高速铁路接触网供电风险监测系统

高速铁路接触网供电风险监测系统

孙磊李国伟周义强

孙磊李国伟周义强

中国铁路济南局集团有限公司调度所山东济南250000

摘要：接触网是电气化铁路的主要组成部分，担负着向电力机车输送电能的重要任务，接触网状态及功能的稳定性，是高速铁路安全运营的基础。接触网的普遍特点是沿铁路线露天架设，线长、点多，而且由于其自开通之日起就担负着繁忙的运输任务，使用条件苛刻，无备用线路，如果接触网发生支柱倒塌、接触网断线，后果都是灾难性的，往往会造成巨大的经济损失和社会负面效应。随着中国高铁网络的快速发展，高铁里程不断增大，高铁的网络不断延伸和覆盖到一些地质条件恶劣和复杂的地区，在这些地区的高铁线路坡度大、桥隧比例高的特点更加突出，随之带来一系列诸如地质灾害、冰害鸟害、电分相设置、细分供电单元、供电线径路设计等方面问题，都直接影响高铁运营维护工作量及抢修效率。

关键词：高速铁路；接触网供电；风险监测系统

引言

高速铁路弓网之间的受流质量直接决定了动车组的供电稳定性与安全运行，也是决定动车组最高运行速度的关键因素之一．由于高速铁路线路实验成本巨大、且不易实行，建立接触网数学模型成为研究接触网力学性能的重要手段．目前，高速铁路接触网建模与仿真的研究主要集中在两方面:一方面是接触网平衡状态的求解，即求解满足一定张力、吊弦布置、预留弛度等设计要求的接触网初始结构状态;另外一方面是受电弓运行时的接触网动态仿真求解，其中包括对动力学建模方法、求解方法的研究，同时也包括考虑实际运行情况引入外界激扰，如风、覆冰、接触线表面不平顺等因素的接触网动态仿真研究。

1系统总体设计构架及功能模块分析

1.1系统总体设计构架

本文设计的高铁接触网供电风险监测系统主要包括硬件设计和系统的网络传输协议设计部分，采用ZigBee网络技术进行高铁接触网的传输协议控制，采用链路会话传输控制程序实现高铁接触网供电风险监测系统的虚拟通信。结合组播式的GPＲS网络通信协议进行高铁供电网络的拓扑结构设计，在供电风险监测中，结合自适应收发转换控制协议实现高铁接触网供电风险监测系统的PXI、USB等接口仪器设计，建立ZigBee网络通讯模块进行高铁接触网供电风险监测。在ZigBee的底层建立工程文件，组建ZigBee网络控制模块，提高风险的实时监测和预警控制能力。本文设计的高铁接触网供电风险监测系统由上、下机位两部分组成，采用ADSP－BF537BBC－5A实现高铁接触网供电风险监测的远程通信和控制指令加载，在程序加载模块中进行监测程序写入，将高铁接触网供电风险监测信息输入到智能信息处理终端，采用AＲM系统实现风险监测预警和信息缓存设计，根据上述总体设计构架，得到本文设计的高铁接触网供电风险监测系统的总体结构框图如图1所示。图1高铁接触网供电风险监测系统的总体结构框图根据图1的总体结构架，高铁接触网供电风险监测系统的核心控制模块设计和功能结构分析，首先进行数据采样，对采样的高铁接触网供电风险监测数据进行信息融合和滤波处理，在ZigBee网络模块中进行通信组网设计，采用GPＲS通信技术实现对高铁接触网供电风险的远程传输控制，提高对高铁接触网供电风险检测的自动远程控制性能。在信号输出端，采用D/A转换器进行信号调制调节处理，提高输出信号的放大特性，设计ZigBee终端节点进行总线调节，在ZigBee终端节点中进行传输指令加载，基于GPIB488.2库、DAQ库等通信缓存数据库实现高铁接触网供电风险监测系统I/O接口软件层设计，由此实现对高铁接触网供电风险监测系统的功能模块化设计，得到系统的功能结构组成图如图2所示。

图2高铁接触网供电风险监测系统的功能结构组成图

1.2风险数据采集点与通信组网设计

高铁现场除了穿越常规地区所具备的特点外，还具备由于复杂的外部环境带来的新的风险源。如高铁穿越自然保护区或水源地，大型鸟类、飞鼠等动物活动常打乱高铁正常运行;又如特殊地质活动或灾害，引起隧道衬砌变形或隧道口危石剥离，严重影响接触网设备安全;冬季山区高铁隧道内，由于极寒天气影响，在隧道施工缝及注浆孔易形成冰挂，造成接触网对地短路故障等。综合考虑ZigBee网络及高铁沿线风险源较多的特点，合理选择的风险数据采集点，同时作为ZigBee无线网络的一个传输节点，从而组建专用的无线数传网络平台。由于高铁接触网支柱(或吊柱)跨距一般约为50m，且上下行对称分布，为风险数据采集传感器提供了便捷的安装平台。根据铁路维修机构设计及管理特点，可按照“一站一区间”作为一个单独的ZigBee无线网络，选择变电所亭作为高铁接触网供电风险检测系统的安装场所，通过变电所亭内完善的有线数据网络，实现向上级部门的数据上报。铁路沿线敷设有电力贯通线，能为风险数据采集模块提供配套电源，由于ZigBee技术能耗低，太阳能电池板可作为备用电源，确保风险数据采集模块的供电稳定性，确保无线网络通畅。

2系统的模块化设计与实现

在采用ZigBee无线网络传输协议进行高铁接触网通信传输模型设计的基础上，构建高铁接触网供电风险监测系统的总体结构模型，采用低功耗的嵌入式设计方案进行系统的硬件结构设计，系统的工作速率在20kb/s～250kb/s之间。设计中断复位电路进行睡眠模式的唤醒设计，在应用业务适配层中基于I/O控制的底层函数库进行风险监测系统的总线传输控制协议设计，采用ADSP21160作为高铁接触网供电风险监测系统的核心处理器，进行系统的硬件模块化设计，本文设计的高铁接触网供电风险监测系统的硬件模块主要有数据采集模块、数据分析存储模块、风险预警模块和能耗管理模块，对各个功能结构模块设计分别描述如下。(1)数据采集模块;(2)数据分析存储模块。模块中可根据线路具体情况设定预警阀值，通过对接触网风险数据采集点采集数据分析比对，对数据按照标准值、预警值和缺陷值进行分类整理并存储;(3)风险预警模块。供电风险预警模块是

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