戴麗君，成明華，童巖，王海，顧娜

（1.教育部高鐵安全協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省高鐵安全工程技術(shù)研究開發(fā)中心（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院），江蘇 南京 210031；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京供電段，江蘇 南京 210015）

0 引言

當(dāng)今隨著國內(nèi)鐵路建設(shè)多種投資方式的引入，牽引變電所向多個(gè)不同產(chǎn)權(quán)單位的電氣化鐵路供電已十分常見。經(jīng)查，此類牽引變電所饋線側(cè)均沒有考慮分線電能計(jì)量設(shè)計(jì)，沒有安裝饋線計(jì)量裝置，所以存在饋線側(cè)電能計(jì)量難度大的問題，也無法向不同用電單位準(zhǔn)確清算電費(fèi)。針對(duì)高鐵牽引變、配電所設(shè)備運(yùn)維要求，結(jié)合運(yùn)能調(diào)整，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電能需要，研制出能對(duì)高鐵牽引電能高效準(zhǔn)確計(jì)量以及運(yùn)用新技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，并且投入實(shí)際運(yùn)行。全新的牽引電能計(jì)量及電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)由帶諧波引擎功能的電表結(jié)合后臺(tái)電能統(tǒng)計(jì)和對(duì)諧波進(jìn)行分析的軟件組成，能夠通過饋線分表計(jì)量，分?jǐn)倲?shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算，準(zhǔn)確核算運(yùn)輸成本，擁有很好的發(fā)展前景[1]。

1 高鐵牽引計(jì)量及電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

牽引電能計(jì)量及電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)包括牽引電能表(PM96A-T)、上位主機(jī)、通訊管理機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和電能計(jì)量電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1。①牽引電能表（PM96A-T）。負(fù)責(zé)電能計(jì)量、電壓、高速采集電流原始波形，并具有大容量存儲(chǔ)記錄的特點(diǎn)。②通訊管理機(jī)。通訊管理機(jī)負(fù)責(zé)多個(gè)電表的數(shù)據(jù)匯集，通訊協(xié)議處理。③上位主機(jī)。上位主機(jī)作為報(bào)表統(tǒng)計(jì)、生成、打印、相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、圖形顯示，以及參數(shù)對(duì)照提供相應(yīng)的界面。④電能計(jì)量及電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)功能為存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮加密，插值計(jì)算采樣數(shù)據(jù)，分類計(jì)算比較高次諧波，以及高級(jí)計(jì)算和分析功能。

2 高鐵牽引電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分PM96A-T是專門針對(duì)鐵路牽引供電回路的特性研制的，應(yīng)用于牽引變、配電所出線的電能計(jì)量用電表。主要由電源模塊、MCU模塊、AD采樣模塊、人機(jī)交互模塊、通訊模塊和開入開出模塊組成[2]。①電源模塊。牽引電能表采用的是開關(guān)穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)的體積和功耗得到進(jìn)一步減少，為裝置提供24V，6.5V，5V，3.3V四種直流電。②MCU模塊。以AT91SAM7X256為核心的中央控制單元。③AD采樣模塊。選用ADI公司的ADE7878為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。④通訊模塊。遠(yuǎn)方通信接口可選配兩種種方式，即10M以太網(wǎng)通信接口和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RS-485通訊接口。⑤人機(jī)交互模塊。由一個(gè)64×16的液晶、4個(gè)按鍵和6個(gè)LED指示燈組成。

3 高鐵牽引電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的主要思路，利用C語言與匯編語言混合編程，以SUNCOS V1.0實(shí)時(shí)軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)開發(fā)，可同時(shí)計(jì)量饋線的諧波電能和總電能，根據(jù)實(shí)際需求形成需要的負(fù)荷報(bào)表，以總電能作為分?jǐn)偸召M(fèi)依據(jù)，諧波電能作為電能質(zhì)量考核依據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓、電流的異常，存儲(chǔ)波動(dòng)的數(shù)據(jù)，并通過圖形顯示，與諧波分析功能一起實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引饋線的電能質(zhì)量分析[3]。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集有四路模擬量輸入，有電流通道和電壓通道。

3.2 系統(tǒng)功能應(yīng)用

（1）牽引電能統(tǒng)計(jì)分析軟件。電能表采集到瞬時(shí)功率信號(hào)后由低通濾波得到平均功率。在能量累加器中，平均功率通過不斷累加后經(jīng)數(shù)頻轉(zhuǎn)換為脈沖輸出，為提高電能累計(jì)的精度，設(shè)置成累加到10000次為1kWh。

電能數(shù)據(jù)（包括無功、有功、諧波、基波電能等）定時(shí)上傳至自動(dòng)抄表系統(tǒng)，系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫存放，可以自動(dòng)生成電能的日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和對(duì)照，以便能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出電能的異常[4]。

（2）牽引電能實(shí)時(shí)信號(hào)波動(dòng)監(jiān)控軟件。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓的諧波信號(hào)，有異常（包括電流突變、諧波突變、瞬間失壓等）主動(dòng)錄波并上傳監(jiān)控主站，并由應(yīng)用軟件對(duì)波動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。正常運(yùn)行條件下，利用手動(dòng)召喚也能快速地調(diào)出電力負(fù)荷的瞬時(shí)波動(dòng)情況[5]。系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)波動(dòng)的監(jiān)測(cè)可以通過三種形式實(shí)現(xiàn)，即事件報(bào)文記錄、報(bào)警信號(hào)和異常波動(dòng)曲線。① 報(bào)警信號(hào)。當(dāng)各相諧波含量超過預(yù)先給定值，持續(xù)時(shí)間大于整定延時(shí)，報(bào)警輸出，以實(shí)現(xiàn)電壓電流信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。② 異常波動(dòng)曲線。監(jiān)控終端采用變化數(shù)據(jù)優(yōu)先上傳的數(shù)據(jù)格式，該數(shù)據(jù)包含了變化前后的具體數(shù)值，以及變化的時(shí)間，并且變化的幅度可以通過定值設(shè)定。這些數(shù)據(jù)通過通訊傳送至監(jiān)控后臺(tái)，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并將這些數(shù)據(jù)通過曲線描述，畫出每天監(jiān)控對(duì)象的波動(dòng)情況。

（3）運(yùn)行參數(shù)下發(fā)。一種是由液晶直接下發(fā)，另一種是通過后臺(tái)監(jiān)控軟件下發(fā)。通過靈活設(shè)置報(bào)警參數(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，修改牽引電能表的運(yùn)行方式，最大發(fā)揮應(yīng)用性能[6]。

（4）諧波含量監(jiān)測(cè)、報(bào)警及自動(dòng)錄波。監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)可以分析錄取的波形文件，波形文件是每當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到諧波含量超過設(shè)定值時(shí)，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)記錄波形。通過分析波形文件，可以準(zhǔn)確地觀察到諧波中各次諧波的比例和數(shù)值，對(duì)線路上的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

3.3 數(shù)據(jù)通訊

為了滿足不同使用的需求兼容了異步串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信兩種方式。串口通信采用最常用的ModBus RTU通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC60870-5-104通信協(xié)議。

3.4 數(shù)據(jù)顯示

除了在監(jiān)控后臺(tái)可以查看到數(shù)據(jù)外，牽引電能表還提供了可視化人機(jī)交互的液晶功能。在液晶上，操作人員可以設(shè)置參數(shù)、查看數(shù)據(jù)、下發(fā)定值等，以保證在不需要配置監(jiān)控后臺(tái)的情況下也能正常使用設(shè)備[7]。

4 項(xiàng)目效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

以典型南京南高鐵牽引變電所設(shè)備為研究對(duì)象。在2019年每月牽引電費(fèi)約為1967萬元，若該研發(fā)項(xiàng)目尚未實(shí)施，各用電單位對(duì)電費(fèi)分?jǐn)偞嬖诋愖h，導(dǎo)致不能按時(shí)繳納電費(fèi)，則每天將面臨3.93萬元（1967×2%=3.93萬元）的違約金，按照晚交每月30天進(jìn)行計(jì)算，則每月產(chǎn)生違約金為3.93×30=118萬元。研發(fā)項(xiàng)目完成實(shí)施后，每月均能按照分?jǐn)偟碾娰M(fèi)及時(shí)繳納電費(fèi)，減少每年產(chǎn)生違約金118×12=1416萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4.2 社會(huì)效益

（1）通過自動(dòng)形成的報(bào)表來收取分?jǐn)傎M(fèi)用，解決了傳統(tǒng)的分?jǐn)偡绞降慕y(tǒng)計(jì)難度大，準(zhǔn)確性不高，易存在分歧，不利于鐵路運(yùn)輸成本準(zhǔn)確核算等問題。

（2）該報(bào)表可完成數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、比較同期數(shù)據(jù)、打印導(dǎo)出數(shù)據(jù)等多種功能。

（3）通過對(duì)各負(fù)荷回路高密度采樣波形分析，得出各條饋線高次諧波含量的準(zhǔn)確信息，對(duì)高普鐵合建牽引變電所電能質(zhì)量、高速鐵路高次諧波抑制等課題研究提供了有效數(shù)據(jù)資料。

5 結(jié)論

將新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息通信手段應(yīng)用在高鐵牽引計(jì)量上，能充分發(fā)揮電能監(jiān)控系統(tǒng)的作用，利用大數(shù)據(jù)分析，研究抑制高次諧波，提升牽引供電電能質(zhì)量的方法，提升電能質(zhì)量，構(gòu)建牽引供電設(shè)備設(shè)施全壽命周期管理，充分發(fā)揮其實(shí)際功效具有積極的推動(dòng)作用，變事后補(bǔ)救為超前預(yù)防，填補(bǔ)了既有專業(yè)管理的空白。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)饋線分表計(jì)量，自動(dòng)計(jì)算分?jǐn)倲?shù)據(jù)，滿足鐵路運(yùn)輸成本準(zhǔn)確核算要求，從而提高供電可靠性，提升運(yùn)行維護(hù)水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)推廣意義。