CN201060251Y - 电力机车用数字式高压信号监控装置 - Google Patents

Abstract

一种电力机车用数字式高压信号监控装置，应用于机车，地铁车辆数字式高压信号监控。该装置包括高压端、低压端电路和通信模块，电能计量模块与电压传感器，电流互感器(2)相连，用于进行电能计量；高压取电模块(3)为可充电电池组提供充电电流；电源转换模块用于低压供电；MCU模块(13)用于低压端数据处理，并将数据输出至终端；开机控制模块接收开机信号，用于高压端各模块的供电；通信模块用于高、低压端数据通信；MCU模块(6)进行高压端数据处理。该装置对电力机车消耗的电能在高压端进行计量，具有极好的防窃电性能，可以促进司乘人员节能行车。此外，电阻分压式电压传感器取代高压电压互感器，减小体积和重量，降低了成本。

Description

电力机车用数字式高压信号监控装置

所属技术领域

本实用新型涉及一种数字式高压信号监控装置，尤其是一种应用于以电能为牵引能量的机车车辆(如电力机车，电动车组、地铁、轻轨等)的数字式高压信号监控装置。

背景技术

目前电力机车的供电参数获取与电能计量一般采用高压电压互感器和电流互感器再外加机车电度表的方式，供电参数一般只以模拟量方式监测和显示供电电压、供电电流和正向有功电能三项，无法监测和显示功率因数和反向有功电能参数，且因为采用的模拟信号而无法直接进监控装置或微机保护装置记录其运行曲线。原边过流保护部件采用单独的过流保护互感器，且安装于主变压器初级绕组的高压端，因绝缘的需要而使得体积大、重量重，同样安装于车顶的高压电压互感器也因绝缘的需要而使得体积大、重量重、损耗大，上述两个高压互感器的安装和使用导致了机车运行时风阻大、噪声大、维护成本高、不利于机车的高速行驶。由于直接进电度表的电压信号和电流信号都是经互感器隔离后的低压信号(电压信号一般为100V，电流信号为电流互感器次级信号)，而电度表又是安装在车内，所以很容易实施窃电，导致机车电度表不能真实反映机车所消耗的电能，不利于促进机车节能运行。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电力机车用数字式高压信号监控装置，解决以下4个问题：1是改变当前电力机车所监测的供电参数项目少且采用模拟信号的方式；2是通过使用取代大体积的原边过流保护互感器；3是通过该装置的使用取代大体积的高压电压互感器；4是改变当前电力机车在车箱内低压端进行计量的方式，提高防窃电性能，促进司机节能行车，为运行机车与各供电局之间的电费结算提供准确的数据。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

电力机车用数字式高压信号监控装置，它包括：电压传感器1，用于实现从电网取出电压信号，分压的方式既可以采用电阻式分压，也可以采用电容式分压；互感器2，用于负载电流测量，高压取电模块3，用于从高压端获取电能给高压端供电电池提供充电电流，高压取电模块3既可采用电流互感器方式，也可采用电容降压分压器方式；电能计量模块4，用于对电能量进行计量和实时参数的测量；数据存储模块5，用于数据存储；MCU模块6，用于数据处理和通信处理；电源管理模块7，用于高压端电源管理；开机控制模块8，用于实现在低压端开机；可充电电池组10，用于给高压端电路进行供电；通信模块21，用于高压端和低压端之间的数据通信；通信模块21包括：光电转换模块9，用于实现光电信号之间的转换；隔离光纤11，用于传送开机信号、下行数据、上行数据；光电转换模块12，用于实现光电信号转换。通信模块21可以采用光信号传输方式，同时也可以采用无线通信方式，当采用无线方式时，模块9和模块12替换为无线数据通信模块；MCU模块13，用于低压端的数据处理和通信处理；数据存储模块14，用于低压端数据存储，也可以省略，只将数据存储在高压端；显示终端15、16，用于网侧电压、原边电流、功率因数和累计电能数据量显示，也可以省略，而将数据直接送往终端；电源转换模块17，用于给低压端电路提供供电电源。

其工作原理是：当低压端的机车控制电源送达电源转换模块17时，该模块将电源转换为低压端电路所需的电压供给模块12、13、14、15、16，模块13取得电源后，通过通信模块21将开机信号送达模块8。具体说来，就是在采用光电传输方案时，模块13通过模块12、模块11中的开机信号光纤和模块9将开机信号送达模块8；在采用无线传输方式时，则通过无线数据通信模块传输信号数据。模块8收到开机信号后，将模块7输出的电源供给模块4、5、6，当无高压电流时，模块7输出的电源由模块10提供，当有高压电流时，模块7输出的电源由模块3提供，同时模块3还提供充电电流给模块10进行充电，模块4开始进行电压、电流、功率因数的测量和电能的计量，模块13通过模块12、模块11中的上行数据光纤和模块9向模块6发出读取数据的指令，模块6收到模块12发出的指令后，将读取模块4的电压数据、电流数据、功率因数数据和模块5中所存储的累计电能数据通过11中的下行数据光纤、模块12发给模块13，模块13一方面通过串行通信总线定时将最新数据发给模块15和16，另一方面将最新数据用模块14进行存储，模块15和16将收到的数据进行实时显示。

模块13通过比较从模块6读回的原边电流值和由硬件设置或存储在模块14中的过流标定值，如果出现原边电流值大于标定值，则一方面将过流信息送给模块15和16进行显示，另一方面使过流报警开关闭合，供外部电路进行检测。

本实用新型提出的电力机车用数字式高压信号监控装置的有益效果是，由于直接在高压端进行计量和数据储存，且安装于车顶，所以可以极大地提高防窃电性能，使计量装置对机车的实际耗能进行真实准确的计量，促进机车驾驶员节能行车，同时也为运行机车与各供电局之间的电费结算提供了准确的数据。本装置将高压端电源的计量与实时监控、过流报警结合在一起，同时具有计量、实时数据监控和过流报警的三大功能，有利于电力机车的安全运行。本装置还用电阻分压式电压传感器取代了传统的电磁式高压电压互感器，具有体积小、重量轻的优点，降低了设备的维护成本。本装置高压端与低压端之间的数据传输采用光纤进行隔离，确保了数据的抗干扰能力和装置的可靠绝缘。该装置具有通信功能，可以通过串行通信接口与外部设备进行数据交换，以便把数据和报警信号传给机车监控装置或微机保护装置等其它部件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的电路图。

其中：1.电压传感器，2.电流互感器，3.高压取电模块，4.电能计量模块，5.数据存储模块，6.MCU模块，7.电源管理模块，8.开机控制模块，9.光电转换模块，10.可充电电池组，11.隔离光纤，12.光电转换模块，13.MCU模块，14.数据存储模块，15.数据显示终端，16.数据显示终端，17.电源转换模块，21.通信模块。

具体实施方式

如图1所示，电力机车用数字式高压信号监控装置由电压传感器1，电流互感器2，高压取电模块3，电能计量模块4，数据存储模块5.MCU模块6，电源管理模块7，开机控制模块8，光电转换模块9，可充电电池组10，隔离光纤11，光电转换模块12，MCU模块13，数据存储模块14，数据显示终端15，数据显示终端16，电源转换模块17组成。其中，电能计量模块4和MCU模块6可以采用一体化的芯片，数据显示终端15和16可以是专门的显示终端，也可以是机车监控装置或微机保护装置等其它部件的显示终端。

上述装置的工作原理是：

当低压端的机车控制电源送达电源转换模块17时，该模块将电源转换为低压端电路所需的电压供给模块12、13、14、15、16，模块13取得电源后，通过模块12、模块11中的开机信号光纤和模块9将开机信号送达模块8，模块8收到开机信号后，将模块7输出的电源供给模块4、5、6，当无高压电流时，模块7输出的电源由模块10提供，当有高压电流时，模块7输出的电源由模块3提供，同时模块3还提供充电电流给模块10进行充电，模块4开始进行电压、电流、功率因数的测量和电能的计量，模块13通过模块12、模块11中的上行数据光纤和模块9向模块6发出读取数据的指令，模块6收到模块12发出的指令后，将读取模块4的电压数据、电流数据、功率因数数据和模块5中所存储的累计电能数据通过11中的下行数据光纤、模块12发给模块13，模块13一方面通过串行通信总线定时将最新数据发给模块15和16，另一方面将最新数据用模块14进行存储，模块15和16将收到的数据进行实时显示。

模块13通过比较从模块6读回的原边电流值和由硬件设置或存储在模块14中的过流标定值，如果出现原边电流值大于标定值，则一方面将过流信息送给模块15和16进行显示，另一方面使过流报警开关闭合，供外部电路进行检测。

模块17为低压端工作电源提供模块，主要由ZYHH-5-110S05型的DC-DC变换模块和滤波电路组成，当模块17接通机车的DC110V控制电源时，将输出+5V的数字电路工作电源和+5V的RS485通信电路工作电源，在本实施例中，模块17的输入电源DC110V由模块15或模块16的DC110V输入电源提供，以便实现在机车两头任意一个终端显示器工作时都可向装置的低压端电路提供电源，并且可以达到模块15和模块16中只有一个模块工作的目的。当+5V的工作电源向低压端数据处理与通信处理模块13供电时，模块13将通过开机信号引脚、光纤接口电路12和模块11中的开机信号光纤发出高压开机信号，然后通过串行通信口和通信模块发送读取当前网侧电压、原边电流、功率因数和累计电能的指令，该指令通过光纤接口电路12和模块11中的上行光纤发出。在本实施例中模块13采用AT89C52单片机、MAX813L外部看门狗芯片及外围电路组成。当模块13收到返回的数据后，一方面将累计电能存储到模块14中，一方面将该实时数据发送给模块15或模块16，此时模块15或者16将收到的数据显示出来。如果模块13发出读取数据的指令后，在一定时间内没有收到返回的数据，则模块13将再次发送读取数据的指令，直到设定的次数为止，这时根据设置模块13将读取低压端存储芯片14内的累计电能数据发送给显示终端15或16或不发送任何数据，在本例中，模块14采用FM24C04存储芯片。模块15和模块16采用ZYHH-5-110S05DC-DC变换模块、AT89C52单片机、MAX813L硬件看门狗芯片、CLTI240-Q256A液晶显示控制板、彩色TFT液晶显示屏及外围电路组成。

当开机信号通过开机信号光纤送到模块8后，将改变模块8中控制电源开关的三极管的工作状态，由关断变为导通，从而将模块7管理的电池或高压电流提供的电源供给模块4、5、6。模块4开始计量，模块5则一方面不断地将模块4的数据读回，并将电能量进行累计后存储到模块6中，一方面则时刻准备接收上行的读取数据指令后将当前的实时数据通过串行通信口、光纤接口电路9和模块11中的下行光纤、光纤接口电路12发送到模块13。在本例中，模块4和模块5采用带计量模块和单片机的一体化芯片MSP430FE425、硬件看门狗芯片SP706和外围电路组成。模块6采用FM24C04存储芯片，模块8中的电源开关三极管采用S8050。模块7采用LM317稳压模块、XC62FP5002稳压模块和外围电路组成。电池采用6V、2Ah电源组，光纤采用ST01-Z，光发射二极管采用HL-334PT1C-T，光接收二极管采用HL-334S6FC-R。模块3和模块2采用400A/5A、0.5级电流互感器，模块1电压传感器采用249个100K、1W的高精度电阻和2个51K、1W的高精度电阻组成，变比为100/1。

当模块13接收到返回的数据后，将对当前电流值与由硬件设置或存储在模块14中的过流标定值进行比较，一旦出现当前电流值大于标定的电流值，模块13则通过过流报警控制驱动三极管导通，从而驱动报警继电器动作，其报警触点闭合，提供报警信号供其它部件检测。

此外，电压传感器1除了采用本实施例所描述的方式外，还可以采用电容式分压的方式；高压取电模块3除了采用电流互感器，也可以采用电容降压分压器的方式；通信模块21不仅可以采用本实施例所描述的光电信号通信方式，还可以采用无线通信方式。

用于实施本专利所描述功能的各种芯片和元器件并不限于本实施例中所举出的型号，还包括可实现同样功能的其它类型和型号的芯片和元器件。

Claims (10)

1.一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：

包括：电压传感器(1)，电流互感器(2)，高压取电模块(3)，电能计量模块(4)，数据存储模块(5)，MCU模块(6)，电源管理模块(7)，开机控制模块(8)，可充电电池组(10)，通信模块(21)，MCU模块(13)，电源转换模块(17)，

电源转换模块(17)用于将电源转换为低压端电路所需的电压，以对低压端的各模块进行供电；

MCU模块(13)与通信模块(21)相连，用于数据处理和通信处理，并将数据输出至终端；

开机控制模块(8)分别与电能计量模块(4)，数据存储模块(5)，MCU模块(6)，电源管理模块(7)相连，用于接收开机信号，并将模块(7)提供的电源供给高压端各模块；

电能计量模块(4)与电压传感器(1)，电流互感器(2)相连，用于进行电压、电流、功率因数的测量和电能的计量；

高压取电模块(3)与电源管理模块(7)相连，用于检测过载电流和给可充电电池组(10)提供充电电流；

通信模块(21)分别与开机控制模块(8)、MCU模块(6)、MCU模块(13)、电源管理模块(7)相连，用于高压端和低压端的数据通信；

MCU模块(6)还与数据存储模块(5)，电能计量模块(4)相连，用于数据处理和通信处理；

可充电电池组(10)用于无高压电流时为高压端电路提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于，所述通信模块(21)包括：光电转换模块(9)，隔离光纤(11)，光电转换模块(12)，通信模块(21)位于高压端和低压端之间，高压端和低压端之间的数据传输采用光电信号传输方式。

3.根据权利要求1所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于，所述通信模块(21)包括无线数据通信模块，通信模块(21)位于高压端和低压端之间，高压端和低压端之间的数据传输采用无线通信传输方式。

4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：所述电压传感器(1)为电阻式分压传感器。

5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：所述电压传感器(1)为电容式分压传感器。

6.根据权利要求4所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：所述高压取电模块(3)为电流互感器。

7.根据权利要求5所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：所述高压取电模块(3)为电容式降压分压器。

8.根据权利要求6所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：所述MCU模块(13)与一数据存储模块(14)相连，数据存储模块(14)用于存储由MCU模块(13)传输来的数据。

9.根据权利要求8所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：所述MCU模块(13)与显示终端(15)、显示终端(16)相连，所述显示终端(15)、显示终端(16)用于显示由MCU模块(13)传输来的数据。

10.根据权利要求9所述的一种电力机车用数字式高压信号监控装置，其特征在于：所述显示终端(15)、显示终端(16)为机车监控装置或微机保护装置。

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