軌道交通車(chē)輛電能監(jiān)控系統(tǒng)方案研究

常青

【摘 要】電能監(jiān)控系統(tǒng)是軌道交通車(chē)輛的新興重要技術(shù)之一，通過(guò)計(jì)算列車(chē)各站點(diǎn)之間的距離，能夠?qū)崟r(shí)掌握列車(chē)的行駛狀態(tài)及用電狀況，合理分配列車(chē)行駛所需的電能，能夠有效防止電能的浪費(fèi)。本文提出了一種新型電能監(jiān)控系統(tǒng)，特點(diǎn)是具備多重冗余電路的列車(chē)車(chē)載電能監(jiān)控系統(tǒng)，并且對(duì)列車(chē)電能監(jiān)控系統(tǒng)方案進(jìn)行了概述，主要包括系統(tǒng)組成、各關(guān)鍵部件、顯示界面和接線圖。

【關(guān)鍵詞】軌道交通車(chē)輛；電能監(jiān)控系統(tǒng)

一、概述

列車(chē)的電能監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)供電安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以精確計(jì)算列車(chē)從電網(wǎng)上消耗的電能，并將電能值在列車(chē)員車(chē)廂里顯示。同時(shí)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)列車(chē)上供電參數(shù)如：電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、諧波含量等，為司機(jī)或機(jī)械師掌握列車(chē)的供電情況提供了保障，是重要的安全保障系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)軌道交通所用的電能監(jiān)控系統(tǒng)多安裝于受電弓車(chē)廂內(nèi)，整體電能監(jiān)控系統(tǒng)包括：信號(hào)采集器、處理單元、顯示器，信號(hào)采集器、處理單元、顯示器依次連接，所述的處理單元內(nèi)部由信號(hào)轉(zhuǎn)化電路、計(jì)量芯片、CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片依次連接成一路信號(hào)處理電路，若處理單元受到損壞，則電能監(jiān)控系統(tǒng)則無(wú)法處理信號(hào)采集器收集到的電流、電壓信號(hào)，電能監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)處于癱瘓狀態(tài)，不利于準(zhǔn)確計(jì)量列車(chē)的電能使用情況，因此，本文提出一種在一路信號(hào)處理電路受損的情況下也能夠同樣計(jì)量列車(chē)行駛情況的車(chē)載電能監(jiān)控系統(tǒng)方案。本文闡述的列車(chē)電能監(jiān)控系統(tǒng)方案，基于RS485總線將處理器采集到的實(shí)時(shí)電氣參數(shù)并傳送到顯示單元。

二、方案

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)提出了一種具備多重冗余的列車(chē)車(chē)載電能監(jiān)控系統(tǒng)，包括信號(hào)采集處理單元和顯示單元，所述信號(hào)采集處理單元至少兩個(gè)，該信號(hào)采集處理單元與顯示單元采用通訊連接，所述信號(hào)采集處理單元包括信號(hào)采集器和信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器內(nèi)部至少設(shè)有兩條信號(hào)處理電路，所述新型號(hào)處理電路有信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、計(jì)量芯片和CPU依次連接構(gòu)成。

為了擴(kuò)大CPU的存儲(chǔ)量，所述信號(hào)處理電路包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片與CPU相連接，便于其存貯大量行駛數(shù)據(jù)。

所述顯示單元包括顯示器和存儲(chǔ)單元，顯示器與存儲(chǔ)單元相連接，存儲(chǔ)單元與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片相連接。

所述信號(hào)采集器包括電流傳感器和電壓傳感器，電流傳感器和電壓傳感器與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路連接。

提升改進(jìn)：本文提出的列車(chē)電能監(jiān)控系統(tǒng)具備多重冗余電路，于現(xiàn)有的列車(chē)電能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：本實(shí)用新型無(wú)需增加新的設(shè)備，只需在處理單元內(nèi)設(shè)置兩條完全獨(dú)立的冗余電路，可實(shí)現(xiàn)在一路電路受損的情況下另一路可繼續(xù)工作，保證列車(chē)供電電能計(jì)算的準(zhǔn)確性；

2.精確度高：本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)置兩個(gè)處理單元，可保證在一個(gè)處理單元完全損壞的情況下，另一個(gè)處理單元可繼續(xù)對(duì)行車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，保證列車(chē)行駛數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（一）系統(tǒng)組成

電能監(jiān)控系統(tǒng)主要由2個(gè)處理單元和1個(gè)顯示單元組成。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在每處受電弓車(chē)廂內(nèi)設(shè)置一組信號(hào)采集（電流互感器及電壓傳感器）及處理單元，然后在餐車(chē)處設(shè)置一個(gè)顯示單元，提供用戶界面及人機(jī)對(duì)話。各個(gè)處理單元與顯示單元之間通過(guò)485 進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，傳送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（二）各部件介紹

（1）采樣接口：

列車(chē)上電壓信號(hào)由25V的1：1隔離變壓器進(jìn)行隔離采樣。25V對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)壓為25KV。列車(chē)上電流信號(hào)由電流互感器5A：20mA進(jìn)行變換采樣。5A對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)電流為800A。

（2）處理單元：

處理單元可以實(shí)現(xiàn)采集并處理列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中受電弓與電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)的電氣參數(shù)，通過(guò)RS485 現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到顯示單元。處理單元采用了冗余設(shè)計(jì)，兩路同時(shí)計(jì)量，一路癱瘓一路仍可繼續(xù)工作。同時(shí)，如果顯示單元和處理單元之間通訊癱瘓，處理單元可繼續(xù)工作并保存電氣參數(shù)，待通訊恢復(fù)，顯示單元仍可接收到癱瘓那段時(shí)間的電氣參數(shù)。具備USB 數(shù)據(jù)下載功能。處理單元具體的外形與安裝尺寸如圖3所示，接線方法如圖4所示。

（3）顯示單元：

顯示單元通過(guò)RS485 現(xiàn)場(chǎng)總線與處理單元相連，接收處理單元送上來(lái)的數(shù)據(jù)，顯示列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)的電氣參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、貯存。用戶可以對(duì)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢，在線修改和設(shè)置控制參數(shù)，給處理單元下達(dá)指令。顯示單元具體的外形與安裝尺寸如圖5所示，接線方法如圖6所示。操作界面可直觀顯示整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)動(dòng)態(tài)，報(bào)警顯示，并可按要求儲(chǔ)存有關(guān)即時(shí)參數(shù)及歷史運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)（如圖7所示）。具備USB 數(shù)據(jù)下載功能。

（三）安全性

系統(tǒng)各個(gè)組成部件均有金屬外殼（電流互感器除外），外殼均有接地柱，可確保人身安全。系統(tǒng)各零部件均符合BST 對(duì)非金屬材料及限制采用材料的要求。符合在列車(chē)上使用的安全性要求。

本文闡述的列車(chē)電能監(jiān)控系統(tǒng)性能符合《EN 50463_2007 鐵路應(yīng)用-車(chē)載電能儀表》和《GB_25119-2010-T_軌道交通_機(jī)車(chē)車(chē)輛電子裝置》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)條款以及《EMU 250 Coach NG Technical Description-Electric Energy Monitoring System》的要求。

三、結(jié)論

近年各地軌道交通項(xiàng)目建設(shè)中，對(duì)于設(shè)備節(jié)能環(huán)保的要求逐漸提高。為了對(duì)軌道交通車(chē)輛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗統(tǒng)計(jì)分析、節(jié)能潛力挖掘、節(jié)能控制、節(jié)能效果提供技術(shù)支持，越來(lái)越多的項(xiàng)目引入了電能監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)有的電能監(jiān)控系統(tǒng)若處理單元受到損壞，則電能監(jiān)控系統(tǒng)則無(wú)法處理信號(hào)采集器收集到的電流、電壓信號(hào)，電能監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)處于癱瘓狀態(tài)，不利于準(zhǔn)確計(jì)量列車(chē)的電能使用情況，因此，研究出一種在一路信號(hào)處理電路受損的情況下也能夠同樣計(jì)量列車(chē)行駛情況的車(chē)載電能監(jiān)控系統(tǒng)是目前需要解決的問(wèn)題之一。本文中的電能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置兩個(gè)處理單元，可保證在一個(gè)處理單元完全損壞的情況下，領(lǐng)另一個(gè)處理單元可以繼續(xù)對(duì)行車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，保證列車(chē)行駛數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 顧岷.我國(guó)城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)鐵路，2011：53-56.

[2] 寧濱.高速列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng).北京，科學(xué)出版社，2012：251.

[3] 中車(chē)長(zhǎng)客股份有限公司 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)用戶文件[z].2012.endprint