CN109724647A - 动车组车顶高压箱状态监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动车组车顶高压箱状态监测系统及监测方法。监测系统，包括监控系统以及监测单元，监测单元包括以下监测单元之一或任意的组合：环境信息监测单元、母排温度监测单元、泄漏电流监测单元以及图像/视频监测单元；监控系统获取监测单元的监测数据并进行高压箱故障诊断。动车组车顶高压箱故障监测方法，根据监测系统的监测数据进行环境故障判定、母排故障判定、设备绝缘故障判定、设备异常定性判定。本发明采用先进的传感技术、通讯技术和控制技术，实时监测高压箱内部环境信息、高压设备状态信息和图像/视频信息，结合故障预警策略，及时提供安全预警，对于保障动车组高压系统安全运行具有重要的意义。

Description

动车组车顶高压箱状态监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及监测技术领域，具体涉及一种动车组车顶高压箱状态监测系统及监测方法。

背景技术

动车组车顶高压设备直接暴露于空气中，受到外界污秽、冰雪、沙尘、高低温等环境因素影响，容易导致设备的绝缘部分发生沿面放电或体击穿故障。近年来，为解决该问题，车顶高压箱快速发展和应用，即将高压断路器、高压隔离开关、电压互感器、电流互感器、电缆终端等高压设备集中安装在金属箱体内部。

动车组高压箱安装在带受电弓的车顶，以标动为例，每辆车8编组，包括两个受电弓的车厢，3车和6车。

动车组车顶高压箱常见的故障包括：设备短路、绝缘放电、高压箱内温度超标等，高压箱内部温湿度、气压等环境信息和高压设备运行状态会直接影响动车组的安全运行。对高压箱的状态进行监控，并及时反馈高压箱故障，可以使高压箱发生故障时及时作出反应，避免动车组的运行故障。目前，市场上尚没有针对动车组高压箱状态信息的状态监测系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种车顶高压箱状态信息在线监测与故障预警系统，用于实施监测箱体内部环境信息(温度、湿度、气压等)、设备状态信息(母排温度、外绝缘泄漏电流)和图像/视频信息，结合高压箱故障预警策略，综合评估定量数据监测和定性图像/视频分析，研判可能出现的设备故障，及时给出预警信息。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

动车组车顶高压箱状态监测系统，包括监控系统，以及监测单元，所述监测单元包括以下监测单元之一或任意的组合：用于采集高压箱内环境信息的环境信息监测单元、用于采集母排温度信息的母排温度监测单元、用于采集高压箱内设备外绝缘泄漏电流的泄漏电流监测单元以及用于采集高压箱内设备放电图像的图像/视频监测单元；所述监控系统获取监测单元的监测数据并进行高压箱故障诊断。

优选的，所述监控系统包括设置于每个车顶高压箱内的车辆级监控主机，以及列车级监控中心，每个车顶高压箱监测单元采集的数据反馈至相应的车辆级监控主机，每个车辆级监控主机获取的监测数据均传递至列车级监控中心。

优选的，所述列车级监控中心包括故障诊断单元，进一步包括与监测单元对应的以下故障诊断模块之一或任意组合：

用于根据环境信息监测单元反馈的环境信息生成环境预警信号的环境故障诊断单元；

用于根据母排温度监测单元反馈的母排温度信息生成母排温度预警信号的母排温度故障诊断单元；

用于根据泄漏电流监测单元反馈的泄漏电流信息生成泄漏电流预警信号的泄漏电流故障诊断单元；

用于根据图像/视频监测单元反馈的图像信息生成设备状态信号的设备异常定性判定单元。

优选的，所述车辆级监控中心进一步包括故障预警单元，所述故障预警单元根据故障诊断单元的诊断信息生成故障预警信息。

优选的，所述故障预警信息为分级预警信息。

优选的，所述环境信息监测单元包括温度传感器、湿度传感器及气压传感器；所述母排温度监测单元包括至少一个母排温度传感器；所述泄漏电流监测单元包括至少一路电流传感器；所述图像/视频监测单元包括摄像机。

优选的，所述母排温度监测单元包括分别安装在母排不同位置的多个母排温度传感器，所述泄漏电流监测单元包括多个分别安装在不同高压箱设备处的电流传感器。

动车组车顶高压箱故障监测方法，包括与监测单元对应的以下步骤之一或组合；

设定环境数据阈值，将环境信息监测单元采集的环境数据与环境数据阈值相比较，若超过环境阈值，则判定为存在环境故障；

设定母排温度阈值，将母排温度监测单元采集的母排温度数据与母排温度阈值相比较，若超过母排温度，则判定存在母排故障；

设定泄漏电流阈值，将泄漏电流监测单元采集的泄漏电流数据与泄漏电流阈值相比较，若超过泄漏电流阈值，则判定高压箱设备存在外绝缘故障；

若图像/视频监测单元监测到放电、设备结构变化等异常，则定性判定高压箱设备存在异常故障。

优选是，故障监测方法包括环境故障判定、母排故障判定、电流泄漏故障判定和设备异常定性判定；逐级进行故障判定，其中，环境故障判定为一级判定，母排故障判定和电流泄露故障判定为二级判定，设备异常定性判定为三级判定。

优选的，进一步包括以下步骤：

结合环境故障、母排故障、电流泄漏故障和设备异常定性故障生成预警信号；

若均不存在以上故障，则不生成预警信号；若存在一种故障，则生成一级预警信号，若存在两种故障，则生成二级预警信号，若存在三种及以上故障，则生成三级预警信号。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明采用先进的传感技术、通讯技术和控制技术，实时监测高压箱内部环境信息、高压设备状态信息和图像/视频信息，结合故障预警策略，及时提供安全预警，对于保障动车组高压系统安全运行具有重要的意义。

(1)多参数同步监测，实现了高压箱内部温度、湿度、气压、母排温度、高压设备外绝缘泄漏电流的在线监测，加入了图像/视频功能实现了高压箱内部现场的全天候监测。

(2)故障预警功能，监控中心专家软件内部植入高压箱故障预警策略，将现场定量数据监测和定性图像/视频相结合，通过三级判断，及时给出故障预警信息。

附图说明

图1为本发明状态监测系统结构示意图；

图2为本发明状态监测方法流程图；

图3为本发明状态监测系统数据传输流程图；

图4为母排监测单元数据采集流程图；

图5为绝缘护套监测单元数据采集流程图；

图6为局部放电监测单元数据采集流程图。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本实施例中，术语“一级”、“二级”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

本发明首先提供一种动车组车顶高压箱状态监测系统，可用于动车组车顶高压箱状态监测，进而反馈车顶高压箱的故障状态。

动车组车顶高压箱状态监测系统的结构参考图1，包括监控系统，以及监测单元，其中监测单元设置在每节列车车顶的高压箱内，用于监测车顶高压箱内的设备状态信息和高压箱内部的环境信息。

监测单元包括以下监测单元之一或任意的组合：用于采集高压箱内环境信息的环境信息监测单元、用于采集母排温度信息的母排温度监测单元、用于采集高压箱内设备外绝缘泄漏电流的泄漏电流监测单元以及用于采集高压箱内设备异常的图像/视频监测单元；所述监控系统获取监测单元的监测数据并进行高压箱故障诊断。可以根据需要进行选择配置监测单元的数量，例如，仅仅想监测车顶高压箱内部环境状态，可以仅设置环境信息监测单元，如果想监测母排温度状态，可以设置母排温度监测单元。其他监测单元的设置同理随需求。本实施例中，将以车顶高压箱监测单元包括环境信息监测单元、母排温度监测单元、泄漏电流监测单元和图像/视频监测单元为例来说明。

更进一步说，环境信息监测单元用于监测车顶高压箱内部的环境功能信息，箱内环境将影响设备的运行，例如温度过高、湿度过大，设备状态容易损坏；环境信息主要包括但不限于温度、湿度、气压等，进而环境信息监测单元包括但不限于温度传感器、湿度传感器及气压传感器。

本实施例中，温度传感器选用数字温度传感器DS18B20，量程为-55℃到+125℃，满足阈值要求且量程精度合理。传感器DS18B20具有体积小、接口简单、使用方便等特点。由于采用单总线测量系统得以简化，可以方便的组建传感器网络。DS18B20的工作电压为3V～5.5V，温度测量范围-55℃～+125℃，可以通过内部编程实现9位、10位、11位或12位四种温度检测分辨率，精度最高达到0.0625度。温度传感器DSB1820:采用一线式数字温度传感器DS18B20，DS18B20采用单总线(1-wire)技术，将地址、数据线和控制线合为一根双向串行传输的信号线，具有结构简单，便于总线扩展和维护等优点。每只数字温度传感器DS1820都可以设置成两种供电方式：即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。

湿度传感器的选型如下：选用湿度传感器SHT15，SHT15系列为贴片型温湿度传感器。湿度测量范围：0～100％RH；湿度测量精度：±2％RH；响应时间：8s(tau63％)；低功耗80μW(12位测量，1次/s)。满足了阈值的要求且量程精度和反应时间都合理。SHT15数字式湿度传感器直接与单片机与I/O口连接，具有接口方便，控制简单，通信速率高等优点。单片机通过数据线和时钟线向SHT15发送控制命令并且接收SHT15采集、转换的温湿度数据，采集到温湿度数据后，单片机对数据进行简单编帧等快速处理传输到数据记录器或上位机进行数据处理与实时监测。温湿度传感器SHT15集成度非常高，提供采集数据的内部标定，完全的数字输出。SHT15数字式湿度传感器直接与单片机与I/O口连接，用串行接口与单片机通讯，设置时钟引脚数据引脚。

气压传感器的选型如下：选择德国博世公司的BMP180型气压传感器。该创按其具有有体积小、功耗低等优点，气压的测量范围在3000到11000PA，满足了高压箱内阈值10KPA的要求。BMP180由电阻式压力传感器、ADC、控制单元、EEPROM和I2C组成。BMP180的EEPROM中存储11个16字节的校准系数，用于温度气压的补偿运算，从而减少因环境变化所造成的误差。

母排温度监测单元用于监测母排温度，当母排对空气或接地板发生放电故障时，母排温度会升高，通过母排温度可以判断母排工作状态，母排温度监测单元包括至少一个母排温度传感器，具体到本实施例，母排温度监测单元包括分别安装在母排不同位置的三个母排温度传感器(数量可视需求而定)，母排温度传感器被安装在母排不同的位置，用于监测不同位置的温度，可以更全面的监测母排的工作状态。例如，可采用RS485型非接触式红外温度传感器，该传感器具有非接触式测量、抗干扰能力强的优点，可以实现在线实施连续测量，输出4～20mA的电流信号，150ms极速响应。可以清楚测量0.8～18mm范围内的红外辐射能量，通过光电子传感器接收红外辐射，并将其转换成电信号。最大测量温度范围0～300℃，光学分辨率可达20:1，设备功耗小于0.5W。

若高压箱内设备存在泄漏电流，则设备或已经损坏，比如，高压断路器绝缘护套、隔离开关绝缘护套等，泄漏电流监测单元包括至少一路电流传感器，与具体的高压箱设备连接，本实施例中，泄漏电流监测单元包括多个分别安装在不同高压箱设备处的电流传感器，传感器的数量可以根据需要进行选取；图像/视频监测单元包括摄像机，用于采集高压箱内设备的图像，主要是设备是否存在放电的图像或存在设备结构变化，一旦图像发现放电或设备结构变化则表明设备存在放电故障。

上述监测单元的监测数据将传递至监控系统。监控系统包括设置于每个车顶高压箱内的车辆级监控主机，以及列车级监控中心。若，列车为一编组8节车厢，在3车和6车设置有高压箱，则共有2个监控主机，而整列车仅有一个列车级监控中心。列车级监控中心可以视需要设置在合适的车厢内。每个车顶高压箱监测单元采集的数据反馈至相应的车辆级监控主机，每个车辆级监控主机获取的监测数据均传递至列车级监控中心。

参考图4至图6，作为本发明的一种具体实施方式，为了解决采集数据处理的问题，状态采集装置进一步包括运算放大器和模数转换器；运算放大器的输入端连接母排温度传感器、电流传感器和声波传感器，输出端连接模数转换器，模数转换器的输出端连接至监控主机。其中，绝缘护套监测单元进一步包括滤波电路，滤波电路的输入端与电流传感器连接，输出端与运算放大器连接。用于电信号的滤波处理。本实施例中，运算放大器采用LM358型放大器，运算放大器用于数据的运算放大处理。

列车级监控中心内设置专家软件，专家软件采用故障预警策略，可以对监控单元反馈的监控数据进行统计分析，并作出车顶高压箱的故障判断。

列车级监控中心包括故障诊断单元，进一步包括与监测单元对应的以下故障诊断模块之一或任意组合：

用于根据环境信息监测单元反馈的环境信息生成环境预警信号的环境故障诊断单元；

用于根据母排温度监测单元反馈的母排温度信息生成母排温度预警信号的母排温度故障诊断单元；

用于根据泄漏电流监测单元反馈的泄漏电流信息生成泄漏电流预警信号的泄漏电流故障诊断单元；

用于根据图像/视频监测单元反馈的图像信息生成设备状态信号的设备异常定性判定单元。

故障诊断单元的配置需要根据监测单元的配置而确定，本实施例中，监测单元包括四种类型的检测单元，相应的，专家软件也配置四种类型的故障诊断单元。

故障预警单元的功能是做出故障的判断，更进一步的，车辆级监控中心进一步包括故障预警单元，故障预警单元根据故障诊断单元的诊断信息生成故障预警信息。故障预警信息为分级预警信息，可以根据故障诊断单元的诊断数据，分析故障的严重程度，进而生成分级的高压箱状态预警结果。

同时，还可以设置相对于列车级监控中间的更上一级监控中心-总监控中心，总监控中心负责监控各列车的车端高压箱数据。

车辆级检测单元和列车级监控中心之间可以采用总线或无线通信的方式进行数据传输。多点组网灵活性，采用无线通讯技术，通过Zigbee节点组网，可以实现母排温度和高压设备绝缘泄漏电流的多点监测。更进一步参考图3，高压箱列车级监控中心微处理器采用超低功耗16位MSP430芯片，该芯片内部集成了12位AD模块，可以实现数字信号、模拟信号的快速采集和处理，并具有4种低功耗模式。微处理器发送数据采集指令至四个信息监测单元，包括：环境信息监测单元、母排温度监测单元、泄漏电流监测单元和图像/视频监测单元，用于控制各路传感器。各车辆级监测单元采集到的信号分别通过无线模块Zigbee和光纤通讯模块传输至微处理器，具体实施为：环境信息温度、湿度和气压通过光纤通讯传输至微处理器；三路母排温度传感器和三路泄漏电流传感器分别进行Zigbee组网，数据通过Zigbee通讯发送至微处理器；图像/视频信息由于数据量较大，采用光纤通讯或3G/4G通讯模块直接传输至整车监控中心的专家软件系统。

整车监控中心将各类监测数据和预警信息，一方面，上传至上一级监控系统，便于上级部门及时掌握动车组高压设备运行状态，必要时可进行远程控制；另一方面，将信息直接发送至现场工作人员，工作人员可配置手持终端，手持终端内置App，工作人员通过App功能可以及时了解设备运行状态，便于在第一时间采取措施。

基于上述的动车组车顶高压箱故障监测系统，进一步提供一种动车组车顶高压箱故障监测方法，流程参考图2，包括与监测单元对应的以下步骤之一或组合，视监测单元的设置而定，例如，本实施例中包括4种监测单元，故障监测方法包括环境故障判定、母排故障判定、电流泄漏故障判定和设备异常定性判定；逐级进行故障判定，其中，环境故障判定为一级判定，母排故障判定和电流泄漏故障判定为二级判定，设备定性故障判定为三级判定。则监测方法包括以下的步骤；

(1)环境故障判定：设定环境数据阈值，将环境信息监测单元采集的环境数据与环境数据阈值相比较，若超过环境阈值，则判定为存在环境故障。环境信息处理进行的是一级判断，对温度、湿度和企业数据进行处理，并将各参数与正常范围进行比较。各参数正常范围的设置需要综合考虑动车组运行环境、高压设备特点以及设备故障发生时累积的历史数据。例如，本实施例中，前期参数设置如下：温度阈值设定为60℃；湿度阈值设定为95％；气压阈值设定为0.01MPa。当其中一个参数超过正常范围时，显示环境信息存在异常，可以通过指示灯等多种预警方式进行环境预警。当以上三个数据均在正常范围内时，则判定车顶高压箱环境正常。

(2)母排故障判定和电流泄漏故障判定：设定母排温度阈值，将母排温度监测单元采集的母排温度数据与母排温度阈值相比较，若超过母排温度，则判定存在母排故障。设定泄漏电流阈值，将泄漏电流监测单元采集的泄漏电流数据与泄漏电流阈值相比较，若超过泄漏电流阈值，判定高压箱设备绝缘存在放电故障。母排温度的预警判断以及泄漏电流预警的判断是同时进行的，在本实施例中，这一预警判断是二级判断。由于母排和泄漏电流均是与设备的正常运行相关的预警信息，因此，将综合两个预警判断，生成预警结果。将母排温度和设备绝缘泄漏电流与正常范围进行比较，各参数正常范围的设置需要综合考虑试验数据和设备故障发生时累计的历史数据。当至少一个参数超过正常范围时，将通过指示灯方式进行预警。当所有参数均处于正常范围时，显示设备未发生故障。

(3)设备异常定性判定：若图像/视频监测单元监测到放电或设备结构变化等异常，则定性判定高压箱设备存在异常故障。视频图像的判断是三级判断。当发现高压箱内部设备结构异常或发生放电等异常现象时，会通过指示灯等方式发出预警信息。

结合前述的三级预警结果，进行综合故障已经判断。综合故障预警模块对环境故障、母排故障、电流泄漏故障和设备定性故障生成预警信号故障程度进行分析，并判断是否给出预警信息。若均不存在以上故障，则不生成预警信号；若存在一种故障(一级故障或二级故障或三级故障)，则生成一级预警信号，若存在两种故障，则生成二级预警信号，若存在三种故障(一级故障、二级故障、三级故障均存在故障)，则生成三级预警信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.动车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于：包括监控系统，以及设置在车顶高压箱内的监测单元，所述监测单元包括以下监测单元之一或任意的组合：用于采集高压箱内环境信息的环境信息监测单元、用于采集母排温度信息的母排温度监测单元、用于采集高压箱内设备外绝缘泄漏电流的泄漏电流监测单元以及用于采集高压箱内设备状态的图像/视频监测单元；所述监控系统获取监测单元的监测数据并进行高压箱故障诊断。

2.如权利要求1所述的动车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于，所述监控系统包括设置于每个车顶高压箱内的车辆级监控主机，以及列车级监控中心，每个车顶高压箱监测单元采集的数据反馈至相应的车辆级监控主机，每个车辆级监控主机获取的监测数据均传递至列车级监控中心。

3.如权利要求3所述的动车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于，所述列车级监控中心包括故障诊断单元，进一步包括与监测单元对应的以下故障诊断模块之一或任意组合：

用于根据环境信息监测单元反馈的环境信息生成环境预警信号的环境故障诊断单元；

用于根据母排温度监测单元反馈的母排温度信息生成母排温度预警信号的母排温度故障诊断单元；

用于根据泄漏电流监测单元反馈的泄漏电流信息生成泄漏电流预警信号的泄漏电流故障诊断单元；

用于根据图像/视频监测单元反馈的图像信息生成设备状态信号的设备异常定性判定单元。

4.如权利要求3所述的动车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于，所述车辆级监控中心进一步包括故障预警单元，所述故障预警单元根据故障诊断单元的诊断信息生成故障预警信息。

5.如权利要求4所述的动车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于，所述故障预警信息为分级预警信息。

6.如权利要求1所述的动车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于，所述环境信息监测单元包括温度传感器、湿度传感器及气压传感器；

所述母排温度监测单元包括至少一个母排温度传感器；

所述泄漏电流监测单元包括至少一路电流传感器；

所述图像/视频监测单元包括摄像机。

7.如权利要求5所述的动车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于，所述母排温度监测单元包括分别安装在母排不同位置的多个母排温度传感器，所述泄漏电流监测单元包括多个分别安装在不同高压箱设备处的电流传感器。

8.动车组车顶高压箱故障监测方法，采用权利要求1至7中任意一项所述的从车组车顶高压箱状态监测系统，其特征在于，包括与监测单元对应的以下步骤之一或组合；

环境故障判定：设定环境数据阈值，将环境信息监测单元采集的环境数据与环境数据阈值相比较，若超过环境阈值，则判定为存在环境故障；

母排故障判定：设定母排温度阈值，将母排温度监测单元采集的母排温度数据与母排温度阈值相比较，若超过母排温度，则判定存在母排故障；

设备绝缘故障判定：设定泄漏电流阈值，将泄漏电流监测单元采集的泄漏电流数据与泄漏电流阈值相比较，若超过泄漏电流阈值，则判定高压箱设备存在外绝缘故障；

设备异常定性判定：若图像/视频监测单元监测到放电、设备结构变化等异常，则定性判定高压箱设备存在异常故障。

9.如权利要求8所述的动车组车顶高压箱故障监测方法，其特征在于，故障监测方法包括环境故障判定、母排故障判定、电流泄漏故障判定和设备异常定性判定；逐级进行故障判定，其中，环境故障判定为一级判定，母排故障判定和电流泄漏故障判定为二级判定，设备异常定性判定为三级判定。

10.如权利要求8或9所述的动车组车顶高压箱故障监测方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

结合环境故障、母排故障、电流泄漏故障和设备异常定性故障生成预警信号；

若均不存在以上故障，则不生成预警信号；若存在一种故障，则生成一级预警信号，若存在两种故障，则生成二级预警信号，若存在三种及以上故障，则生成三级预警信号。