黃穎斯 劉通 張宇 涂之瑩 藍(lán)茗演

摘 要：針對傳統(tǒng)電子式互感器存在的電流、電壓無法同時(shí)檢測、抗干擾性能差、數(shù)據(jù)更新滯后等問題，文中設(shè)計(jì)了一款高速動(dòng)車組電壓電流一體化互感器。該互感器采用智能的一體化互感器取代傳統(tǒng)單一電磁式互感器，不僅能夠使電壓、電流一體化，更大幅提高了系統(tǒng)的安全可靠程度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測傳輸處理與遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，具有良好的社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：互感器;NB-IoT

1 作品簡介

工業(yè)電力系統(tǒng)發(fā)展不斷走向智能化，電子式互感器也逐漸步入社會(huì)公眾的視野。目前現(xiàn)有的無論是傳統(tǒng)電磁式互感器還是如今的電子式互感器仍然具有電流電壓無法同時(shí)檢測、抗干擾性能差、數(shù)據(jù)更新滯后等問題，在電力機(jī)車實(shí)際作業(yè)中存在嚴(yán)重的安全隱患。

針對上述問題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了高速動(dòng)車組電壓電流一體化互感器，采用智能的一體化互感器取代傳統(tǒng)單一電磁式互感器，使電壓、電流一體化;采用冗余設(shè)計(jì)提高其安全可靠程度;采用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測傳輸處理等監(jiān)控功能，以便實(shí)時(shí)預(yù)警，同步化數(shù)據(jù)處理，有效保證鐵路動(dòng)車行車安全;體積小，重量輕，占地面積小，易于安裝。本系統(tǒng)有效解決了上述問題，特別適用于新時(shí)代數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的電力系統(tǒng)，具有尤為廣闊的市場前景。部件實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

高速動(dòng)車組電壓電流一體化互感器主要由傳感頭、控制器和智能監(jiān)測模塊組成。傳感頭將檢測一次高壓或高電流，并將其轉(zhuǎn)變成二次低壓或低電流，實(shí)現(xiàn)高壓和低壓或高電流和低電流的隔離;控制器主要完成交直流信號(hào)分離、信號(hào)處理、交直流開關(guān)量信號(hào)輸出、交直流電流信號(hào)輸出;智能監(jiān)測模塊將分壓電阻器輸出的網(wǎng)壓信號(hào)經(jīng)過線性光電隔離轉(zhuǎn)換后傳送到控制單元，控制單元將信息融合后，通過RS 485協(xié)議將電信號(hào)傳輸至外部，或?qū)?shù)據(jù)封包后采用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端。

（1）傳感頭

傳感頭將檢測一次高壓或高電流，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎蔚蛪夯虻碗娏鳎瑢?shí)現(xiàn)高壓和低壓或高電流和低電流的隔離以及傳感頭與控制器之間的通信和供電。

在傳感頭部分供電線路首先經(jīng)過電流檢測端的Rogowski線圈檢測出電流值，再傳至位于電流檢測端下部的環(huán)氧樹脂套筒內(nèi)，經(jīng)過高、低壓臂電阻分壓后測出電壓。同時(shí)在套筒外設(shè)有電磁波發(fā)射、接收線圈以及光導(dǎo)纖維，通過磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)姆绞綄﹄娏鳈z測端供電，利用光纖絕緣特性傳輸電流檢測信號(hào)。

（2）控制器

在控制器部分，對于分壓電阻器輸出的AC 0～4 V的網(wǎng)壓信號(hào)，先經(jīng)過線性光電隔離，后通過信號(hào)調(diào)理電路對光電隔離信號(hào)進(jìn)行整形以及正向反饋，最后將AC 0～4 V的信號(hào)轉(zhuǎn)化為AC 0～100 V信號(hào)，滿足機(jī)車控制和網(wǎng)壓表顯示的要求;對于頂端電流檢測端的供電，使用兩個(gè)MOS管輪流導(dǎo)通，通過LC并聯(lián)諧振的方法將直流電轉(zhuǎn)化為高頻電磁波，將其發(fā)射后對頂端電流檢測端供電;對于頂端通過光纖傳輸?shù)男盘?hào)，可通過光纖信號(hào)接收電路進(jìn)行信號(hào)接收，并經(jīng)放大后傳輸至列車內(nèi)。

（3）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

控制器內(nèi)嵌高性能的ARM，同時(shí)還支持NB-IoT以及GPRS的NB75模塊，ARM芯片對四路信號(hào)進(jìn)行換算后將數(shù)據(jù)打包，通過NB75模塊使用CoAP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。在服務(wù)器上支持對歷史數(shù)據(jù)的記錄以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端檢測等。

高速動(dòng)車組電壓、電流一體化互感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新

設(shè)計(jì)思路具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）采用電子式傳感器替代電磁式傳感器;

（2）采用冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)安全性能;

（3）實(shí)現(xiàn)與機(jī)車網(wǎng)絡(luò)總線通信;

（4）實(shí)現(xiàn)交直流雙制式兩用;

（5）實(shí)現(xiàn)電壓電流同時(shí)檢測。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

技術(shù)創(chuàng)新的要點(diǎn)如下：

（1）分壓器對電網(wǎng)的高電壓進(jìn)行分壓取樣，設(shè)計(jì)一級過電壓保護(hù)電路，其材料和結(jié)構(gòu)等不同于以往電力行業(yè)采用的材料與結(jié)構(gòu);

（2）采用高壓側(cè)光電隔離處理單元低壓放大電路;

（3）采用功率放大電路（普通電力行業(yè)無此部分）;

（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字輸出接口電路把低壓放大電路輸出的低壓交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，按IEEE-485接口要求輸出，同時(shí)軟件編程根據(jù)IEEE-485接口的要求，采用機(jī)車專用的MVB列車多功能協(xié)議進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與機(jī)車的CCU控制箱網(wǎng)絡(luò)通信（普通電力行業(yè)無此部分）;

（5）機(jī)車或列車提供的DC 110 V電源經(jīng)DC/DC模塊電路的轉(zhuǎn)換并隔離，分兩路輸出±15 V，±50 V電壓（普通電力行業(yè)無此部分）。

3.3 產(chǎn)品先進(jìn)性

產(chǎn)品先進(jìn)性體現(xiàn)在如下幾方面：

（1）只需一臺(tái)互感器即可測量交流電壓、電流，或測量直流電壓、電流;

（2）使用NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;

（3）無鐵心，無鐵磁諧振、飽和等缺陷;

（4）采用電阻分壓，線性度好;

（5）采用進(jìn)口環(huán)氧樹脂澆注，絕緣性能好;

（6）過壓能力強(qiáng)，1 min工頻耐壓可達(dá)100 kV;

（7）體積小、重量輕、占地面積小、易于安裝;

（8）測量范圍廣、受地電位影響小、頻帶寬、響應(yīng)速度快、可滿足電力機(jī)車自動(dòng)化發(fā)展的需求;

（9）無儀表保安系數(shù)的要求，可大幅提高電力機(jī)車自動(dòng)化的可靠性;

（10）采用電流輸出，無電壓互感器短路的危險(xiǎn)。

4 市場前景

4.1 市場機(jī)會(huì)分析

4.1.1 政策支持

當(dāng)前社會(huì)各界對智能制造的發(fā)展高度重視。我國先后出臺(tái)了《中國制造2025》《積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)指導(dǎo)意見》《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見》，并以此形成了制造強(qiáng)國戰(zhàn)略政策體系。上述三大政策都對我國智能制造的未來發(fā)展做出了詳細(xì)規(guī)劃，并指出智能制造不僅是我國實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要契機(jī)，還關(guān)系著制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的成敗。為此，工信部等部委還出臺(tái)了《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》《智能制造工程實(shí)施指南（2016—2020年）》等政策，并于2016年展開智能制造試點(diǎn)示范工作。

4.1.2 發(fā)展迫切性

國外發(fā)展起步早，智能化水平較高，在電壓電流一體化互感器的研制上投入了較大的資金和人力，不斷推進(jìn)系統(tǒng)主裝置電子式互感器的發(fā)展，相關(guān)行業(yè)的部分企業(yè)已邁向產(chǎn)品化、市場化的道路。相關(guān)互感器產(chǎn)品技術(shù)含量高，目前已有較高水平的研究成果，一些互感器產(chǎn)品已經(jīng)在市場流通。采用電子式互感器的數(shù)字化變電站在歐洲也已投入運(yùn)行，但其高昂的價(jià)格仍是其在國內(nèi)大量引進(jìn)的主要制約因素。

相比而言，國內(nèi)同行業(yè)的發(fā)展起步晚、電子互感器研制速度慢，迄今成果并不顯著。國內(nèi)眾多高校也研究過互感器，但研究規(guī)模較小，多處于實(shí)驗(yàn)階段，當(dāng)前已有小部分公司實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模地生產(chǎn)符合國標(biāo)的有源電子式電流電壓互感器，并己有若干套設(shè)備在現(xiàn)場試運(yùn)行。

目前國際市場已存在較高技術(shù)水平的電子式電壓互感器及電流互感器，然而在實(shí)際作業(yè)過程中需要測量的不僅僅是單一的電流或電壓信號(hào)，復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境決定了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量數(shù)據(jù)，要同時(shí)測量電網(wǎng)的電壓和電流就需要在現(xiàn)場同時(shí)安裝電子式電壓互感器和電流互感器，使用多個(gè)設(shè)備進(jìn)行測量，此舉不僅耗費(fèi)資源，更導(dǎo)致多設(shè)備測量數(shù)據(jù)誤差疊加，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的人工采集分析處理時(shí)，實(shí)際測量精度受到極大影響。因此，市場迫切需要研制一種交直流兩用并且能夠同時(shí)進(jìn)行電流和電壓測量的電壓電流一體化互感器，結(jié)合智能化數(shù)據(jù)采集處理及監(jiān)測將是一體化檢測裝置及事故預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)品領(lǐng)域的一次極具創(chuàng)新性的突破。

4.2 市場競爭優(yōu)勢

本產(chǎn)品具有如下所示競爭優(yōu)勢。

（1）電壓電流一體化測量及安全預(yù)警。本產(chǎn)品可在“交-直流兩種制式”軌道裝備上使用。同時(shí)其大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將自動(dòng)分析并處理電壓電流一體化互感器所測量的電壓、電流數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，從而判斷數(shù)據(jù)是否處在正常閾值范圍內(nèi)，以便及時(shí)采取保護(hù)措施，從而保證鐵路行車安全。高系統(tǒng)不僅適用于現(xiàn)階段大力發(fā)展的城際軌道交通用電力機(jī)車，還可運(yùn)用于牽引變電站內(nèi)的電壓電流檢測。通過雙備份、交直兩用、智能網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)分析與電壓電流一體化測量等獨(dú)特的競爭優(yōu)勢，本項(xiàng)目可充分立足于系統(tǒng)主裝置電子式互感器這一市場領(lǐng)域，創(chuàng)造巨大的商業(yè)價(jià)值。

（2）交直流兩用。采用現(xiàn)代電子測量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)有源一次高電壓采集，通過光電隔離變換將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷?交直流大電流通過霍爾傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榻恢毙‰娏?，再通過二次電子線路完成交直流分離，最后輸出與一次成比例的電流信號(hào)。國家或國際社會(huì)已出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我們研制的智能一體式檢測裝置參照國標(biāo)GB/T20840.7/.8或IEC60044-7/-8標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合電力機(jī)車互感器的技術(shù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）運(yùn)用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于智能化監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線方式通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)上傳到監(jiān)控中心，其為含有NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊的智能終端的集成模組，由物聯(lián)網(wǎng)通信模塊與監(jiān)控中心的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)基站進(jìn)行通信。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)基站接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過分組核心網(wǎng)以及IoT連接管理平臺(tái)處理，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)將被提供給應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器可通過三種方式訪問監(jiān)控中心的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)基站獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。管理員可通過調(diào)度監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件獲取數(shù)據(jù)，現(xiàn)場維護(hù)人員可通過手機(jī)對電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行訪問，了解網(wǎng)壓狀況。同時(shí)維修人員還可以通過軟件鎖定調(diào)度中心送電開關(guān)，避免維修時(shí)誤操作。