CN111413577A - 一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统及方法，系统中的磁场测量元件由电磁感应线圈、智能故障指示箱、GSM同步发射模块、供电系统组成，在智能故障指示箱中集成了电压信号放大电路、单片机数据处理单元、通信模块以及蓄电池等装置，磁场测量单元通过非接触式测量能准确获取故障信息，牵引网空间磁场环境随线路中电流分布的变化而变化，利用磁场感应技术获取牵引网运行时磁感应强度信息能准确反应其运行状态，解决了传统故障定位方法中准确获取故障电气量的困难，磁场测量元件安装成本低，安全性高，放置与接触线的塔杆上，不会对机车的正常运行造成任何影响。

Description

一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统及方法

技术领域

本发明涉及地铁牵引网故障检测技术领域，尤其是涉及一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统及方法。

背景技术

地铁作为城市重要的公共交通工具，可以有效缓解城市居民出行困难，解决城市交通拥堵等问题。随着供电方式和微机技术等方面的进步，电气化铁道牵引网故障测距算法不断演变，针对直接供电方式，现有技术一般采用阻抗分析法或改进方法来实现故障定位。随后出现了带回流的直接供电、BT供电、带回流线的BT供电、AT供电等各种供电方式，并提出了中性点“吸上电流比”、“复线上下行电流比”、“横联线电流比”、“单线吸馈电流比”“微波故障测距法”等方法，这些算法的提出和研究十分有效地解决了单线、复线的相关问题。

现有的故障信息测量装置只能依赖变电所的电流、电压信息，然而在复杂的供电系统条件下，这些信息不足以准确地定位到故障位置，且电气量的测量往往受电压互感器和电流互感器饱和的影响，导致测距误差较大，难以进行故障诊断。因动车组通过变电所、分区所进入另一带电供电臂相当于电力机车上变压器进行一次空载合闸，动车组在运行过程中，频繁在起动、牵引调速、再生制动等工况之间转换，不同工况下，牵引变电所感知的电气参数的较大差异，牵引网故障阻抗有时表现为非线性，互感器的信号难以同步获取，且不能通过测距算法快速准确地识别故障类型大差异。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，用于对地铁牵引网进行故障检测，该系统包括：

磁场测量单元：分散式安装在地铁牵引网的接触网附近，用于采集所处线路位置的电磁感应信号并进行故障判断；所述的磁场测量单元包括用以采集所处线路位置的电磁感应信号的电磁感应线圈、用以对电磁感应线圈采集的信号进行处理及故障判断的智能故障指示箱、用以将智能故障指示箱获取的判断结果发送至远程终端的GSM同步发射模块以及用以对各用电设备进行供电的供电模块；

优选地，各磁场测量单元之间的分散安装距离为400～1000m。进一步地，各磁场测量单元之间的分散安装距离为500m。

远程终端：用于对故障判断的结果进行故障定位和故障诊断，以获取故障定位结果；

调度系统：用于接收远程终端上传的故障定位结果后进行检修。

优选地，所述的智能故障指示箱包括蓄电池及与蓄电池分别连接的电压信号放大电路、单片机数据处理单元、电磁场信号处理电路和GSM通信模块，所述的单片机数据处理单元与电压信号放大电路、GSM通讯模块分别连接，电压信号放大电路与电磁场信号处理电路连接，电磁场信号处理电路与电磁感应线圈连接，GSM通讯模块与GSM同步发射模块连接。

优选地，所述的供电模块包括太阳能电池板和太阳能充电控制器，所述的太阳能电池板安装于接触网附近，所述的太阳能充电控制器设于智能故障指示箱内，所述的太阳能充电控制器与太阳能电池板连接，所述的蓄电池连接太阳能充电控制器。

优选地，所述的远程终端包括台式计算机、智能手机或平板电脑。

一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距方法，该方法包括以下步骤：

S1：各磁场测量单元利用电磁感应线圈采集所处线路位置的电磁感应信号，并将采集的信号发送至智能故障指示箱；

S2：智能故障指示箱对采集的电磁感应信号进行处理，对牵引网线路中出现短路故障后的故障进行诊断及故障测距，其判断的结果通过GSM同步发射模块传输至远程终端；

对牵引网线路中出现短路故障后的故障进行诊断及故障测距的具体步骤包括：

201)单片机数据处理单元预先设定故障电压阀值，在信号处理阶段，利用电磁场信号处理电路将电磁感应线圈测量到的磁场信号进行三维分解；

202)通过电压信号放大电路将三维分解后的电路信号放大为可观测信号；

203)在故障判断阶段，利用单片机数据处理单元将输出的电压信号与预先设定的故障电压阀值进行比较，若检测到异常信号，则判断其是否超出了预先设定的持续时间阀值，若超出，则视为故障信号；

204)在信号发送阶段，利用GSM同步信号发射模块将出现的故障信号和测量杆塔的属性信息以无线传输方式上传至远程终端，并显示预警。

S3：远程终端对接收的判断结果进行故障定位和故障诊断，获取故障定位结果；

S4：远程终端将获取的故障定位结果上传至调度系统进行检修。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明采用与牵引网完全独立的系统，基于非接触式测量能准确获取故障信息，牵引网空间磁场环境随线路中电流分布的变化而变化的原理，利用磁场感应技术获取牵引网运行时磁感应强度信息以准确反应其运行状态，解决了传统故障定位方法中准确获取故障电气量的困难，本发明系统采用非接触式的测量方式，不受互感器饱和的影响，且不用介入地铁本身的系统，具有较好的可靠性和安全性；

二、本发明的磁场测量单元通过实时检测，一旦牵引网发生短路故障时，在同步上传故障信息的同时附带了监测点的属性信息，在远程终端上能进行快速、准确的故障定位且精度能达到固定范围以内，实现实时监控，和原有的故障定位方法相比，定位精度、速度都得到了大大地提高；

三、本发明实现了地铁牵引网的实时监测，以及当牵引网线路中出现短路故障后的故障诊断及故障测距，能够及时的传输数据，精准定位，从而能及时高效排除故障，保证地铁运行的可靠性；

四、本发明通过远程终端将故障信息上传至调度系统，检修人员能快速的找到故障地点并进行检修，大幅度地节省了寻找故障点的成本，减轻铁路供电维护部门的劳动强度；

五、磁场测量元件安装成本低，安全性高，可放置于接触线的塔杆上，不会对机车的正常运行造成任何影响。

附图说明

图1为本发明一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统的结构示意图；

图2为本发明一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统的结构连接框图；

图中标号所示：

1、电磁感应线圈，2、太阳能电池板，3、GSM同步发射模块，4、智能故障指示箱，5、单片机数据处理单元，6、电压信号放大电路，7、电磁场信号处理电路，8、GSM通讯模块，9、蓄电池，10、太阳能充电控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

根据毕奥-萨伐定律，导线中的电流在空间中某点产生的磁感应强度与电流大小成正比，与该点到导线的距离成反比。因此，可以通过测量导线周围空间中空心线圈产生的感应电压来间接测量导线附近的局部磁场，进而得到导线中的电流。通过分析输电线路周围的电磁场分布特征，提出了通过感应线路下方磁场获取零模电流信号，感应电场获取零模电压信号，利用获取的故障信号可以实现故障选线与定位。

本发明涉及一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，用于针对地铁牵引网进行故障检测，该系统包括与地铁牵引网连接的磁场测量单元、远程终端及调度系统。磁场测量单元与远程终端无线连接，远程终端与调度系统连接。

磁场测量单元与地铁牵引网无线通信。磁场测量单元由电磁感应线圈1、智能故障指示箱4、GSM同步发射模块3、供电模块四部分组成，电磁感应线圈1与智能故障指示箱4连接，智能故障指示箱4连接GSM同步发射模块3，供电模块与电磁感应线圈1、智能故障指示箱4、GSM同步发射模块3分别连接，智能故障指示箱通过GSM同步发射模块4与远程终端连接。供电模块可采用光伏供电模块，该模块由小型的太阳能电池板2和太阳能充电控制器10组成。磁场测量单元可分散式地安装于接触网附近，以对磁场进行实时的测量，进而判断是否出现故障。在实际工程中能够将故障点定位在400～1000m范围内，相对于其他方式的故障测距已能十分容易的查找到故障地点，为了兼顾故障定位的精度和架构系统的经济性，可考虑每隔0.5km安装磁场测量单元，并将故障信息同步传输到远程终端。磁场测量单元为与地铁牵引网完全独立的一套系统，并不会对其本身的网络造成影响，具有较好的独立性。磁场测量元件安装成本低，安全性高，可放置于接触线的塔杆上，不会对机车的正常运行造成任何影响。

智能故障指示箱4用于对电磁感应线圈采集的信号进行处理及故障判断，并将处理结果通过GSM同步发射模块3无线发送至远程终端。智能故障指示箱4中集成了电压信号放大电路6、单片机数据处理单元5、电磁场信号处理电路7、GSM通讯模块8、所述太阳能充电控制器10以及蓄电池9等装置。其中，单片机数据处理单元5与电压信号放大电路6连接、GSM通讯模块8以及太阳能充电控制器10分别连接；电压信号放大电路6与电磁场信号处理电路7连接；蓄电池9分别连接电磁场信号处理电路7、GSM通讯模块8及太阳能充电控制器10。GSM通讯模块8与GSM同步发射模块3连接。GSM同步发射模块3采用GSM无线传输天线。

远程终端接收智能故障指示箱处理后的数据后进行故障定位和故障诊断，获取故障定位结果。远程终端与地铁牵引网无线连接，用于根据故障定位结果上传至调度系统进行检修。优选地，远程终端可采用台式计算机、智能手机或平板电脑。

一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距方法，该方法基于上述系统，用于实现对地铁牵引网的实时检测，以及当牵引网线路中出现短路故障后的故障诊断及故障测距，该方法的具体步骤如下：

步骤一、各个磁场测量单元利用电磁感应线圈采集所处故障点定位位置的电磁感应信号，并将采集的信号发送至智能故障指示箱；

步骤二、智能故障指示箱对采集的信号进行信号处理，对牵引网线路中出现短路故障后的故障进行诊断及故障测距，其判断的结果通过GSM同步发射模块传输至远程终端。

实现故障测距的具体内容为：

在信号处理阶段，利用电磁场信号处理电路将电磁感应线圈测量到的磁场信号进行三维分解，并通过电压信号放大电路将转换后的电路信号放大为可观测信号；单片机数据处理单元预先设定故障电压阀值。在故障判断阶段，利用单片机数据处理单元将输出的电压信号与预先设定的故障电压阀值进行比较，若检测到异常信号，则考察其是否超出了预先设定的持续时间阀值，若超出，则判断为故障信号；在信号发送阶段，利用GSM同步信号发射模块将出现的故障信号和测量杆塔的属性信息以无线传输方式上传至远程终端，并显示预警。

步骤三、远程终端对接收的判断结果进行故障定位和故障诊断，获取故障定位结果。

步骤四、远程终端将获取的故障定位结果上传至调度系统进行检修，检修人员能快速的找到故障地点并进行检修，大幅度地节省了寻找故障点的成本，减轻铁路供电维护部门的劳动强度。

本发明涉及一种基于磁场的非接触式地铁牵引网故障测距方案，实现了地铁牵引网的实时监测，以及当牵引网线路中出现短路故障后的故障诊断及故障测距，能够及时的传输数据，精准定位，从而能及时高效排除故障，保证地铁运行的可靠性。此外采用非接触式的测量方案，不用介入地铁本身的系统，实现实时监控，有较好的安全性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，用于对地铁牵引网进行故障检测，其特征在于，该系统包括：

磁场测量单元：分散式安装在地铁牵引网的接触网附近，用于采集所处线路位置的电磁感应信号并进行故障判断；所述的磁场测量单元包括用以采集所处线路位置的电磁感应信号的电磁感应线圈、用以对电磁感应线圈采集的信号进行处理及故障判断的智能故障指示箱、用以将智能故障指示箱获取的判断结果发送至远程终端的GSM同步发射模块以及用以对各用电设备进行供电的供电模块；

远程终端：用于对故障判断的结果进行故障定位和故障诊断，以获取故障定位结果；

调度系统：用于接收远程终端上传的故障定位结果后进行检修。

2.根据权利要求1所述的一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，其特征在于，各磁场测量单元之间的分散安装距离为400～1000m。

3.根据权利要求2所述的一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，其特征在于，各磁场测量单元之间的分散安装距离为500m。

4.根据权利要求1所述的一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，其特征在于，所述的智能故障指示箱包括蓄电池及与蓄电池分别连接的电压信号放大电路、单片机数据处理单元、电磁场信号处理电路和GSM通信模块，所述的单片机数据处理单元与电压信号放大电路、GSM通讯模块分别连接，电压信号放大电路与电磁场信号处理电路连接，电磁场信号处理电路与电磁感应线圈连接，GSM通讯模块与GSM同步发射模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，其特征在于，所述的供电模块包括太阳能电池板和太阳能充电控制器，所述的太阳能电池板安装于接触网附近，所述的太阳能充电控制器设于智能故障指示箱内，所述的太阳能充电控制器与太阳能电池板连接，所述的蓄电池连接太阳能充电控制器。

6.根据权利要求1所述的一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统，其特征在于，所述的远程终端包括台式计算机、智能手机或平板电脑。

7.一种应用如权利要求1-6任一项所述的一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距系统的测距方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)各磁场测量单元利用电磁感应线圈采集所处线路位置的电磁感应信号，并将采集的信号发送至智能故障指示箱；

2)智能故障指示箱对采集的电磁感应信号进行处理，对牵引网线路中出现短路故障后的故障进行诊断及故障测距，其判断的结果通过GSM同步发射模块传输至远程终端；

3)远程终端对接收的判断结果进行故障定位和故障诊断，获取故障定位结果；

4)远程终端将获取的故障定位结果上传至调度系统进行检修。

8.根据权利要求7所述的一种基于非接触性测量的地铁牵引网故障测距方法，其特征在于，对牵引网线路中出现短路故障后的故障进行诊断及故障测距的具体步骤包括：

201)单片机数据处理单元预先设定故障电压阀值，在信号处理阶段，利用电磁场信号处理电路将电磁感应线圈测量到的磁场信号进行三维分解；

202)通过电压信号放大电路将三维分解后的电路信号放大为可观测信号；

203)在故障判断阶段，利用单片机数据处理单元将输出的电压信号与预先设定的故障电压阀值进行比较，若检测到异常信号，则判断其是否超出了预先设定的持续时间阀值，若超出，则视为故障信号；

204)在信号发送阶段，利用GSM同步信号发射模块将出现的故障信号和测量杆塔的属性信息以无线传输方式上传至远程终端，并显示预警。

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