列车再生制动能量地面利用系统试验平台数据监控系统

　　摘 要 针对 GB/T36287—2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》涉 及 的 回 馈 型、存 储 型 和 混 合 型再生制动能量地面利用系统产品的型式试验需求，提出了一种基于 LabVIEW 的数据监控系 统。充 分 利 用 虚 拟 仪器、数据库等技术，实现对试验参数实时监控、即时 存 储、动态更新数据库、同步调用库中数据判断试验状态;完 善数据导出和分析功能，采用数据可视化显示令数据更加直观表现。该系统已开始应用于再生制动能量地面利用 系统产品的检验和认证工作，为产品型式试验提供可靠的测控平台。

　　关键词 城轨装备试验;数据监控;LabVIEW;数据库;数据可视化

　　随着我国城市轨道交通的快速发展，各地对城市轨 道交通的能耗要求日趋严格，在新建和既有线供电系统 改造过程中，均将列车再生制动能量地面利用系统作为 项目建设的必要部分之一。列车再生制动能量地面利 用系统通过将列车再生制动产生的电能进行存 储 或 回 馈电网，避免了传统牵引供电系统通过电阻消耗再生制 动能量，大大降低城市轨道交通的运行能耗。 GB/T36287—2018《城市轨道交通列车再生制动 能量地面利用系统》中提出了评价回馈型、存储 型 和 混 合型3种再生制动能量地面利用系统产品的性 能 的 试 验方法。

　　现阶段再生制动相关产品试验过程中，多采用 直接读取测量仪器数据的现场测量方法，不具备集成或 完善的测量系统，仅能观测和记录单点的参数，无 法 对 试验动态过程进行全过程的观测和记录，未能对不同参 数(如电压、电流、温度等)进行相关性分析，一定程度上 影响试验状态的实时性判断，降低了试验效率和精确程 度。 为解决上述存在的问题，基于 LabVIEW 设计并开 发了具备数据采集、存储、处理等功能的列车再生制动 能量地面利用系统试验平台数据监控系统，并通过数据 库技术和数字可视化显示的应用，实现实时监测试验运 行状态、保证上限报警，设计并完善数据管理系统、降低 了数据处理分析的工作量。

　　1 列车再生制动能量地面利用系统试验平台

　　列车再生制动能量地面利用系统试验平台主电路 结构，包括城市轨道交通直流供电电源、城 市轨 道 交 通 交 流 试 验 电 源 等 两 部 分。平 台 设 备 主 要 由整流变压器、整流器、变压器、双 向 变 流 柜、三 相 感 应 调 压器、三 相 变 压 器、六 脉 波 整 流 器、三 相 变 频 电 源 等 组 成，实现为牵引变流器、储能装置(超级 电 容 储 能 装 置、 飞轮储能装置)、再生电能吸收装置、直流快速断路器等 产品提供直流供电电源;给断 路 器、接 触 器、制 动 电 阻、 牵引电机、齿轮箱等设备试验提供试验电源。

　　城轨列车牵引供电系统机组联调试验时，被试变压 器输入端连接到10kV 电网上，模拟运行时中压网络供 电，牵引整流器输出端连接到电源逆变回路变流器直流 侧，实现电能回馈;单独逆变器试验时，电能经变压器降 为1180V 或590V 交流电整流后给被试逆变器供电， 输出电能回馈到电网。基于试验系统需要和检测数据 要求，监控系统必须实时监测各测量点电参量及温度数据，以保证设备运行状态判断和后续试验分析质量。

　　2 分布式数据监控系统硬件设计

　　考虑到试验平台最大试验能力投入使用时，可满足 两路整流、两路逆变同时使用，测量系统 则 需 要 采 集 直 流侧电参量(两路直流电压、电流)、逆变回馈侧 交 流 电 参量(两路三相电压、电流)、10kV 侧交流电参量(一路 三相电压、电流)等11路电信号;被试产 品 性 能 测 试 过 程中，多数元器件具有温度限值要求，要 保 证 产 品 安 全 运行，必须监测各点温度数据用于判断状态及温升试验 等。

　　为了保证上述试验 数 据 质 量，更 加 准 确、迅 速 判 断 运行状态，要求监控系统具备较快的采集速度和数据处 理速度，采用功率分析仪、记录 仪、工 控 机 等 传 输 速 度 快、处理效率高的监测装备。系统利用分布式电压、电流、温度传感器实 时 测 量 电 参 数 和温度数据，经信号处理和放大后接入 数 据 采 集 系 统， 完成数据初步处理;通过以太网交换机将功率分析仪和 记录仪中的数据信息发送到工控机中，使用监控系统软 件实现数据显示、筛 选、存 储;控 制 按 照IPv4通 信 协 议 完成数据交换、信息处理、指令发送等过程。

　　3 基于有限状态机的系统软件设计

　　3.1 数据监控系统主程序设计

　　软件部分是数据监控系统信息与控制的交互中心， 负责对监测设备发送配置命令和采集指令、显示现场返 还数据信息。根据系统使用环境要求，软件需具备响应 速度快、能够长时间工作、性能稳定等特点，主要功能包 括：参数 设 置;数 据 显 示;波 形 显 示;温 升 计 算;趋 势 查 询;数据导出及分析等。

　　系统基于 Labview 虚拟仪器软件进行编写和开发， 通过 VISA 库函数[1]调用硬件资源，利用 NI-MAX 添 加数据监测设备I/O 地址，从而使用以太网交换机实现 信息交互，对监测设备发送配置命令、完 成 数 据 信 息 采 集、状态信息转换等。系统采用有限状态机设计，状 态 机 设 计 包 括 “初 始 化”、“设 置”、“准 备 开 始”、“开始”、“配置参数”、“数据采集”、“资源释放”、“停 止”、“选择 波 形”、“温 升 计 算”、“查 看 波 形”、“查 询 参 数”、“导出数据”等13个状态。状态机控制子模块负责 操作指令转发、控制系统进程。功能按钮值改变后，状 态机队列输出更新，系统程序能够实现集中调用各功能 子 VI。

　　数据监控系统登录成功后，软件自动初始化，完成 各仪器参数设置后系统随时等待“开始采集”的指令;若系统已进行相应数据采集，过程中需停止，“停止采集” 值改变后占用 资 源 释 放，系 统 再 次 进 入“准 备 开 始”状态，等待指令。“开始采集”值改变，检查配置是否更新， 若系统配置改变，状态机发送新的状态指令、更新队列 输出，跳转到“配置参数”开始配置状态，调用接线配置、 扫描配置、故障处理等多个子 VI，完成数据采集前个监 测仪器的参数设置。系统将仪器参数配置到各个监控 设备后，“配置参数”状态结束直接跳转到“数据采集”状 态，开始采集数据，“运行状态”显示“进入采集状态”;若 “开始采集”值改变，系统配置未更新，则状态机直接跳 转到“数据采集”状态，基于此状态软件进一步拓展功能 应用。

　　3.2 数据监控系统数据采集子模块设计

　　为实现数据操作管理等功能设计，“数据采集”作为 数据库应用和可视化显示的应用程序基础，是一个重要 状态分支，该状态的程序设计和正常运行是监控系统解 决的核心问题。“数据 采集”状态下，系统能够获取所有监测仪器数据，包括电 压和电流的实测值、基波有效值、全波有效值、频率以及 温度等试验参数，将通道名称与参数信息捆绑输出创建 全局变量。

　　软件进行实时数据采集、筛选、显示存储等 多个子程序进 程，应 用“测 量 数 据”全局变量传递数据 流，对数据进行入库预处理，通过SQL操作将信息存储 到数据库内，释放数据库连接，完成数据存储过程。在 采集系统完善的基础上，系统设计“选择波形”、“温升计 算”、“查看波形”、“电参量趋势”、“导出数据”等多个功 能应用，用户可通过点选功能按钮进入子 VI实现进一 步数据操作。

　　3.3 数据监控系统关系数据库子模块设计

　　试验台测试测量过程中采集到的数据需要实时存 储，并同步调用数据用于判定试验状态，存在大量数据 查询和管理工作，若通过人工管理和读写文件实现则会 加长系统响应时间、降低处理速度、影响试验效果的准 确性[2-4]，因此文中设计采用数据库保存数据、完成数据 处理。 系统应 用 MicrosoftOfficeAccess关 系 数 据 库 管 理系统建立参数数据库。

　　根据实际应用需求，数据库内容包括试验 配置和 试 验 数 据 两 个 表 单，涵 盖ID 地 址、试 验 负 责 人 ID、试验 负 责 人 姓 名、登 录 密 码、权 限、试 验 类 型、试 验 编码、存储时间、以及实测参量等多项数据，通过系统程 序调用库中内容可判断试验工程师是否有权限使用数 据监控系统、修改数据信息，用于软件使用权限管理;对 表单内的数据进行写入、查询、调用、导出，实现数据集 中处理和分析。

　　4 数据处理与可视化应用设计

　　4.1 数据查询、筛选与导出应用设计

　　较之传统数据监控系统后期数据分析过程繁杂，本 系统在虚拟仪器技术和数据库应用相结合的基础上，设 计实现了数据查询、筛选及导出子模块。 程序通过“while”循环实现主程序对本模块的调 用，子 VI启用后数据库后台自动连接，检测人员可 通 过 选 择 试验起始时间、试验终止时间、样品编号、试验类型中任 何试验条件查询数据情况，后台程序通过“where”操作 符自动扫描信息位置，导出该部分内容。

　　但随着试验数 据的不断累积，实时存储的数据量逐渐庞大，用于检测 分析的只是能够代表被测设备性能的典型值，为使试验 数据更加简洁，系统增设“多重查询”方法。可以根据试 验需求通过“for”循环使用“where”、“and”等 操 作 符 直 接定位选择特定内容数据。该功能的实现大幅度提高 了试验数据处理效率，同时也保证所有试验数据有效存 储、防止数据丢失。

　　4.2 数据可视化应用设计

　　数据可视化通过图形、图像处理、计算机视觉及用 户界面等图形化方式，能够更加直观的表现出数据信息 和关键特征[5-6]。现场试验过程中，检测人员为 了 方 便 判断产品运行状态及试验环境特点，往往需要大量示波 器、记录仪等能够实现图形化显示的仪器，不仅提高了 试验成本，也增加了试验环境复杂程度。为解决这一问 题，监控系统通过数据可视化设计实现了数据信息最优 化显示。

　　程序设计过程中完善所有信息的读取应用，通过采 样频率的合理设置保证信息传递的实时性，采用以太网 交换机控制数据传输，以字符串格式在主界面上显示实 时电压、电流、功率、频率、温度等名称及数值。在满足 基本数据测量的前提下，系统应用 VISA 会话句柄可以 随时调用功率分析仪任何通道的原始波形和计算后数 据波形，以二维图表的形式、通过点选所需参量名称有 选择性的显示特征波形。不会因采样通道数量、引线距 离、试验费用等问题影响试验进度和质量。除此之外， 系统应用布尔型变量设计各个限值超高指示，直观反映 运行状态，便于判断试验进程;应用外推法计算温差，采 用描点图和线性拟合曲线图显示温度变化实际曲线和 计算曲线。

　　5 系统实现与功能验证

　　为验证数据监控系统设计方案的可行性，在列车再 生制动能量地面利用系统试验平台基础上，开发了试验 平台数 据 监 控 系 统，集成所有功能选项，界面简单明了，便于操作。通过地铁牵引整流机组变流柜、再生能量逆变回馈 装置、储能式有轨电车充电装置、制动电阻等设备现场 试验验证显示，该系统运行良好，对比现场设备读数信 息，数据采集准确一致、显示同步。系统控制与测量功 能符合试验要求，拓展功能使用正常，实现了既定的设 计目标。

　　6 结 论

　　本系统应用以太网交换机、现场监测仪器和工控机 等硬件设备，设计完成了状态机控制、信号量控制、数据 采集、数据记录等4个核心模块，保证列车再生制动能 量地面利用系统试验平台数据监控软件功能;通过 VI- SA 串口通 信 和 数 据 库 管 理 技 术，实现数据可视化显 示，试验全过程可快速判断运行状态;数据集中存储、管 理，设计开发了“数据导出及分析”功能，可选择性查询、 导出有效信 息，解决了数据量庞大难以处理分析的问 题。

　　通过系统搭建和软件测试，验证了文中列车再生制 动能量地面利用系统试验平台数据监控系统的可行性。该系统的应用将有利于提高试验人员现场操作安全性， 提高整体工作效率，集成显示各类型试验参数便于发现 问题，降低后续数据处理工作量，具备一定推广应用价 值。接下来可进一步开发系统软件和移动设备相结合，通过无线局 域 网 技 术 实 现 数 据 传 输，着 重 网 络 安 全 防 范，便于试验人员随时掌握现场运行状态，提升试验能力。

　　测量方向论文投稿刊物：计算机测量与控制(月刊)创刊于1993年，由中国计算机自动测量与控制技术协会主办。报道内容：1计算机技术、自动测试技术和自动控制技术的研究成果及发展方向的综述与评论。

　　参考文献

　　[1] 尹洪涛，付 平，郭论平.LXI-GPIB控制器及 VISA 库设 计[J].计算机测量与控制，2013，21(5)：1263-1265.

　　[2] 刘 杰，张 亮，阳元泽.基于 LabSQL的 LabVIEW 数据 库访问[J].数字技术与应用，2014(11)：98-99.

　　[3] 张丽彬，陈晓 宁.基 于 LabSQL 的 LabVIEW 与 数 据 库 接 口技术[J].数字技术与应用，2012(1)：106-107.

　　[4] 胡 平，胡 域.基 于 Labview 的数据库程序设计方法 [J].计量与测试技术，2016

　　作者：鲁培琳