铁路智能信号电源系统监测单元研究

赵丽琴，李国庆，李秀聪

（1.柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545616；2.中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，广西南宁 530000）

1 铁路智能信号电源系统概述

铁路智能信号电源系统作为轨道交通中的专用电力供应系统，其可靠性要求非常高。利用现代监控手段，对电源系统的各种工作状态进行实时监控，以便能及时地发现并解决出现的问题，保证铁道信号装置的安全可靠工作。铁路智能信号电源系统在轨道交通中的应用，对于保障轨道交通的安全性和运营效益有着重大的作用。

铁路智能信号电源系统主要由以下内容组成：①电源设备：电源设备是智能信号电源系统的基石，主要由整流器、稳压器、滤波器等构成，将输入的交流电源变换成平稳的直流供电，以达到铁路信号设备对电源质量的需求；②监控装置：监控装置是该系统的中心部件，其功能是对系统的各种工作参数（电压、电流、功率因数、温度等）进行实时监控，并将监控结果传送到中央处理器，分析判定电源系统的工作状态，以便能够及时地发现并解决问题；③处理器：处理器负责对监控装置传送来的资料进行处理与解析，依据预先设定的门限值及警报准则判定电源系统的工作状态，并作出相应的处理；④通信界面：通信界面将监控信息传送给上位机，对电源系统进行远程监视与管理，实现了对电源系统的监测、控制指令、告警等功能；⑤人机接口：对电源系统工作状态、监控信息进行实时监控，并能接受使用者的工作指示，人机界面通过液晶显示屏和触摸屏，为用户提供了良好的操作体验。

2 铁路信号监测电源单元设计

2.1 需求分析

2.1.1 中心单元

本设计的中心单元采用了工控机，能够接收来自下位机发出的单元采集数据并完成组网任务，负责储存输入、输出对应的电压、电流信息，确保监测数据存储有效性，并通过报表、图形等形式将系统监测信息以及报警信息内容显示出来。通常情况下，信息存储时间需要控制在30 d 以上，系统报警信息的存储时间需要控制在90 d 以上。

2.1.2 报警功能

系统报警功能的设定，需要符合下述规定要求：①显示、记录并保存所有的故障报警信息，主要包括故障数据、故障时间和故障描述内容；②故障消除后，需要准确记录并保存故障消除（即系统恢复正常工作状态）的时间信息；③报警过程中，显示界面需要及时弹出对应的闪烁报警窗口，同时发出报警提示音。

2.1.3 电磁兼容性

（1）电源端口信息的传导发射需要满足以下要求：0.15～0.50 MHz 区间内，准峰值标准为79 dBμV，系统平均值为66 dBμV；0.50～30 MHz 区间内，准峰值标注为73 dBμV，系统平均值为60 dBμV；在过渡频率为0.50 MHz 时，需要采用较低限值标准。

（2）机箱端口区域的辐射发射标准要求如下：30～230 MHz 区间内，系统准峰值限值设定为10 m 测试距离为40 dB（μV/m）、3 m 测试距离为50 dB（μV/m）；230～1000 MHz 区间内，系统准峰值限值设定为10 m测试距离为47 dB（μV/m）、3 m 测试距离为57 dB（μV/m）；过渡频率为230 MHz 时需要采用较低限值标准。EMS符合标准详情如表1 所示。

表1 EMS 项目及标准

2.2 采集单元设计

为克服采集频率以及精度过低对信号造成的干扰，需要根据现场的实际需求并适度提升采集单元中的硬件精度，保证选型效率，并配合更加优化的算法，以保证采集信息的精准度。

首先，将采样到的频率信息按照级别的差异划分出具体级别，并确定采样周期：①输入电源端的采样周期需要低于10 ms；②系统输出电压对应的采样周期需要控制在250 ms 范围内，其中，KZ/KF 电源需要控制在150 ms 范围内。

其次，将信号采集精度根据信号性质的区别设定精度范围：①电压型信号采集精度浮动范围±1%；②电流型信号采集精度浮动范围±2%；③频率型信号采集精度浮动范围：±0.5 Hz；④相位角型信号采集精度浮动范围为±1°。

3 铁路信号系统设计

3.1 信号系统功能设定

在本文的设计方案中，集控测试装置控制核心系统分别包括：电源电路模块、数据采集放大电路模块、A/D 转换电路模块、MAX232 串行接口电路模块、单片机外围电路模块、继电器输出电路模块以及LED 显示电路模块等。装置配置有2 个测试用接口：①电源接口，主要用途为连接单车端的DC 110 V 插座；②控制插座，主要用途为与单车端的通信连接器进行连接。上述2 个接口均采用标准的航空插座，具有插拔方便、电气特性良好的特点。装置的工作电源主要来自单车电气柜装置的AC 220 V 插座。智能电源信号管理系统结构如图1 所示。

图1 智能电源信号管理系统结构

集控测试装置包含的主要任务是相继实现单车塞拉门控制测试任务、全/半灯控制测试任务、安全环路测试任务。

（1）完成单车车门控制试验过程中，装置按照测试平台给出的控制指令实现控制切换，并将引入系统的DC 110 V 电源准确供应至对应的塞拉门控制箱，使其为对应的集控中心提供工作电源，以保证核心系统的运行稳定性。

（2）在全/半灯试验的过程中，装置本身的核心控制系统需要按照上位机发出最终全灯、半灯控制信号执行操作任务，并将DC 110 V 发出的控制信号准确传递至对应的灯控制回路中，以达到对全/半灯开关的有效控制效果。

（3）在无安全报警的状态下，车端匹配的硬线电压标准为DC 110 V 高电平。出现安全报警后，车端硬线电压会转化为0 V 低电平。装置核心控制系统能够准确检测出车端安全环路中的硬线电压，并据此判断安全环路是否存在报警。

3.2 信号采集取样设计

用测试用线缆将已经装置完毕的DC 110 V 插座与车端DC 110 V 插座进行连接，此时通信控制插座需要与车端通信控制连接器使用插座连接。连接好所有线缆装置后，正式合上单车中的控制电源，然后打开设备工作电源，并启动工控机中的测试平台软件。在通信连接工作全部完成后，即可通过工控机中的测试平台软件完成操作控制装置任务。对不同功能执行测试，测试数据结果会自动存储在工控机中，以供后续打印或查询。智能信号电源系统的监测单元如图2 所示。

图2 智能信号电源系统监测单元

为保证采集板功能的标准统一，系统的所有交流、直流信号均需要统一标准的独立通道完成数据采集任务。其中，在信号调理电路的设计过程中，需要同时满足交流、直流信号的采样需求。在全部信号经过信号初次取样处理后，其电压最大值需要统一整定至2 V 对应的电压或电流额定值水平，以保证最终采集信息的准确性和执行标准的统一性。

4 结束语

铁路系统中的电力电子设备在实际使用过程中，信号干扰源主要源自3 个方面，分别为空间干扰源、传输通道干扰源以及供电系统干扰源。设计人员需要对设备自身的辐射条件和抗扰能力做出充分考量，降低传输线路长度标准、延时水平、畸变水平、衰减比例以及其他通道干扰的不良影响，避免供电端出现过压、欠压、浪涌、谐波、跌落等情况，同时设定整机综合布线方式、接地方案，进一步提升测量精度，为监测单元提供良好的工作稳定性保障。