CN103176078A - 铁路电力系统的电力质量监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁路电力系统的电力质量监测装置，其目的在于提供一种通过各种工业领域的交流及直流电源侧的电压和电流传感器，计算并记录能量的流动及电量，当交流电时，检测电压电流的相位，当直流电时，检测电流的方向而求出消费电力，并分析储存的数据的铁路电力系统的电力质量监测装置。本发明具有通过实时监测交流线及负载的列车侧的电压和电流，可将其变动推移、消费电量及电力流动以图表或文本形式输出，由此能够容易把握整个架线环境的优点。

Description

铁路电力系统的电力质量监测装置
技术领域
本发明涉及一种铁路电力系统的电力质量监测装置，具体涉及一种通过各种工业领域的交流及直流电源侧的电压和电流传感器，计算并记录能量的流动及电量，当交流电时，检测电压电流的相位，当直流电时，检测电流的方向而求消费电力，并分析储存的数据的铁路电力系统的电力质量监测装置。
背景技术
众所周知，由于在各种工业领域中使用的所谓惯性大的马达负载的特性，而与一般韩国电力公司的常用线有差异。
瞬间消耗大量的电力，相反的，在智能电网领域及铁路电力系统领域中也能供应韩国电力公司的电力，因此，韩国电力公司供应的电源环境产生很大的变动。如果在流动着可改变能源程度的很多量的电力的负载设置任何设备或系统时，需要提前进行确认其位置的电力环境或电力流动状态的工作。
铁路电力系统，从韩国电力公司向12相整流器供应的变电站的平常电压是1620V，其直流架线当电动车的电动机消耗电力启动时，其实际电压降到1580V以下，当电动机通过发电机而再生制动时，其电压上升到1800V。此时，流的电流达数百安培。
为了决定设置于所述环境的系统的容量，并分析电力质量，而需要收集、记录并分析预定期间的电力数据。这不仅在电源供应源的发电站，在负载的列车也相同。
发明内容
本发明是鉴于所述现有技术问题点而提出的，其目的在于，提供通过各种工业领域的AC及DC电源侧的电压和电流传感器计算并记录能量的流动及电量，当交流电时，检测电压电流的相位，当直流电时，检测电流的方向而求出消费电力，并分析储存的数据的铁路电力系统的电力质量监测装置。
为达成所述目的，本发明的提供铁路电力系统的电力质量监测装置，包括：电压检测部及电流检测部，分别设置于电力供应处及负载侧，用于检测电压及电流值；信号输入部，输入得到从所述电压检测部及电流检测部施加的信号；信号转换部，将从所述信号输入部施加的模拟信号转换为数字信号；存储部，由储存实时接收的数据的数据储存部和记录收集的数据的数据记录部构成；显示部，将监测到的数据输出到画面；控制部，实时接收分别从电力供应处及负载侧检测出的电流和电压值，监测其变动推移，储存电力的流动和供应电量，并通过通信模块向远程站点传送该信息。
本发明提供铁路电力系统的电力质量监测装置，所述控制部进一步包括由TMS320c32-60(DSP)构成的运算部。
本发明提供铁路电力系统的电力质量监测装置，进一步包括，命名为TLP620-4的光耦合器，用于进行输出入信号的隔离。
本发明提供铁路电力系统的电力质量监测装置，所述电压检测部为DCPT2516。
本发明提供铁路电力系统的电力质量监测装置，所述控制部包括对于TMS320C32的电路和电源监视电路（复位电路）。
本发明提供铁路电力系统的电力质量监测装置，所述电源监视电路由DS1232构成，当引脚3（TOL）连接于VCC，电源为4.5V以下时输出复位信号，当引脚3（TOL）连接于GND，电源降低到4.75V以下时输出复位信号。
本发明提供铁路电力系统的电力质量监测装置，向引脚7（ST）未输入脉冲时，所述控制部输出复位信号，从而能够实现检测CPU程序是否正常动作的监视器（Watch dog）的功能，当引脚2（TD）连接于VCC时1.2秒间、连接于GND时150毫秒、不连接时500毫秒间没有输入脉冲时，所述控制部输出复位信号。
本发明具有的优点在于：根据本发明的铁路电力系统的电力质量监测装置，通过实时监测AC线及负载的列车侧的电压和电流，从而可将其变动推移、消费电量及电力流动以图表或文本形式输出，由此能够容易把握整个架线环境。
附图说明
图1：本发明的一实施例的铁路电力系统的电力质量监测装置的结构的框构成图。
图2：本发明的一实施例的铁路电力系统的电力质量监测装置的照片。
图3：本发明的一实施例的信号转换部的电路图。
图4：本发明的一实施例的光耦合器的框图。
图5：本发明的一实施例的隔离放大器（Isolation AMP）的电路图。
图6：本发明的一实施例的监测器PCB的框图。
图7：本发明的一实施例的电源监视电路的电路图。
图8：本发明的一实施例的CPU的主要部分的电路图。
图9：本发明的一实施例的存储部的主要部分的电路图。
图10：本发明的一实施例的FPGA的主要部分的电路图。
图11：本发明的一实施例的串行通信控制部的电路图。
图12：本发明的一实施例的RS232驱动器的电路图。
图13：本发明的一实施例的FS485通信电路的电路图。
图14：本发明的一实施例的模拟隔离电路的电路图。
图15：本发明的一实施例的数字输入电路的电路图。
图16：本发明的一实施例的PCMCIA卡连接器电路的电路图。
图中：
6、12:电压检测部;        8、14:电流检测部;
16:信号输入部;           18:信号转换部；
20:控制部；              22:存储部；
32:显示部。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明。
图1是本发明的一实施例的铁路电力系统的电力质量监测装置的结构的框构成图，图2是本发明的一实施例的铁路电力系统的电力质量监测装置的照片。
如图1和图2所示，根据本发明的一实施例的铁路电力系统的电力质量监测装置2，用于实时收集数据的监测装置是在宇进产电（株）制作并通过自检而被验证。进行主运算的数字信号处理器是TSM320c32，通过5mS的取样收集数据值。经取样的数据记录在CF卡，并将记录的数据通过PC分析用程序进行分析并以图表示出。
根据本发明的一实施例的铁路电力系统的电力质量监测装置2的详细资料如表1所示。
表1：铁路电力系统的电力质量监测装置2的详细资料表
Figure BDA00002646546700041
Figure BDA00002646546700051
根据本发明的一实施例的铁路电力系统的电力质量监测装置2，包括：电压检测部6、12及电流检测部8、14，其分别设置于电力供应处4及负载10侧，用于检测电压及电流值；信号输入部16，输入得到从所述电压检测部6、12及电流检测部8、14施加的信号；信号转换部18，其将从所述信号输入部16施加的模拟信号转换为数字信号；存储部22，其由储存实时接收的数据的数据储存部26和记录收集的数据的数据记录部24构成；显示部32，将监测到的数据输出到画面；显示驱动部30，用于驱动显示部32；控制部20，实时接收分别从电力供应处及负载侧检测出的电流和电压值，监测其变动推移，储存电力的流动和供电量，并通过通信模块28向远程站点传送对应信息。
更详细而言，所述控制部20包括TMS 320c32-60(DSP)的运算部，可通过进行模拟信号的数字转换、卡记录、数据运算及处理的数字信号处理器进行32位浮点运算，适合于精密的数据的加工，其特征如表2所示。
表2.DSP的功能及特征
Figure BDA00002646546700061
所述显示部32和显示驱动部30以模块形态提供，被设计为图形液晶显示模块（Graphic LCD），一般，在LCD模块的内部由接口部、控制部、显示部、背光（backlight）部等构成。在日本首次开发出了不仅内装LCD模块，还内装有属于其核心元件的字符发生器（Character Generator）ROM,字符发生器（Character Generator）RAM,显示数据（Display Data）RAM等的LSI，因此，CG ROM具有显示日语的功能。
为了将LCD模块连接于CPU的信号或电源由引脚14的端子构成，在此，为了执行背光功能而增加了引脚15和引脚16。所述的LCD显示器功能部的各个引脚的功能如表3所示：
表3.LCD显示器功能部
Figure BDA00002646546700071
所述信号转换部18是采用AD7891AS-1(A/D转换器)，用于进行如电流及电压、可变负载等模拟信号的输入及转换为数据值而使用，如图3所示为其电路图，其具有如下结构和性能：
快速12-位ADC的转换时间1.6毫秒；
8个单端模拟输入通道；
每个通道的过电压保护；
输入范围选择:±5V,±10V for AD7891-1；
并行和串行接口；
片上采样/保持放大器；
片上参考；
单电源，低功耗工作(85mW max)。
在铁路电力系统的电力质量监测装置2中进一步包括TLP620-4(光耦合器)，TLP620-4（光耦合器）是为隔离输出入信号而使用，用于如P(11),B0(27),B1(28),B2(29),Door(145)信号的DC100V Leve l信号的输入，图4是其电路图。所述的TLP620-4（光耦合器）电子特性如表4所示
表4.光耦合器(Photo Coupler)电子特性
隔离特性(Ta＝25℃)
Figure BDA00002646546700091
开关特性(Ta＝25℃)
Figure BDA00002646546700092
在铁路电力系统的电力质量监测装置2中进一步包括AD202JY(隔离放大器：Isolation Amplifier)，可变负载及Notch输入信号是用于VVVF控制装置的控制的主要因素，在接口过程中为了减少来自监控装置的影响，而作为隔离输入和输出的用途进一步包括AD202JY(Isolation Amplifier)，图5是其电路图。AD202JY(Isolation Amplifier)的参数如下：
小尺寸:4通道/lnch；
高CMR:130dB(获得=100V/V)；
宽带：5kHz的全功率；
高CMV隔离度：±2000V pk连续pk；
隔离电源输出。
在铁路电力系统的电力质量监测装置2中进一步包括DS12c887(时基集成电路)，所述DS12c887(时基集成电路)是为了设定储存于记录装置(CF Card)的时间而使用，并且即便控制电源被关闭（Off），由于在内部安装有蓄电池，因此其时间能持续进行。
在断电的情况下，超过10年的运作完全非易失（Totally nonvolatilewith over 10 years of operation in the absence of power）；
自载系统包括锂，石英，和支持电路（Self-contained subsystem includeslithium,quartz,and support circuitry.）；
计数秒，分钟，小时，天，星期几，日期，月份，年份和闰年补偿，有效期至2100（Counts seconds,minutes,hours,days,day of the week,date,month,and year with leap year compensation valid up to 2100）；
二进制或BCD表示时间和日历（Binary or BCD representation of time andcalendar）；
15个字节的时钟和控制寄存器（15 bytes of clock and controlregisters）；
113个字节的通用RAM（113 bytes of general purpose RAM）。
铁路电力系统的电力质量监测装置2的结构中的所述电压检测部6、12使用电压传感器(DCPT 2516)。电压传感器(DCPT 2516)的参数如下：
传感器标度：3000V/10V；
额定电压：1800Vdc；
极性：单极性；
目的：滤波电容器的电压测量。
铁路电力系统的电力质量监测装置2的结构中的所述电流检测部8、14是电流传感器(KLL3.0K-10VD)，具体参数如下：
传感器标度：3000A/10V；
极性：双极性；
目的：SIV逆变器和电流测量。
更详细而言，在根据本发明的铁路电力系统的电力质量监测装置2中，在控制部20安装有德州仪器（Texas Instruments）公司的可实时进行浮点（Floating point）运算的TMS320c32-60DSP，由主控制部、供应控制电源的直流电源及用于模拟（Analog）输出入隔离的Ａ/D板构成。
图6是所述控制部20的控制板的框图，所述控制部进行状态数据监测、数据收集及记录、设定与PC的RS232C通信的时间等。
更详细而言，所述控制部20包括对TMS320C32的电路和电源监视电路（复位电路），图7中示出的电路图为电源监视电路。图7的电路是在CPU和其他电路输出复位信号的电路。
DS1232是将引脚3（TOL）连接于VCC，且电源为4.5V以下时输出复位信号，当连接于GND，且电源降到4.75V以下时输出复位信号（电源监视）。而且，所述控制部具有监视CPU程序是否正常动作的监视器（Watch dog）的功能，其具有向引脚7（ST）未输入脉冲时，输出复位信号的功能。当引脚2（TD）连接于VCC时1.2秒间、连接于GND时150毫秒、不连接时500毫秒间未输入脉冲时，输出复位信号。引引脚1（PBRST）可通过按钮手动进行复位。
图8为CPU部分的电路。更详细说明如上所述的DSP，如电路图8所示，TMS320C32基本上是一个总线具备24位地址（adress）和32位数据总线。而且，一个串行端口为了下载程序数据及监控程序而可通过连接器连接于PC，32位2信道定时器可周期性地处理数据。使用电源电压为DC5V、动作时钟为60MHz的晶体振荡器（crystal oscillator）。
所述存储部22基本上需要ROM和RAM。本发明使用了8位ROM和16位RAM。图9是示出存储部的电路图。ROM使用了基本上可反复记录的闪速存储部（flashROM），RAM使用了用于程序运算的SRAM和用于储存固定数据的非挥发性NVSRAM(Non-volatile SRAM)。
各存储部芯片具备地址总线输入部分和数据输入部分。而且，具备用于选择各芯片的芯片选择信号（CS或CE引脚）,并具有RD、WR等的输入引脚。芯片选择信号是选择各芯片的信号，通过地址译码形成在FPGA的逻辑电路。
图10示出所述FPGA部分，FPGA是可编程逻辑电路的芯片，在监测器PCB构成各芯片的地址译码、控制数字输入及输出的逻辑电路。
需要在FPGA进行地址译码，因此需要输入地址总线。而且，需要进行序列控制或故障处理，因此，数字输入和数字输出需与FPGA的引脚连接。而且，连接有各芯片的芯片选择信号，并连接有CPU的数据总线。
说明所述通信模块28，其主控制板的通信具备两种信道（channel）。一个是RS232通信，其是为了与PC接收或发送数据而设计的，并使用了所谓Z85C30的串行通信控制器。图11是示出Z85C30的电路，图12是示出RS232的驱动器电路。其他一个信道是RS485通信，其是为了连接增加的通信而设置的，此时的通信端口使用了Z85C30的第2个信道的通信端口，而图13示出了将此信号以RS485方式进行转换的电路。
所述信号输入部16是输入模拟信号和数字信号的输入部，主控制板通过模拟输入具备电流和电压。可变负载及notch值使用于控制信号，因此，需与主控制板电隔离才能保证安全性。因此，增加另外的模拟（Analog）隔离板。
说明图14所示的模拟隔离电路，此电路的输入电压被电阻分压后经过滤波器后连接于所谓隔离放大器的AD202的输入端。此时，分压电阻需具有非常高的精密度，是施加高压的部分，因此其容量必须要适当。从AD202的输出端经过滤波器和缓冲器输入到CPU。
进一步，通过图15说明数字信号的输入，主控制板将DC100V Level的信号通过光耦合器（Photo Coupler）输入得到的数字输入信号有12个信道。其中，现使用中的信道输入逆行信号（P）、制动信号(B0,B1,B2)和Notch输入、出入门信号。
在本发明的铁路电力系统的电力质量监测装置2中，主控制板具备可插接小型闪存卡（Compact Flash Card：CF卡)的PCMCIA连接器（connector）（参照图16所示），其值设计为可读取2Giga。
在各引脚连接有地址总线和数据总线，从而控制CF卡的控制引脚通过FPGA与DSP连接。CF卡的记录最小单位是Sector，一次可记录512Byte，从而将模拟值及数字输入值临时储存于存储部后，以最小单位的内存大小储存时，将其值记录于CF卡（card）。
记录在CF卡（card）的数据分为Header、Body及用测定的数据进行运算的电力计算部。将64X1,024 Byte记录为一个块时，最大块的大小由30，720个构成，因此整体容量成为2GB。记录一个块时，每一个块包括一个Header和1820个Body，表5和表6是对Head和Body的内存映射（memory map）的结构表。
表5.Header内存映射(memory map)
Figure BDA00002646546700131
表6.Body内存映射（memory map）
Figure BDA00002646546700141
Figure BDA00002646546700151
Figure BDA00002646546700161
Figure BDA00002646546700171
在此，n是块（block）数，表示0～30719。
记录一个存储部块所需的时间是将取样周期5mS记录1820次的时间，需要9.1秒。因此，需要记录2Giga Byte的存储部整体所需的时间可为30,720[Block]×9.1[sec]=279,552[sec]，需要77.65小时。经记录的数据若超过此时间范围，则重新记录初期状态的块来覆盖（overwrite）之前的数据。
根据本发明的铁路电力系统的电力质量监测装置并不局限于所述实施例，其可在不脱离本发明的技术思想的范围内进行多种变形。

Claims (7)

1.一种铁路电力系统的电力质量监测装置，其特征在于，包括：
电压检测部及电流检测部，分别设置于电力供应处及负载侧，用于检测电压及电流值；
信号输入部，输入得到从所述电压检测部及电流检测部施加的信号；
信号转换部，将从所述信号输入部施加的模拟信号转换为数字信号；
存储部，由储存实时接收的数据的数据储存部和记录所收集的数据的数据记录部构成；
显示部，将经监测的数据输出到画面；
控制部，实时接收分别从电力供应处及负载侧检测出的电流和电压值，监测其变动推移，储存电力的流动和供电量，并通过通信模块向远程站点传送该信息。
2.根据权利要求1所述的铁路电力系统的电力质量监测装置，其特征在于，所述控制部还包括由TMS320c32-60 DSP构成的运算部。
3.根据权利要求1所述的铁路电力系统的电力质量监测装置，其特征在于，还包括命名为TLP620-4的光耦合器，用于进行输出入信号的隔离。
4.根据权利要求1所述的铁路电力系统的电力质量监测装置，其特征在于，所述电压检测部为DCPT 2516。
5.根据权利要求1所述的铁路电力系统的电力质量监测装置，其特征在于，所述控制部包括对于TMS320C32的电路和电源监视电路。
6.根据权利要求5所述的铁路电力系统的电力质量监测装置，其特征在于，所述电源监视电路由DS1232构成，当引脚TOL连接于VCC，电源为4.5V以下时输出复位信号，当引脚TOL连接于GND，电源降低为4.75V以下时输出复位信号。
7.根据权利要求5所述的铁路电力系统的电力质量监测装置，其特征在于，所述控制部向引脚ST未输入脉冲时，输出复位信号，从而能够实现监视CPU系统是否正常动作的监视器功能，当引脚TD连接于VCC时1.2秒间、连接于GND时150毫秒、不连接时500毫秒间没有输入脉冲时，输出复位信号。
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