CN105004918A - 城轨列车运行能耗数据的采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种离线式城轨列车运行能耗数据非接触采集装置，该装置包括：主控制模块、电信号测量模块、存储模块、时钟模块、串口调试模块、无线数据传输模块、电源模块和辅助功能模块。主控制模块控制其他模块相关功能的执行；电信号测量模块完成数据的采集和计算功能；存储模块完成数据信息的存储；无线数据传输模块实现装置存储数据非接触式传输；应用本发明可以离线采集和存储城轨列车运行过程中的电能能耗数据信息，并以非接触方式获取装置存储的数据。改善了采用列车故障检测装置进行电量粗放式统计的弊端，提高了数据的精度，为城轨列车运行能耗评估提供一种数据采集工具，为城市轨道交通节能优化研究创造了便利条件。

Description

城轨列车运行能耗数据的采集装置

技术领域

本发明涉及列车能耗技术领域，尤其涉及一种城轨列车运行能耗数据的采集装置。

背景技术

随着城市轨道交通的快速发展，能源消耗总量也随之增长。城轨列车运行能耗占系统总能耗的50％左右，降低列车运行能耗成为降低运营成本的一个有效手段。降低城轨列车运行能耗的方法很多，但是每种节能方法的节能效果缺乏一个有效的测量手段。目前，我国城市轨道交通列车一般不安装专门的运行能耗数据采集工具，而是通过已有的故障检测装置进行电量的粗放式统计。

上述粗放式统计方式的数据不便用于节能效果的评估，而且通常统计的结果不能满足列车运行能耗计量的标准，因此，开发一种专门的城轨列车运行能耗数据的采集装置是十分必要的。

发明内容

本发明的实施例提供了一种城轨列车运行能耗数据的采集装置，以实现有效地采集城轨列车运行能耗数据。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种城轨列车运行能耗数据的采集装置，包括：主控制单元、电信号测量模块、存储器和无线数据传输模块；

所述的主控制单元，用于分别与所述电信号测量模块、存储器、时钟模块和无线数据传输模块电连接，控制所述电信号测量模块、存储器、时钟模块和无线数据传输模块的运行和停止；

所述的电信号测量模块，用于包括电能计量芯片，所述电能计量芯片与城轨列车的互感器的数据输出端连接，采集所述互感器的数据输出端输出的能耗数据，对所述能耗数据进行模数转换处理，将模数转换处理后的能耗数据传输给所述存储器；

所述的存储器，用于和所述的电信号测量模块电连接，存储所述电信号测量模块传输过来的能耗数据；

所述的无线数据传输模块，用于和所述存储器电连接，通过无线通信网络将所述存储器存储的能耗数据传输给外部设备。

优选地，所述的装置还包括：

时钟模块，用于完成装置与标准时间源之间的时间同步。

优选地，所述的装置还包括：

串口调试模块，用于提供测试和数据传输的备用接口。

优选地，所述的装置还包括：

所述电源模块，用于为装置提供所需的电能。

优选地，所述的装置还包括：

所述辅助功能模块，用于提供电池低电量指示和无线数据传输的开关按钮操作。

优选地，所述的电信号测量模块包括：

电流输入通道：用于接收电流互感器输出的电流信号，将所述电流信号传输给电流ADC；

电压输入通道：用于接收电阻分压后输出的电压信号，将所述电压信号传输给电压ADC；

电流ADC：用于对所述电流输入通道传输过来的电流信号进行A/D转换,得到瞬态电流采样值，将所述瞬态电流采样值传输给功率计算模块；

电压ADC：用于对所述电压输入通道传输过来的电压信号进行A/D转换,得到瞬态电压采样值，将所述瞬态电压采样值传输给功率计算模块；

功率计算模块，用于利用多个瞬态电压采样值、电流采样值分别计算出电压信号的有效值和电流信号的有效值，将所述电压信号的有效值与电流信号的有效值相乘得到瞬时功率，将多个瞬时功率进行平均得到功率有效值，将多个瞬时功率进行累加得到累计能耗值，将所述电压/电流信号的采样值、电压/电流信号的有效值、功率的有效值、累计能耗值作为能耗数据传输给寄存器；

寄存器，用于存储所述功率计算模块传输过来的能耗数据；

串行接口，用于使得MCU通过串行接口读取所述寄存器的数据并写入到所述存储器中。

优选地，所述的电信号测量模块还包括：

电能到频率转换器，用于输出电信号测量模块的采样频率。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，应用本发明可以离线采集和存储城轨列车运行过程中的电能能耗数据信息，并以非接触方式获取装置存储的数据。改善了采用列车故障检测装置进行电量粗放式统计的弊端，提高了数据的精度，为城轨列车运行能耗评估提供一种数据采集工具，为城市轨道交通节能优化研究创造了便利条件。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种城轨列车运行能耗数据的采集装置的结构示意图，图中，MCU(Main Controller Unit，主控制单元)(10)、电信号测量模块(20)、存储器(30)、时钟模块(40)、串口调试模块(50)、无线数据传输模块(60)、电源模块(70)和辅助功能模块(80)；

图2为本发明实施例提供的一种电信号测量模块的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

针对目前城轨列车粗放式电量统计的缺点，本发明实施例提供了一种城轨列车运行能耗数据的采集装置，可应用于城轨列车实际运行过程中能耗数据的采集、计算和存储，并在列车运行结束后以非接触方式读取装置存储的数据，为城轨列车运行能耗的评估提供数据支持。

本发明实施例的城轨列车运行能耗数据的采集装置的结构示意图如图1所示，包括：MCU(Main Controller Unit，主控制单元)(10)、电信号测量模块(20)、存储器(30)、时钟模块(40)、串口调试模块(50)、无线数据传输模块(60)、电源模块(70)和辅助功能模块(80)。

所述MCU用于分别与电信号测量模块、存储器、时钟模块和无线数据传输模块电连接，控制电信号测量模块、存储器、时钟模块和无线数据传输模块的运行和停止。可以协调装置中其他模块功能的执行，其中包括电信号的采集、数据的存储、时间设置与显示、串口数据调试和无线数据传输。MCU选用的是8位高性能单片机芯片STM8S207。

所述电信号测量模块主要由电能计量芯片构成，其中包括电压互感器、电流互感器。电能计量芯片与城轨列车的互感器的数据输出端连接，采集所述互感器的数据输出端输出的电流、电压数据，对电流、电压数据进行模数转换处理，根据模数转换处理后的数据计算出能耗数据，将能耗数据传输给存储器，该能耗数据包括时间、电压、电流、功率和累计能耗值。电压互感器、电流互感器的选型则根据被测对象的不同可做出相应的调整。装置工作时，电能计量芯片可以以200ms的频率读取互感器数据，进行相关计算后将结果存入存储器中。与装置数据采集相关的互感器选型包括但不限于霍尔可拆卸式互感器，可根据被测对象的不同做相应调整。

电信号测量模块选择电能计量芯片CS5463，本发明实施例提供的一种电信号测量模块的结构示意图如图2所示，包含两个模-数转换器(ADC)、功率计算模块、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片，上述两个ADC包括电流ADC和电压ADC。CS5463可以精确测量瞬时电压、电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率等数据。

如图2所示，所述的电信号测量模块包括：

电流输入通道：用于接收电流互感器输出的0-20mA电流信号，将所述电流信号传输给电流ADC；

电压输入通道：用于接收精密电阻分压后输出的电压信号，将所述电压信号传输给电压ADC；

电流ADC：用于对所述电流输入通道传输过来的电流信号进行A/D转换,得到瞬态电流采样值，将所述瞬态电流采样值传输给功率计算模块；

电压ADC：用于对所述电压输入通道传输过来的电压信号进行A/D转换,得到瞬态电压采样值，将所述瞬态电压采样值传输给功率计算模块；

功率计算模块，用于利用多个瞬态电压采样值、电流采样值分别计算出电压信号的有效值和电流信号的有效值，将所述电压信号的有效值与电流信号的有效值相乘得到瞬时功率，将多个瞬时功率进行平均得到功率有效值，将多个瞬时功率进行累加得到累计能耗值，将所述电压/电流信号的采样值、电压/电流信号的有效值、功率的有效值、累计能耗值作为能耗数据传输给寄存器；

寄存器，用于存储所述功率计算模块传输过来的能耗数据；

串行接口，用于使得MCU通过串行接口读取所述寄存器的数据并写入到所述存储器中。

电能到频率转换器，用于输出电信号测量模块的采样频率。

所述存储器，用于和所述的电信号测量模块、无线数据传输模块电连接，存储所述电信号测量模块传输过来的能耗数据。存储器采用大容量SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口的FLASH存储器W25Q128，可存储16M字节的数据量。存储器的存储时间间隔包括但不限于200ms，可以人为设定不低于200ms的数据采样和数据存储的时间间隔。

所述时钟模块，用于提供装置时间的显示(401)和时间的设置(402)，完成装置与标准时间源之间的时间同步。此装置为离线式数据采集，无法与列控系统实时信息交互，故装置在工作之前，需要人工完成装置与标准时间源之间的时间同步，达到装置间时间的一致性。装置的时间显示部分用于辅助装置的时间同步，为节省电池电量，时间同步结束后，时间显示功能关闭。时钟模块在与标准时间源设备进行时间同步时，记录标准时间源的设备号，并与上次时间同步的设备号进行对比，对比一致时，自动完成装置的时间同步；不一致时给出警报信息，并人工确定是否继续进行时间同步。装置的时间同步包括但不限于人工方式，当存在与列控系统的交互接口时可采取自动方式对时。

所述的无线数据传输模块，用于和存储器电连接，通过无线通信网络将存储器存储的能耗数据传输给外部设备。无线传输模块采用WiFi技术，实现装置与外部设备之间无线传输数据，实现手持设备与装置间非接触数据的传输。需要读取装置存储的数据时，首先打开装置的数据传输开关，当外部设备进入到装置一定范围内，自动与装置进行连接，并完成数据的无线传输。

所述串口调试模块，用于装置的测试和数据传输的备用接口。装置在投入工作之前，需要对装置进行相关功能的测试，串口调试模块提供标准的RS232接口与调试计算机数据通信，完成装置的时间同步、数据的读取和准确度的检定。

所述电源模块，用于为装置提供所需的电能，由于装置安装环境暂时无法提供外接电源接口，装置采用锂电池供电。装置的电源包括但不限于电池供电，当条件允许时可采取其他形式的供电。

所述辅助功能模块，用于主要是装置电池低电量指示和无线数据传输的开关按钮操作。当电池电量低于规定值时，装置电源电量低报警指示灯闪烁；当需要读取装置存储的数据时，打开无线数据传输开关。电源电量低警报提示包括但不限于灯光形式，还可以选择声音形式和其他形式；

本发明城轨列车运行能耗数据的采集装置安装在城轨列车主供电开关箱内。此装置具有与标准时间源对时、运行能耗数据采集存储和数据无线传输功能。其基本原理为，装置在投入工作前人工完成与标准时间源的精确对时，保持装置间时间同步；列车运行过程中，装置通过电压、电流互感器采集牵引电压、电流数据，经电测量模块转换、计算后存入存储器中；列车运行结束后，打开装置数据传输开关，当外部设备进入装置一定范围内自动完成设备间数据连接，实现装置存储数据的无线传输。

装置与标准时间源的对时主要是人工完成的，此工作在装置投入运行之前进行，装置与标准时间源的对时保证不同装置存储数据的信息融合。其主要过程如下所述：

(1)开启装置时间显示和设置功能；

(2)通过串口调试口连接装置与标准时间源，进行校准源验证、时间对比、校正，完成装置的精确对时；

(3)对时结束后，关闭装置时间显示和设置功能。

运行能耗数据采集存储：

在装置完成与标准时间源对时之后，即可进入工作状态。MCU以设定的采样时间间隔对列车牵引电压、电流数据连续检测，当检测到的数据满足存储条件时，将数据写入存储器。其主要过程如下所述：

(1)装置对时结束后，即进入城轨列车运行能耗数据的连续采集；

(2)装置的MCU以200ms的时间间隔读取互感器数据，经条件判定之后进行相关参数计算；

(3)MCU将符合条件的按照一定的格式存储在装置的存储器中；

(4)列车运行结束后，可关闭装置数据存储功能。

数据无线传输：

列车运行结束后，即可将存储的能耗数据通过WiFi技术传输，外部设备与装置建立连接，完成数据的接收。其主要传输流程如下所述：

(1)开启装置数据无线传输开关；

(2)外部设备进入到装置无线范围内，建立无线数据连接；

(3)装置与外部设备建立正确的连接后，将存储数据无线发送至外部设备；

(4)数据传输完毕，关闭装置数据无线传输开关。

电池低电量警报：

装置的MCU对电源模块电量进行周期性检测，当电量低于规定值时，电池低电量指示灯闪烁，发出警报提醒信息。

综上所述，本发明实施例的城轨列车运行能耗数据的采集装置具有如下优点：

1：装置可以长时间连续采集列车运行过程中的能耗数据并正确的存储，数据的采集、转换及计算满足一定的准确度要求，统计的结果满足列车运行能耗计量的标准，可以方便用于节能效果的评估；

应用本发明可以离线采集和存储城轨列车运行过程中的电能能耗数据信息，并以非接触方式获取装置存储的数据。改善了采用列车故障检测装置进行电量粗放式统计的弊端，提高了数据的精度，为城轨列车运行能耗评估提供一种数据采集工具，为城市轨道交通节能优化研究创造了便利条件。

2：装置可以与标准时间源对时，保证不同装置的时间一致性，较为方便的完成数据的融合，使得装置的离线数据能与列车运行工况时间匹配，较为直观的呈现运行过程中不同工况下电能消耗情况；

3：装置可以自动识别外部设备并进行连接，自动完成存储数据的无线传输。

4：外部设备接收到的数据为Excel工作表，方便其他系统的使用。

5：本装置体积小、抗震性强、电磁兼容性好、安装简单，对原有车载设备无影响。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种城轨列车运行能耗数据的采集装置，其特征在于，包括：主控制单元、电信号测量模块、存储器和无线数据传输模块；

所述的主控制单元，用于分别与所述电信号测量模块、存储器、时钟模块和无线数据传输模块电连接，控制所述电信号测量模块、存储器、时钟模块和无线数据传输模块的运行和停止；

所述的电信号测量模块，用于包括电能计量芯片，所述电能计量芯片与城轨列车的互感器的数据输出端连接，采集所述互感器的数据输出端输出的能耗数据，对所述能耗数据进行模数转换处理，将模数转换处理后的能耗数据传输给所述存储器；

所述的存储器，用于和所述的电信号测量模块电连接，存储所述电信号测量模块传输过来的能耗数据；

所述的无线数据传输模块，用于和所述存储器电连接，通过无线通信网络将所述存储器存储的能耗数据传输给外部设备。

2.根据权利要求1所述的城轨列车运行能耗数据的采集装置，其特征在于，所述的装置还包括：

时钟模块，用于完成装置与标准时间源之间的时间同步。

3.根据权利要求1所述的城轨列车运行能耗数据的采集装置，其特征在于，所述的装置还包括：

串口调试模块，用于提供测试和数据传输的备用接口。

4.根据权利要求1所述的城轨列车运行能耗数据的采集装置，其特征在于，所述的装置还包括：

所述电源模块，用于为装置提供所需的电能。

5.根据权利要求1所述的城轨列车运行能耗数据的采集装置，其特征在于，所述的装置还包括：

所述辅助功能模块，用于提供电池低电量指示和无线数据传输的开关按钮操作。

6.根据权利要求1至5任一项所述的城轨列车运行能耗数据的采集装置，其特征在于，所述的电信号测量模块包括：

电流输入通道：用于接收电流互感器输出的电流信号，将所述电流信号传输给电流ADC；

电压输入通道：用于接收电阻分压后输出的电压信号，将所述电压信号传输给电压ADC；

电流ADC：用于对所述电流输入通道传输过来的电流信号进行A/D转换,得到瞬态电流采样值，将所述瞬态电流采样值传输给功率计算模块；

电压ADC：用于对所述电压输入通道传输过来的电压信号进行A/D转换,得到瞬态电压采样值，将所述瞬态电压采样值传输给功率计算模块；

功率计算模块，用于利用多个瞬态电压采样值、电流采样值分别计算出电压信号的有效值和电流信号的有效值，将所述电压信号的有效值与电流信号的有效值相乘得到瞬时功率，将多个瞬时功率进行平均得到功率有效值，将多个瞬时功率进行累加得到累计能耗值，将所述电压/电流信号的采样值、电压/电流信号的有效值、功率的有效值、累计能耗值作为能耗数据传输给寄存器；

寄存器，用于存储所述功率计算模块传输过来的能耗数据；

串行接口，用于使得MCU通过串行接口读取所述寄存器的数据并写入到所述存储器中。

7.根据权利要求6所述的城轨列车运行能耗数据的采集装置，其特征在于，所述的电信号测量模块还包括：

电能到频率转换器，用于输出电信号测量模块的采样频率。