高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測方法與裝置製造方法
2023-09-27 07:05:10 2
高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測方法與裝置製造方法
【專利摘要】一種高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置和方法，所述裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處，包括信號採集單元，信號處理單元，控制單元，數據分析單元、數據存儲單元和存儲伺服器，信號採集單元分兩路進行信號採集，一路包括截止頻率為1Hz的低通濾波器，帶阻濾波器和磁通門電流傳感器，另外一路包括電壓互感器和電流互感器，控制單元將信號採集結果和分析結果傳輸存儲伺服器，以供分析和查詢，並能夠通過報警單元發出警報。本發明能夠很好地解決因高鐵牽引網供電系統變壓器高壓側中性點不接地而造成的監測位置安裝困難的問題，以及機車衝擊工作電流對GIC監測的影響，還具有抗幹擾能力強，集成程度高、裝置成本低等特點。
【專利說明】高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於高鐵牽引網供電系統的監測【技術領域】，特別地，提供了一種高鐵牽引網供電系統地磁感應電流(GIC)的監測方法和裝置，用於監測磁暴期間高鐵牽引網供電系統的GIC大小。
【背景技術】
[0002]隨著我國的高鐵電氣系統和通信系統規模逐漸增大，由地磁暴引發的GIC對高鐵電氣系統和通信系統的影響也逐漸增大，特別是對高鐵牽引變壓器的影響更大，為預防地磁暴對高鐵牽引網系統產生致命性危害，需對由地磁暴在高鐵牽引網系統中產生的GIC進行準確測量，以進一步採取有效預防措施。
[0003]由於我國還沒有專門針對高鐵牽引網供電系統進行GIC監測的裝置，僅有針對電網地磁感應電流的監測方法與裝置。而高鐵牽引網供電系統區別於電網輸變電系統，高鐵牽引網供電系統中的牽引變壓器大多採用V/ν接線方式，其高壓側中性點不接地，GIC不會流通，低壓側中性點通過鐵軌接地，這使得牽引變壓器二次側繞組成為機車工作電流的流通路徑，會給GIC監測帶來影響。因此，對高鐵牽弓I網供電系統GIC監測裝置的安裝位置以及GIC的監測方法進行研究成為亟需解決的技術問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種高鐵牽引網供電系統GIC的監測方法與裝置。本發明根據高鐵牽引網供電系統GIC的特徵，提出了一種全新、可行的高鐵牽引網供電系統GIC監測方法，並提供了一種多功能、高精度的高鐵GIC監測裝置，實現了對高鐵牽引網供電系統GIC以及無功變化等的準確測量。
[0005]為達此目的，本發明採用以下技術方案:
[0006]一種高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於:
[0007]包括信號採集單元，信號處理單元，控制單元，數據分析單元、數據存儲單元和存儲伺服器。
[0008]其中，所述信號採集單元受所述控制單元的控制，採集高鐵牽引網供電系統中的電壓和電流信號，所述信號處理單元對所採集的電壓和電流信號進行信號處理，所述數據分析單元對經處理過的所述電壓和電流信號進行分析，所述數據存儲單元存儲經處理過的電壓，電流信號以及分析結果，所述控制單元還將處理過的所述電壓和電流信號和所述分析結果傳輸至所述存儲伺服器，以供後臺的用戶進行分析和查詢，所述監測裝置安裝在牽弓I變壓器二次側接軌中性點處。
[0009]優選地，所述信號採集單元分兩路進行信號採集，其中一路為地磁感應電流採集電路，依次包括截止頻率為IHz的低通濾波器，帶阻濾波器和磁通門電流傳感器，另外一路為諧波採集電路，包括電壓互感器和電流互感器。
[0010]優選地，所述信號處理單元為信號調理板，所述信號調理板採用扁平16路同步採集卡。
[0011 ] 優選地，所述控制單元為工控機，所述數據存儲單元也位於工控機上。
[0012]優選地，所述信號採集單元的信號通過屏蔽電纜接入信號調理板，所述工控機通過USB接口分別與所述信號調理板和所述數據分析單元連接。
[0013]優選地，所述工控機通過有線或者無線的方式，將所述數據存儲單元和所述數據分析單元中的數據，實時傳輸至所述存儲伺服器，所述工控機中的存儲數據定期進行清除。
[0014]優選地，還具有報警單元，若數據分析單元分析出地磁感應電流對牽引供電系統存在安全隱患，則控制單元可以控制報警單元發出警報。
[0015]優選地，所述磁通門電流傳感器具有增大的鐵芯間隙。
[0016]優選地，所述GIC採集電路還具有GPS模塊，為GIC監測數據提供準確時標。
[0017]本發明還公開了一種根據上述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置進行地磁感應電流監測的方法,其特徵在於:
[0018]所述監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處，採用截至頻率為IHz的低通濾波器和50Hz的帶阻濾波器將系統中存在的地磁感應電流和機車衝擊工作電流分離，並採用磁通門電流傳感器採集地磁感應電流信號，進而記錄磁暴在高鐵牽引網供電系統中產生的地磁感應電流。
[0019]根據本發明的方案，本發明具有如下優點:
[0020]1、本發明的監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處，能夠有效解決因高鐵供電系統變壓器一次側不接地而導致的安裝位置難的問題；
[0021]2、本發明能夠很好地解決濾除機車衝擊電流，實現對GIC的準確監測；
[0022]3、本發明能夠有效地測量磁暴期間高鐵牽引網供電系統中的GIC幹擾信號，並準確分析高鐵牽引網供電系統中的變壓器諧波電流和無功變化；
[0023]4、本發明的監測裝置採用的磁通門電流傳感器具有高精度、高穩定度、抗幹擾能力強的優點，適宜用來獲取高精度的監測數據，從而有效地減小了霍爾傳感器等測量儀器監測所存在的測量誤差；
[0024]5、本發明能夠實時的對監測數據進行存儲和分析，並及時為相關部門提供預警信號;
[0025]6、本發明能夠實時將所分析得到的GIC數據傳送至存儲伺服器，並採用存儲伺服器存儲大量GIC數據，定期清除所述工控機存儲單元中的數據，不會因工控機存儲單元內數據溢出而出錯，其可靠性高且便於研究人員分析數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的監測裝置的整體示意圖；
[0027]圖2是本發明的監測裝置的安裝位置示意圖；
[0028]圖3是本發明所述監測裝置的具體實施例的內部結構圖。
[0029]圖中的附圖標記所分別指代的技術特徵為:
[0030]10、信號採集單元；11、低通濾波器；12、帶阻濾波器；13、磁通門電流傳感器；14、電流互感器；15、電壓互感器；16、噪音濾除單元；17、GPS ;20、信號處理單元；30、控制單元；40、數據分析單元；50、數據存儲單元；60、存儲伺服器；70、報警單元；80、用戶。【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。
[0032]不同於電力系統，高鐵供電系統變壓器一次側(220kV)中性點不接地，且在機車通過該供電區間鐵軌時會產生衝擊大電流，採用電網GIC的裝置安裝方法與GIC採集方法已不適用於鐵路系統監測GIC。因此，如何確定高鐵牽引網供電系統GIC裝置安裝位置，以及如何分離機車衝擊電流與GIC，從而實現GIC的採集與分析是解決高鐵牽引網供電系統GIC監測問題的關鍵。
[0033]參見圖1、圖2，分別公開了根據本發明的高鐵牽引網供電系統GIC監測裝置整體示意圖，以及監測裝置的安裝位置示意圖，所述監測裝置包括信號採集單元10，信號處理單元20，控制單元30，數據分析單元40、數據存儲單元50和存儲伺服器60，其中，所述信號採集單元10受所述控制單元30的控制，採集高鐵牽弓I網供電系統中的電壓和電流信號，所述信號處理單元20對所採集的電壓和電流信號進行信號處理，數據分析單元40對經處理過的所述電壓和電流信號進行分析，數據存儲單元50存儲經處理過的所述電壓和電流信號，以及分析結果，然後控制單元30還將處理過的所述電壓和電流信號和所述分析結果傳輸所述存儲伺服器60，以供後臺的用戶80進行分析和查詢。所述監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處。
[0034]利用該特定的安裝位置，本發明能夠有效解決因高鐵供電系統變壓器一次側不接地而導致的安裝位置難的問題。具體理由如下:對於鐵路牽引供電系統，其採用單相變壓器V/V接線法，高壓側不接地，不存在中性點，GIC不能侵入高壓側。因而，高壓側不能對GIC進行監測。而對於低壓側而言，低壓側與鐵軌(鐵軌與地面同電位)連接，在該支路中，有GIC、系統低壓側交流電流以及機車工作電流流通。因此，將監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處可以測量到GIC。進一步的，將系統低壓側交流電流以及機車工作電流濾除後，則可以實現對GIC精確地監測。
[0035]在優選的實施例中，所述監測裝置包括前端部分和後端部分，所述信號採集單元10，信號處理單元20，控制單元30，數據分析單元40和數據存儲單元50都屬於前端部分，位於測量的前端，即位於牽引變電站處，所述存儲伺服器屬於後端部分，位於後臺，進行數據的永久保存的工作，便於用戶進行分析和調查。但也應當知道，存儲伺服器也可以位於前端部分，這僅僅是根據需要的不同的變化而已。優選的，存儲伺服器位於後端，其他設備位於前端。後端部分可以接入處在多個不同地方的多套前端部分。數據存儲單元，可採用工控機的存儲單元，用來存儲臨時採集數據和分析數據，容量小，和數據分析單元配合使用，而存儲伺服器主要用來存儲分析數據，容量大，用於用戶的分析和系統的存檔。
[0036]優選的，還具有報警單元70，控制單元可以控制報警單元70發出警報，發出警報的原因可以是由採集數據或者分析數據而觸發的。例如在強磁暴期間，數據分析單元40分析出由於GIC的作用，高鐵牽引網供電系統中的諧波電流增大，無功功率波動較大，本發明裝置中的監測數據會出現異常。又例如，數據分析單元40分析出GIC作用下的高鐵牽引網供電系統存在安全隱患，則可以通過報警單元70為相關部門發出報警信號。此時，控制單元則通過報警單元70向用戶80發出預警信號。用戶端80可以隨時調取存儲在存儲伺服器60中的數據。
[0037]參見圖3，公開了根據本發明的優選實施例，具體介紹了優選的信號採集、處理和傳輸過程。對於流過高鐵牽引網供電系統牽引變壓器低壓側(27.5kV)接軌中性點的電流I，所述信號採集單元分兩路進行信號採集，其中一路為GIC採集電路，依次包括截至頻率為IHz的低通濾波器11，50Hz帶阻濾波器12和磁通門電流傳感器13，該路採用截至頻率為IHz的低通濾波器11濾除高頻電流，再通過50Hz帶阻濾波器12進一步濾除機車衝擊工作電流(工頻)，採用磁通門電流傳感器13採集系統中的GIC信號。另外一路為諧波採集電路，包括電壓互感器15和電流互感器14，利用電壓互感器和電流互感器採集供電系統中的電壓和電流諧波。對於電壓和電流諧波，一方面需要記錄，方便以後分析做研究，相當於是為以後科研提供數據。另一方面，通過後面的數據分析單元40，可以分析系統中的無功波動情況，如若出現無功波動大的情況，則通過報警單元提出報警提示，以便相關部門採取相關措施。
[0038]優選地，在所述GIC採集電路還具有GPS模塊17，為GIC監測數據提供準確時標。
[0039]優選的，所述信號採集模塊10的兩路採集電路的前端還具有噪音濾除單元16，所述噪音濾除單元採用常用的數字濾波技術消除噪聲，然後再分兩個通道進行信號的採集。
[0040]所述信號處理單元20為信號調理板，所述信號調理板採用扁平16路同步採集卡。所述信號採集單元的信號通過屏蔽電纜接入信號調理板。
[0041]所述控制單元30為工控機，所述數據存儲單元50也位於工控機上，所述工控機通過USB接口與所述信號調理板連接。
[0042]所述數據分析單元40分析GIC數據，還用於計算和分析磁暴期間高鐵牽引網供電系統的電流諧波和無功變化。所述數據分析單元40也通過USB接口與所述工控機連接。
[0043]所述工控機通過有線或者無線的方式，例如3G模式，或者GPRS模式，將所述數據存儲單元50和所述數據分析單元40中的數據，進行實時傳輸至後臺的存儲伺服器60，並且可以對工控機中的存儲數據進行定期清除，以免由於工控機的數據存儲單元內數據溢出而出錯。
[0044]對於本發明的磁通門電流傳感器13，其在高電壓等級和強磁場作用下，鐵心易於飽和會給GIC的準確監測帶來影響，但由於本監測裝置安裝在高鐵牽引網供電系統牽引變壓器二次側，電壓較低(27.5kV)，且傳感器監測的電流數據通過了 IHz低通濾波器和50Hz帶阻濾波器，機車衝擊工作電流已被濾除，理論上本磁通門電流傳感器監測的電流僅為地磁感應電流(GIC)，因此，本裝置所採用的磁通門電流傳感器通過增大鐵芯間隙後，可以適用於監測磁暴期間高鐵牽引網供電系統中的GIC，解決因GIC通過鐵心而可能造成鐵心飽和，進而影響GIC的監測。而對於每個鐵芯所增加的間隙，由不同的材質的鐵心決定，可以針對不同的鐵心做實驗測得
[0045]本發明還公開了利用上述監測裝置進行監測的方法，其特徵在於，將所述監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處，採用截至頻率為IHz的低通濾波器11和50Hz的帶阻濾波器12將系統中存在的GIC和機車衝擊工作電流分離，並採用磁通門電流傳感器13採集GIC信號，進而記錄磁暴在高鐵牽引網供電系統中產生的GIC。
[0046]綜上所述，根據本發明的方案，本發明具有如下優點:[0047]1、本發明的監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處，能夠有效解決因高鐵供電系統變壓器一次側不接地而導致的安裝位置難的問題；
[0048]2、本發明能夠很好地解決濾除機車衝擊電流，實現對GIC的準確監測；
[0049]3、本發明能夠有效地測量磁暴期間高鐵牽引網供電系統中的GIC幹擾信號，並準確分析高鐵牽引網供電系統中的變壓器諧波電流和無功變化；
[0050]4、本發明的監測裝置採用的磁通門電流傳感器具有高精度、高穩定度、抗幹擾能力強的優點，適宜用來獲取高精度的監測數據，從而有效地減小了霍爾傳感器等測量儀器監測所存在的測量誤差；
[0051]5、本發明能夠實時的對監測數據進行存儲和分析，並及時為相關部門提供預警信號;
[0052]6、本發明能夠實時將所分析得到的GIC數據傳送至存儲伺服器，並採用存儲伺服器存儲大量GIC數據，不會因數據溢出而出錯，其可靠性高且便於研究人員分析數據。
[0053]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的【具體實施方式】僅限於此，對於本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定保護範圍。
【權利要求】
1.高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 包括信號採集單元，信號處理單元，控制單元，數據分析單元、數據存儲單元和存儲伺服器， 其中，所述信號採集單元受所述控制單元的控制，採集高鐵牽引網供電系統中的電壓和電流信號，所述信號處理單元對所採集的電壓和電流信號進行信號處理，所述數據分析單元對經處理過的所述電壓和電流信號進行分析，所述數據存儲單元存儲經處理過的電壓，電流信號以及分析結果，所述控制單元還將處理過的所述電壓和電流信號和所述分析結果傳輸至所述存儲伺服器，以供後臺的用戶進行分析和查詢，所述監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處。
2.根據權利要求1所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 所述信號採集單元分兩路進行信號採集，其中一路為地磁感應電流採集電路，依次包括截止頻率為IHz的低通濾波器，帶阻濾波器和磁通門電流傳感器，另外一路為諧波採集電路，包括電壓互感器和電流互感器。
3.根據權利要求2所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 所述信號處理單元為信號調理板，所述信號調理板採用扁平16路同步採集卡。
4.根據權利要求3所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 所述控制單元為工控機，所述數據存儲單元也位於工控機上。
5.根據權利要求4所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 所述信號採集單元的信號通過屏蔽電纜接入信號調理板，所述工控機通過USB接口分別與所述信號調理板和所述數據分析單元連接。
6.根據權利要求5所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 所述工控機通過有線或者無線的方式，將所述數據存儲單元和所述數據分析單元中的數據，實時傳輸至所述存儲伺服器，所述工控機中的存儲數據定期進行清除。
7.根據權利要求5所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 還具有報警單元，若數據分析單元分析出地磁感應電流對牽引供電系統存在安全隱患，則控制單元可以控制報警單元發出警報。
8.根據權利要求5所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 所述磁通門電流傳感器具有增大的鐵芯間隙。
9.根據權利要求5所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置，其特徵在於: 所述地磁感應電流採集電路還具有GPS模塊，為地磁感應電流監測數據提供準確時標。
10.一種根據權利要求5-9中任意一項所述的高鐵牽引網供電系統地磁感應電流監測裝置進行地磁感應電流監測的方法，其特徵在於: 所述監測裝置安裝在牽引變壓器二次側接軌中性點處，採用截至頻率為IHz的低通濾波器和50Hz的帶阻濾波器將系統中存在的地磁感應電流和機車衝擊工作電流分離，並採用磁通門電流傳感器採集地磁感應電流信號，進而記錄磁暴在高鐵牽引網供電系統中產生的地磁感應電流。
【文檔編號】G01R19/00GK103941071SQ201410168344
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】劉連光, 王開讓, 陳豔偉 申請人:華北電力大學