摘要：分析当前高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统存在问题，阐述防灾电源改造的必要性，并对改造方案进行了详细介绍。
关键词：自然灾害及异物侵限监测系统；电源；方案；探讨
1防灾系统总体结构
防灾系统总体结构由现场层设备、监控单元、监控数据处理设备与应用层设备四层组成。现场层设备用于现场灾害信息采集，主要由各种灾害信息采集传感器（风速风向仪、雨量计、雪深计、地震传感器）和异物现场监测设备组成。基站层设备用于现场采集信息分析处理，主要由监控单元组成。监控数据处理设备用于对实时数据进行存储、运算、分析、转发等工作，主要由应用服务器、数据库服务器、网络设备等组成。应用层设备用于对监测数据的实时显示、报警、数据统计等工作，是人机界面的接口，主要由各种应用终端组成。如图1所示。
图1防灾系统总体架构
2数据收发机制
TCP协议虽可提供可靠的数据传输，但其每次连接都需七次握手，实时性较差。因此，“光纤铁路”采用资源消耗较小、处理速度较快的UDP协议，并采取主动发送、被动接收的通信方式。
2．1数据发送
为保证UDP传输的可靠性，数据发送引入了TCP协议的握手、超时重发等机制，具体如下：（1）发送一个数据包后启动发送计时器，在规定时间内等待接收反馈信息包。若无反馈则重新发送至上限次数。（2）发送次数达到上限时仍未收到反馈，发送失败计数器加1，退出本次数据发送操作并保存数据包（不含指令数据包）。（3）若发送失败计数器达到一定次数后，默认网络异常，并报警通知维护人员进行检修。（4）网络异常后，试探性发送下一数据包，以测试网络状态。若连续成功发送指定次数，取消网络异常报警，重新发送失败的数据包。数据发送流程如图2所示。
图2改造前防灾电源子系统图
2．2数据接收
数据接收任务默认处于睡眠状态，由其他数据通信任务激活。为避免激活后的接收任务出现忙等待现象，建立接收任务生命周期机制。若在该周期内没有接收到指定指令或数据，开始下一接收任务；若接收失败达到一定次数后予以网络故障报警。指令、阈值和监测值的数据接受任务生命周期设置如下：
（1）指令信息：采取与发送任务相同的生命周期
（2）阈值数据：由任务本身触发激活，无接收生命周期
（3）监测数据：监测数据由子系统周期性主动发送，其接收生命周期为系统刷新周期TF。
3存在问题
高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统自开通以来，充分发挥了该系统防灾减灾的设计目的，提高了动车组列车运行的安全性。但受设备早期无标准、工期紧的条件限制，产品存在某些缺陷。京广高铁广局段既有防灾监测系统监控单元电源子系统采用常规双套UPS系统，冗余切换采用STS静态转换开关实现，即监控单元UPS电源为两路220V市电输入，220V交流电源进入UPS后通过交直流转换为直流电，挂载电池充放电。而后再将直流电逆变为交流220伏输出。两路220V交流电输出后进入STS静态转换开关进行冗余切换为一路交流电输出。
切换后的220V交流电作为监控单元系统内部的母线电源，内部功能模块设备的电源通过此路交流电转换后使用。带有异物侵限监控报警的防灾监控单元用电有两部分，一部分是异物控制器和继电逻辑使用AC-DC转换电源的直流24伏电源，另外一部分是驱动列控继电器的电源，这部分电源采用铁路专用的硅整流电源进行转换，交流220V输入直流28伏输出。
改造前防灾电源子系统构成如下京广高速（广铁集团范围）防灾系统原来的电源子系统以交流为核心的设计理念已经被目前更先进的以直流为核心的设计理念所替换。
4解决方案
采用集成化模块式电源，即采用防灾综合电源替代既有UPS。单台防灾综合电源构成原理防灾综合电源采用通信电源模块加扩展电源模块的方式进行供电，电池组挂接到整流模块上，形成多路扩展电源。系统具备自检监控功能，可采集各个电源模块的工作状态，并且通过RS-485接口上报到监控单元主机。列控供电采用双路冗余隔离方式，抽屉模块化箱体结构。
5电源系统改造前后效果对比
（1）电源系统集成化
原有的UPS电源为一体机，当电源设备故障后，需要整体更换，维护成本高。新电源系统采用集成模块化设计，采用整体架构模块组成；模块化设计采用机框框架架构，当某个模块产生故障时，只需将故障模块从机框拔下替换即可，大大减少了故障处理更换时间。
（2）两路电源冗余并机切换
原有系统的电源并机采用STS静态转换开关实现，由于UPS输出为交流，无法直接进行并机冗余，需加装静态转换开关实现两路交流电的冗余切换。当静态转换开关发生故障，整个后级供电全部中断，造成监控单元掉电。新电源系统采用标准通信模块电源，将交流220V市电转换为直流48V进行后级供电，电池充放电直接挂接在48伏输出上，解决了当UPS电源故障时整个系统失电的问题。另外由于输出为直流，两套电源的输出可以直接进行并机使用，实现冗余无缝切换，减少了通过STS并机故障点。
（3）减少电源中间转换过程
常规UPS系统采用交流转直流，直流再转交流的过程，电池在直流环节挂接，环节多，电源效率低下，且当电源发生故障，整个后级都会失电。新电源系统简化过程，使用交流220V输入转换为直流48V，48V直接作为后级母线电源，电池系统也挂接在48V母线上；这种使用方法采用多级保护，当通信电源模块故障后，电池系统会直接无缝给后级供电。
6结论
本文结合自然灾害、地质灾害和基础设施监控数据的特点，研究UDP传输协议的可靠传输机制，设计了集成平台与子系统间交互响应的接口方案，通过测试并在成渝高速铁路展开了为期2年的工程试点。测试及试点结果表明，该接口设计方案实际可行且便于移植，其交互响应具有良好的可靠性和实时性，可推广应用于高速铁路中自然灾害、地质灾害各监测子系统以及智能车站内各弱电子系统的系统集成。
参考文献：
[1］虞凯，刘孜学，韦道准．川藏铁路基础设施实时监测预警系统架构及功能研究［J］．高速铁路技术，2015，6（2）：41－44．
[2]铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程施工及验收标准Q/CR9745-2014.
论文作者:王鸿明
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/13
标签：电源论文; 系统论文; 数据论文; 冗余论文; 子系统论文; 异物论文; 设备论文; 《防护工程》2018年第31期论文;