CN102589612A - 电气化铁路接触网线夹过热故障智能诊断方法及在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路接触网线夹过热故障智能诊断方法及在线监测系统。该故障在线监测系统由远程数据服务器、远程监控计算机、列车监控计算机、GPRS数据集中器以及分布于接触网上的无线终端模块构成。其中无线终端模块实现对线夹温度、环境温度、环境湿度、接触网电流进行检测；远程数据服务器根据采集的实时数据及历史数据完成线夹过热故障的智能诊断与处理，并将实时采集结果及诊断结果信息发布到远程监控计算机上。本发明主要用于解决电气化铁路接触网线夹过热故障频发且难以有效监控的问题，使得可以对接触网线夹的状态及故障发展状况进行持续在线监测，从而避免接触网过热事故的发生，确保列车运行安全。

Description

电气化铁路接触网线夹过热故障智能诊断方法及在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种故障诊断及预警方法，特别涉及一种电气化铁路接触网线夹过热故障智能诊断方法及在线监测系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展和铁路大面积提速，电力机车技术水平及运行速度得以不断提高，对铁路牵引供电安全提出了越来越高的要求；尤其是近年来运行时速达到350km/h以上的高铁，对牵引供电安全的要求更加苛刻，一旦出现供电故障，其后果将不堪设想。保障牵引供电设备安全稳定运行，为电力机车提供可靠、稳定的电力供给，对铁路平稳、安全运行具有十分重要的意义。

广泛分布于铁路接触网的各类供电导线线夹，数量众多，在长期运行过程中，因老化或接触电阻过大而发热。由于这些发热部位的温度没有得到及时有效的监测而无法及时维护，往往导致设备损坏和停电等事故的发生，严重影响铁路运输的正常运行。特别是近年来铁路运输任务的不断加重以及动车组开行密度加大等因素，接触网设备因过热导致的电气烧伤现象已愈发突出，由于这类烧伤问题不易于发现，危害性很大，防治接触网设备发生电气烧伤故障已成为确保接触网供电安全和铁路行车安全的一个重要内容。因此，如何实现这些关键节点的温度监测，尽早发现存在的故障隐患，防止出现过热损坏故障，成为铁路供电部门的工作重点和一大难题。

对于接触网，由于其沿铁路分布，其长度达数千公里，需要进行温度监测的电连接点十分分散，用于测温的常用手段如手持红外测温计、红外成像仪以及光纤测温方式等都难以实际应用。目前，对于如此大范围的温度监测，普遍采用示温蜡片的方式进行，即在电接触表面涂一层随温度变化颜色的发光材料，通过观察其颜色变化来大致确定温度范围，这种方法准确度低、可靠性差，不能进行定量分析，参考应用价值小。另外，示温蜡片在使用中很容易脱落，每年都需要更换，维护巡视工作量大，维护时需停运相关设备，这对于铁路的运行造成较大影响。采用示温蜡片的方式，需要人工定期巡检(每隔数天甚至一个月)检查电连接点的发热情况，由于接触网并非一直有电流通过，其发热情况与机车通行有关，因此人工巡检示温蜡片的方法无法实现故障的预警和排查。

近年来基于无线传感器的测温技术开始在电力设备温度监控中得到应用，但其多是在变电站等小范围监控场合使用，且仅仅实现对温度进行监控，并未真正意义上实现对过热故障的诊断，而对于接触网这种广域分布且监测点十分分散的场合，就更缺少可以实用的过热故障在线监控手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电气化铁路接触网线夹过热故障智能诊断方法及在线监测系统，采用对线夹温度、环境温湿度、接触网电流等多种信息，通过建立的递阶模糊推理器，进行综合判定，显著提高了诊断的可靠性和可信度。所提出的在线监控系统很好的解决了接触网电流断续、广域分布难以在线监控等问题，很好的满足了接触网运行状态在线监测的需要。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统，其特征在于：主要由远程数据服务器、远程监控计算机、列车监控计算机、GPRS数据集中器以及分布于接触网上的无线终端模块构成，其中无线终端模块实现对线夹温度、环境温度、环境湿度、接触网电流的检测；GPRS数据集中器将无线终端模块采集的数据传输给远程数据服务器，远程数据服务器根据采集的实时及历史数据利用递阶模糊推理的方式完成线夹过热故障的智能诊断与处理，并将实时采样数据及诊断结果信息发布到监控计算机上。

所述无线终端模块在接触网的每个电连接线夹上设置一个，所述GPRS数据集中器随无线终端模块布置，每一个小区域安装一只GPRS数据集中器；

所述GPRS数据集中器采用太阳能及蓄电池方式供电；

所述无线终端模块以基于ZIGBEE技术的CC2430芯片为核心，外围电路主要由电源转换电路、传感器、时钟及射频天线组成，其中，传感器包括线夹温度传感器、环境温湿度传感器和电流传感器；

所述电源转换电路主要包括与电流传感器的输出端相连的倍压整流电路、与倍压整流电路的输出端相连的法拉电容，以及与法拉电容的输出端相连的DC-DC转换芯片。

一种电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统的智能诊断方法，包括以下步骤：

(1)在接触网的电流信号的幅值大于接触网段有机车通过的最小电流时，无线终端模块周期性的进行各线夹温度T_线夹及接触网电流I_线路的采集，然后获得本次采集中，各线夹温度的最高值T^max _线夹、接触网最大电流I^max _线路，以及温度变化率T^Δ _线夹；

(2)每次采集结束后，判定接触网电流I_线路是否小于接触网段无机车通过的最大电流，如果是，则无线终端模块启动环境温湿度测量，得到环境温度T_环境、环境湿度H_环境，并连同各线夹温度最高值T^max _线夹、接触网最大电流I^max _线路、温度变化率T^Δ _线夹一同打包通过无线通讯发送至最近的GPRS数据集中器和列车监控计算机；

(3)列车监控计算机接收到无线终端模块发送的实时信息，列车驾驶员采用人工方式判断接触网线夹运行状态；

(4)GPRS数据集中器接收到无线终端模块发送的数据{T_环境，H_环境，T^max _线夹，I^max _线路，T^Δ _线夹}后，将数据打包上传至远程数据服务器；

(5)远程数据服务器对接收到的各监测点数据采用递阶模糊推理器进行分析，给出线夹过热故障的诊断结果，连同相关采集数据一同发送至各监控计算机。

所述递阶模糊推理器按照以下步骤进行：

(1)计算线夹与环境温差：ΔT＝T^max _线夹-T_环境；

(2)对线夹与环境温差ΔT、温度变化率T^Δ _线夹、环境湿度H_环境、接触网最大电流I_线路四个变量进行模糊量化处理，共分为三个等级；

(3)建立以环境湿度H_环境、接触网最大电流I^max _线路为输入的模糊逻辑推理器，其输出为环境状态量V1，将V1模糊量化为五个等级；

(4)建立以线夹与环境温差ΔT、温度变化率T^Δ _线夹为输入的模糊逻辑推理器，其输出为线夹状态量V2，将V2模糊量化为五个等级；

(5)建立以环境状态量V1和线夹状态量V2为输入的模糊逻辑推理器，其输出为接触网线夹过热故障诊断结果Fault，共分为5个等级，分别为无过热故障、轻微过热故障、中度过热故障、重度过热故障、事故级过热故障。

所述远程数据服务器和远程监控计算机采用B/S架构实现；

所述的无线终端模块在接收到来自列车计算机和GPRS数据集中器的响应信息后，清除掉本次存储的相关信息，等待下一次采集。

与现有技术相比，本发明电气化铁路接触网线夹过热故障智能诊断方法及在线监测系统至少具有以下优点：对线夹温度、环境温湿度、接触网电流等多种信息进行实时监测，并通过建立的递阶模糊推理器，进行综合判定，显著提高了诊断的可靠性和可信度。所提出的在线监控系统很好的解决了接触网电流断续、广域分布难以在线监控等问题，很好的满足了接触网运行状态在线监测的需要。

附图说明

图1是本发明电气化铁路接触网过热故障在线监控系统的总体结构示意图；

图2是无线终端模块硬件结构示意图；

图3是无线终端模块软件工作流程图；

图4是递阶模糊推理器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明电气化铁路接触网线夹过热故障智能诊断方法及在线监测系统的一个实施例进行详细说明：

如图1所示，本发明提供了一种电气化铁路接触网过热故障在线监控系统，其监控范围可根据实际需要灵活设置，既可以是一个牵引变电站所管辖区域，也可以是一个铁路局所管辖区域，甚至可以大到铁道部管辖的区域。系统主要由以下几个部分组成：

无线终端模块：针对接触网实际情况，过热故障往往发生在电连接线夹处，其分布规律为每隔1km左右设置若干组电连接线(长度为1米左右)，每条电连接线上设置3～5个电连接线夹，因此在每个电连接线上设置一个无线终端模块，完成同一条电连接线上的所有电连接线夹的温度采集及环境温湿度、接触网电流测量。一般情况下，在有两条铁路线的路段，每隔1km左右需要设置的无线终端模块约为5～10只。

GPRS数据集中器：GPRS数据集中器随无线终端模块布置，每一个小区域安装一只GPRS数据集中器，完成所在区域的各无线终端模块数据收集，并将其通过GPRS网络传送至远程数据服务器。GPRS数据集中器采用太阳能+蓄电池方式供电。

列车监控计算机：每个机车上安装一台，在列车通过无线终端模块所在位置时，接收无线终端模块发送的各电连接线夹温度、环境温湿度以及电流信息，供机车司机查看。

远程数据服务器：一个监控系统设置一台远程数据服务器，负责收集所管辖区域的GPRS数据集中器上报的数据，并完成所有监控点的故障诊断，并向各监控计算机发布各种采集数据及诊断结果。对远程数据服务要求其具备internet网络连接能力，且具有独立IP。

远程监控计算机：一个监控系统可根据需要设置若干个监控计算机，放置到各牵引变电站、运行调度及管理部门，要求监控计算机连接internet网络。

如图2所示为无线终端模块的硬件结构图，其主要芯片为基于ZIGBEE技术的CC2430，该芯片内部集成了低功耗单片机、电源低功耗管理模块、模数转换模块、射频模块、时钟模块以及存储模块等，以一个芯片即可实现数据的采集、处理以及无线传输等工作，能够大幅度的提高无线终端模块的集成度和可靠性，同时其功耗也得到了显著降低。外围电路主要由电源转换电路、传感器、时钟及射频天线组成。

电源转换电路的原理为：从电流传感器获取的信号中，经过倍压整流电路实现由低压交流信号到高压直流信号的转换，在本应用实例中，接触网载流量范围为0～2000A，电流传感器获取的信号范围为0～3V，经过5倍压电路并整流后，形成0～10V直流电压，该直流电压对法拉电容进行充电，充电后通过DC-DC转换芯片实现到3V电压的变换，供给无线终端模块电源。该电源转换及储能电路，可以实现在有机车通过的接触网中，其电源可满足无线终端模块正常采集的需要，并且在接触网无电流后延续5秒的无线通讯工作。

传感器部分主要包括1～5个线夹温度传感器、1个环境温湿度传感器、1个电流传感器。线夹温度传感器采用DS18B20实现，该温度芯片为数字式温度传感器，可通过数字总线方式获得温度数据，且其误差在±1.5℃内，可以方便的在同一根线上连接5个传感器，从而实现对5个线夹温度的监测。测量环境温湿度采用DHT21传感器，该传感器为数字信号输出的温湿度复合传感器，测量线路电流采用自制的感应式线圈获得电流信号。电流传感器采用自制的感应式线圈获得电流信号，其线圈匝数根据所测电流范围决定。

如图3所示为无线终端模块的工作流程，在无线终端模块所在的接触网段无机车通过时，接触网导线中电流很小(为电力线损耗产生的电流)，此时，经过电流传感器获得的信号其电压和功率都很小，不足以让无线终端模块工作。

当有机车通过无线终端模块所在的接触网段时，电流传感器获得的信号给法拉电容充电，无线终端模块开始工作，首先测量电流信号的幅值，判定其是否大于设定阈值1(该阈值作为接触网段有机车通过的最小电流)，如果超过该设定阈值，则表明所在接触网段有机车通过。无线终端模块周期性(例如，每秒1次)的进行各线夹温度及接触网电流(转换为有效值)的采集，每次采集完成后与前一次进行比较，保留各线夹温度的最高值和电流的最大值，同时判定本次采集的接触网电流数据是否小于设定阈值2(该阈值作为接触网段无机车通过的最大电流)，如果低于该设定阈值，则表明列车刚通过无线终端模块所在位置，此时，无线终端模块启动环境温湿度测量，并连同各线夹温度最高值、接触网最大电流一同打包通过无线通讯发送至附近的GPRS数据集中器和列车计算机。

无线终端模块以广播方式将采集的信息发送，GPRS数据集中器和列车计算机均接收该信息，并各自响应，为避免响应信息冲突，采取列车计算机优先响应的方式，将列车计算机和GPRS数据集中器的响应协调开(例如接收到信息后，列车计算机立即响应，GPRS数据集中器延时100ms响应)，当无线终端模块接收到来自列车计算机和GPRS数据集中器的响应信息后，无线终端模块清除掉本次存储的各线夹的最高温度、电流最大值以及环境温湿度等信息的内存区域，等待下次采集。若无线终端模块未接收到响应数据，则重新发送，最多重试2次。

通过这样的工作流程，在每次有列车通过的接触网段，无线终端模块都能够从有电流时刻开始对线夹温度进行采集监控，直至列车通过该位置，接触网无电流时刻，将该时间段内的温度最高值、电流最大值以及环境温湿度信息传送给列车监控计算机及GPRS集中器，远程数据服务器接收到数据并完成过热故障诊断后，将诊断结果发布给各远程监控计算机及列车计算机，从而可以实现真正的接触网线夹过热故障的智能诊断和在线监控。

对于接触网过热故障的诊断，采用递阶模糊推理方式进行诊断，其诊断系统结构如图4所示。首先建立两个第一级模糊推理器，分别为环境状态模糊推理器和线夹状态模糊推理器。环境状态模糊推理器为两输入一输出结构，输入为环境湿度H_环境和接触网最大电流I^max _线路，输出为V1，表明目前环境状态；线夹状态模糊推理器同样为两输入一输出结构，输入为线夹与环境温差ΔT和温度变化率T^Δ _线夹，输出为线夹状态量V2。第二级为协调模糊推理器，输入为第一级两个模糊推理器的输出量V1和V2，输出为故障诊断结果Fauh。通过这样一个两级的递阶式结构，可以大大简化模糊推理器的设计难度，推理规则大幅度降低。

环境湿度H_环境、接触网最大电流I^max _线路、线夹与环境温差ΔT和温度变化率T^Δ _线夹均量化为三级，语言变量为[S，M，B]，分别代表小，中，大；其语言变量的论域分别对应为[1，2，3]，其量化方法为：

对于环境湿度H_环境，对应于语言变量等级[1，2，3]的范围分别为0％≤H_环境＜30％，30％≤H_环境＜70％，70％≤H_环境＜100％；

对于接触网最大电流I^max _线路，对应于语言变量等级[1，2，3]的范围分别为I_线路≤1000，1000＜I_线路＜2000，2000≤I_线路；

对于线夹与环境温差ΔT，对应于语言变量等级[1，2，3]的范围分别为ΔT≤10，10＜ΔT≤30，ΔT＞30；

对于温度变化率T^Δ _线夹对应于语言变量等级[1，2，3]的范围分别为T^Δ _线夹≤5℃/min，5℃/min＜T^Δ _线夹≤10℃/min，T^Δ _线夹＞10℃/min

采用离散型隶属度函数可以得到环境湿度H_环境、接触网最大电流I^max _线路、线夹与环境温差ΔT和温度变化率T^Δ _线夹的语言变量赋值表为：

表1变量H_环境、I^max _线路、ΔT、T^Δ _线夹隶属度赋值表

对于环境状态变量V1、线夹状态变量V2均量化为五级，语言变量对应为[NB，NS，ZO，PS，PB]，分别代表负大、负小，零，正小，正大；过热故障诊断结果Fault，语言变量对应为[ZO，PS，PM，PB，FA]，分别代表无过热故障、轻微过热故障、中度过热故障、重度过热故障、事故级过热故障。

根据电气化铁路接触网过热故障的特性及历史经验，总结得到V1、V2、Fault的模糊逻辑推理表如下：

表2 V1的模糊逻辑推理表

表3 V2的模糊逻辑推理表

表4变量Fault的模糊逻辑推理表

通过以上输入变量隶属度赋值和模糊推理表，就可以获得过热故障诊断结果。例如，无线终端模块获得一组测量数据如下：H_环境＝70％、I^max _线路＝1200A、ΔT＝40℃、T^Δ _线夹＝8℃/min；则故障推理步骤如下：首先进行输入变量等级量化，环境湿度H_环境为3，接触网电流I_线路为2，线夹与环境温差ΔT为3，线夹温度变化率为T^Δ _线夹2；其对应的语言变量分别为B、M、B、M，查询表2得到V1＝PS，查询表3得到V2＝PS，查询表4得到Fault＝PB，即为重度过热故障。

远程数据服务器为所有监控客户端提供数据访问服务，过热故障诊断结果连同采集原始数据信息均可被获取，且监控计算机不仅可以实时获得最新采集数据及诊断结果，也可以通过查询获得历史数据信息，从而可以通过监测接触网过热故障发展趋势做出合理判断。远程数据服务器与监控客户端之间采用B/S构架，即监控客户端通过WEB方式访问相关数据，这样可以使得监控系统应用更加方便。

本发明给出的应用于电气化铁路接触网过热故障智能诊断及在线监控方法，从影响线夹过热故障的多方面因素出发进行综合判定，从而可以给出更加准确的故障诊断结果。其在线监控系统可实现全天候对接触网线夹运行状态进行监控，可以有效避免接触网发生过热事故，为合理安排检修提供了科学依据，提高了检修维护效率，确保了铁路供电安全。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统，其特征在于：主要由远程数据服务器、远程监控计算机、列车监控计算机、GPRS数据集中器以及分布于接触网上的无线终端模块构成，其中无线终端模块实现对线夹温度、环境温度、环境湿度、线路电流的检测；GPRS数据集中器将无线终端模块采集的数据传输给远程数据服务器，远程数据服务器根据采集的实时及历史数据利用递阶模糊推理的方式完成线夹过热故障的智能诊断与处理，并将实时采样数据及诊断结果信息发布到监控计算机上。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统，其特征在于：所述无线终端模块在接触网的每个电连接线夹上设置一个，所述GPRS数据集中器随无线终端模块布置，每一个小区域安装一只GPRS数据集中器。

3.根据权利要求1所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统，其特征在于：所述GPRS数据集中器采用太阳能及蓄电池方式供电。

4.如权利要求1所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统，其特征在于：所述无线终端模块以基于ZIGBEE技术的CC2430芯片为核心，外围电路主要由电源转换电路、传感器、时钟及射频天线组成，其中，传感器包括线夹温度传感器、环境温湿度传感器和电流传感器。

5.如权利要求4所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统，其特征在于：所述电源转换电路主要包括与电流传感器的输出端相连的倍压整流电路、与倍压整流电路的输出端相连的法拉电容，以及与法拉电容的输出端相连的DC-DC转换芯片。

6.一种基于权利要求1所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统的智能诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在接触网的电流信号的幅值大于接触网段有机车通过的最小电流时，无线终端模块周期性的进行各线夹温度T_线夹及接触网电流I_线路的采集，通过比较获得本次采集中，各线夹温度的最高值T^max _线夹、接触网最大电流I^max _线路，以及温度变化率T^Δ _线夹；

(2)在每次采集结束后，判定接触网电流I_线路是否小于接触网段无机车通过的最大电流，如果是，则无线终端模块启动环境温湿度测量，得到环境温度T_环境、环境湿度H_环境，并连同各线夹温度最高值T^max _线夹、接触网最大电流I^max _线路、温度变化率T^Δ _线夹一同打包通过无线通讯发送至最近的GPRS数据集中器和列车监控计算机；

(3)列车监控计算机接收到无线终端模块发送的实时信息，列车驾驶员采用人工方式判断接触网线夹运行状态；

(4)GPRS数据集中器接收到无线终端模块发送的数据{T_环境，H_环境，T^max _线夹，I^max _线路，T^Δ _线夹}后，将数据打包上传至远程数据服务器；

(5)远程数据服务器对接收到的各监测点数据采用递阶模糊推理器进行分析，给出线夹过热故障的诊断结果，连同相关采集数据一同发送至各监控计算机。

7.如权利要求6所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统的智能诊断方法，其特征在于：所述递阶模糊推理器按照以下步骤进行：

(1)计算线夹与环境温差：ΔT＝T^max _线夹-T_环境；

(2)对线夹与环境温差ΔT、温度变化率T^Δ _线夹、环境湿度H_环境、接触网最大电流I^max _线路四个变量进行模糊量化处理，共分为三个等级；

(3)建立以环境湿度H_环境、接触网最大电流I^max _线路为输入的模糊逻辑推理器，其输出为环境状态量V1，将V1模糊量化为五个等级；

(4)建立以线夹与环境温差ΔT、温度变化率T^Δ _线夹为输入的模糊逻辑推理器，其输出为线夹状态量V2，将V2模糊量化为五个等级；

(5)建立以环境状态量V1和线夹状态量V2为输入的模糊逻辑推理器，其输出为接触网线夹过热故障诊断结果Fault，共分为5个等级，分别为无过热故障、轻微过热故障、中度过热故障、重度过热故障、事故级过热故障。

8.如权利要求6所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统的智能诊断方法，其特征在于：所述远程数据服务器和远程监控计算机采用B/S架构实现。

9.如权利要求6所述的电气化铁路接触网线夹过热故障在线监测系统的智能诊断方法，其特征在于：无线终端模块在接收到来自列车计算机和GPRS数据集中器的响应信息后，清除掉本次存储的相关信息，等待下一次采集。

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