CN111323679A - 监视铁路车辆中的悬链线-受电弓相互作用的监视设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监视铁路车辆(100)中的悬链线‑受电弓相互作用的监视设备，其包括：一频率可调无线电接收机模块(2)，具有与其相关联的一天线(1)，用于接收通过所述射频和微波频段中的悬链线‑受电弓相互作用所发射的无线电信号(500)；及一控制模块(4)，用于检测在至少一个调谐频带内由所述无线电接收机(2)所接收的无线电信号(500)中的电弧(400)。关于所检测的电弧(400)的信息可以存储在存储模块(3)中，并用于生成由一通信模块(6)发送的记录和/或警报。所述无线电接收器模块(2)可以随附在一输入－输出模块(9)中，以便于受电弓的监视和维护，并且所述无线电接收器模块(2)可以配有一受电弓电流测量模块(8)和一测距和定位模块(7)，以获取车辆的位置和速度。
Description
技术领域
本发明被包括在铁路运输领域中，并且更具体地，本发明被包括在火车头车辆的电源供应系统的实时自动监视的领域中，具体来说，是对架空导线(悬链线)和电能收集机构(受电弓)之间相互作用的测量。
因此，本发明涉及一种用于基于无线电频带(包括微波)中的测量来实时地自动监测悬链线-受电弓相互作用的设备。
背景技术
在用于向电动车辆提供能量的受电弓与悬链线接触的领域中，当电流流过将它们分开的空气时，在接触带和铁路悬链线的接触线之间会产生电弧。理想情况下，悬链线和受电弓的接触带不应在任何时候脱落，但实际上这种接触通常是不完美的。这些缺陷通常可以通过强烈的发光来轻松识别，特别是在非常明显的电弧中，而在强度较小的火花中则较小。从逻辑上讲，对于电气化铁路线的正确和有效运行，悬链线与受电弓的接触是否合适以及避免产生电弧极为重要，因为它们主要导致车辆发动机的电势损失，以及悬链线、受电弓接触带、与变电站和火车的不同电气设备的损坏。
尤其是，正确的受电弓-悬链线接触性是铁路工程难题中较难解决的问题之一，因为它受大量动态和静态受电弓和悬链线参数的影响以及受电弓接触带的磨损的影响。
受电弓的主要设置之一是施加在悬链线上的力。如果此力非常高，则受电弓接触带承担的磨损将非常高，从而产生随后的经济影响以及对火车头车辆可用性的影响。相反，如果该力很小，则经常产生电弧，其后果如上所述。因此，极其重要的是建立一种用于测量，表征和监视该接触的方法，以使得随后可以调节接触力，这允许优化电流收集系统的性能。
考虑到监视此接触的最明显策略是直接视觉接触，因此使用的传感器通常是光学传感器(例如，用于测量红外光、可见光或事件紫外光谱中的光强度的仪表或摄像机)。
例如，CN105403242描述了一种火车头受电弓-悬链线硬点光电振动综合GPS检测方法。所述方法包括将弧光转换为电信号，分析和处理电信号以及借助于动态模型来分析振动信号，以用于获得与借助GPS进行精确定位相关的振动值。CN105403242使用紫外光光电传感器、加速度传感器、信号调节装置、隔离变压器、采集卡、控制计算机、显示器、存储器和GPS定位器。
已知只有一个电磁频谱，并且它包括从极低频(ELF)频段到具有最高频率的X射线和伽玛频段。
如今，用于测量悬链线-受电弓相互作用的设备可以在光学范围(CCTV或闭路电视摄像机、照度计)中工作，也可以在红外光范围(热成像仪)中工作，甚至在紫外光范围内工作，就与上述文件CN105403242类似。
实际上，有一个用于描述悬链线-受电弓接触的参考标准[UNE-EN 50317标准，“受电弓与架空接触线之间的动态相互作用的条件测量的要求和验证”，2012年1月]，其专门用于测量在光谱光带中工作的悬链线-受电弓相互作用的设备(标准字面上的含义如下：“检测器必须对铜材料发出的光的波长敏感”)。
对此，到目前为止，光学传感器一直用于研究电弧。当然，这些传感器具有巨大的优势，但也有一个主要缺点：它们需要传感器本身和悬链受电弓触点之间的直接视线，这意味着传感器必须安装在火车的车顶上，并随之而来的是电气风险。与可能将其布置在火车内的其他位置相比，这涉及更高的安装成本，例如：这是因为除了经常被禁止从车顶布线到火车内部(由于电气风险)之外，还需要切断电源才能接触车顶和专业人员，这将这些传感器的使用限制在其随附电池的使用寿命内。
另一方面，在Mariscotti等人的“论GSM-R天线上的受电弓电弧瞬变的表征”中(第17届IMEKO TC 4研讨会，第3届IMEKO TC19研讨会和第15届IWADC ICT时代的车间仪器，2010年(17th Symposium IMEKO TC 4,3rd Symposium IMEKO TC 19and 15th IWADCWorkshop Instrumentation for the ICT Era,2010))，和Shuangle等人撰写的“直流电弧故障电磁信号的测量和分析方法”。(第四届电力设备国际会议-开关技术，2017年(4thInternational Conference on Electric Power Equipment–Switching Technology,2017))描述了在一般情况下存在火花，电弧或空气离子化的情况下，电弧会发出广谱的电磁辐射，并且可以像在DC线路(“用于DC电弧故障的电磁信号的测量和分析方法”)和AC线路(“关于GSM-R天线上的受电弓瞬变的表征”)中的干扰一样建模。
常规上，在研究了这些辐射后，纯粹是出于学术目的或表征通信系统的潜在干扰，例如，在由Mariscotti等人撰写的上述研究“关于GSM-R天线上的受电弓弧瞬变的表征”中进行了描述”，但绝不是为了表征悬链线-受电弓相互作用。
其他研究，例如Furse等人的“扩频传感器在带电导线上定位电弧的可行性”(IEEE传感器杂志，第1445-1450页，第5卷，第6期，2005年(IEEE Sensors Journal,pp.1445-1450,Vol.5,No.6,2005))。提出了对频谱进行传感以检测飞机电线中间歇性问题的方法，但是在测量铁路车辆的悬链线与受电弓之间的相互作用方面，它也是完全不同的应用。
在其他涉及通过一接触(例如电动机本身)进行电流传输的不同机器中，也可能会观察到火花，电弧等，该接触的诊断与悬链线-受电弓相互作用的诊断完全不同。
提出的目标技术问题是在铁路车辆的任何位置提供一种经济有效且易于安装的设备，用于测量、表征和监测悬链线-受电弓相互作用，从而识别和表征降低悬链线-受电弓接触的场景，例如电弧，火花等。
发明内容
本发明用于借助于一种装置来解决上述问题，该装置使用至少一个在射频频带中工作的测量传感器，该射频传感器包括在数个kHz(即，在音频的正上方)和近红外光之间，并且更具体地，包括高频或HF频带、超高频或UHF频带和微波频带中的至少一个。因此，本发明与先前的背景文件明显不同之处在于，它在光谱的其他频带(不是可见光，X射线，伽马，红外或紫外线频带)中工作。因此，它可以与其他用于在空中传播信号的机制一起工作，并具有不同的测量硬件，与现有解决方案相比，所需的成本更低。
与上面讨论的通常的听诊方法(通常是照相机或光学设备)不同，为了使本发明起作用，在悬链线-受电弓接触区域和测量接触的测量装置之间不必存在直接的视线(LOS)，因为传感器的工作原理是基于无线电信道中的测量。
在本发明的上下文中，不理想的悬链式-受电弓接触被建模为DC和AC线中的宽带噪声或干扰源。通过使用无线电接收器，本文提出的设备能够通过测量以下参数来检测悬链线与受电弓之间不完美接触所产生的电弧：电磁(EM)辐射功率、脉冲或电弧时间之间的时间、噪声概率分布、用于概率分布估计的其他统计参数等。同样，适当调谐的无线电接收机也可以检测出不会产生电弧但会产生火花的微小接触缺陷。鉴于电弧的光谱“足迹”和不同类型的火花不同，本发明不仅可以表征悬链线-受电弓的接触，而且可以正确地识别其降低行为(degraded behavior)，并获得与电弧引起的无线电干扰有关的噪声分布的参数。
本发明的设备的作用类似于感测由降低场景(degraded scenario)所产生的无线电波的元件，并且通常是悬链线-受电弓接触瞬变。
本发明的设备包括传感器，所述传感器是可调谐无线电接收机，用于在一个或多个可配置频带中获取无线电仪表，以处理频率分配的区域分集和悬链线电压的变化以及表征每个国家/地区的铁路车辆系统的电源供应系统的其他因素。根据所应用的频谱感测方法(例如，基于功率阈值，波形，小波变换，自适应滤波等)，认为存在电弧。所述设备对非电弧产生的无线电辐射特别敏感，因此：
它不监视一个单一的频带，而是监视两个或两个以上先前被确定与电弧频谱有关的不同无线电频带，因此当在一个以上的监视频段内进行正向和同时检测时，认为存在电弧。此外，它增加了要输入到分析模型中的数据量。
仔细选择监视的无线电频带，以避免可能受到其他通信系统或任何其他类型的系统影响的频带。
在本发明的实现中，由无线电接收机获取的数据可以被本地或远程地存储，以供后续使用甚至实时分析。可以对获取的数据进行数字处理，并实时或延迟地报告，以将有关悬链线-受电弓接触的一般电弧或缺陷(包括其位置)的信息提供给例如远程服务器，或报告给一辅助列车控制和管理系统(TCMS：列车控制和管理系统)，目的是将进阶的基于状态的维护(CBM)策略付诸实践，或对列车执行本地实时诊断。本发明允许从设备发送信息并且可选地还从远程控制系统接收信息。
此外，可以添加地理定位设备(例如GPS接收器)，以实时获取有关火车位置的信息，并将其与悬链线-受电弓接触的状态测量值相关联。因此，监视设备可以通过无线通信模块远程报告电弧的检测，并将其与火车所在的铁路线的公里点相关联。
为了运行，测量设备和整个监视组件可以具有自主性电源供应设备，者可以从铁路车辆的电源系统本身获取供给能量。
本发明的一个方面涉及一种用于基于无线电频带中的测量来监测悬链线-受电弓相互作用的监测装置，并且包括以下组件：
一输入与输出模块，具有至少一频率可调无线电接收机及与其相关联的一天线，用于拾取通过所述射频和微波频段中的所述悬链线-受电弓相互作用所发射的信号；及
一控制模块，连接到所述输入与输出模块，所述控制模块配置成用以检测所述无线电信号的所述悬链线-受电弓相互作用中所产生的电弧，其中所述无线电信号是通过所述调谐后的射频和微波频带中的至少一个内的所述接收器来接收的。
本发明相对于现有技术的优点基本上是：
不需要在传感器和悬链线-受电弓接触之间有直接的视线，也不需要在车顶或受电弓附近的区域或通常存在电气风险的其他区域安装任何设备。
由于所需的无线电信道测量的大小不能与基于CCTV摄像机的解决方案中使用的视频文件相比，因此可以大大减少要处理或存储的数据量。
所述设备价格低廉，易于安装和维护，因为它主要由无线电天线和可接收无线电功率测量值的可调谐无线电接收器以及带有用于处理测量值的数据存储单元的微控制器组成。所述整个组件可以通过火车本身的同一电源供应系统来提供，也可以具有自主供电(通常是电池)。
本发明允许获得关于悬链线和受电弓的信息，以促进其基于状态的维护(CBM)，与本发明之前的现有技术的解决方案相比，这是有利的，因为很难使用对准受电弓的相机进行CBM。
附图说明
下面非常简要地描述了一组附图，这有助于更好地理解本发明，并且直接涉及作为其非限制性示例呈现的所述发明的实施例。
图1示出了根据本发明的优选实施例的用于基于无线电频带中的测量来监视悬链线-受电弓相互作用的设备的框图。
图2示出了根据本发明的优选实施例的监视铁路车辆中的悬链线-受电弓相互作用的监视设备的位置的示例。
具体实施方式
图1示出了监视铁路车辆(100)中的悬链线-受电弓相互作用的监视设备的可能实施例。所述监视设备包括一输入/输出模块(9)，所述输入/输出模块(9)包括至少一频率可调无线电接收机模块(2)，并补充有一天线(1)，用于在所述无线电频带内拾取无线电频带内的无线电信号(500)，其范围从20KHz到12GHz。所述无线电模块(2)由此在一个或多个预调谐的频带中进行测量。优选的是在一个以上的频带中，因为即使电弧(400)具有给定的频率响应，在给定的频带中也可能存在无线电传输(由于无线电通信系统的发射)，这将使无线电用于检测在那些相同的频带中的电弧(400)是不能实现的。
图2示出了监视设备在铁路车辆(100)内部的可能位置，这是因为无线电接收器模块(2)能够通过天线(1)接收无线电信号(500)，而不需要也不同于根据现有技术的解决方案的无线电接收器模块的要求，即设备被安装在车辆(100)的车顶中或在视线内，并且由悬链线(200)形成的组件与受电弓(300)接触。
所述监视设备像一集中设备一样，利用一控制模块(4)，所述控制模块(4)作用类似于所述输入-输出模块(9)以及与其他外部系统集成的中央处理单元。所述控制模块(4)可以包括至少一微控制器，但是其他替代方法也是允许的，例如微控制器(用于实时数据管理)和微处理器(用于本地处理)的组合，甚至单个微处理器，这取决于所选的操作模式。所述控制模块(4)本地或远程连接到包括无线电接收机(2)和天线(1)的所述输入-输出模块(9)。
所述监视设备允许以下三种可能的操作模式：
(1)记录器模式，用于后续(延迟)下载数据记录。
(2)连接模式，可将(原始或已处理的)记录自动下载到远程服务器。在这种情况下，需要通信接口(例如，以太网或WiFi或3G/4G)来下载数据。
(3)警报模式，在所述模式下，仅当电弧(400)或根据其阈值已定义的任何其他参数时进行报导。在这种情况下，所述设备执行本地处理，因此它需要具有警报所报导到的系统的接口。
对于这些操作模式中的任何一种，所述监视设备包括一个存储模块(3)，其可以进行本地连接(通常配置为一循环缓冲，以便覆盖较旧的记录)或位于所述车辆(100)的另一个位置，用于存储(原始或已处理)测量值。此外，所述监视设备包括一通信模块(6)，所述通信模块可以是移动的或无线的(例如，Wi-Fi)或使用以太网或火车通信网络(TCN)等。通过所述通信模块(6)所述监视设备将记录和/或警报发送到一接收中心(通常是铁路线操作控制或维护中心中的服务器)。
如果通过所述天线(1)接收到的无线电信号(500)的功率测量值与铁路车辆(100)上的集中器以及EN 50317标准中针对此类型车辆指定的其他信号集成在一起，其表明电弧(400)(即受电弓(300)的电流)的存在必须与车辆的速度及其在线路上的位置相关联，负责产生这些变量(车辆的位置和速度)的一测距和定位模块(7)被包含在图1的监视设备的输入输出模块(9)中。为了确定火车的位置，所述测距和定位模块(7)可以使用GPS接收器或类似装置，或者在已知参考公里点之后对车载网络中可用的速度信号进行集成。可以通过GPS接收器或通过将火车或火车头的速度信号连接到所述控制模块(4)来获取车辆的速度信号。此速度信号通常以模拟电信号的形式或在火车的TCN中在车载移动材料上获得。必须指出的是，尽管集成无疑是更简单的，但并非总是能够在铁路线上使用GPS信号等(例如，地铁线路通常几乎整个通过不存在该GPS信号的隧道)，因此必须使用其他替代技术。
EN 50317标准规定，对于测量悬链线与受电弓之间的相互作用，必须测量电流线和/或受电弓与悬链线之间的接触力的高低，或在所述接触或电弧百分比NQ中形成电弧(400)的时间百分比。所述电弧百分比NQ根据以下表达式计算：
其中tarc是电弧时间，即每个记录的电弧(400)持续的时间，ttotal是总测量时间减去电流小于额定电流30％的时间段。因此，通过测量由无线电接收器模块(2)拾取的电弧时间tarc，可以测量在所述标准中建立的电弧百分比NQ参数。
同样有可能在处理无线电信号(500)和应用更先进的技术时更加准确，从而有可能获得更进阶的统计数据(峰度分析等)或对无线电信号频谱变化进行分析(倒谱分析等)或其他分析(小波变换，基于波形的检测器等)。因此，即使在建议的系统最直接的用途是计算电弧百分比NQ的情况下，也有可能使用该设备通过实现以下方法对悬链线-受电弓相互作用进行更深入的评估：例如，基于条件的维护或CBM技术。
假设EN 50317标准确定有必要测量受电弓电流，以排除当所述电流异常低时产生的电弧(400)，则一受电弓电流测量模块(8)可以被包括以作为输入与输出模块(9)的一部分。特别地，此测量可以用安培钳或通过与列车的TCN总线或其包含所述变量的任何类似装置的连接来进行。
最后，为了使设备获得其工作所需的能量，例如包括了电源模块(5)，诸如一电池。
Claims (15)
1.一种监视铁路车辆(100)中的悬链线-受电弓相互作用的监视设备，其特征在于：所述监视设备包含：
一输入-输出模块(9)，包括至少一频率可调无线电接收机模块(2)和与所述至少一频率可调无线电接收机模块(2)关联的一天线(1)，用于拾取通过所述射频和微波频段中的所述悬链线-受电弓相互作用所发射的无线电信号(500)；及
一控制模块(4)，连接到所述输入-输出模块(9)，所述控制模块(4)配置成用以检测所述无线电信号(500)的所述悬链线-受电弓相互作用中所产生的电弧(400)，其中所述无线电信号(500)是通过调谐后的所述射频和微波频带中的至少一个内的所述至少一频率可调无线电接收器模块(2)来接收的。
2.如权利要求1所述的监视设备，其特征在于：所述控制模块(4)包括至少一微控制器。
3.如权利要求1或2所述的监视设备，其特征在于：所述控制模块(4)包括至少一微处理器。
4.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于：所述控制模块(4)还配置成用于计算每个所检测的电弧(400)持续的时间。
5.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于：所述监视设备还包括一存储模块(3)，所述存储模块(3)连接至所述控制模块(4)，用于存储关于所检测的电弧(400)的信息。
6.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于，所述监视设备还包括一通信模块(6)，所述通信模块(6)连接至所述控制模块(4)，用于发送由所述控制模块(4)生成具有相关于所检测的电弧(400)的记录和/或警报的信息。
7.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于，所述输入-输出模块(9)还包括一测距与定位模块(7)，以获得所述铁路车辆(100)的位置和速度。
8.如权利要求7所述的监视设备，其特征在于：所述测距和定位模块(7)包括一GPS接收器。
9.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于，所述输入-输出模块(9)还包括一受电弓电流测量模块(8)。
10.如权利要求9所述的监视设备，其特征在于：所述受电弓电流测量模块(8)使用多个安培钳或所述铁路车辆(100)的一通信网络进行连接。
11.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于，所述至少一频率可调无线电接收器模块(2)在一高频段中进行调谐。
12.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于，所述至少一频率可调无线电接收器模块(2)在一超高频带中进行调谐。
13.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于，所述至少一频率可调无线电接收器模块(2)在一微波频带中进行调谐。
14.如前述权利要求任一项所述的监视设备，其特征在于，所述监视设备还包括一自主性电源供应模块(5)。
15.如权利要求1至14任一项所述的监视设备，其特征在于，所述监视设备还包括一电源供应模块(5)，所述电源供应模块从所述铁路车辆(100)的一电源供应系统获得电能。
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