列车车载电源质量监测系统的研究

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由于铁路信号系统的复杂性,信号设备会受到诸多因素影响发生故障,其中电磁干扰是重要的因素之一。随着一些功率较大的车载设备朝向集成化的方向发展,车上设备间的距离越来越紧凑,设备信号线和电源线越来越多,系统中的电磁环境越来越复杂。在复杂电磁环境中,不同形式、种类的骚扰源通过不同的耦合途径严重影响了设备正常运行。在机车和动车组上,车载信号设备的电源主要由车载蓄电池组和二次电源设备供给,由于电源母线上并联了众多的车载设备,它们之间的共阻抗干扰耦合比较显著,也就是说任何一台设备电源端口的骚扰发射都有可能映射到电源母线上其他设备的电源端口,呈现为电源噪声。这些噪声与常规的公共电网谐波及电压波动等电能质量参数存在一定差异,特点表现为存在高频传导骚扰。故而对于车载信号电源,其质量下降的重要表现包括电源线出现高频噪声以及电涌脉冲等瞬态现象,恶化了电源线上的电能质量,进而影响了车载设备正常工作。本文通过对车载设备电源端口的电能质量进行分析,设计实现了一套列车车载电源监测系统,对设备电源端口的基本电能质量参数以及高频噪声进行监测;根据监测到的噪声信号特性,可高效分析噪声来源,为车载电源排除故障隐患。本文工作的主要内容包括:1)设计完成面向车载设备电能质量监测的电源端口采样接口电路,实现对端口电压、差模电流和共模电流三种参量的同步采样。2)搭建以NI数据采集卡为核心的电压和电流高速实时采集系统,基于虚拟仪器技术实现了带宽高达8MHz的多通道电源噪声侦测和触发;基于FPGA实现了面向瞬态高频骚扰的电源质量时-频分析功能。3)基于变采样率处理,在不同统计周期和时间粒度上完成对不同电能质量参数的测量:如触发判决条件处理的时间粒度为100μs,瞬态噪声的处理在20ms的时间粒度(20MS/s实时采样率)下完成,而常规电能质量参数如电压/电流的频率、峰值、平均值、有效值、纹波等在500ms时间粒度(1k S/s等效采样)或1分钟(2S/s等效采样)的粒度上完成。各处理步骤间采用多条并行数据流队列,实现了模块间的无阻塞,保证了实时性。4)实现对常规参数的连续存储记录,以及对捕捉到的高频瞬态电源噪声的时域、频域特性分析结果的块存储。编制了记录日志查看和回放工具软件。5)设计相应的校准试验,完成系统指标和功能验证。
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