1、电气化铁路接触网参数自动检测系统软件设计图文精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The Design of Electrified Railway Catenary Parameters Automatic Test System Software届专 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 毕业设计任务书 毕业设计开题报告 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
2、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
3、重要的现实意义。关键词:LabVIEW 虚拟仪器 数据采集AbstractFrom the history and trend of Chinas railway development, electrified railway in network of the proportion of more and more big, the impact on the public power grid will be more and more serious. Therefore, establishing and implementing the catenary power quality
4、 monitoring and analysis, is an important technical means to improve power quality. To develop a new type of power quality parameters monitoring system, power quality parameters monitoring effectively, to ensure the safety, economy and reliability of power system operation, has important significanc
5、e.Based on virtual instrument technology,fault signals of overhead catenary system are collected with the help of card and signal adjustement circuit,etc.By the tool of Labview 2010,the writer develops the signal analysis software that can collect data high speed and real-time.The whole system reali
6、zes data acquisition and analysis of overhead catenary system,it is realistic significance to make electrified railway work saftly and smoothly.Key words:Labview Virtual Instruments Data acquisition第 1章 绪论 1 1.1 课题研究的目的意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 论文研究内容 4第 2章 总体设计方案 5第 3章 调理电路和数据采集系统的设计 7 3.1 信号调理电路 7 3.
7、2 数据采集技术简述 9 3.3 数据采集卡的选择 10 3.4 数据采集卡的安装 12 第 4章 数据采集系统的软件设计 13 4.1 Labview 简介 13 4.1.1 Labview 软件的特点 13 4.1.2 Labview 的程序组成 14 4.2 Labview 的常用数据类型 15 4.3 采用 LabVIEW 编制虚拟仪器程序的步骤 17 4.4 采用 LabVIEW 实现数据分析处理 19 4.5 接触网参数自动检测软件的设计 200 第 5章 结论与展望 26 5.1 结论 26 5.2 展望 26 参考文献 27 致谢 27 附录 27 附录 A 外文翻译 29 附
8、录 B 程序面板 36石家庄铁道大学四方学院毕业设计第 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
9、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
10、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
11、 。 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1石家庄铁道大学四方学院毕业设计作用。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
12、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
13、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
14、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
15、研制的非接触式弓网2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 0.31s 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
16、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
17、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 (National Instruments Corporation 简称 NI 首
18、 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
19、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
20、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
21、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
22、 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
