1、Vol.43 No.52023Oct.第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CAR动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现余博1,2，赵红卫1,2,3，孔元1,2,3（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；3 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京 100081）摘 要 在既有速度 250 km/h 中国标准动车组电气柜产品技术基础上，开展了设计优化，从系统角度探讨了多领域成熟技术在动车组电气柜上的应用，提出信息分析与诊断关键算法。通过开发集成
2、化的电气柜产品，研究电气信息数据记录、传输、分析与诊断技术，完成了系统软硬件开发与研制。实践表明该产品可以有效地进行动车组电气柜状态智能自检测。关键词 动车组；电气柜；智能；自检测中图分类号：U271.91 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.05电气柜是动车组的一类重要装置，是网络控制、安全监测、PIS 等系统的主要载体，主要承担了子 系 统 状 态 监 测、操 作 命 令 执 行 等 功 能，其 稳 定性、安全性和可靠性直接影响到动车组运营质量。历年来，电气柜故障导致列车晚点的事故时有发生，优化动车组电气柜性能、增强维保质量、提高可 靠
3、 性 是 车 辆 设 计 制 造 企 业 需 要 解 决 的 重 要 问题。通过对既有电气控制柜产品进行改进，设计实现电气柜智能自检测系统，作为列车安全，电气监测领域发展的一种尝试。1 需求分析 下 一 代 动 车 组 正 在 向 更 高 速、更 安 全、更 环保、更节能、更智能的方向发展，目前各平台动车组电气柜关键零部件主要是由厂家提供的车辆级硬件产品，调研了解到既有具备监测功能的零部件主要面向工业领域1，未考虑动车组实际运用场景，动车组设计及运营企业对于适用的电气柜信息 实 时 监 控、隐 患 预 警、优 化 设 计 等 技 术 较 为 缺乏，导致部分车辆异常状态跟踪、溯源困难，故障难以迅
4、速有效定位。除了修程所规定的人工检测方法2，没有更有效的途径了解电气柜内实际状态，更无法为运营提供进一步的安全保障。1.1机械设计需求电气柜的结构设计正在向小型化和轻量化方向发展。主体框架一般采用铝合金材料，内部零部件采用铝合金型材或铝板加工而成；柜体框架梁类、器件安装板类、回转架框架采用铝合金，柜体垫块、回转架支撑轴承等关键承重部件可采用不锈钢，为了增加防尘性能，柜体封闭并采用风机冷却，电气柜顶部设有吊装吊耳孔。电气柜及安装的所有电气部件应能承受动车组正常运行中的振动和冲击，满足 IEC 61373 标准相关振动等级的要求。1.2电气需求在电路设计完成后，详细设计如选型、排布、三维布线设计等
5、，必须考虑电气、布线、电磁兼容、专题研究基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司重大课题（2018YJ001）第一作者：余 博（1985-）男，副研究员（修回日期：2022-06-10）通信作者：孔 元（1980-）男，副研究员文章编号：1008-7842（2023）05-0031-07引用格式：余 博,赵红卫,孔 元.动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现J.铁道机车车辆,2023,43(5):31-37.铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 环境相关的各项技术指标要求。较为重要的项点包括控制电源电压的变化应满足在直流条件下静态+6%-3%的偏差和动态25%的偏差。安装在柜中的所有电气设备应符
6、合电压要求。空气间隙及爬电距离的最小值、暴露的导电部件以及其他电路中带有较低电压的有源件符合 EN 50124-1铁路应用绝缘配置 中 PD2 污染程度（保护安装位置）及 OV2 过电压等级的要求。电气柜前端底 座 的 左、右 侧 框 架 处 设 保 护 接 地 座（2XM10）。回转门/支架装有保护接地。产品实物依据电路图，执行 GB/T 34571-2017 铁路应用机车车辆布线规则 进行布线。各种走线槽、管应易于接近和检查，控制线、低压电缆、中压电缆布线尽量分开布置。电气柜设计必须确保在所有环境条件下电气柜功能的实现，在使用期间避免可能产生冷凝水现象。1.3系统业务需求智能自检测电气柜研
7、究为电气柜的实时状态监测提供方法和算法。其基本设计思路是运用采集到的车载检测模块信息，将信息作为输入，使用分析和故障预警方法最终输出电气柜现有状态及预测状态。基本实现方法是基于系统硬件平台，首先对采集到的数据进行分类，然后应用电气性能信息、温度信息，结合 RFID 技术进行信息智能分析和故障的预警及诊断。通过可获取到的各项数据，智能自检测系统能够实时或离线进行信息分析与诊断。2 系统硬件设计 智能自检测系统硬件通过设置在柜内外的子系统及模块实现，主要的子系统包括电气检测子系统，射频检测子系统，温度检测子系统。电气检测 子 系 统 又 由 系 统 主 机、供 电 模 块、直 流 测 量 单元、交
8、流测量单元、开关量监测模块、模拟量监测模块、工控机组成；射频检测子系统主要由 RFID射频天线、射频检测主机、射频检测标签组成；温度检测子系统主要由热成像检测模块、温度监测模块及多种电气元件组成。系统组成和结构如图1 所示。电气检测子系统各个模块间通过背板总线采用标准以太网接口进行通讯，系统主机对单元和模块进行统一控制。测量单元、开关量监测模块和模拟量监测模块均设置测量端口、通信接口，各模块通过总线与主机相连。热成像检测模块和温度监测模块分别输出数字量和模拟量信号。电气元件主要由空气开关、旋钮开关、继电器、接触器、端子排、连接器和电线电缆构成，实现了智能自检测系统的配电和控制。通过提取既有动车
9、组车辆电路原理中典型逻辑关系，进行了精简化的实现，功能组电气子系统进行划分见表 1。3 信息分析与诊断技术 信息分析与诊断技术是智能自检测电气柜一项主要技术3，其目的是为电气柜的实时状态监测提供技术支撑。其实现思路是先研究对车载检测模块信息采集、分析和故障预警方法，然后设计基于系统硬件的工程方案4-5。实现数据采集分类，应用电气性能信息、温度信息，结合 RFID 技术进行信息智能分析和故障预警及诊断。结合系统硬图 1检测系统组成与结构图32第 5 期动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现件及可获取到的各项数据，介绍一种智能自检测系统信息分析与诊断的方法。3.1信息分析方法研究按照电气柜内负载功
10、能进行区分，车上电气柜可分为电气控制柜、中压柜和 PIS 柜 3 大类。中压柜内负载的电压等级为交流 380 V，电气控制柜及 PIS 柜内负载电压等级主要是直流 24 V 及 110 V，子电路根据负载及电压等级选用对应的电信号采集模块，再由采集模块转化为数字信号，传输至采集设备主机进行处理并转发。电气柜智能自检测系统包括数据处理系统、射频识别阅读器、热成像仪、温度传感器，其通过通信电缆或电信号线缆互相连接。车上可采集到的信号主要有电压、电流、功率、温度、开关量数据等，按照电路电气类型，分别选用合适的传感器接入电路，能够在前端完成负载数据的采集。数据处理系统可以实时获取设置在电气柜的电气元件
11、上的射频识别标签内的标签信息。除了热成像仪、数据处理系统，还包括电气柜的 电 气 元 件 对 应 的 温 度 影 响 参 数 获 取 系 统。首先，通过电子标签读取电气柜的电气元件对应的温度影响参数，获取系统包括 2 个温度传感器和 1个电流检测单元。第 1 个温度传感器、电流检测单元和第 2 个温度传感器分别与数据处理系统通信连接。第 1 个温度传感器用于检测电气柜内的环境温度，第 2 个温度传感器用于检测对应的电子元件的传导温度，电流传感器用于检测对应的电子元件电流。数据处理系统分别与热成像仪和电气柜的电气元件对应的温度影响参数获取系统通信连接，热成像仪用于检测电气柜中电气元件的热量监测数
12、据，温度影响参数获取系统用于获取电气柜中电气元件的温度影响参数；数据处理系统用于根据热量监测数据和每个电气元件的温度影响参数对每个电气元件进行故障预警。根据每个电气元件的当前检测温度、上一次检测温度以及检测时差，获得每个电气元件的实测温度变化速率。根据每个电气元件的温度影响参 数，获 得 每 个 电 气 元 件 的 推 算 温 度 变 化 速 率。若判断获知电气元件的实测温度变化速率与推算温度变化速率差值的绝对值大于电气元件的第一阈值，则对电气元件进行故障预警。电气柜的信息分析方法的流程示意图，如图 2所示。3.2故障预警方法研究对电气元件进行故障判断的过程中，结合电图 2电气柜的智能自检测方
13、法流程图表 1智能自检测系统电气子系统功能划分序号12345678910111213141516功能组定义监测功能组变压功能组RFID 功能组视频监测功能组门控功能组端子排连接器电源交流负载功能组直流负载功能组散热功能组直流 110 V 供电总交流 220 V 供电总交流 380 V 供电总温度监测功能组热监测功能组编号=81=82=83=84=85=96=97=86=87=88=89=90=91=92=93=9433铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 气元件的温度影响参数，提高了电气元件故障预测的准确性。电气柜 A 为设置在动车组上的电气柜，数据处理系统获得电气柜 A 的电气元件 A1 的实
14、测温度变化速率为 Tr，电气元件 A1 的当前温度变化速率为 Tt，计算|Tr-Tt|=e，然后将 e 与电气元件 A1 的第一阈值 1进行比较，如果 e1，那么对电气元件A1 进行故障预警。预先在电子标签和系统中输入电气元件布置、位置信息和电气柜电气元件的热量监测参数数据，通过自检测系统的数据融合处理，可实现检测范围内电气原件温度预测，在目前标准动车组结构与布置下，考虑到元器件的尺寸、安装形式空间等因素，检测范围主要为后板导轨安装的继电器与接触器。相应地，通过检测温度，推算温度变化速率与检测时差可计算当前预测温度，通过比对当前预测温度和检测温度，可实现故障预警。可以将电气元件 A1 故障的预
15、警信息发送到动车组司机及机械师显示屏（Human Machine Interface，简称 HMI）进行显示，以提示驾驶人员电气元件 A1 出现故障。数据处理系统也可以将电气柜的电气元件的当前检测温度、电流和电压等信息发送到 HMI 显示。文中研究的电气柜智能自检测热量检测方法流程如图 3 所示。4 工程实施及试验 4.1系统硬件通过调研，综合考虑功能需求与应用场景，智能自检测系统的工程化实施方案通过软硬件集成进行了实现，系统功能和排布如图 4 所示。进行子图 4智能自检测系统产品分布图图 3电气柜智能自检测方法流程图34第 5 期动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现系统调试前，智能自检测系
16、统产品安装在实验室环境下分别接线并进行调试，实验室环境的智能自检测系统产品分布如图 4 所示，智能自检测系统内装置及子系统均为导轨安装，分别布置在各排导轨之上，分别是检测子系统、传感器模块、RFID 接收装置，实物如图 5 所示。4.2系统软件在系统硬件功能基础上，使用 C+语言对通信协议及算法进行了实现。软件运行前，首先对硬件自带的配置界面或使用配置平台进行硬件参数配置，如 IP、传输速率、传输方法、主机名称、采样数据，通信协议注入等，然后应用软件在正常收到数据情况下进行数据的处理和分析。系统软件的主要功能模块划分见表 2。进入实时监测界面后，可通过选择下拉选项框实现柜内元器件的点选，元器件
17、选择完毕后，界面实时刷新该元器件的运行状态，可以观察到该元器件的电压、电流、功率、温度信息，同时历史数据可通过 Chart 图形界面实时显示。电子标签数据采集功能可以对读写器及天线参数进行设置，对标签执行特殊指令，对天线进行信号测试。4.3试验结果使用的热成像仪模块技术参数见表 3，采用海曼热成像仪模块，测试对象为均匀黑体，黑体的发射率系数为 1，在测量实际物体时，由于发射率系数小于 1，因此测量温度低于实际物体的温度。热成像仪实际捕捉的电气柜内温度矢量如图 6 所示，不同颜色对应不同温度探测值，按规则进行排列，直观所见温度越高处，图像偏向红色。可以看出左 上 角 接 触 器 侧 面 温 度
18、与 面 板 温 度 存 在 较 大 差异，下部中间处的继电器温度最低。考虑到人眼的观测差异，实际温度的准确值可从界面或数据流中读取。动车组自检测实时状态检测界面如图 7 所图 5实验室环境产品调试图表 2电气柜智能自检测系统功能模块划分表电气信息数据采集远程通断控制实时监测实时安全报警电流功率限定定时管控漏电自检电量统计自动巡检电气数据表电子标签数据采集读写器参数设置标签操作标签特殊指令数据导出信号测试热成像数据采集热成像实时图像热成像标准信息热成像定制信息获取设置信息分析数据导入与导出数据查询数据统计故障预警故障预警参数设置自检测系统实时状态显示35铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 表 3
19、热成像仪模块技术参数表技术项点工作电压/VFOV/（）温度测量精度/工作温度/存储温度/通讯接口功耗/WESD 保护电压/V红外图像分辨率可见光图像分辨率视场角/最短焦距热灵敏度/温度测量范围/测试测量精度技术参数+121（最大 18）9090优于2-20+85-40+85RS485 接口0.32 0003232（1 024 像素）30 万像素3333/0.5 m0.15-20+3802%或2 （2%或4）技术项点发射率图像捕获频率/Hz波长范围/m焦距调色板视图选项供电接口网口（POE 供电）通讯接口网口主板尺寸（长宽高）/mm探头板尺寸（长宽高）/mm工作温度/存储温度/技术参数0.11.
20、0 可调6814固定焦距墨绿、黑白、彩虹、海洋、铁红25%步长的全红外到全视觉的可视和红外混合直流 5 V,2 AIEEE 802.3af PoE100 M1007062513217-20+60-30+85图 6热成像仪实际捕捉的电气柜内温度图 7动车组智能自检测实时状态检测界面图36第 5 期动车组电气柜智能自检测系统的设计与实现示，通过该界面可以实现系统各设备运行状态详细信息的实时查询。5 结论 依据中国标准动车组电气柜技术条件，文中在既有动车组电气柜产品基础上开展了动车组电气柜智能自检测技术研究，为监测技术领域提供了新的方法及工程实践，作为一项动车组电气控制系统智能自检测领域成果，所研发
21、的动车组电气柜智能自检测系统融合了电气数据采集，RFID射频识别和热监测等既有领域成熟成果，在此之上提出了信息分析及故障诊断方法，搭建了动车组电气柜智能自检测系统。参考文献1 周建华，朱卫平，孙 健，等.基于灵活组网的智能配电 自 动 化 检 测 系 统 J.电 力 系 统 自 动 化，2017，41（17）：163-167.2 余 博，扈海军.基于 CEETIS 的电气柜自动测试系统 的 设 计 与 实 现 J.铁 道 机 车 车 辆，2020，40（4）：30-33.3 闫晓莉.机车走行部电务设备智能检测诊断系统研究与设计J.铁道通信信号，2021，57（7）：52-57.4 尤 龙.智能
22、化电器和智能化开关柜现状与发展J.西北电力技术，2003（4）：23-26，10.5 李永坚，周有庆.智能型开关柜及其关键技术J.湖南工程学院学报（自然科学版），2003（3）：22-24.Design and Implementation of Intelligent Self-test System for Electric Cabinet of EMUYU Bo1，2，ZHAO Hongwei1，2，3，KONG Yuan1，2，3（1 Locomotive&Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporat
23、ion Limited,Beijing 100081,China；2 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Co.,Ltd.,Beijing 100094，China；3 State Key Laboratory of Traction and Control for EMU and Locomotives,Beijing 100081，China）Abstract：Based on the available technical data of electric cabinet of 250 km/h China-standard-EM
24、U,the design optimization is carried out,the application of mature technologies in many fields on electric cabinet of EMU is discussed from the system view,and the key algorithms of information analysis and diagnosis are put forward.Through the development of integrated electrical cabinet products,t
25、he technology of electrical information data recording,transmission,analysis and diagnosis is studied,and the development of software and hardware of the system is completed.Practice shows that the product can conduct intelligent self-detection of the state of electric cabinet of EMU effectively.Key words：EMU；electrical cabinet；intelligent；self detection37
