论文部分内容阅读
摘 要：针对传统电子式互感器存在的电流、电压无法同时检测、抗干扰性能差、数据更新滞后等问题，文中设计了一款高速动车组电压电流一体化互感器。该互感器采用智能的一体化互感器取代传统单一电磁式互感器，不仅能够使电压、电流一体化，更大幅提高了系统的安全可靠程度，实现了数据自动化监测传输处理与远程监控等功能，具有良好的社会效益。
关键词：互感器;NB-IoT
1 作品简介
工业电力系统发展不断走向智能化，电子式互感器也逐渐步入社会公众的视野。目前现有的无论是传统电磁式互感器还是如今的电子式互感器仍然具有电流电压无法同时检测、抗干扰性能差、数据更新滞后等问题，在电力机车实际作业中存在严重的安全隐患。
针对上述问题，本团队设计了高速动车组电压电流一体化互感器，采用智能的一体化互感器取代传统单一电磁式互感器，使电压、电流一体化;采用冗余设计提高其安全可靠程度;采用NB-IoT技术进行数据传输，实现数据自动化监测传输处理等监控功能，以便实时预警，同步化数据处理，有效保证铁路动车行车安全;体积小，重量轻，占地面积小，易于安装。本系统有效解决了上述问题，特别适用于新时代数字化、网络化的电力系统，具有尤为广阔的市场前景。部件实物如图1所示。
2 工作原理
高速动车组电压电流一体化互感器主要由传感头、控制器和智能监测模块组成。传感头将检测一次高压或高电流，并将其转变成二次低压或低电流，实现高压和低压或高电流和低电流的隔离;控制器主要完成交直流信号分离、信号处理、交直流开关量信号输出、交直流电流信号输出;智能监测模块将分压电阻器输出的网压信号经过线性光电隔离转换后传送到控制单元，控制单元将信息融合后，通过RS 485协议将电信号传输至外部，或将数据封包后采用NB-IoT网络传输至云端。
（1）传感头
传感头将检测一次高压或高电流，并将其转变为二次低压或低电流，实现高压和低压或高电流和低电流的隔离以及传感头与控制器之间的通信和供电。
在传感头部分供电线路首先经过电流检测端的Rogowski线圈检测出电流值，再传至位于电流检测端下部的环氧树脂套筒内，经过高、低压臂电阻分压后测出电压。同时在套筒外设有电磁波发射、接收线圈以及光导纤维，通过磁耦合谐振式无线电能传输的方式对电流检测端供电，利用光纤绝缘特性传输电流检测信号。
（2）控制器
在控制器部分，对于分压电阻器输出的AC 0～4 V的网压信号，先经过线性光电隔离，后通过信号调理电路对光电隔离信号进行整形以及正向反馈，最后将AC 0～4 V的信号转化为AC 0～100 V信号，满足机车控制和网压表显示的要求;对于顶端电流检测端的供电，使用两个MOS管轮流导通，通过LC并联谐振的方法将直流电转化为高频电磁波，将其发射后对顶端电流检测端供电;对于顶端通过光纤传输的信号，可通过光纤信号接收电路进行信号接收，并经放大后传输至列车内。
（3）网络监控
控制器内嵌高性能的ARM，同时还支持NB-IoT以及GPRS的NB75模块，ARM芯片对四路信号进行换算后将数据打包，通过NB75模块使用CoAP协议将数据传输至服务器。在服务器上支持对历史数据的记录以及数据实时远端检测等。
高速动车组电压、电流一体化互感器结构如图2所示。
3 创新点
3.1 設计思路创新
设计思路具有如下创新点：
（1）采用电子式传感器替代电磁式传感器;
（2）采用冗余设计提高系统安全性能;
（3）实现与机车网络总线通信;
（4）实现交直流双制式两用;
（5）实现电压电流同时检测。
3.2 技术创新
技术创新的要点如下：
（1）分压器对电网的高电压进行分压取样，设计一级过电压保护电路，其材料和结构等不同于以往电力行业采用的材料与结构;
（2）采用高压侧光电隔离处理单元低压放大电路;
（3）采用功率放大电路（普通电力行业无此部分）;
（4）模数转换及数字输出接口电路把低压放大电路输出的低压交流信号转换为数字信号，按IEEE-485接口要求输出，同时软件编程根据IEEE-485接口的要求，采用机车专用的MVB列车多功能协议进行软件编程，实现数字信号与机车的CCU控制箱网络通信（普通电力行业无此部分）;
（5）机车或列车提供的DC 110 V电源经DC/DC模块电路的转换并隔离，分两路输出±15 V，±50 V电压（普通电力行业无此部分）。
3.3 产品先进性
产品先进性体现在如下几方面：
（1）只需一台互感器即可测量交流电压、电流，或测量直流电压、电流;
（2）使用NB-IoT技术将数据进行远程传输，实现远程监控;
（3）无铁心，无铁磁谐振、饱和等缺陷;
（4）采用电阻分压，线性度好;
（5）采用进口环氧树脂浇注，绝缘性能好;
（6）过压能力强，1 min工频耐压可达100 kV;
（7）体积小、重量轻、占地面积小、易于安装;
（8）测量范围广、受地电位影响小、频带宽、响应速度快、可满足电力机车自动化发展的需求;
（9）无仪表保安系数的要求，可大幅提高电力机车自动化的可靠性;
（10）采用电流输出，无电压互感器短路的危险。
4 市场前景
4.1 市场机会分析
4.1.1 政策支持
当前社会各界对智能制造的发展高度重视。我国先后出台了《中国制造2025》《积极推进“互联网 ”行动指导意见》《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》，并以此形成了制造强国战略政策体系。上述三大政策都对我国智能制造的未来发展做出了详细规划，并指出智能制造不仅是我国实现制造业转型升级的重要契机，还关系着制造强国战略的成败。为此，工信部等部委还出台了《智能制造发展规划（2016—2020年）》《智能制造工程实施指南（2016—2020年）》等政策，并于2016年展开智能制造试点示范工作。 4.1.2 发展迫切性
国外发展起步早，智能化水平较高，在电压电流一体化互感器的研制上投入了较大的资金和人力，不断推进系统主装置电子式互感器的发展，相关行业的部分企业已迈向产品化、市场化的道路。相关互感器产品技术含量高，目前已有较高水平的研究成果，一些互感器产品已经在市场流通。采用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已投入运行，但其高昂的价格仍是其在国内大量引进的主要制约因素。
相比而言，国内同行业的发展起步晚、电子互感器研制速度慢，迄今成果并不显著。国内众多高校也研究过互感器，但研究规模较小，多处于实验阶段，当前已有小部分公司实现了小规模地生产符合国标的有源电子式电流电压互感器，并己有若干套设备在现场试运行。
目前国际市场已存在较高技术水平的电子式电压互感器及电流互感器，然而在实际作业过程中需要测量的不仅仅是单一的电流或电压信号，复杂的实际生产环境决定了严谨的测量数据，要同时测量电网的电压和电流就需要在现场同时安装电子式电压互感器和电流互感器，使用多个设备进行测量，此举不仅耗费资源，更导致多设备测量数据误差叠加，在进行数据的人工采集分析处理时，实际测量精度受到极大影响。因此，市场迫切需要研制一种交直流两用并且能够同时进行电流和电压测量的电压电流一体化互感器，结合智能化数据采集处理及监测将是一体化检测装置及事故预警系统产品领域的一次极具创新性的突破。
4.2 市场竞争优势
本产品具有如下所示竞争优势。
（1）电压电流一体化测量及安全预警。本产品可在“交-直流两种制式”轨道装备上使用。同时其大数据分析系统将自动分析并处理电压电流一体化互感器所测量的电压、电流数据，与数据库中技术标准进行对比，从而判断数据是否处在正常阈值范围内，以便及时采取保护措施，从而保证铁路行车安全。高系统不仅适用于现阶段大力发展的城际轨道交通用电力机车，还可运用于牵引变电站内的电压电流检测。通过双备份、交直两用、智能网联数据分析与电压电流一体化测量等独特的竞争优势，本项目可充分立足于系统主装置电子式互感器这一市场领域，创造巨大的商业价值。
（2）交直流两用。采用现代电子测量技术来实现有源一次高电压采集，通过光电隔离变换将信号转变为低电压;交直流大电流通过霍尔传感器转变为交直小电流，再通过二次电子线路完成交直流分离，最后输出与一次成比例的电流信号。国家或国际社会已出台相关标准，我们研制的智能一体式检测装置参照国标GB/T20840.7/.8或IEC60044-7/-8标准，同时结合电力机车互感器的技术条件进行设计。
（3）运用NB-IoT技术进行数据传输，便于智能化监测。监测数据以无线方式通过NB-IoT物联网上传到监控中心，其为含有NB-IoT物联网模块的智能终端的集成模组，由物联网通信模块与监控中心的NB-IoT物联网基站进行通信。NB-IoT物联网基站接收到数据后，经过分组核心网以及IoT连接管理平台处理，監控数据将被提供给应用服务器，应用服务器可通过三种方式访问监控中心的NB-IoT物联网基站获取监控数据。管理员可通过调度监控中心的监控软件获取数据，现场维护人员可通过手机对电网电压信号进行访问，了解网压状况。同时维修人员还可以通过软件锁定调度中心送电开关，避免维修时误操作。
关键词：互感器;NB-IoT
1 作品简介
工业电力系统发展不断走向智能化，电子式互感器也逐渐步入社会公众的视野。目前现有的无论是传统电磁式互感器还是如今的电子式互感器仍然具有电流电压无法同时检测、抗干扰性能差、数据更新滞后等问题，在电力机车实际作业中存在严重的安全隐患。
针对上述问题，本团队设计了高速动车组电压电流一体化互感器，采用智能的一体化互感器取代传统单一电磁式互感器，使电压、电流一体化;采用冗余设计提高其安全可靠程度;采用NB-IoT技术进行数据传输，实现数据自动化监测传输处理等监控功能，以便实时预警，同步化数据处理，有效保证铁路动车行车安全;体积小，重量轻，占地面积小，易于安装。本系统有效解决了上述问题，特别适用于新时代数字化、网络化的电力系统，具有尤为广阔的市场前景。部件实物如图1所示。
2 工作原理
高速动车组电压电流一体化互感器主要由传感头、控制器和智能监测模块组成。传感头将检测一次高压或高电流，并将其转变成二次低压或低电流，实现高压和低压或高电流和低电流的隔离;控制器主要完成交直流信号分离、信号处理、交直流开关量信号输出、交直流电流信号输出;智能监测模块将分压电阻器输出的网压信号经过线性光电隔离转换后传送到控制单元，控制单元将信息融合后，通过RS 485协议将电信号传输至外部，或将数据封包后采用NB-IoT网络传输至云端。
（1）传感头
传感头将检测一次高压或高电流，并将其转变为二次低压或低电流，实现高压和低压或高电流和低电流的隔离以及传感头与控制器之间的通信和供电。
在传感头部分供电线路首先经过电流检测端的Rogowski线圈检测出电流值，再传至位于电流检测端下部的环氧树脂套筒内，经过高、低压臂电阻分压后测出电压。同时在套筒外设有电磁波发射、接收线圈以及光导纤维，通过磁耦合谐振式无线电能传输的方式对电流检测端供电，利用光纤绝缘特性传输电流检测信号。
（2）控制器
在控制器部分，对于分压电阻器输出的AC 0～4 V的网压信号，先经过线性光电隔离，后通过信号调理电路对光电隔离信号进行整形以及正向反馈，最后将AC 0～4 V的信号转化为AC 0～100 V信号，满足机车控制和网压表显示的要求;对于顶端电流检测端的供电，使用两个MOS管轮流导通，通过LC并联谐振的方法将直流电转化为高频电磁波，将其发射后对顶端电流检测端供电;对于顶端通过光纤传输的信号，可通过光纤信号接收电路进行信号接收，并经放大后传输至列车内。
（3）网络监控
控制器内嵌高性能的ARM，同时还支持NB-IoT以及GPRS的NB75模块，ARM芯片对四路信号进行换算后将数据打包，通过NB75模块使用CoAP协议将数据传输至服务器。在服务器上支持对历史数据的记录以及数据实时远端检测等。
高速动车组电压、电流一体化互感器结构如图2所示。
3 创新点
3.1 設计思路创新
设计思路具有如下创新点：
（1）采用电子式传感器替代电磁式传感器;
（2）采用冗余设计提高系统安全性能;
（3）实现与机车网络总线通信;
（4）实现交直流双制式两用;
（5）实现电压电流同时检测。
3.2 技术创新
技术创新的要点如下：
（1）分压器对电网的高电压进行分压取样，设计一级过电压保护电路，其材料和结构等不同于以往电力行业采用的材料与结构;
（2）采用高压侧光电隔离处理单元低压放大电路;
（3）采用功率放大电路（普通电力行业无此部分）;
（4）模数转换及数字输出接口电路把低压放大电路输出的低压交流信号转换为数字信号，按IEEE-485接口要求输出，同时软件编程根据IEEE-485接口的要求，采用机车专用的MVB列车多功能协议进行软件编程，实现数字信号与机车的CCU控制箱网络通信（普通电力行业无此部分）;
（5）机车或列车提供的DC 110 V电源经DC/DC模块电路的转换并隔离，分两路输出±15 V，±50 V电压（普通电力行业无此部分）。
3.3 产品先进性
产品先进性体现在如下几方面：
（1）只需一台互感器即可测量交流电压、电流，或测量直流电压、电流;
（2）使用NB-IoT技术将数据进行远程传输，实现远程监控;
（3）无铁心，无铁磁谐振、饱和等缺陷;
（4）采用电阻分压，线性度好;
（5）采用进口环氧树脂浇注，绝缘性能好;
（6）过压能力强，1 min工频耐压可达100 kV;
（7）体积小、重量轻、占地面积小、易于安装;
（8）测量范围广、受地电位影响小、频带宽、响应速度快、可满足电力机车自动化发展的需求;
（9）无仪表保安系数的要求，可大幅提高电力机车自动化的可靠性;
（10）采用电流输出，无电压互感器短路的危险。
4 市场前景
4.1 市场机会分析
4.1.1 政策支持
当前社会各界对智能制造的发展高度重视。我国先后出台了《中国制造2025》《积极推进“互联网 ”行动指导意见》《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》，并以此形成了制造强国战略政策体系。上述三大政策都对我国智能制造的未来发展做出了详细规划，并指出智能制造不仅是我国实现制造业转型升级的重要契机，还关系着制造强国战略的成败。为此，工信部等部委还出台了《智能制造发展规划（2016—2020年）》《智能制造工程实施指南（2016—2020年）》等政策，并于2016年展开智能制造试点示范工作。 4.1.2 发展迫切性
国外发展起步早，智能化水平较高，在电压电流一体化互感器的研制上投入了较大的资金和人力，不断推进系统主装置电子式互感器的发展，相关行业的部分企业已迈向产品化、市场化的道路。相关互感器产品技术含量高，目前已有较高水平的研究成果，一些互感器产品已经在市场流通。采用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已投入运行，但其高昂的价格仍是其在国内大量引进的主要制约因素。
相比而言，国内同行业的发展起步晚、电子互感器研制速度慢，迄今成果并不显著。国内众多高校也研究过互感器，但研究规模较小，多处于实验阶段，当前已有小部分公司实现了小规模地生产符合国标的有源电子式电流电压互感器，并己有若干套设备在现场试运行。
目前国际市场已存在较高技术水平的电子式电压互感器及电流互感器，然而在实际作业过程中需要测量的不仅仅是单一的电流或电压信号，复杂的实际生产环境决定了严谨的测量数据，要同时测量电网的电压和电流就需要在现场同时安装电子式电压互感器和电流互感器，使用多个设备进行测量，此举不仅耗费资源，更导致多设备测量数据误差叠加，在进行数据的人工采集分析处理时，实际测量精度受到极大影响。因此，市场迫切需要研制一种交直流两用并且能够同时进行电流和电压测量的电压电流一体化互感器，结合智能化数据采集处理及监测将是一体化检测装置及事故预警系统产品领域的一次极具创新性的突破。
4.2 市场竞争优势
本产品具有如下所示竞争优势。
（1）电压电流一体化测量及安全预警。本产品可在“交-直流两种制式”轨道装备上使用。同时其大数据分析系统将自动分析并处理电压电流一体化互感器所测量的电压、电流数据，与数据库中技术标准进行对比，从而判断数据是否处在正常阈值范围内，以便及时采取保护措施，从而保证铁路行车安全。高系统不仅适用于现阶段大力发展的城际轨道交通用电力机车，还可运用于牵引变电站内的电压电流检测。通过双备份、交直两用、智能网联数据分析与电压电流一体化测量等独特的竞争优势，本项目可充分立足于系统主装置电子式互感器这一市场领域，创造巨大的商业价值。
（2）交直流两用。采用现代电子测量技术来实现有源一次高电压采集，通过光电隔离变换将信号转变为低电压;交直流大电流通过霍尔传感器转变为交直小电流，再通过二次电子线路完成交直流分离，最后输出与一次成比例的电流信号。国家或国际社会已出台相关标准，我们研制的智能一体式检测装置参照国标GB/T20840.7/.8或IEC60044-7/-8标准，同时结合电力机车互感器的技术条件进行设计。
（3）运用NB-IoT技术进行数据传输，便于智能化监测。监测数据以无线方式通过NB-IoT物联网上传到监控中心，其为含有NB-IoT物联网模块的智能终端的集成模组，由物联网通信模块与监控中心的NB-IoT物联网基站进行通信。NB-IoT物联网基站接收到数据后，经过分组核心网以及IoT连接管理平台处理，監控数据将被提供给应用服务器，应用服务器可通过三种方式访问监控中心的NB-IoT物联网基站获取监控数据。管理员可通过调度监控中心的监控软件获取数据，现场维护人员可通过手机对电网电压信号进行访问，了解网压状况。同时维修人员还可以通过软件锁定调度中心送电开关，避免维修时误操作。