电气化铁路接触网参数自动检测系统软件设计.docx

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电气化铁路接触网参数自动检测系统软件设计

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

电气化铁路接触网参数自动检测系统软件设计

TheDesignofElectrifiedRailwayCatenaryParametersAutomaticTestSystemSoftware

2013届电气工程系

专业电气工程及其自动化

学号

学生姓名

指导教师

完成日期2013年5月27日

毕业设计成绩单

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

毕业设计题目

电气化铁路接触网参数自动检测系统软件设计

指导教师姓名

指导教师职称

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题　目

基于射频卡的电子门锁设计

学生姓名

学号

8

班级

专业

电气工程及其自动化

承担指导任务单位

电气工程系

导师

姓名

导师

职称

一、设计内容

设计接触网电压电流的测量方法，利用虚拟仪器数据采集卡，实现对接触网故障数据的高速实时采集，以图形化软件LabVIEW作为自动检测系统的开发平台，该系统包括硬件系统结构、功能以及软件的编写。

二、基本要求

1.自学LabVIEW语言，掌握用该语言对接触网故障数据采集的方法。

2.掌握电气化铁路接触网电压电流的检测方法。

3.实现高速实时数据采集。

4.设计计算说明书一份，要求条目清楚、计算正确、文本整洁。

5.提供有关课题的英文资料原文和译文各一套。

6.提交开题报告一份。

三、设计的主要技术指标及要求：

1.分析接触网故障电压电流的检测方法，确定总体设计方案。

2.选择数据采集卡的参数计算及选型。

3.完成高速实时数据采集的设计，包括正常数据和故障数据的实时采集，各种参数的采集，交流电压AC，直流电压DC、均方根值、采样频率、采样周期；报警任务；故障数据记录存盘；数据实时趋势显示等；

4.完成数据处理功能包括数据实时显示，对故障信号及时存盘，建立数据库，实现分类查询、综合统计查询的功能，并提供查询结果等功能设置；

5.对多路信号实现三维立体显示。

四、应收集的资料及参考文献

[1]《高速电气化铁路接触网》于万聚主编西南交通大学出版社

[2]《接触网》吉鹏霄主编化学工业出版社

[3]《LabVIEW实用教程》乔瑞平主编电子工业出版社

[4]《LabVIEW高级程序设计》杨乐平主编清华大学出版社

五、进度计划

1-3周：

课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料，制定毕业设计方案，作开题报告

4周：

熟悉LabVIEW特点和功能、整理参考资料

5-6周：

数据采集卡的参数计算及选型

7-8周：

完成高速实时数据采集的设计，期中检查

9-10周：

完成数据处理功能，完成软件程序并调试运行

11-14周：

完成数据远程传送，修改并调试运行

15-16周：

答辩

教研室主任签字

时间

年月日

毕业设计开题报告

题目

电气化铁路接触网参数自动检测系统软件设计

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

一、研究背景

高速铁路是当今世界铁路发展的潮流,随着经济技术的发展和交通运输的激烈竞争,高速铁路以其独特的优点被许多国家作为大力研制和重点发展的目标,高速铁路和客运专线接触网是高速铁路牵引供电系统和铁路客运专线的主体和关键。

接触网是电气化铁路一种特殊形式的供电线路，它的任务是保证对电力机车可靠的不间断的供应电能，但是接触网是电气化铁路中的薄弱环节。

接触网一旦发生故障，对牵引供电系统，受电设备及整个铁路运输都会造成重大损失。

现在正值电气化铁路普遍提速时期，列车运行快速而密集，显然故障发生后不能及时排除，将极大影响铁路运行安全，所以研究接触网的智能故障诊断技术具有非常重要的意义。

接触网是电气化铁路的供电系统，其在铁路空间位置的准确测量十分重要是保证列车安全运行的根本所在。

二、国内外研究现状：

国内：

由于高速铁路具有速度快、运量大、安全性好、能耗低、占地少、污染少、属于公共交通系统等优点，所以我国在制定政策是明确提出要大力发展高速铁路，我国高速铁路发展迅速。

而作为高速铁路的重要组成部分——接触网，对其研究更是其中的重中之重。

我国的接触网正向标准化、规格化方向发展；悬挂的弹性均匀性会进一步提高；接触网的电气载流量会进一步增加；接触网的机械强度会进一步提高；接触线的机电性能将会成为制约和评价接触网优劣的核心。

受电弓和接触网的结构及其匹配关系会得到进一步优化。

接触网的防腐能力会进一步加强。

作为保障接触网正常工作的检测系统，我国也出了一批自己的检测诊断产品，推动了我国检测技术的发展。

国内在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的监测诊断产品。

如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统”，铁道部科技发展计划项目“复线电力牵引网瞬时与永久性故障自动识别装置”，“牵引变电所安全监控与综合自动化成套技术研究”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统”。

综合我国的设备诊断技术现状，其应用集中在电力、机械等行业，各种国际会议举办过数次。

这对我国诊断技术的发展将起到巨大的推动作用。

国外：

20世纪60年代，开始发展设备运行状态检测与故障诊断技术。

先是在航空发动机和军用车辆上，装备震动噪声检测仪器和记录装置。

FFT的出现是数字信号处理发展史上的一个转折点，以此为契机，加之超大规模集成电路和计算机的飞速发展，使得数字信号处理理论获得了飞速发展。

近年来，传感器技术，信号处理系列技术（如各种滤波技术和谱分析技术等），神经网络系列技术以及它在诊断中的应用，使诊断技术逐渐完善，形成了一门新的故障诊断学，在生产中发挥愈来愈大的作用，其经济效益很高。

据介绍，应用诊断技术后，可减少事故75％，降低设备维修费25％～30％。

从诊断技术来看，美国占有领先地位，如美国机械工程师学会（ASME）。

美国宇航局（NASA）在这一领域中投入了大量的资金，美国一些公司，如Bently,Hp,ScientificAtlanta等，它们的诊断产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平。

其它一些国家，诊断技术的发展也各有特色，如日本等在诊断技术应用方面具有优势。

高速铁路从开始出现至今已经有40多年的历史，其中以日本、法国、德国的高速铁路技术最为突出。

国外高速接触网悬挂类型基本上可归为3类：

即以日本为代表的复链形悬挂、以法国为代表的简单链形悬挂和以德国为代表的弹性链形悬挂。

国外高速接触网发展总趋势是尽可能地简化接触网的结构，以提高接触网的可靠性，在材质一定的条件下，尽可能地提高接触线的张力，以提高接触线的波动传播速度，积极研制和开发与接触网参数及运营速度相匹配的高速受电弓。

三、论文的主要工作和所采的方法手段：

主要工作：

电气化铁路接触网参数自动检测系统是利用虚拟仪器数据采集卡，实现对接触网故障数据的高速实时采集，以图形化软件LabVIEW作为自动检测系统的开发平台，该系统包括硬件系统结构、功能以及软件的编写。

实现数据处理功能包括数据实时显示，对故障信号及时存盘，建立数据库，实现分类查询、综合统计查询的功能，并提供查询结果以及系统维护等功能设置。

基本工作有以下几方面：

1.了解接触网参数的种类.

2.选择数据采集卡的参数计算及选型。

3.自学LabVIEW语言，掌握用该语言对接触网故障数据采集的方法。

4.完成高速实时数据采集的设计，对正常和故障数据的实时采集和各种参数的采集。

5.将数据录入LabVIEW，实现对接触网信号的高速实时采样，软件包括波形显示，参数测量，数据分析等功能。

四、预期达到的结果：

设计的软件要符合实际需求，准确实时测定接触网各类参数，并能分析参数类型，处理数据等功能，对故障信号及时存盘，建立数据库，实现分类查询、综合统计查询的功能，并提供了查询结果以及系统维护等功能设置。

指导教师签字

时间

　　年　月日

摘要

从我国铁路发展的历程和趋势来看，电气化铁路在路网中所占的比例将越来越大，对公用电网的影响也将越来越严重。

因此，建立和实施接触网参数的检测与分析，是保证接触网正常使用的一个重要技术手段。

研制一种新型的接触网参数监测系统，有效地对接触网参数进行监测，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性，都具有重要意义。

本文主要基于虚拟仪器技术，以电气化铁路接触网的信号为例进行实时采样，实现了接触网需要的初步数据采集和分析任务，利用虚拟仪器技术对接触网参数进行数据采集，借助数据采集卡，在虚拟仪器软件开发平台Labview2010上开发了电气化铁路接触网参数自动检测系统，实现数据的采集与储存，储存在数据库，实现了对接触网参数的高速实时采样。

该系统实现了对接触网参数的采集、实时显示与储存查询，并能完成报警任务，对保障电气化铁路安全畅通运行有重要的现实意义。

关键词：

LabVIEW虚拟仪器数据采集

Abstract

FromthehistoryandtrendofChina'srailwaydevelopment,electrifiedrailwayinnetworkoftheproportionofmoreandmorebig,theimpactonthepublicpowergridwillbemoreandmoreserious.Therefore,establishingandimplementingthecatenarypowerqualitymonitoringandanalysis,isanimportanttechnicalmeanstoimprovepowerquality.Todevelopanewtypeofpowerqualityparametersmonitoringsystem,powerqualityparametersmonitoringeffectively,toensurethesafety,economyandreliabilityofpowersystemoperation,hasimportantsignificance.

Basedonvirtualinstrumenttechnology,faultsignalsofoverheadcatenarysystemarecollectedwiththehelpofcardandsignaladjustementcircuit,etc.BythetoolofLabview2010,thewriterdevelopsthesignalanalysissoftwarethatcancollectdatahighspeedandreal-time.

Thewholesystemrealizesdataacquisitionandanalysisofoverheadcatenarysystem,itisrealisticsignificancetomakeelectrifiedrailwayworksaftlyandsmoothly.

Keywords：

LabviewVirtualInstrumentsDataacquisition

第1章绪论

1.1课题研究的目的意义

近年来，我国电气化铁路发展迅速，越来越长的电气化铁路担负着越来越重的运输任务。

在整个电气化铁路中，接触网是电力机车良好受流和安全运行的关键，它是电气化铁路一种特殊形式的供电线路，它的任务是保证对电力机车可靠的不间断的供应电能，但是接触网是电气化铁路中的薄弱环节。

接触网一旦发生故障，对牵引供电系统，受电设备及整个铁路运输都会造成重大损失，现在正值电气化铁路普遍提速时期，列车运行快速而密集，显然故障发生后如不能及时排除，将极大影响铁路运行安全，所以研制接触网的智能故障诊断技术，对精确定位故障点、判断故障类型、缩短事故停电时间、保证铁路安全运行具有非常重要的意义。

因此，实现接触网故障的智能诊断，已成为保障电气化铁路安全运行的一个重要课题。

当接触网发生故障时，短路点及附近电力设备中流过的短路电流可能达到额定电流的几倍乃至几十倍，将对电气设备造成严重损坏[1]。

与电力系统其它元器件相比，接触网一方面净空低，穿越地形复杂，另一方面，长期暴露在环境恶劣的户外，并受电力机车受电弓和机械冲击，各种尺寸结构、连接状态都处于动态变化之中，受潮气、盐污、工业粉尘的影响，难以进行有效的维护，所以容易导致故障。

而这类故障造成的局部绝缘损伤一般没有明显的痕迹，给故障点的查找带来极大的困难[2]。

如果能快速、准确地进行故障定位，及时发现绝缘隐患，从技术上保证接触网的安全运行，才能面对发展高速、重载铁路的新形势，把电气化铁路提高到一个新水平，具有巨大的社会和经济效益。

1.2国内外研究现状和发展趋势

国内研究现状：

目前，我国在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的监测诊断产品。

如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统”，铁道部科技发展计划项目“复线电力牵引网瞬时与永久性故障自动识别装置”，“牵引变电所安全监控与综合自动化成套技术研究”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统”。

综合我国的设备诊断技术现状，其应用集中在电力、机械等行业，各种国际会议举办过数次。

这对我国诊断技术的发展将起到巨大的推动作用。

高阻抗故障是电力系统故障诊断久已存在的问题，至今仍没有得到很好解决。

高阻抗故障一般指导体对高电阻率物体或大地的短路故障，一般都有电弧产生，而电阻为非线性电阻，使短路电流中含有大量高、低频谐波成分（有噪声），且有突发性和间断性特点，与牵引负荷电流的谐波成分有明显的差别，这正是高阻故障不同于有牵引负荷电流的特征[5]。

我国第一条重载电气化铁路——大秦铁路自1988年底开通以来已发生过几十次高阻故障，其中几次造成了事故的扩大，给国家带来了巨大的经济损失。

分析表明，故障阻抗与负荷阻抗区重迭，因而传统的保护方法无法检出故障，必须寻找新的保护措施。

作为仪器领域中的新兴技术，虚拟仪器的开发技术在国内已经有了一定的研究。

20世纪90年代以来，重庆大学，哈工大，西安交大，在研究和开发虚拟仪器设计平台以及引进和消化NI公司、HP公司的产品等方面作了一系列有益工作，并取得了一批瞩目的成就。

国外研究现状：

诊断技术是近几十年来发展起来的一门新学科。

它是适应工程实际需要而形成的交叉综合学科。

诊断技术理论、电子技术、自动化仪器仪表的进步，超大规模集成电路，尤其是计算机技术的发展，为诊断技术提供了必要的技术基础。

20世纪60年代，开始发展设备运行状态釜测与故障诊断技术。

先是在航空发动机和军用车辆上，装备震动噪声检测仪器和记录装置[3]。

FFT的出现是数字信号处理发展史上的一个转折点，以此为契机，加之超大规模集成电路和计算机的飞速发展，使得数字信号处理理论获得了飞速发展。

近年来，传感器技术，信号处理系列技术（如各种滤波技术和谱分析技术等），神经网络系列技术以及它在诊断中的应用，使诊断技术逐渐完善，形成了一门新的故障诊断学，在生产中发挥愈来愈大的作用，其经济效益很高。

据介绍，应用诊断技术后，可减少事故75％，降低设备维修费25％～30％[4]。

从诊断技术来看，美国占有领先地位，如美国机械工程师学会（ASME）。

美国宇航局（NASA）在这一领域中投入了大量的资金，美国一些公司，如bently，Hp，ScientificAtlanta等，它们的诊断产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平。

其它一些国家，诊断技术的发展也各有特色，如日本在诊断技术应用方面具有优势。

20世纪80年代以来，国外不少研究机构，特别是美国AM学院开始研究高阻抗故障的保护问题，相继报道了许多研究成果。

德国在上世纪80年代也开始研制非接触式检测方法，主要利用两个CCD线阵列摄像机，然后利用数字图像实时处理方法同时得到参数。

意大利研制的非接触式弓网检测方法主要采用激光照射、伺服跟踪和图像处理技术。

检测装置中的摄像机依靠直线马达拉动。

自动重合闸技术是诊断系统中的有效措施之一，在国内外电力系统和牵引供电系统中得到了广泛的应用[6]。

架空输电线路的故障大多是瞬时的，若能及时发现故障，并采用自动重合闸措施，当发生故障时断路器迅速跳闸，经一定时间（约0.3～1s）后断路器自动合闸，重合闸后系统能正常运行。

根据运行资料的统计，60％-90％的重合闸是成功的。

少数不成功的重合闸由继电保护作用再次跳闸。

当然这种情况下断路器多跳闸一次，切除短路的总时间也长了一些。

但是由于这种情况是少数的，自动重合闸技术的优点还是主要的，因而获得广泛的采用。

目前，电力系统和牵引供电系统中的自动重合闸大都是盲目进行的，即无论是瞬时性故障还是永久性故障都进行一次重合闸。

如果线路故障是瞬时性的，重合闸重合成功，对系统影响不大：

如果故障是永久的，再次重合不仅会给电气设备带来损坏，对系统造成不必要的二次冲击，甚至会导致系统稳定的破坏[7]。

据统计瞬时性故障发生概率占60％-90％，永久性故障占10％-40％，即重合于永久性故障的概率为10％-40％，随着计算机技术和信号处理技术的不断发展，研制能够正确识别瞬时与永久性故障且能在最佳重合时间进行重合操作的智能重合闸已成为可能。

设备诊断分为信号采集，信号处理，故障诊断三个阶段。

围绕这一问题，设备诊断技术在下述方面展开了理论研究。

信号采集技术的研究。

采集实际状态的信号，为诊断后续工作打下基础。

系统诊断过程诊断技术的快速发展与虚拟仪器的快速发展是密切相关的。

虚拟仪器是随着计算机硬件、软件和总线技术的飞速发展，虚拟仪器技术为数据的高速实时采集打下了坚实的基础，虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作计算机，从而完成被测试量的数据采集任务。

20世纪80年代，美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorporation简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念。

NI提出的“软件就是仪器”的口号，彻底打败了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，自20世纪80年代以来，NI公司已研制出多种总线系统的虚拟仪器，特别是它提出的LaBVIEW图形化编程环境已享誉世界[8]。

在NI之后，美国惠普（HP）紧紧跟上，该公司推出的HPVEE编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机。

综上所述，诊断技术是一门紧密结合实际的工程科学，生产实际的需要是它发展的根本原因，因此，它具有广阔的工程背景和实用价值，具有相当广阔一要主要研究内容交流电气化铁路接触网智能诊断系统涉及到数字信号处理技术、交流电气化铁道牵引技术、供变电技术、智能诊断技术、模式识别等诸多技术和理论，是一项十分复杂的系统工程[9]。

1.3论文研究内容

本课题的内容：

通过学习Labview软件，结合学习的接触网的相关知识，设计一个接触网参数自动检测的软件。

本软件包括数据采集、存储和查询，以及波形的显示，完成报警任务，实现数据的三维立体显示等功能。

本文利用虚拟仪器数据采集卡，研究电气化铁路接触网的信号，以图形化软件Labview2010作为测控系统的开发平台，确定接触网故障检测的方法，确定总体设计方案。

首先设计信号调理电路，确定各元件参数及型号。

该信号调理电路要完成滤波和放大功能。

滤波负责去除噪声，放大电路可以将发出的信号调整到数据采集卡的可接收范围内。

其次选择数据采集卡的参数及具体参数。

再次完成多通道高速实时数据采集的设计，包括正常数据和故障数据的实时采集，各种参数的采集，交流电压AC，直流电压DC、均方根值、报警任务；数据存盘；数据实时趋势显示等；完成数据处理功能包括数据实时显示，对多路信号实现三维立体显示。

最后对所设计的软件进行检测，看是否完成软件所需要的各个功能。

第2章总体设计方案

本设计主要分为硬件部分和软件部分。

其中软件部分是本设计的重点部分，通过LabVIEW来设计的。

系统总体方案如图2-1所示，设计主要分为：

信号调理模块、信号的采集模块、利用计算机建立虚拟仪器模块、虚拟仪器的显示。

图2-1接触网高速数据采集系统的总体结构框图

硬件的主要功能是获取现实世界中的被测信号。

本设计中的硬件部分包括信号调理电路和数据采集卡两部分。

其中信号采集卡负责滤波和放大，数据采集卡负责采集的信号，并将采集到的信号处理后发送给计算机。

首先建立的是信号调理模块。

原始信号通常混有与故障无关的信号，因此，在将信号输入计算机进行数据采集和处理之前，必须进行信号条理。

鉴于本设计的具体情况，这里的信号条理电路由隔离、滤波等电路组成，接触网故障信号中含有对计算机和人体有害的高压脉冲，它不能直接将该信号直接连接到DAQ卡上，需要隔离处理。

采集到的信号，在进入数据采集卡之前需进行低通滤波处理。

主要对信号进行调理为以下模块做好铺垫作用，信号调理属于硬件部分，利用硬件设备组成信号调理电路。

其次是建立数据采集模块。

数据采集系统的任务是采集原始数字信号，数据采集卡是进行高速直接数据采集的理想设备。

其主要指标有采样精度、采样速度。

采样精度由转换器的位数来决定，而采样速度是与采样频率不可分的数据采集卡是虚拟仪器信号采集系统的硬件模块。

本论文主要是针对电气化铁路接触网信号的检测，因为对接触网信号的检测是有一定难度的，所以要选择合适的信号采集卡。

通过资料的查询本文选取NI-5112卡，此采集卡能够满足接触网信号的采集工作。

在给定了计算机必要的仪器硬件之后，使用虚拟仪器的关键在于软件。

软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。

软件部分是在图形化编程语言LabVIEW2010平台上开发的。

采用了图形化程序设计软件LabVIEW作为虚拟仪器开发平台，是因为和其它同类产品相比，LabVIEW在现场数据采集、存储、显示等方面显示了强大的功能，尤其是其数据采集和信号处理的优势提高了工作效率。

它充分发挥了微机强大的功能和软件设计的灵活性。

所以再次就是计算机虚拟模块，通过虚拟仪器信号进行一系列的分析和处理。

虚拟仪器的创建要利用虚拟软件Labview2010进行编写。

最后是对采集信号进行存储并实时显示出来。

而且可以的把以前存储的再调用出来。

这部分也需要在虚拟软件Labview2010上进行编写。

第3章调理电路和数据采集系统的设计

原始信号由多路互感器经信号调理电路，从混合信号中提取出待测的标准故障信号。

然后送入数据采集卡（由硬件驱动程序驱动工作），通过系统总线送进计算机进行处理，经存储单元进入微机的显示缓冲区,最后在屏幕上显示出波形。

硬件的主要功能是获取现实世界中的被测信号。

目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集系统（DataAcquisition,以下简称DAQ）、GPIB仪器控制系统和VXI仪器控制系统。

文中采用的是数据采集系统，它的任务就是测量现实世界中的物理信号。

虚拟仪器的硬件平台由互感器、信号条理、计算机和数据采