况，供电臂数量多，供电段监控终端与监测装置之间的距离较远，且传统的有线通信，因昂贵的线路敷设成本与复杂的现场测试而被逐步淘汰。兼顾数据传输的稳定性、及时性等因素考虑，对表2中的5种通信方式作比较，其中ZigBee使用的是全球通用的2.4 GHz频段，协议较另外4种通信方式简单，成本低、耗能少、易抗干扰，且网络可扩展性强。

表2 短距无线通信性能对比

本系统采用ZigBee协议形成的网状无线通信网络实现多点分布式数据采集，该结构中的任何一个节点都可当作ZigBee协调器，从而大幅降低消息延迟。图9为协调器工作流程图。

图9 协调器流程图

本文使用网状结构的优势在于大量分布的供电臂电压采集节点增大了监测区域的覆盖面积；由拓扑控制机制和网络协议形成多跳无线网络系统，使节点之间以接力的方式传输数据，从而提高系统监测的可靠性；同时，减小了节点之间单跳通信的距离，尽可能地降低通信能耗[8]；位于终端的采集节点可加入或离开网络，并自动进行组网、配置与管理，进一步提高了整个系统的灵活性。

3.3.2 动态信道择优算法

利用2.4 GHz频段同时通信的无线网络会对本系统的ZigBee无线通信网络造成干扰[9]。类似被其他接收机截获的轻微干扰，ZigBee底层无线通信协议会自动处理；而受同区同频信号限制，如基于IEEE802.11协议的WiFi网络覆盖ZigBee通信信道造成高达90%的丢包率严重干扰，需要用算法进行定位和选择。

该算法从各个隐藏信道组成的通信路径中，找出在给定每个测试时刻t的RSSI样本观测值时，下一时刻信道最空闲的路径。算法步骤如下：

步骤1：采集各个信道的接收信号强度值RSSI，对其文本格式进行统计处理,构造隐马尔可夫模型HMM。

λ=(S，O，π，A，B)

(4)

步骤2：根据HMM的观测值个数，采用FCMA算法，以目标函数J收敛为终止条件划分RSSI离散区间观测序列值O={oi,i=1，2,…,c}。

步骤3：根据HMM的隐藏值个数划分信道等级，并测量各级信道初始状态，得到初始信道状态概率序列π。

步骤4：对HMM采用Forward-backward算法，不断迭代更新信道隐藏状态转移矩阵AN×N和混淆矩阵BN×M，转移概率aij和观测值概率bjk如下：

(5)

(6)

式中：ξt(i,j)为从状态Si到Sj的状态转移期望值;γt(i)、γt(j)为从状态Si、Sj出发的转移期望值。

步骤5：利用Viterbi算法计算t时刻信道状态为Si的所有路径中概率最大值δt(i)以及δt(i)对应的前一时刻信道状态ψt(i)：

(7)

(8)

直到更新前后δt(j)的差值小于规定阈值，结束迭代，得到最终确定的HMM的3个参数π，A，B，即找到最空闲通信路径。

3.4 上位机模块

MATLAB的GUI设计是针对每一个控件编写相应的回调函数来实现界面控制，用户只需点击某一个控件，代码就会调用该控件所对应的回调函数实现响应。如图10所示，本装置采用MATLAB编写接触网电压波形显示和数据分析的上位机软件。

图10 上位机主控界面

上位机与接触网电压监测装置之间通过bytes-available event串口中断事件机制接收数据，利用axes控件对各个监测数据坐标轴进行动态实时划线，从而实现不同供电臂测试曲线与数值的实时显示，并对接触网带电低于19 kV的欠压情况给予实时声光报警，接触网电压历史数据在后台实时存储。文件索引窗口如图11所示。

图11 文件索引窗口

上位机显示的时域波形单位是kV，DSP采样值的单位是V，仅考虑显示数值大小，则还原比例系数k3为

(9)

k1、k2为理想理论值，实际中k1会受周围带电体分布环境和接触线舞动等影响，k2会受到电路器件单元的影响，造成上位机显示结果与接触线电压实际值存在一定误差，于是在校准时从程序中引入修正系数z对实际采样值进行补偿，使测量结果更加接近所测标准值。

3.5 供电模块

青藏地区光照充足，考虑电池能量存储密度、使用寿命及对环境污染等因素，采用太阳能与2节3.7 V的18650型锂电池通过LM2596S可调降压模块结合供电的方式给系统各部分供电。

4 实验标定分析

4.1 实验平台

试验电压模拟接触网正常运行幅值27.5 kV，频率45～55 Hz的单相交流电压。试验电源由250 kW发电机、调压器、工频试验变压器及固体保护电阻装置组成，满足电力推荐标准DL/T 848.2—2004《高压试验装置通用技术条件 第2部分：工频高压试验装置》对试验电源的要求。

本文采用CC2530芯片作为2.4 GHz频段的ZigBee无线射频模块。以两部手机之间通过WiFi不间断地传输大码率视频文件，模仿强通信干扰源。

4.2 标定试验

为确定程序校准时的比例修正系数z与本系统的测量精确等级，由调压器调节工频试验变压器，使模拟接触线一次电压从19 kV以1 kV为步长至29 kV，如图12所示，记录系统每一测量点在上位机显示的电压有效值。

图12 电压校正曲线

对模拟接触线一次电压与PC端的显示电压数值进行一次线性拟合，得到修正比例系数Z为0.992 8，一次拟合平方误差为0.146 4，表明装置具有较好的线性度。

综上所述，整理监测装置各级电压映射关系如下：

(10)

4.3 测量精度

将校准后的装置以跳电压百分比的形式，计算每一点运行电压的幅差ε和相差φu。

如表3所示，Un为接触网标准运行电压，Ub为测量的模拟接触线一次电压，Ux为上位机显示的电压有效值，该静电电容空间传感器幅差ε<0.5%，相差φu<20＇，符合IEC60044-7中0.5级计量用电压传感器标准要求。

表3 静电电容空间传感器测量误差分析

4.4 PRR对比

采集节点分别通过动态信道择优算法和标准跳信道算法，预测最为空闲的通信路径，将结果发送至协调器，如图13所示，并对包接收率PRR进行对比分析。由图13可知，动态信道择优算法的PRR约为0.81，较标准跳信道算法更好，能进一步降低网络丢包率。

图13 包接收率对比

5 结束语

本文针对传统验电方案存在缺陷，设计出一套针对接触线带电状态的感应式测量无线监测系统。

(1)系统遵循电气隔离和故障导向安全原则设计，提高了工作人员在牵引变电所越区供电紧急情况下的反应速度，减少了现场故障巡视和人体暴露在工频电场下的时间；

(2)实现了采集节点的非接触取压，消除电气化作业人员利用高压验电器接触验电时的安全隐患；

(3)对检修人员不易到达的故障区间，利用ZigBee无线通信网络减少电压监测盲区，实时掌握接触网电压真实数据；

(4)通过动态信道择优算法，进一步提高实际环境中强WiFi干扰下的ZigBee网络包接收率。