摘要：随着轨道交通电气设备的增加和用电负荷的增大，用电安全问题愈发突出，而对电力状况在线监测和故障预警是实现安全用电的关键。本文研究了轨道交通安全用电智能监测系统。该系统通过电力载波技术可利用原电缆进行数据传输，简化安装难度，降低了改造成本；通过全相位快速傅里叶变换（APFFT）算法进行数据处理，实现高精度电流采集，可对轨道交通用电回路电流过大、短路、过温等情况进行提前预警，避免严重事故的发生，对提高轨道交通系统用电安全性具有重要的实用价值。
关键词：轨道交通；安全用电；智能监测；电力载波
0引言
铁路、轻轨、地铁等轨道交通在国家经济的发展中起着至关重要的作用。随着电气化发展和智能化进程，轨道交通中电气设备数量和用电负荷不断的增加，这对用电安全提出越来越高的要求。近年来，电气火灾在轨道交通事故所占比例不断增大，且轨道交通投资巨大、设备复杂多样、人员聚集，一旦因电气故障发生火灾，将造成严重的后果。2012年以来，全球发生轨道交通火灾事故2000多宗，电气火灾成因占32%。国内轨道交通发生火灾100余起，其中电气火灾成因占26%左右。为了预防电气火灾，提高用电安全性，对轨道交通系统用电状态进行智能监测，对可能发生的电气故障进行预警。这样可以有效将电气火灾消灭在萌芽阶段，防止造成巨大损失。国家有关部门早已认识到电气火灾在线监测的必要性，出台了一系列标准和规范，要求在建筑中设置电气火灾监控报警系统[1]。但对轨道交通电气火灾监测系统，暂未形成规范和标准，由于轨道交通用电设备的复杂性，对电气火灾的监测具有其特殊的要求。本文研究了适合轨道交通系统的安全用电智能监测系统，对铁路站场、牵引变电所、列车上的用电安全状态进行实时监控，对由于过流、短路、过温等情况进行提前预警，为提前采取避免火灾的措施提供依据，对防止电气火灾、排除电气故障、保证轨道交通系统人员及设备的安全具有重要的意义。
1国内外研究现状
1.1国外研究现状分析
美、日、德等国轨道交通发展迅速，高铁和地铁在公共交通已成为不可替代的工具，由于轨道交通电气火灾时有发生，其对轨道交通电气火灾监测系统相继出台了规范和标准，强制对主要配电设备进行电气火灾监测。美国研制的电气火灾监测系统，进行电压、电流、剩余电流和温度的采集，利用网线将信号传输至控制中心，进行实时监控，该系统已在多个高铁站和地铁站使用[2]。日本与德国也专门针对轨道交通研制了电气火灾监测系统，并建立了网络云端，对各监测点的状态进行整理，可实时查询用电状态。随着电气火灾监测系统的推广应用，2015年以来，国外轨道交通的电气火灾起数每年以不小于10%的比例下降。
1.2国内研究现状分析
随着国内高铁和地铁的快速发展，对轨道交通的电气火灾监测和预防也得到足够地重视。国内对于电力火灾的监控设备，主要集中于建筑供配电系统，进行简单的改动后应用于轨道交通中[3]。目前，国内已有多个厂家进行了电气火灾监测系统的研制，并形成了推向市场的产品，在商场、医院、会展中心、车站等低压配电系统中得以应用。其中，剩余电流式电气火灾监控系统利用剩余电流传感器和温度传感感采集配电网络的剩余电流和线缆上的温度，以此为依据判断是否出现短路、漏电或过温情况，并通过RS485总线将数据传输至控制中心，对电气火灾进行预警[4]。针对国内轨道交通的特征，目前的电气火灾监测系统存在如下问题。（1）采用RS485总线、CAN总线、网线和光纤等有线进行数据通信，需要额外敷设电缆或光纤，对于已经建设好的火车站、牵引变电所、地铁站等轨道交通电气火灾高隐患场所，安装常规电气火灾监测系统的施工难、周期长、成本高；而采用无线电进行数据通信，又存在传输距离有限、容易受干扰等问题。（2）数据采集精度不足，电流和温度的采集精度较差，无法对电流敏感的配电线路进行精确监控。针对国内电气火灾监测系统存在的不足，本项目将电力载波通信技术和全相位快速傅里叶变换（APFFT）算法应用于轨道交通电气火灾监测系统中，开发轨道交通安全用电智能监测系统。
2轨道交通安全用电智能监测系统方案
轨道交通安全用电智能监测系统如图1所示，由监测终端、传感器、集中器和显控中心组成。其中采集终端实现数据采集和处理，并设置有电力载波模块，用于数据传输；传感器包括多个电流传感器、1个剩余电流传感器和多个温度传感器，用于将各相电流、剩余电流和各处温度参数转化为可供监控终端采集的电信号；集中器通过电力载波多个监测终端通信，对各监控终端的数据进行打包处理，传输各显控中心；显控中心包括计算机、监控软件和报警器，为操作人员提供数据显示、处理、参数设计和火灾预警。
2.1传感器选型
本系统每个监控终端安装3个开口式电流传感器，分别套在A、B、C三相的进线电缆上，用于测量A、B、C三相的工作电流。另外使用一个最大测量值为1A的剩余电流传感器，套在A、B、C、N电缆上，用于测量剩余电流。电流传感器的输出为电压或电流模拟信号，量程由所测量配电电缆的额定工作电流决定，量程不小于额定工作电流的2倍。本系统选用PT100铂电阻温度传感器，在电控柜总电源进线处A、B、C三相各安装一个，并固定好，用于测量电缆线的表面温度；在电控柜空旷处安装一个PT100铂电阻型温度传感器，用于测量环境温度，温度传感器的输出为电阻信号。
2.2智能监测终端硬件功能
智能监测终端的硬件电路板基于AD芯片+STM32F407核心处理芯片进行设计，引出RS485总线用于对外通信。由于温度传感器输出为电阻信号，无法直接采集，本系统采用恒流源芯片将电阻信号转为微电压信号，再经运放电路放大后，由监控终端进行采集。此外，为了解决PT100电阻信号的非线性问题，提高温度采集精度，在核心处理芯片中进行查表处理。硬件电路板支持通信地址及阈值参数的读写，通信地址及阈值参数写入FLASH中，掉电不丢失。安装调试探测器时，使用小型触摸显示屏，就地查看采集数据并设定阈值。电路板上预留指示灯和D0接口，出现温度报警时可以通过D0接口输出一对无源干接点，作为备用[5]。为了安装方便，本系统采用电力载波技术，通过电力电缆进行通信，每个探测器（智能终端采集模块）需要使用一个单相电力载波模块，信号接入A、B、C三相中的任一相和地之间，监控设备需要使用三相电力载波模块，对载波信号进行解调。
2.3智能监测终端软件功能
本项目智能监控终端软件基于STM32F407核心处理芯片进行开发，具体功能有：使用FSMC总线进行AD采集；电力载波通信协议对接；温度计算查表；输出存储（掉电数据不丢失）；电流信号处理（采用APFFT算法）。
2.4显控设备功能
本系统的显控设备在设计时，充分考虑人机交付友好性，具有如下功能。（1）在线监测功能：显控设备实时接收各监测终端的数据，并对各节点的用电状态和电参数进行显示；对历史数据进行存储，可方便调取历史数据进行曲线绘制，监测各时段的电参数变化情况。（2）异常报警功能：当通过采集的数据，判断出现短路、漏电、过温等故障时，立刻进行声光报警，并在显示屏幕上显示异常情况和位置，使得操作人员迅速做出判断，采取应对措施。（3）多个报警信号处理：监控设备能显示监控报警信号的总数，当有多个监控报警信号输入时，监控设备按时间顺序显示报警信息，在不能同时显示所有的监控报警信息时，未显示的信息能手动可查。显控设备硬件电路板解析监控终端上传的信号，预留LCD显示接口、触摸按键接口、RS485、RS232接口，可直接在LCD显示屏上显示监控数据和报警信息，也可通过RS485或RS232接口与计算机相连，在计算机上显示监控数据和报警信息。上位机软件默认采用轮询方式与监控终端进行通信，按照地址逐个提取监控终端的数据，轮询时间及主界面数据刷新时间应可设置。上位机软件主界面能够实时显示多台探测器测试的电流、剩余电流值、电缆线温度、环境温度等参数，并能够存储历史数据、报警日志。操作人员可以设定电流和温度的报警阈值、预警阈值，当采集数值超过报警阈值时，将自动启动声光报警器并发送手机短信通知相关责任人。
3轨道交通安全用电智能监测系统的创新点
3.1电力载波数据传输
本系统集成了电力载波芯片，采用先进的电流载波技术，将监测终端和显控设备间的数字信号通过载波在电力电缆中进行传输。由于采用了现有的电力电缆作为传输通道，不需要额外铺设信号电缆，极大地降低了安装难度和成本，特别适合已建设完成的火车站、牵引变电所、地铁站等轨道交通电气火灾高隐患场所安装电力火灾监测系统。
3.2高精度电流采集
电力线上电流和剩余电流数值是判断用电是否正常的关键参数，需要具有一定的精度，尤其是对电流敏感的配电线路，对电流采集精度要求更高。本系统采用全相位快速傅里叶变换（APFFT）算法进行数据处理，实现高精度电流采集，电流采集精度达到1%，为安全用电的精确监控和数据分析提供了重要的基础。
4结论
轨道交通安全用电智能监测系统主要是对轨道交通用电安全状态进行实时监控，将电力载波通信和全相位快速傅里叶变换（APFFT）算法相结合，一方面安装改造方便，另一方面保障了采集精度，可以对轨道交通用电回路电流过大、短路、温度过高等情况进行提前预警，提前采取措施，避免严重事故的发生。该系统不仅可用于轨道交通行业，也能用于工厂商业领域安全用电监测。
参考文献：
[1]王永生.低压配电网用电安全监测技术研究[J].机电信息，2017，（27）：18-19.
[2]韩秋阳.配电网供电可靠性信息在线监测系统的设计开发[D].北京：华北电力大学，2013.
[3]周清平.安全用电监控系统的研究与应用[J].电气技术，2019，20（7）：62-66，73.
[4]林科业.家用线路用电安全实时监测系统[J].山东工业技术，2019，（9）：147-148，141.
[5]李江全.单片机串口通信及测控应用实战详解[M].北京：人民邮电出版社，2014.
作者:周湘杰 单位:湖南铁路科技职业技术学院
