CN107677886A - 地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置及方法，该装置包括：牵引供电回路电流采样模块：牵引供电回路电流走向由电网到二极管到电流采样传感器到牵引系统，该回路的能耗测量是通过对回路电流的积分运算得到；牵引回馈回路电流采样模块：牵引回馈回路电流走向，牵引系统到电流采样传感器到二极管到电网，该回路的能耗测量同样是通过对回路电流的积分运算得到。本发明能够增加量程自动判断功能，优化电流积分的运算，提高实时能耗计算的准确度，更直接计算出牵引系统实际的能耗量，本发明具备与多功能列车总线通信的功能，可将实时能耗数据传输到列车总线上，供列车控制系统查看和使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置及方法，特别是涉及一种地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置及方法。
背景技术
目前，针对地铁车辆牵引系统运行能耗的测量主要依靠以下方法：牵引能耗数学模型估算、牵引供电仿真模拟软件计算、经验公式和直流电能表，前三种理论方法属于线下估算，不具有实时性，准确度不高，直流电能表是在一定电流量程下的积分测量，然而地铁车辆牵引系统的电流范围比较宽，使得直流电能表测量的结果有误差，另外，直流电能表不能够测量牵引系统制动时回馈电网的能量，因而其测量的结果并不能真正代表牵引系统实际的能耗量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置及方法，其能够增加量程自动判断功能，优化电流积分的运算，提高实时能耗计算的准确度，更直接计算出牵引系统实际的能耗量，本装置具备与多功能列车总线通信的功能，可将实时能耗数据传输到列车总线上，供列车控制系统查看和使用。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置包括：
牵引供电回路电流采样模块：牵引供电回路电流走向由电网到二极管到电流采样传感器到牵引系统，该回路的能耗测量是通过对回路电流的积分运算得到；
牵引回馈回路电流采样模块：牵引回馈回路电流走向，牵引系统到电流采样传感器到二极管到电网，该回路的能耗测量同样是通过对回路电流的积分运算得到；
信号处理模块：通过采样传感器将牵引供电回路电流采样模块和牵引回馈回路电流采样模块的直流电流信号转换成差分电压信号，之后通过电压隔离变换器，使所述地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置与被检测牵引高压回路相隔离，并对该电压信号进行信号处理；
量程选通模块：每路量程选通线路由两个比较器和一个与非门电路组成，两个比较器分别设置量程的上限和下限，当采样信号高于下限并且低于上限时，使得两路与非门输入信号均为高电平，进而使得与非门输出信号为低电平，代表量程选通信号有效，进而使相应量程的能耗计算有效；
回路能耗计算模块：对对应回路电流采样，得到电压信号，并进行低通滤波、信号整形、比例运算处理后，进入一个模数转换器；模数转换器将模拟量信号转换成数字量信号，存储到内部随机存储器中，供数字信号处理器积分运算使用；数字信号处理器对数字信号进行信号处理后，进行积分运算得到能耗数据，并实时更新存储能耗数据；
处理器：处理器选用ARM7内核的高速处理器，处理器对回路能耗数据的读取控制是通过逻辑处理模块完成的；
逻辑处理模块：根据处理器的指令要求，对回路能耗计算模块内，各信号处理模块的地址译码、选通和控制；
多功能列车总线通信模块：多功能列车总线通信采用西门子公司生产的多功能列车总线PC104通信控制板，与列车总线上其它控制设备建立数据交互，将实时能耗数据、装置状态信息在列车总线上发布；
手动数据清零模块：能耗数据清零通过硬件按键设置或通过多功能列车总线通信发控制指令设置。
优选地，所述地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置还包括：
装置状态监测模块：对装置电源电路、传感器工作状态、量程选通线路、模数转换器、数字信号处理器的工作状态实时监测，并把非正常状态实时发送给处理器；
发光二极管指示模块：主要对装置的正常运行和故障两个状态，通过发光二级管指示；
液晶显示模块：显示实时能耗数据、系统时间、故障信息；
系统电源：提供装置内所需的各种电源，传感器的隔离电源、处理器所需的数字电源、模数转换所需的参考模拟电源、保存数据所需的不间断电源；同时，系统电源还提供对各种电源状态的实时监测功能以及电源保护功能；系统电源模块的输入，由牵引系统内的110伏直流电源提供。
优选地，所述多功能列车总线通信模块实现能耗数据读取、能耗数据设置、装置状态读取的功能。
优选地，所述模数转换器的测量范围是一定的，为了满足对牵引系统中宽电流范围的采样精度，硬件中设置了不同的采样量程，不同量程对应不同的模数转换器采样通道。
优选地，所述电流采样传感器采用霍尔电流传感器，将电流信号转换成差分电压信号，传感器的供电电源由装置电源提供，并将该电源进行隔离处理。
优选地，所述回路能耗计算模块由下面三部分组成，分别为电压信号硬件处理模块、模数转换器、数字信号处理器；
其中，上述电压信号硬件处理模块对电流采样得到的电压信号进行低通滤波、信号整形、比例运算处理后，进入模数转换器；
其中，上述模数转换器采用十二位高速转换芯片，模数转换器将模拟量信号转换成数字量信号，并存储到内部随机存储器中，供数字信号处理器积分运算使用；
其中，上述数字信号处理器采用带浮点运算功能的处理器芯片，模数转换器通过数据总线与数字信号处理器数据交互，数字信号处理器控制着模数转换器的启动和停止，启动后，模数转换器按照设定的采样频率，对电压信号采样，并将实时采样数据存储到随机存储器中；数字信号处理器读取模数转换器的数据，进行积分运算，得到回路能耗数据，并实时更新存储能耗数据；当采样的电压信号不在量程范围内时，量程选通信号使得模数转换器采样的信号量为零，能耗数据也为零，进而起到了量程选通的作用。
优选地，所述处理器模块包括：
所述处理器电源模块，提供处理器所需的数字隔离电源，该电源由装置电源提供，同时处理器电源模块提供处理器所需电源的监测功能，当系统电源低于或高于处理器所需电平时，电源模块提供保护和报警的功能；
所述处理器总线驱动模块，处理处理器与外部模块数据交互的工作，总线驱动模块起到了匹配、驱动外面模块总线的功能；
上述处理器复位模块，设置了按键，人为对处理器复位设置；
上述外设地址译码模块，根据处理器指令要求，对外设模块选通控制。
本发明还提供一种地铁车辆牵引系统运行能耗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，系统开机运行后，处理器读取状态监测模块数据，进而判断装置是否正常，并进行状态指示；
步骤二，系统数据清零及相关设置，启动供电回路能耗计算进程和回馈回路能耗计算进程；
步骤三，两个进程分别启动相应回路的模数转换器；
步骤四，处理器读取回路中各量程的能耗数据；
步骤五，处理器计算两个回路的能耗数据；
其中，根据各量程的比例系数和信号处理器积分运算得到的能耗数据，处理器运算得到回路总的能耗数据；
步骤六，根据两个回路计算得到的能耗数据，计算牵引系统实际运行能耗；
步骤七，处理实际运行能耗数据。
本发明的积极进步效果在于：本发明增加了量程自动判断功能，优化了电流积分的运算，提高了实时能耗计算的准确度，同时，本发明考虑了牵引回馈电网电能的因素，进而更直接计算出牵引系统实际的能耗量，另外，装置具备与多功能列车总线通信的功能，可将实时能耗数据传输到列车总线上，供列车控制系统查看和使用。
附图说明
图1为本发明地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置的结构示意图。
图2为本发明地铁车辆牵引系统运行能耗测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明铁车辆牵引系统运行能耗测量装置包括：
牵引供电回路电流采样模块：牵引供电回路电流走向由电网到二极管到电流采样传感器到牵引系统，该回路的能耗测量是通过对回路电流的积分运算得到；
牵引回馈回路电流采样模块：牵引回馈回路电流走向，牵引系统到电流采样传感器到二极管到电网，该回路的能耗测量同样是通过对回路电流的积分运算得到；
信号处理模块：通过采样传感器将牵引供电回路电流采样模块和牵引回馈回路电流采样模块的直流电流信号转换成差分电压信号，之后通过电压隔离变换器，使所述地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置与被检测牵引高压回路相隔离，并对该电压信号进行信号处理；
量程选通模块：每路量程选通线路由两个比较器和一个与非门电路组成，两个比较器分别设置量程的上限和下限，当采样信号高于下限并且低于上限时，使得两路与非门输入信号均为高电平，进而使得与非门输出信号为低电平，代表量程选通信号有效，进而使相应量程的能耗计算有效；
回路能耗计算模块：对对应回路电流采样，得到电压信号，并进行低通滤波、信号整形、比例运算处理后，进入一个模数转换器；模数转换器将模拟量信号转换成数字量信号，存储到内部随机存储器中，供数字信号处理器积分运算使用；数字信号处理器对数字信号进行信号处理后，进行积分运算得到能耗数据，并实时更新存储能耗数据；
处理器：处理器选用ARM7内核的高速处理器，处理器对回路能耗数据的读取控制是通过逻辑处理模块完成的；
逻辑处理模块：根据处理器的指令要求，对回路能耗计算模块内，各信号处理模块的地址译码、选通和控制；
多功能列车总线通信模块：多功能列车总线通信采用西门子公司生产的多功能列车总线PC104通信控制板，与列车总线上其它控制设备建立数据交互，将实时能耗数据、装置状态信息在列车总线上发布；
手动数据清零模块：能耗数据清零通过硬件按键设置或通过多功能列车总线通信发控制指令设置。
所述多功能列车总线通信模块实现能耗数据读取、能耗数据设置、装置状态读取的功能。
所述模数转换器的测量范围是一定的，为了满足对牵引系统中宽电流范围的采样精度，硬件中设置了不同的采样量程，不同量程对应不同的模数转换器采样通道。
所述电流采样传感器采用霍尔电流传感器，将电流信号转换成差分电压信号，传感器的供电电源由装置电源提供，并将该电源进行隔离处理。
所述回路能耗计算模块由下面三部分组成，分别为电压信号硬件处理模块、模数转换器、数字信号处理器；
其中，上述电压信号硬件处理模块对电流采样得到的电压信号进行低通滤波、信号整形、比例运算处理后，进入模数转换器；
其中，上述模数转换器采用十二位高速转换芯片，模数转换器将模拟量信号转换成数字量信号，并存储到内部随机存储器中，供数字信号处理器积分运算使用；
其中，上述数字信号处理器采用带浮点运算功能的处理器芯片，模数转换器通过数据总线与数字信号处理器数据交互，数字信号处理器控制着模数转换器的启动和停止，启动后，模数转换器按照设定的采样频率，对电压信号采样，并将实时采样数据存储到随机存储器中；数字信号处理器读取模数转换器的数据，进行积分运算，得到回路能耗数据，并实时更新存储能耗数据；当采样的电压信号不在量程范围内时，量程选通信号使得模数转换器采样的信号量为零，能耗数据也为零，进而起到了量程选通的作用。
所述处理器模块包括：
所述处理器电源模块，提供处理器所需的数字隔离电源，该电源由装置电源提供，同时处理器电源模块提供处理器所需电源的监测功能，当系统电源低于或高于处理器所需电平时，电源模块提供保护和报警的功能；
所述处理器总线驱动模块，处理处理器与外部模块数据交互的工作，总线驱动模块起到了匹配、驱动外面模块总线的功能；
上述处理器复位模块，设置了按键，人为对处理器复位设置；
上述外设地址译码模块，根据处理器指令要求，对外设模块选通控制。
如图2所示，本发明铁车辆牵引系统运行能耗测量方法包括以下步骤：
步骤一，系统开机运行后，处理器读取状态监测模块数据，进而判断装置是否正常，并进行状态指示；
其中，上述所读取的状态监测模块数据，只有在装置状态数据完全正常的情况下，才可以进行能耗测量。
步骤二，系统数据清零及相关设置，启动供电回路能耗计算进程和回馈回路能耗计算进程；
其中，处理器要对回路能耗计算模块中，各量程数字信号处理器的访问周期进行设置，同时，还要设置模数转换器的采样频率。处理器对数字信号处理器的访问周期，决定着积分运算的时常、模数转换器的采样频率和数据存储量；
其中，能耗计算进程，是在各回路数字信号处理器内运行。
步骤三，两个进程分别启动相应回路的模数转换器；
其中，两个回路启动后，同时运行，并由各自的信号处理器程序控制；
其中，各量程模数转换器的采样频率是一致的，采样的信号不在量程范围内时，量程选通信号可使得模数转换器采样的数据为零，数字信号处理进行积分运算等到的能耗数据也为零。
步骤四，处理器读取回路中各量程的能耗数据；
其中，各量程的能耗数据，由各自信号处理器积分运算得到。
步骤五，处理器计算两个回路的能耗数据；
其中，根据各量程的比例系数和信号处理器积分运算得到的能耗数据，处理器运算得到回路总的能耗数据。
步骤六，根据两个回路计算得到的能耗数据，计算牵引系统实际运行能耗；
步骤七，处理实际运行能耗数据；
其中，可根据清零设置模块对能耗数据清零；
其中，可根据列车总线通信的要求，对数据清零或者总线发布等操作；
其中，可液晶实时显示能耗数据。
地铁车辆牵引系统是由直流电网提供能量，其运行能耗测量的基本原理是：对所消耗的直流电，做积分运算。牵引系统在实际运行过程中，工作电流的范围比较大，而模数转换器的数字位数最多是十二位，单一量程的运算精度只能做到2.4％，本发明采用了四个独立量程，运算精度提高到0.09％。每个量程的数字信号处理器，负责各量程内能耗的计算。当运行电流不在量程范围内时，量程选通线路会使此时能耗计算为零，处理器对各量程的内耗数据做累加计算，得到回路总的能耗数据。地铁车辆牵引系统，在运行的过程中，通过牵引供电回路消耗电网电能。在车辆制动过程中，通过牵引回馈回路，将制动产生的电能回馈到电网中。本发明通过回馈回路，计算出牵引系统回馈电网的能量；通过供电回路，计算出牵引系统运行能耗；将运行能耗，减去回馈电网能量，得到牵引系统实际消耗的电网能量。多功能列车总线是地铁列车通用的标准通信总线，本发明添加了多功能列车总线接口，方便列车控制设备对牵引能耗数据的使用。
综上所述，本发明能够增加量程自动判断功能，优化电流积分的运算，提高实时能耗计算的准确度，更直接计算出牵引系统实际的能耗量，本装置具备与多功能列车总线通信的功能，可将实时能耗数据传输到列车总线上，供列车控制系统查看和使用。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置包括：
牵引供电回路电流采样模块：牵引供电回路电流走向由电网到二极管到电流采样传感器到牵引系统，该回路的能耗测量是通过对回路电流的积分运算得到；
牵引回馈回路电流采样模块：牵引回馈回路电流走向，牵引系统到电流采样传感器到二极管到电网，该回路的能耗测量同样是通过对回路电流的积分运算得到；
信号处理模块：通过采样传感器将牵引供电回路电流采样模块和牵引回馈回路电流采样模块的直流电流信号转换成差分电压信号，之后通过电压隔离变换器，使所述地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置与被检测牵引高压回路相隔离，并对该电压信号进行信号处理。
2.如权利要求1所述的地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，还包括：
量程选通模块：每路量程选通线路由两个比较器和一个与非门电路组成，两个比较器分别设置量程的上限和下限，当采样信号高于下限并且低于上限时，使得两路与非门输入信号均为高电平，进而使得与非门输出信号为低电平，代表量程选通信号有效，进而使相应量程的能耗计算有效；
回路能耗计算模块：对对应回路电流采样，得到电压信号，并进行低通滤波、信号整形、比例运算处理后，进入一个模数转换器；模数转换器将模拟量信号转换成数字量信号，存储到内部随机存储器中，供数字信号处理器积分运算使用；数字信号处理器对数字信号进行信号处理后，进行积分运算得到能耗数据，并实时更新存储能耗数据；
处理器：处理器选用ARM7内核的高速处理器，处理器对回路能耗数据的读取控制是通过逻辑处理模块完成的；
逻辑处理模块：根据处理器的指令要求，对回路能耗计算模块内，各信号处理模块的地址译码、选通和控制；
多功能列车总线通信模块：多功能列车总线通信采用西门子公司生产的多功能列车总线PC104通信控制板，与列车总线上其它控制设备建立数据交互，将实时能耗数据、装置状态信息在列车总线上发布；
手动数据清零模块：能耗数据清零通过硬件按键设置或通过多功能列车总线通信发控制指令设置。
3.如权利要求1所述的地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置还包括：
装置状态监测模块：对装置电源电路、传感器工作状态、量程选通线路、模数转换器、数字信号处理器的工作状态实时监测，并把非正常状态实时发送给处理器；
发光二极管指示模块：主要对装置的正常运行和故障两个状态，通过发光二级管指示；
液晶显示模块：显示实时能耗数据、系统时间、故障信息；
系统电源：提供装置内所需的各种电源，传感器的隔离电源、处理器所需的数字电源、模数转换所需的参考模拟电源、保存数据所需的不间断电源；同时，系统电源还提供对各种电源状态的实时监测功能以及电源保护功能；系统电源模块的输入，由牵引系统内的110伏直流电源提供。
4.如权利要求1所述的地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述多功能列车总线通信模块实现能耗数据读取、能耗数据设置、装置状态读取的功能。
5.如权利要求1所述的地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述模数转换器的测量范围是一定的，为了满足对牵引系统中宽电流范围的采样精度，硬件中设置了不同的采样量程，不同量程对应不同的模数转换器采样通道。
6.如权利要求1所述的地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述电流采样传感器采用霍尔电流传感器，将电流信号转换成差分电压信号，传感器的供电电源由装置电源提供，并将该电源进行隔离处理。
7.如权利要求1所述的地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述回路能耗计算模块主要由下面三部分组成，分别为电压信号硬件处理模块、模数转换器、数字信号处理器；
其中，上述电压信号硬件处理模块对电流采样得到的电压信号进行低通滤波、信号整形、比例运算处理后，进入模数转换器；
其中，上述模数转换器采用十二位高速转换芯片，模数转换器将模拟量信号转换成数字量信号，并存储到内部随机存储器中，供数字信号处理器积分运算使用；
其中，上述数字信号处理器采用带浮点运算功能的处理器芯片，模数转换器通过数据总线与数字信号处理器数据交互，数字信号处理器控制着模数转换器的启动和停止，启动后，模数转换器按照设定的采样频率，对电压信号采样，并将实时采样数据存储到随机存储器中；数字信号处理器读取模数转换器的数据，进行积分运算，得到回路能耗数据，并实时更新存储能耗数据；当采样的电压信号不在量程范围内时，量程选通信号使得模数转换器采样的信号量为零，能耗数据也为零，进而起到了量程选通的作用。
8.如权利要求1所述的地铁车辆牵引系统运行能耗测量装置，其特征在于，所述处理器模块包括：
所述处理器电源模块，提供处理器所需的数字隔离电源，该电源由装置电源提供，同时处理器电源模块提供处理器所需电源的监测功能，当系统电源低于或高于处理器所需电平时，电源模块提供保护和报警的功能；
所述处理器总线驱动模块，处理处理器与外部模块数据交互的工作，总线驱动模块起到了匹配、驱动外面模块总线的功能；
上述处理器复位模块，设置了按键，人为对处理器复位设置；
上述外设地址译码模块，根据处理器指令要求，对外设模块选通控制。
9.一种地铁车辆牵引系统运行能耗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，系统开机运行后，处理器读取状态监测模块数据，进而判断装置是否正常，并进行状态指示；
步骤二，系统数据清零及相关设置，启动供电回路能耗计算进程和回馈回路能耗计算进程；
步骤三，两个进程分别启动相应回路的模数转换器；
步骤四，处理器读取回路中各量程的能耗数据；
步骤五，处理器计算两个回路的能耗数据；
其中，根据各量程的比例系数和信号处理器积分运算得到的能耗数据，处理器运算得到回路总的能耗数据；
步骤六，根据两个回路计算得到的能耗数据，计算牵引系统实际运行能耗；
步骤七，处理实际运行能耗数据。
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