CN110031674A - 动车组列车能耗计量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了动车组列车能耗计量系统，涉及能耗计量技术领域，用以解决目前无法满足多点采集的动车组列车各类能耗的计量以及谐波分析，各类能耗包括牵引输入的有功能耗和无功能耗、辅助供电系统的有功能耗等。本系统包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；电压互感器和电流互感器，用于测量牵引变压器从供电网获取交流电的第一电压值和第一电流值，电流传感器和电压传感器用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统直流电的第二电压值和第二电流值；能量计量模块，用于结合预设频谱分析算法，获取牵引输入的预设能耗。本系统可获取列车在运行过程中的各类能耗及谐波成分，为动车组列车用电和节能管理提供了基础数据。

Description

动车组列车能耗计量系统及方法

技术领域

本发明涉及能耗计量技术领域，尤其涉及动车组列车能耗计量系统及方法。

背景技术

随着动车组列车的快速发展，能源消耗总量随之增长。但是，目前动车组列车实际能耗却没有精确的测量方法，虽然有针对城市轨道的能耗计量算法，但却是针对城市轨道交通的直流供电系统的有功能耗进行的计量，无法针对动车组列车交流供电系统的无功能耗和视在能耗以及牵引供电的电能质量进行计量，并且也无法满足动车组列车多路输入的需求。

并且动车组列车电网中谐波污染日益严重。谐波问题不仅恶化点呢个质量，对动车组列车的安全稳定和经济运行也将会造成巨大影响，因此对动车组列车的谐波含量以及谐波能耗的计量对无功能耗的计量影响比较大的。

综上所述，需要设计一种能够计量交流电系统中各个牵引系统的视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统的有功能耗、谐波无功能耗以及谐波有功能耗的动车组列车能耗计量系统及方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了可以通过动车组列车各个牵引变压器输入主回路的电压、电流以及辅助供电系统输入主回路的电压、电流进行检测，统计分析列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统有功能耗以及谐波无功能耗、谐波有功能耗的动车组列车能耗计量系统及方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

动车组列车能耗计量系统，包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；

所述电压互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；

所述电流互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；

所述电流传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的连线上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；

所述电压传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的回路上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；

所述能量计量模块，用于将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。

进一步地，能量计量模块包括一个能量计量装置主机和多个能量计量装置从机，所述能量计量装置主机和多个能量计量装置从机均和动车组列车网络连接。

进一步地，能量计量装置包括采样电路、放大电路、ADC转换电路、CPU、通信单元、实时时钟单元以及数据存储单元；

所述采样电路接收电流互感器、电压互感器、电压传感器以及电流传感器的第一电流值、第一电压值、第二电压值以及第二电流值，并将接收的电压值和电流值发送至放大电路；

所述放大电路，用于将放大后的电压值和电流值传输至ADC转换电路，所述ADC转换电路，用于将放大后的电压值和电流值转换为对应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至CPU；

所述CPU，用于对电压值和电流值进行数据校准、频谱分析以及能耗计算，获取初始能耗数据；

所述实时时钟单元，用于结合初始能耗数据，获取当前动车组列车最终能耗数据；

所述数据储存单元，用于储存最终能耗数据；

所述通信单元，用于将最终能耗数据传输给动车组列车网络。

进一步地，CPU包括频谱分析单元和能耗计量单元；

所述频谱分析单元，用于通过FFT运算和频谱分析获取基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位；

所述能耗计量单元，用于根据频谱分析单元获取的基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位、电压互感器的原边电压、电流互感器的原边电压、电压传感器的原边电压以及电流传感器的原边电压获取牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。

所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的频率修正公式为：

fh＝khΔf＝(α+kh1+0.5)Δf

其中，α的取值范围为[-0.5，0.5]，Kh1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线，Δf为离散抽样间隔，Δf＝f/N，N是数据截断长度；

所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的幅值修正公式为：

Ah＝N^-1(y1+y2)u(α)

其中，y1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线Kh1的幅值y₁＝|X(k_h1Δf)|，y2是第h项谐波峰值点Kh附近幅值次最大的谱线Kh2的幅值y₂＝|X(k_h2Δf)|；

所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的初相位修正公式为：

其中是w(n)的连续频谱，w(n)是Nuttal的窗函数，rh＝h。

进一步地，能耗计量单元中电压互感器原边电压的满足以下公式：

能耗计量单元中电流互感器原边电流的满足以下公式：

其中U₀为电压直流量；I₀为电流直流量；U_h为第h次谐波电压有效值；I_h为第h次谐波电流有效值；θ_h为第h次谐波电压相位；为第h次谐波电流相位；H为谐波次数；ω₀为基波角频率，ω₀＝2πf0；f0为基波频率。

7、根据权利要求6所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，牵引输入的无功能耗的公式为：W牵引无功＝∑QT；

其中T为频谱分析的计算周期，其中Q为牵引输入的无功功率。

进一步地，牵引输入的视在能耗的公式为：W视在＝∑ST；

其中T为频谱分析的计算周期，其中S为牵引输入的无功功率。

进一步地，牵引输入的辅助能耗的公式为：

其中U_V1为电压传感器的原边电压，I_A1为电流传感器的原边电流。

动车组列车能耗计量方法，其特征在于，包括步骤：

S1：通过电压互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；

S2：通过电流互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；

S3：通过电流传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；

S4：通过电压传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；

S5：将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、视在能耗、基波的有功能耗、谐波的有功能耗以及辅助能耗。

本发明包括至少以下有益效果为：

(1)能够满足多路输入的动车组列车的无功能耗、视在能耗以及谐波检测的需求。

(2)通过基于FFT的频域分析放大，利用牵引变压器获取的供电网的交流电的电压和电流的各次谐波幅值及其夹角计量获取谐波无功能耗和谐波有功能耗。

(3)通过对动车组列车各个牵引变压器输入主回路的电压、电流以及辅助供电系统输入主回路的电压、电流进行检测，统计分析动车组列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗，牵引有功能耗以及辅助供电系统有功能耗，满足了动车组列车的各个能耗的计量。

(4)通过统计和分析动车组列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统有功能耗以及牵引回路的谐波成分，可以了解动车组列车能耗统计情况以及电能质量情况，为动车组列车用电管理和节能管理提供基础数据。

(5)通过本发明统计和分析的动车组列车的能耗数据，可以统计和分析动车组列车的不同运行工况下的能耗和电能质量，为列车的调度和列车的速度曲线调整提供相应的更加科学和合理的建议。

附图说明

图1为本发明动车组列车能耗计量系统的原理连接图；

图2为本发明动车组列车能耗计量系统的能耗计量装置的结构连接图；

图3为本发明动车组列车能耗计量系统的能耗计量装置的电路原理连接图；

图4为本发明动车组列车能耗计量系统的能耗计量方法的流程图一。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

本实施例提供了动车组列车能耗计量系统，如图1至图3所示，本系统包括：

如图1所示，其中动车组列车包括的牵引系统包括以下组成：供电网、受电弓、牵引变压器、辅助供电系统以及牵引电机，为了实现对动车组列车各类能耗的计量以及谐波分析，各类能耗包括牵引输入的有功能耗和无功能耗、辅助供电系统的有功能耗等，本实施例提供了动车组列车能耗计量系统，本动车组列车能耗计量系统包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；

所述电压互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；

所述电流互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；

其中电压互感器和电流互感器测量牵引变压器从供电网获取的25KV单向工频交流电，能够避免电流和电压测量装置引起的电网不稳定和增加能耗。

所述电流传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的连线上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；

所述电压传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的回路上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；

其中电压传感器和电流传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统直流电压和电流。

所述能量计量模块，用于将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、视在能耗、基波的有功能耗、谐波的有功能耗以及辅助能耗。

将获取的牵引变压器从供电网获取的交流电的电压和电流，以及牵引变压器输出到辅助供电系统直流电压和电流，能够完整的将动车组列车能耗进行全面的统计和计量。

本动车组列车能耗计量系统，根据动车组的编组情况，设置与牵引变压器数量一致的能耗计量装置及其配套的电压、电流互感器和电压、电流传感器。

进一步地，能量计量模块包括一个能量计量装置主机和多个能量计量装置从机，所述能量计量装置主机和多个能量计量装置从机均和动车组列车网络连接。

如图2所示，本实施例中提供的能量计量模块，包括一个能将计量装置主机和多个能量计量装置，其中能量计量装置主机通过列车网络收集能量计量装置从机的能耗统计数据，进一步地，统计动车组列车整车的能耗。

进一步地，能量计量装置包括采样电路、放大电路、ADC转换电路、CPU、通信单元、实时时钟单元以及数据存储单元；

其中能量计量装置进行列车数据分析和统计，主要通过如图3所示的电路原理进行数据的分析和统计，即首先通过采样电路采集电压传感器、电流传感器、电压互感器以及电流互感器的数据输入，然后将数据经过放大电路放大后，通过ADC转换电路转换为对应的数字信号，然后经过CPU进行数据的校准、频谱分析以及能量计算；并将获取的结果与时钟进行结合，得到时钟结合的能耗数据储存并通过通信单元传输到列车网络。

所述采样电路接收电流互感器、电压互感器。电压传感器以及电流传感器的第一电流值、第一电压值、第二电压值以及第二电流值，并将接收的电压值和电流值发送至放大电路；

所述放大电路，用于将放大后的电压值和电流值传输至ADC转换电路，所述ADC转换电路，用于将放大后的电压值和电流值转换为对应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至CPU；

所述CPU，用于对电压值和电流值进行数据校准、频谱分析以及能耗计算，获取初始能耗数据；

所述实时时钟单元，用于结合初始能耗数据，获取当前动车组列车最终能耗数据；

所述数据储存单元，用于储存最终能耗数据；

所述通信单元，用于将最终能耗数据传输给动车组列车网络。

具体的能耗计量装置的CPU进行能耗计算原理为：

首先根据电流传感器和电压传感器的原边与次边比例、采样电路和放大电路的缩放比例，将采集信号校准还原为原边信号；

并且将电压互感器、电流互感器的信号经过FFT运算和频谱分析，找出其中的50Hz的基波及其各次谐波的幅值、相位；

然后计算牵引输入有功能耗、辅助消耗有功能耗；

并根据基波及各次谐波的幅值、相位，计算牵引输入的视在能耗、牵引输入的无功能耗。

进一步地，CPU包括频谱分析单元和能耗计量单元；

所述频谱分析单元，用于通过FFT运算和频谱分析获取基波和预设第h项谐波的频率、幅值和初相位；

所述能耗计量单元，用于根据频谱分析单元获取的基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位、电压互感器的原边电压、电流互感器的原边电压、电压传感器的原边电压以及电流传感器的原边电压获取牵引输入的有功能耗、视在能耗、基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。

进一步地，所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的频率修正公式为：

fh＝khΔf＝(α+kh1+0.5)Δf

其中，α的取值范围为[-0.5，0.5]，Kh1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线，Δf为离散抽样间隔，Δf＝f/N，N是数据截断长度；

所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的幅值修正公式为：

Ah＝N^-1(y1+y2)u(α)

其中，y1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线Kh1的幅值y₁＝|X(k_h1Δf)|，y2是第h项谐波峰值点Kh附近幅值次最大的谱线Kh2的幅值y₂＝|X(k_h2Δf)|；

所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的初相位修正公式为：

其中是w(n)的连续频谱，w(n)是Nuttal的窗函数，rh＝h。

其中具体的获取预设第h项谐波的初相位修正公式、频率修正公式以及幅值修正公式是首先通过FFT运算和频谱分析获取的预设第h项谐波的初相位公式、频率公式以及幅值公式，然后通过修正和拟合，获取最终的预设第h项谐波的初相位、频率与幅值。

其中具体的算法为：

采用4项3阶Nuttall窗对信号进行加窗处理；Nuttall窗的时域表达式为：

式中，M为窗函数的项数；N为待FFT运算的点数；n＝0，1，Λ，N-1；b0＝0.338946，b1＝0.481973，b2＝0.161054，b3＝0.018027。

对加窗后的数据进行FFT运算；

利用双谱线插值搜索算法，修正基波以及各次谐波的幅值和相位，双谱线搜索算法如下：

假设含谐波分量的信号以采样频率fs均匀采样得到的离散时间信号为

式中：num表示谐波的个数；r_h＝h；当h＝1时，f₁、A₁、分别为基波的频率、幅值和初相位；当h≠1时，r_hf₁、A_h、分别为第h项谐波的频率、幅值和初相位。

用Nuttall窗函数w(n)对式(1)形式的信号x(n)进行处理，可得到加窗后信号的离散傅立叶变换的表达式为

式中：W(f)是w(n)的连续频谱；r_hf₁＝k_hΔf为第h项谐波的峰值频率，离散抽样间隔为Δf＝fs/N；N为数据截断长度。

信号非同步采样时，第h项谐波的峰值频率k_hΔf很难正好位于抽样频点上，设峰值点k_h附近幅值最大和次最大的谱线分别为k_h1和k_h2，显然，k_h1≤k_h≤k_h2＝k_h1+1，这两条谱线的幅值分别为y1＝|X(k_h1Δf)|和y2＝|X(k_h2Δf)|，设β＝(y₂-y₁)/(y₂+y₁)，α＝k_h-k_h1-0.5，可知α取值范围为[0.5，0.5]，由式(2)可得

记式(3)的反函数为α＝h^-1(β)。由β可求参数α，则第h项谐波的频率修正式为

f_h＝k_hΔf＝(α+k_h1+0.5)Δf (4)

第h项谐波的幅值修正是对k_h1和k_h2两根谱线进行加权平均，其计算式为

当N值较大时，式(5)可简化为

A_h＝N^-1(y₁+y₂)v(α) (6)

由式(2)可得第h项谐波的初相位修正式为

式中，i＝1或2。

由式(3)、(4)和(5)可知，第h项谐波的频率、幅值和初相位的修正都与参数α有关，α可由式(3)求反函数获得。

由Nuttall窗时域表达式可知其频谱幅度函数为

式中：

令式(8)中可得

将k＝-α±0.5代入式(8)，因|-α±0.5|≤1，且N一般较大，有

将式(10)代入式(3)，利用曲线拟合进行多项式拟合逼近，可得α＝h^-1(β)的逼近式为

α＝H(β) (11)

将式(10)代入式(5)，同样可得式(6)逼近式为

A_h＝N^-1(y₁+y₂)g(α) (12)

由式(7)、(9)得相位修正式为

式中，i＝1或2。

在[-0.5，0.5]内取一组值，采用5阶多项式拟合逼近可得：

α＝H(β)＝2.95494514β+0.17671943β³+0.09230694β⁵

g(α)＝3.20976143+0.9187393α²+0.14734229α⁴。

通过上述计算，可以得出α的取值，从而可以得出基波和预设第h项谐波的频率、幅值和初相位修正后的公式。

其中能耗计量装置是高速采样，典型采样率为20KHz；能耗计量条件：电流有效值≥0.4％的初始额定电流；(初始额定电流＝80％-120％的牵引额定电流)，即在该条件下，能量计量的结果是较为精准以及满足上述计算的基波和预设第h项谐波的频率、幅值和初始相位值的修正公式。

进一步地，能耗计量单元中电压互感器原边电压的公式为：

能耗计量单元中电流互感器原边电流的公式为：

其中U₀为电压直流量；I₀为电流直流量；U_h为第h次谐波电压有效值；I_h为第h次谐波电流有效值；θ_h为第h次谐波电压相位；为第h次谐波电流相位；H为谐波次数；ω₀为基波角频率，ω₀＝2πf0；f0为基波频率。

结合上述计算的第h次谐波的频率、相位修正公式，可以得出相应的θ_h为第h次谐波电压相位；为第h次谐波电流相位；H为谐波次数；ω₀为基波角频率，ω₀＝2πf0；f0为基波频率，代入上述电流互感器和电压互感器的原边电压公式，可以得出相应的电压互感器和电流互感器的原边电压和原边电流。

其中电压传感器的原边电压为U_V1，电流传感器的原边电流为I_A1。

目前知道了电压互感器的原边电压、电流互感器的原边电压、电压传感器的原边电压以及电流传感器的原边电压，以及50H_Z的基波及其各次谐波的幅值和相位。因此可进行相应功率的计算：

牵引输入的有功功率为：

牵引输入的有功能耗为：W牵引有功＝∑PT；其中T为频谱分析的计算周期。

进一步地，牵引输入的无功能耗的公式为：W牵引无功＝∑QT；

其中T为频谱分析的计算周期，其中Q为牵引输入的无功功率。

进一步地，牵引输入的视在能耗的公式为：W视在＝∑ST；

其中T为频谱分析的计算周期，其中S为牵引输入的无功功率。

进一步地，牵引输入的辅助能耗的公式为：

其中U_V1为电压传感器的原边电压，I_A1为电流传感器的原边电流。

进一步地，

牵引输入的基波有功功率：P1＝U₁I₁cosθ₁；

牵引输入的基波有功能耗为：W基波有功＝∑P₁T

牵引输入的谐波有功功率：Ph＝∑^H _h＝2U_hI_hcosθ_h；牵引输入的谐波有功能耗为：W谐波有功＝∑(∑^H _h＝1P_hT)。

通过上述计算获取的动车组列车能耗公式，能量计量装置，可以计算出当前动车组列车的以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统有功能耗以及牵引回路的谐波成分，可以了解动车组列车能耗统计情况以及电能质量情况，为动车组列车用电管理和节能管理提供基础数据。

其中本实施例中提供的获取各次谐波的幅值、相位和频率的算法还可通过小波变换的时频分析方法进行计算。

进一步地，本实施例中提供的互感器可更换为对应的传感器，传感器可更换为对应的互感器。

采用本动车组列车能耗计量系统，能够通过统计和分析动车组列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统有功能耗以及牵引回路的谐波成分，可以了解动车组列车能耗统计情况以及电能质量情况，为动车组列车用电管理和节能管理提供基础数据。通过本发明统计和分析的动车组列车的能耗数据，可以统计和分析动车组列车的不同运行工况下的能耗和电能质量，为列车的调度和列车的速度曲线调整提供相应的更加科学和合理的建议。

实施例二

本实施例提供了动车组列车能耗计量方法，如图4所示，本方法包括步骤：

S1：通过电压互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；

S2：通过电流互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；

S3：通过电流传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；

S4：通过电压传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；

S5：将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、视在能耗、基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。

其中步骤S5进行当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、视在能耗、基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗具体计算包括步骤：

根据传感器原边与次边比例、采样电路和放大电路的缩放比例，将采集信号校准还原为原边信号；

将电压互感器、电流互感器的信号经过FFT运算和频谱分析，找出其中的50Hz的基波及其各次谐波的幅值、相位；

计算牵引输入有功能耗、辅助消耗有功能耗；

根据基波及各次谐波的幅值、相位，计算牵引输入的视在能耗、牵引输入的无功能耗。

采用本方法能够满足多路输入的动车组列车的无功能耗、视在能耗以及谐波检测的需求。通过基于FFT的频域分析，利用牵引变压器获取的供电网的交流电的电压和电流的各次谐波幅值及其夹角计量获取谐波无功能耗和谐波有功能耗，并能通过对动车组列车各个牵引变压器主回路的电压、电流以及辅助供电系统主回路的电压、电流进行检测，统计分析动车组列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗，牵引有功能耗以及辅助供电系统有功能耗，满足了动车组列车的各个能耗的计量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.动车组列车能耗计量系统，其特征在于，包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；

所述电压互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；

所述电流互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；

所述电流传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的连线上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；

所述电压传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的回路上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；

所述能量计量模块，用于将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。

2.根据权利要求1所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，能量计量模块包括一个能量计量装置主机和多个能量计量装置从机，所述能量计量装置主机和多个能量计量装置从机均和动车组列车网络连接。

3.根据权利要求2所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，能量计量装置包括采样电路、放大电路、ADC转换电路、CPU、通信单元、实时时钟单元以及数据存储单元；

所述采样电路接收电流互感器、电压互感器、电压传感器以及电流传感器的第一电流值、第一电压值、第二电压值以及第二电流值，并将接收的电压值和电流值发送至放大电路；

所述放大电路，用于将放大后的电压值和电流值传输至ADC转换电路，所述ADC转换电路，用于将放大后的电压值和电流值转换为对应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至CPU；

所述CPU，用于对电压值和电流值进行数据校准、频谱分析以及能耗计算，获取初始能耗数据；

所述实时时钟单元，用于结合初始能耗数据，获取当前动车组列车最终能耗数据；

所述数据储存单元，用于储存最终能耗数据；

所述通信单元，用于将最终能耗数据传输给动车组列车网络。

4.根据权利要求1所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，CPU包括频谱分析单元和能耗计量单元；

所述频谱分析单元，用于通过FFT运算和频谱分析获取基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位；

所述能耗计量单元，用于根据频谱分析单元获取的基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位、电压互感器的原边电压、电流互感器的原边电压、电压传感器的原边电压以及电流传感器的原边电压获取牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。

5.根据权利要求4所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的频率修正公式为：

fh＝khΔf＝(α+kh1+0.5)Δf

其中，α的取值范围为[-0.5，0.5]，Kh1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线，Δf为离散抽样间隔，Δf＝f/N，N是数据截断长度；

所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的幅值修正公式为：

Ah＝N^-1(y1+y2)v(α)

其中，y1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线Kh1的幅值y₁＝|X(k_h1Δf)|，y2是第h项谐波峰值点Kh附近幅值次最大的谱线Kh2的幅值y₂＝|X(k_h2Δf)|；

所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的初相位修正公式为：

其中是w(n)的连续频谱，w(n)是Nuttal的窗函数，rh＝h。

6.根据权利要求5所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，能耗计量单元中电压互感器原边电压的满足以下公式：

能耗计量单元中电流互感器原边电流的满足以下公式：

其中U₀为电压直流量；I₀为电流直流量；U_h为第h次谐波电压有效值；I_h为第h次谐波电流有效值；θ_h为第h次谐波电压相位；为第h次谐波电流相位；H为谐波次数；ω₀为基波角频率，ω₀＝2πf0；f0为基波频率。

7.根据权利要求6所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，牵引输入的无功能耗的公式为：W牵引无功＝∑QT；

其中T为频谱分析的计算周期，其中Q为牵引输入的无功功率。

8.根据权利要求6所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，牵引输入的视在能耗的公式为：W视在＝∑ST；

其中T为频谱分析的计算周期，其中S为牵引输入的无功功率。

9.根据权利要求6所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，牵引输入的辅助能耗的公式为：

其中U_V1为电压传感器的原边电压，I_A1为电流传感器的原边电流。

10.动车组列车能耗计量方法，其特征在于，包括步骤：

S1：通过电压互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；

S2：通过电流互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；

S3：通过电流传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；

S4：通过电压传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；

S5：将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、视在能耗、基波的有功能耗、谐波的有功能耗以及辅助能耗。