CN206627591U - 高速铁路牵引供电信号监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高速铁路牵引供电信号监测系统，包括设置在铁路沿线杆塔上的触发机构、第一电气信号采集装置、电气信号收发装置、信号同步装置、信号处理器、无线通信发射器和为各装置提供电源的独立电源；相邻杆塔的电气信号收发装置互连；杆塔的电气信号收发装置及第一电气信号采集装置分别与信号同步装置连接，信号同步装置与信号处理器连接；触发机构触发无线通信发射器将同步的电气信号发送到机车的无线通信接收器中。本实用新型所述的信号监测系统及方法具有可同步采集变电所及牵引网沿线杆塔设备电气信号的特点，具有系统整体设置结构简单、成本低，信号传输稳定、信号数据量小、信号传输安全性高等优点。

Description

高速铁路牵引供电信号监测系统

技术领域

本实用新型涉及高速铁路的牵引供电网的状态监测、故障诊断及预警方法，特别涉及高速铁路牵引供电信号监测系统及方法。

背景技术

目前高速铁路的电气化铁路的供电系统，因用电量大、分布距离广，故而形成相对独立的电气化铁路牵引供电系统，我国国土幅员辽阔，列车运行跨度大，列车在运行过程中受到天气环境、地质环境等多方面因素的影响，牵引网电缆、承载电缆的杆塔、供电的变电所等设备会受到恶劣气候甚至雷电大气过电压的侵袭，电气设备易出现各种故障，故障的原因、时间及位置都不易在第一时间监测到，这些故障对变电所和机车的稳定运行和维护，以及故障清除带来了一定的困难，为了保障变电所和列车的安全、稳定运行，需要对牵引网的运行状态、对故障时间和位置的掌握提出了更高的要求。

现有的电气牵引网供电系统的主要电气参量包括：变电所的电压和电流、机车的电压和电流，现有的变电所之间的电气参量并不同步且无法相互传输，无法对实时数据进行高频分量的精准测量，实际测得数据的实用性和可靠性相对较低，且很多数据分析的基础参量无法获取，因此，需要对现有的牵引供电系统的电气参量进行高精度同步采集和高频率分析。

此外，现行的牵引供电系统的分析和仿真软件都是基于非同步的数据进行分析和计算的，现行的分析软件很难进行动态、快速的实际情况分析，对故障的分析和定位能力有所欠缺。现行的运行工况复杂、数据量极大，依靠现有的分析平台的可靠性越来越低。

发明内容

（一）发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种对变电所电气参量、杆塔电气参量及机车电气参量进行高精度同步数据采集和分析的监测产品和监测方法，为铁路局、机务段、供电段、机车车辆厂、铁路设计院等单位对牵引供电系统和机车车辆电气装备设计、运营、维护、检修、故障预警、事故调查分析等提供现场数据和决策支持。

（二）技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种高速铁路牵引供电信号监测系统，包括：设置在铁路沿线杆塔上的触发机构、第一电气信号采集装置、电气信号收发装置、信号同步装置、信号处理器、无线通信发射器和为各装置提供电源的独立电源；

相邻杆塔的电气信号收发装置互连，铁路变电所的第二电气采集装置与相邻杆塔的电气信号收发装置连接；

杆塔的电气信号收发装置及第一电气信号采集装置分别与信号同步装置连接，信号同步装置与信号处理器连接，触发机构与无线通信发射器连接，信号处理器与无线通信发射器连接；

机车上还设有与杆塔无线通信发射器连接的无线通信接收器；

触发机构触发无线通信发射器将同步的电气信号发送到机车的无线通信接收器中。

优选的，机车上还设有第三电气信号采集装置、信号同步装置和信号处理器，机车上设有与智能调度服务器连接的3G网络通信装置及定位机车位置的GPS定位装置。

优选的，触发机构包括支撑载板、分层框架、防尘外壳及二级阻尼旋转装置，支撑载板与防尘外壳固定连接，分层框架设置在防尘外壳内，第一电气信号采集装置、电气信号收发装置、信号同步装置、信号处理器及无线通信发射器分布设置在分层框架上，防尘外壳顶部通过活动摆臂与杆塔侧壁铰接；

防尘外壳包括矩形本体和矩形本体正面的截面为三角形的通信箱体，无线通信发射器设置在通信箱体内，无线通信发射器的无线天线设置在通信箱体的外侧楞边上；

二级阻尼旋转装置包括装置触动的导风板及传到外力的配合齿轮组。

优选的，所述导风板为具有收口结构的O型板，O型板的方向朝向列车行进相反方向。

优选的，二级阻尼旋转装置包括导风板、一级板支架、二级阻尼支架及配合齿轮组，配合齿轮组与支撑载板底部的齿轮盘连接，配合齿轮组通过支撑柱、轴承组固定在二级阻尼支架上，二级阻尼支架固定在支撑载板上，导风板具有迎风面，气流通过时挤压导风板的迎风面，导风板受到风压随气流方向移动，通过配合齿轮组传导风压至支撑载板底部的齿轮盘并使齿轮盘缓慢旋转，齿轮盘转动带动支撑载板向机车行进方向缓慢转动，齿轮盘与复位弹簧连接，气流减弱后复位弹簧使齿轮盘向初始方向旋转并控制支撑载板向机车行进相反方向转动。

优选的，二级阻尼装置包括与支撑载板底部的齿轮盘连接的配合齿轮组及驱动电机，该驱动电机与无线通信发射器连接，机车车头设置有触发杆塔无线通信发射器的无线触发模块，无线触发模块的触发距离为5-50米。

优选的，杆塔的第一电气信号采集装置、铁路变电所的第二电气采集装置、机车的第三电气采集装置均包括数据处理模块，数据处理模块计算带有时间参数的电气信号的谐波分析得到谐波信号。

优选的，机车上包括数据存储模块，谐波信号存储在数据存储模块中。

优选的，杆塔的信号处理器包括存储器，经信号同步装置、信号处理器处理的信号按时间顺序存储在存储器中，触发机构触发无线通信发射器将最近时间间隔段的同步电气信号发送到机车的无线通信接收器中。

优选的，智能调度服务器将列车收集到的变电所电气信号、杆塔电气信号及机车电气信号汇总显示在调度显示屏上的对应列车地图上形成列车运行电气状态图。

优选的，智能调度服务器设有调度比对模块，调度比对模块将变电所电气信号、杆塔电气信号及机车电气信号按固定时间间隔做比对处理，比对结果大于报警阈值时发出报警信号，根据报警信号筛选比对处理信号中包含的时间参数和位置参数。

优选的，电气信号的谐波分析方法为：通过傅里叶变换将时域的离散信号进行傅里叶级数展开并得到离散的频谱，从离散的频谱中筛选各次谐波对应的谱线，计算得出谐波的电流参数和电压参数。

优选的，变电所和杆塔信号的同步方法为：变电所和杆塔上均包括GPS同步器，该GPS同步器的时间精度<1μs。

优选的，杆塔的无线通信发射装置与机车的无线通信方法为：杆塔上设置有基于WIFI的基站。

高速铁路牵引供电信号监测方法：包括如下步骤：

S1：铁路变电所的第二电气采集装置采集铁路变电所的电气信号，电气信号包括时间参数，数据处理模块计算带有时间参数的电气信号的谐波分析得到变电所谐波信号；

S2：变电所谐波信号发送至变电所相邻杆塔的电气信号收发装置；

S3：杆塔的第一电气信号采集装置采集杆塔设备的电气信号，电气信号包括时间参数，数据处理模块计算带有时间参数的电气信号的谐波分析得到杆塔谐波信号；

S4：杆塔将接收到的变电所谐波信号通过电气信号收发装置顺次发送至相邻杆塔中，杆塔将杆塔谐波信号通过电气信号收发装置顺次发送至相邻杆塔中，当杆塔同时受到两个方向传送的变电所谐波信号和杆塔谐波信号时停止继续发送；

S5：杆塔的信号同步装置根据时间参数同步变电所谐波信号和杆塔谐波信号并发送至信号处理器中，信号处理器将变电所谐波信号和杆塔谐波信号增加杆塔位置参数，信号处理器分析牵引网电气信号状态、故障并得到处理信号，处理信号发送至无线通信发射装置并处于待发射状态；

S6：杆塔上的触发机构接收到机车的触发信号后，将无线通信发送装置中的处理信号发送至机车，通过机车的3G网络通信装置将反应沿途牵引网状态的处理信号发送至智能调度服务器。

（三）有益效果：本实用新型提供的高速铁路牵引供电信号监测系统及方法具有以下优点：

1，对高速铁路沿线的变电所进行数据采集、信号传送机信号同步处理，解决现有技术中多个变电所之间信号无法同步采集的问题；

2，多个杆塔进行数据采集、信号汇总及同步处理，解决现有的牵引网系统电气信号监控不及时、不同步的问题；

3，每个杆塔都作为一个信号采集基站，汇总最近变电所及变电所与该杆塔之间所有杆塔的电气信号，列车经过时汇总该杆塔的所有电气信号，用于牵引网、变电所、杆塔及机车的信号采集和分析用，可反映牵引网的电气信号的实时状态，同时避免对牵引网整体数据采集而造成的数据量过大，机车采集经过的杆塔的电气信号最为接近牵引网的实时状态，反映牵引网的真实运行情况，利用机车的通信、网络系统，不仅信号更加可靠，也降低了信号设备的成本；

4，杆塔采集到的变电所及多个杆塔的信号自动分层并通过触发机构触发后发送最近的数据至机车，进一步减少了对牵引网系统进行数据采集的信息量，同时，由于仅反映最近的信号数据，仍可以真实反映出牵引网的实时状态和真实运行情况，传输信号量的进行也减少了对牵引网供电系统进行数据采集所消耗的能量；

5，所有采集到的同步信号都存储在杆塔或机车中，作为初步处理的基础数据和历史数据，方便了对这些数据的分析利用；

6，由于采集到的同步信号可实时反映牵引网的状态，因此可通过设置信号数据阈值等简单方式实现对牵引网内所有设备进行状态监控和故障报警的功能；

7，由于采集到的同步信号可实时反映牵引网的状态，因此可在显示屏上显示出这些实时状态信号形成牵引网信号地图及故障地图等可视化状态分析结果，方便对牵引网状态进行监控及方便及时发现故障发生的时间、位置及原因，可及时排查故障、解除潜在危险。

附图说明

图1是本实用新型高速铁路牵引供电信号监测系统的触发机构的示意图。

10-支撑载板；11-分层框架；12-防尘外壳；13-二级阻尼旋转装置；14-活动摆臂；15-杆塔侧壁；16-矩形本体；17-通信箱体；18-外侧楞边；19-导风板；20-收口结构；21-一级板支架；22-二级阻尼支架；23-配合齿轮组；24-齿轮盘。

具体实施方式

下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1是本实用新型的实施例的示意图，需要注意的是，此附图仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明的实际要求保护范围构成限制。

现有的电气牵引网供电系统的主要电气参量包括：变电所的电压和电流、机车的电压和电流，现有的变电所之间的电气参量并不同步且无法相互传输，无法对实时数据进行高频分量的精准测量，实际测得数据的实用性和可靠性相对较低，且很多数据分析的基础参量无法获取，因此，需要对现有的牵引供电系统的电气参量进行高精度同步采集和高频率分析。

现行的牵引供电系统的分析和仿真软件都是基于非同步的数据进行分析和计算的，现行的分析软件很难进行动态、快速的实际情况分析，对故障的分析和定位能力有所欠缺。现行的运行工况复杂、数据量极大，依靠现有的分析平台的可靠性越来越低。

本技术方案提供一种对变电所电气参量、杆塔电气参量及机车电气参量进行高精度同步数据采集和分析的监测产品和监测方法，为铁路局、机务段、供电段、机车车辆厂、铁路设计院等单位对牵引供电系统和机车车辆电气装备设计、运营、维护、检修、故障预警、事故调查分析等提供现场数据和决策支持。

一种高速铁路牵引供电信号监测系统，包括：设置在铁路沿线杆塔上的触发机构、第一电气信号采集装置、电气信号收发装置、信号同步装置、信号处理器、无线通信发射器和为各装置提供电源的独立电源；

触发机构接收到机车发送的触发信号后，启动杆塔的无线通信发射器向机车发送采集及存储的数据，触发信号包括：通过列车经过的阵风触动或列车发送的无线触发信号触动。

相邻杆塔的电气信号收发装置互连，铁路变电所的第二电气采集装置与相邻杆塔的电气信号收发装置连接；

可在所有的杆塔上设置触发机构、信号处理器及无线通信发射器，或者在固定间隔数量的杆塔上设置触发机构、信号处理器及无线通信发射器，如间隔5根杆塔设置一套触发机构、信号处理器及无线通信发射器，用于与机车发送数据。

杆塔的电气信号收发装置及第一电气信号采集装置分别与信号同步装置连接，信号同步装置与信号处理器连接，触发机构与无线通信发射器连接，信号处理器与无线通信发射器连接；

机车上还设有与杆塔无线通信发射器连接的无线通信接收器；

触发机构触发无线通信发射器将同步的电气信号发送到机车的无线通信接收器中。

对高速铁路沿线的变电所进行数据采集、信号传送机信号同步处理，解决现有技术中多个变电所之间信号无法同步采集的问题；多个杆塔进行数据采集、信号汇总及同步处理，解决现有的牵引网系统电气信号监控不及时、不同步的问题；每个杆塔都作为一个信号采集基站，汇总最近变电所及变电所与该杆塔之间所有杆塔的电气信号，列车经过时汇总该杆塔的所有电气信号，用于牵引网、变电所、杆塔及机车的信号采集和分析用，可反映牵引网的电气信号的实时状态，同时避免对牵引网整体数据采集而造成的数据量过大，机车采集经过的杆塔的电气信号最为接近牵引网的实时状态，反映牵引网的真实运行情况，利用机车的通信、网络系统，不仅信号更加可靠，也降低了信号设备的成本。

杆塔采集到的变电所及多个杆塔的信号自动分层并通过触发机构触发后发送最近的数据至机车，进一步减少了对牵引网系统进行数据采集的信息量，同时，由于仅反映最近的信号数据，仍可以真实反映出牵引网的实时状态和真实运行情况，传输信号量的进行也减少了对牵引网供电系统进行数据采集所消耗的能量。

所有采集到的同步信号都存储在杆塔或机车中，作为初步处理的基础数据和历史数据，方便了对这些数据的分析利用；由于采集到的同步信号可实时反映牵引网的状态，因此可通过设置信号数据阈值等简单方式实现对牵引网内所有设备进行状态监控和故障报警的功能；由于采集到的同步信号可实时反映牵引网的状态，因此可在显示屏上显示出这些实时状态信号形成牵引网信号地图及故障地图等可视化状态分析结果，方便对牵引网状态进行监控及方便及时发现故障发生的时间、位置及原因，可及时排查故障、解除潜在危险。

机车上还设有第三电气信号采集装置、信号同步装置和信号处理器，机车上设有与智能调度服务器连接的3G网络通信装置及定位机车位置的GPS定位装置。

机车的信号处理器可比对牵引网的电气信号数据与自身设备的电气信号数据，可及时分析出经过的路段的牵引网故障问题并及时发送至智能调度服务器。

触发机构包括支撑载板10、分层框架11、防尘外壳12及二级阻尼旋转装置13，支撑载板10与防尘外壳12固定连接，分层框架11设置在防尘外壳12内，第一电气信号采集装置、电气信号收发装置、信号同步装置、信号处理器及无线通信发射器分布设置在分层框架11上，防尘外壳12顶部通过活动摆臂14与杆塔侧壁15铰接；

防尘外壳12包括矩形本体16和矩形本体16正面的截面为三角形的通信箱体17，无线通信发射器设置在通信箱体17内，无线通信发射器的无线天线设置在通信箱体17的外侧楞边18上；

二级阻尼旋转装置13包括装置触动的导风板19及传到外力的配合齿轮组23。

所述导风板19为具有收口结构20的O型板，O型板的方向朝向列车行进相反方向。

二级阻尼旋转装置13包括导风板19、一级板支架21、二级阻尼支架22及配合齿轮组23，配合齿轮组23与支撑载板10底部的齿轮盘24连接，配合齿轮组23通过支撑柱、轴承组固定在二级阻尼支架22上，二级阻尼支架22固定在支撑载板10上，导风板19具有迎风面，气流通过时挤压导风板19的迎风面，导风板19受到风压随气流方向移动，通过配合齿轮组23传导风压至支撑载板10底部的齿轮盘24并使齿轮盘24缓慢旋转，齿轮盘24转动带动支撑载板10向机车行进方向缓慢转动，齿轮盘24与复位弹簧连接，气流减弱后复位弹簧使齿轮盘24向初始方向旋转并控制支撑载板10向机车行进相反方向转动。

二级阻尼装置包括与支撑载板10底部的齿轮盘24连接的配合齿轮组23及驱动电机，该驱动电机与无线通信发射器连接，机车车头设置有触发杆塔无线通信发射器的无线触发模块，无线触发模块的触发距离为5-50米。

杆塔的第一电气信号采集装置、铁路变电所的第二电气采集装置、机车的第三电气采集装置均包括数据处理模块，数据处理模块计算带有时间参数的电气信号的谐波分析得到谐波信号。

机车上包括数据存储模块，谐波信号存储在数据存储模块中。

杆塔的信号处理器包括存储器，经信号同步装置、信号处理器处理的信号按时间顺序存储在存储器中，触发机构触发无线通信发射器将最近时间间隔段的同步电气信号发送到机车的无线通信接收器中。

智能调度服务器将列车收集到的变电所电气信号、杆塔电气信号及机车电气信号汇总显示在调度显示屏上的对应列车地图上形成列车运行电气状态图。

智能调度服务器设有调度比对模块，调度比对模块将变电所电气信号、杆塔电气信号及机车电气信号按固定时间间隔做比对处理，比对结果大于报警阈值时发出报警信号，根据报警信号筛选比对处理信号中包含的时间参数和位置参数。

电气信号的谐波分析方法为：通过傅里叶变换将时域的离散信号进行傅里叶级数展开并得到离散的频谱，从离散的频谱中筛选各次谐波对应的谱线，计算得出谐波的电流参数和电压参数。

变电所和杆塔信号的同步方法为：变电所和杆塔上均包括GPS同步器，该GPS同步器的时间精度<1μs。

杆塔的无线通信发射装置与机车的无线通信方法为：杆塔上设置有基于WIFI的基站。

高速铁路牵引供电信号监测方法：包括如下步骤：

S1：铁路变电所的第二电气采集装置采集铁路变电所的电气信号，电气信号包括时间参数，数据处理模块计算带有时间参数的电气信号的谐波分析得到变电所谐波信号；

S2：变电所谐波信号发送至变电所相邻杆塔的电气信号收发装置；

S3：杆塔的第一电气信号采集装置采集杆塔设备的电气信号，电气信号包括时间参数，数据处理模块计算带有时间参数的电气信号的谐波分析得到杆塔谐波信号；

S4：杆塔将接收到的变电所谐波信号通过电气信号收发装置顺次发送至相邻杆塔中，杆塔将杆塔谐波信号通过电气信号收发装置顺次发送至相邻杆塔中，当杆塔同时受到两个方向传送的变电所谐波信号和杆塔谐波信号时停止继续发送；

S5：杆塔的信号同步装置根据时间参数同步变电所谐波信号和杆塔谐波信号并发送至信号处理器中，信号处理器将变电所谐波信号和杆塔谐波信号增加杆塔位置参数，信号处理器分析牵引网电气信号状态、故障并得到处理信号，处理信号发送至无线通信发射装置并处于待发射状态；

S6：杆塔上的触发机构接收到机车的触发信号后，将无线通信发送装置中的处理信号发送至机车，通过机车的3G网络通信装置将反应沿途牵引网状态的处理信号发送至智能调度服务器。

以上内容是对本发明创造的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明创造的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明创造的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于，包括：设置在铁路沿线杆塔上的触发机构、第一电气信号采集装置、电气信号收发装置、信号同步装置、信号处理器、无线通信发射器和为各装置提供电源的独立电源；

相邻杆塔的电气信号收发装置互连，铁路变电所的第二电气采集装置与相邻杆塔的电气信号收发装置连接；

杆塔的电气信号收发装置及第一电气信号采集装置分别与信号同步装置连接，信号同步装置与信号处理器连接，触发机构与无线通信发射器连接，信号处理器与无线通信发射器连接；

机车上还设有与杆塔无线通信发射器连接的无线通信接收器；

触发机构触发无线通信发射器将同步的电气信号发送到机车的无线通信接收器中。

2.根据权利要求1所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于：机车上还设有第三电气信号采集装置、信号同步装置和信号处理器，机车上设有与智能调度服务器连接的3G网络通信装置及定位机车位置的GPS定位装置。

3.根据权利要求1所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于：触发机构包括支撑载板、分层框架、防尘外壳及二级阻尼旋转装置，支撑载板与防尘外壳固定连接，分层框架设置在防尘外壳内，第一电气信号采集装置、电气信号收发装置、信号同步装置、信号处理器及无线通信发射器分布设置在分层框架上，防尘外壳顶部通过活动摆臂与杆塔侧壁铰接；

防尘外壳包括矩形本体和矩形本体正面的截面为三角形的通信箱体，无线通信发射器设置在通信箱体内，无线通信发射器的无线天线设置在通信箱体的外侧楞边上；

二级阻尼旋转装置包括装置触动的导风板及传到外力的配合齿轮组。

4.根据权利要求3所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于： 所述导风板为具有收口结构的O型板，O型板的方向朝向列车行进相反方向。

5.根据权利要求3所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于：二级阻尼旋转装置包括导风板、一级板支架、二级阻尼支架及配合齿轮组，配合齿轮组与支撑载板底部的齿轮盘连接，配合齿轮组通过支撑柱、轴承组固定在二级阻尼支架上，二级阻尼支架固定在支撑载板上，导风板具有迎风面，气流通过时挤压导风板的迎风面，导风板受到风压随气流方向移动，通过配合齿轮组传导风压至支撑载板底部的齿轮盘并使齿轮盘缓慢旋转，齿轮盘转动带动支撑载板向机车行进方向缓慢转动，齿轮盘与复位弹簧连接，气流减弱后复位弹簧使齿轮盘向初始方向旋转并控制支撑载板向机车行进相反方向转动。

6.根据权利要求3所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于：二级阻尼装置包括与支撑载板底部的齿轮盘连接的配合齿轮组及驱动电机，该驱动电机与无线通信发射器连接，机车车头设置有触发杆塔无线通信发射器的无线触发模块，无线触发模块的触发距离为5-50米。

7.根据权利要求2所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于：杆塔的第一电气信号采集装置、铁路变电所的第二电气采集装置、机车的第三电气采集装置均包括数据处理模块，数据处理模块计算带有时间参数的电气信号的谐波分析得到谐波信号。

8.根据权利要求7所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于：机车上包括数据存储模块，谐波信号存储在数据存储模块中。

9.根据权利要求1所述的高速铁路牵引供电信号监测系统，其特征在于： 杆塔的信号处理器包括存储器，经信号同步装置、信号处理器处理的信号按时间顺序存储在存储器中，触发机构触发无线通信发射器将最近时间间隔段的同步电气信号发送到机车的无线通信接收器中。