CN201435600Y - 城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元 - Google Patents

Abstract

一种城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元，适用于城市轨道交通直流牵引供电系统的牵引整流机组保护和直流馈线保护。单元设计有CPU模块板：包括富士通MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UBOOT存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块、外部端子，以及电源模块板，继电器模块板、人机接口模块板。继电器模块板、电源模块板、人机接口模块板分别通过显示接口、键盘接口、电源接口、跳闸接口、遥信接口与CPU模块板连接。该单元的优点是可以满足直流牵引供电系统发生故障时迅速切除电源和消除保护“盲点”，优于可编程序控制器的控制和国外相同用途的装置。

Description

城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元

【所属技术领域】

本实用新型涉及自动化管理设备制造领域，直接应用于城市轨道交通直流牵引供电系统，具备直流电流、电压故障保护，电缆监控，事故分析记录及系统对时功能的设备单元。

【背景技术】

城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、有轨电车、独轨等。轨道交通采用直流供电，机车是以电力为能源的电动车组，机车在运行过程中不断地从直流牵引网上获取电能。直流供电系统包括直流开关柜、控制和保护系统、直流电缆、  接触网等。其中控制和保护设备单元对确保轨道交通的安全、可靠的运行，具有举足轻重的作用。

目前国内在上海、北京、深圳、南京等地的轨道交通直流牵引供电系统大多采用基于可编程序控制器(PLC)的控制和国外的保护装置。

随着计算机技术及其控制技术和继电保护设备相关技术的快速发展，PLC技术和国外设备的不足已经显现出来：

1.更新周期长，损坏维护成本高；

2.CPU采用的都是8位或者16位单处理器，处理能力低，逻辑软件可扩展性和灵活性较差；

3.固定的硬件设计，不能根据现场实际情况进行改动；

4.单一的通讯设置，通讯实时性差；

5.人机界面差。

【实用新型内容】

本实用新型综合了城市轨道交通直流牵引供电系统方面的特殊性和专业性要求。城市轨道交通直流牵引供电系统的保护，不同于一般交流电力系统的保护，大致可以分为两方面：牵引整流机组保护和直流馈线保护。牵引供电系统保护的最大特点就是系统的“多电源”和保护的“多盲点”。多电源，就是指在系统内发生电流短路故障时，并不仅故障点线路两侧的变电所向该点供电，在这类情况下全线的牵引变电所将都通过轨道牵引网向短路故障点供电。所谓多盲点，是因为轨道直流牵引供电系统本身构成的特点和保护对象的特殊性而形成保护上的“盲点”。任何电力系统的继电保护的最基本要求就是能正确无误切除故障，即要求继电保护具有足够的选择性、快速性、灵敏性和可靠性。而直流牵引供电系统短路时产生的直流电弧不同于交流电弧，交流电弧的燃烧在其电压过零时会自动熄灭，但直流电弧可以长时间维持燃烧而不熄灭，这时如果不快速切断电源则是非常危险的。所以直流供电系统保护的快速性是最重要的，即当轨道交通直流牵引供电系统发生短路故障时，首要就是迅速“切除电源”。针对这一点，本实用新型还设置了di/dt ΔI(电流上升率保护)的特殊保护措施，这就可以满足直流牵引供电系统发生故障时快速切除电源的要求；而“消除盲点”则设计成通过直流牵引变电所内部联跳、牵引网双边联跳的措施来解决；对直流牵引供电系统选择性，误动作设计成用自动重合闸实施矫正；而且本实用新型增加了线路巡检功能，可以更准确地检测出线路是否已经导通还是断开，提高了重合闸的安全性。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：装置采用模块化设计方法，设计成CPU模块板、电源模块板、人机接口模块板、继电器模块板。各板分别通过显示接口、键盘接口、电源接口、跳闸接口、遥信接口与CPU模块板连接。

所述的CPU模块板包括富士通MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UBOOT存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块、外部端子；

其中：

——直流采样模块通过AD采样接口模拟信号线与外部接口端子相连接；

——CPLD扩展模块通过显示接口控制线与人机接口端子相连接；

——网口模块通过网口接口信号线与外部接口端子相连接；

——串口模块通过串口接口信号线与外部接口端子相连接；

——GPS秒对时脉冲模块通过脉冲对时信号线与外部接口端子相连接；

此外，MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UBOOT存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块分别与地址总线、数据总线、控制总线连接。

所述的人机接口模块板包括液晶显示、按键、指示灯；

所述的继电器模块板包括跳闸出口继电器；

所述的电源模块板为单元提供工作电源，包括5V、±15V、24V。

此外本实用新型的CPU模块板、电源模块板、继电器模块板的线路板尺寸设计为相同，安装方式为叠加式，通过立柱隔开，CPU模块板固定在后盖板上、线路板与线路板之间依靠排针和排线连接，人机接口模块板则安装在面板上，保证拆卸简单，安装方便。

本实用新型的积极效果是：

1、使用富士通的32位MB91F467微处理器，具有强大的通信和网络协议处理能力；

2、采用linux操作系统作为单元的操作系统，稳定性高、可靠性强；

3、没有采用CAN总线作为单元内部的线路板间的连接，使得单元判断出故障后，更加准确快速地出口跳闸；

4、线路板与线路板之间安装方式为叠加式，通过立柱隔开，保证拆卸简单，安装方便。

【附图说明】

附图1为装置的结构示意图

【具体实施方式】

本实用新型采用富士通的32位MB91F467为主芯片，它有144个引脚，32K RAM、1088K ROM，外部中断14个，30个AD采样通道，8/16位定时器16个，5个硬件串口，3个CAN，5个LIN，3个IIC，12个PWM。

CPU元件使用外部晶振，工作频率为4MHz，通过芯片内部的锁相环电路，使CPU内部工作时钟最高可以提升到96MHz，看门狗电路和掉电检测电路由一块IMP813LCPA完成，可以可靠检测内部系统的电源情况并确保系统可靠复位。另外CPU外围还附加了很多电路，诸如：SDRAM、FLASH、BOOTROM，一起构建了一个基本的嵌入式操作系统。

单元系统在上电后，先自检各个元件，确保单元使用时安全正常，之后根据直流采样系统采集到的直流信号来判断外部的直流牵引供电系统是否发生故障。由于直流牵引供电系统需要丰富的通讯功能，本实用新型最大程度上利用了富士通32位MB91F467的5个硬件串口，其中2个用做485通讯(输出部分通过光隔器件隔离)、2个作为232通讯(输出部分通过光隔器件隔离)，另外系统还配备了1个网口(输出部分通过变压器隔离)，方便单元与整个直流牵引供电系统的监控配合。其中232接口通讯采用了MAX232，485接口通讯采用了IM81487。

内部时钟系统采用了Epson的8025芯片，该芯片内部的晶振误差在常温下只有±5/1000000，此外还采用温度补偿确保在周围环境温度波动较大的情况下，系统的时钟准确无误，能够实时记录波形。内部时钟系统由另外单独的锂电池保电，锂电池采样法国的SFAT电池，确保时钟芯片能持续供电8年以上。

整定值全部存储在单元系统的Phlips的eeprom24c04里面，24c04通过IIC通讯接口与CPU连接，由于eeprom特殊的工艺决定了它的擦写安全可靠，所以提高了单元系统的稳定性和可靠性。

继电器模块板采用的均是欧姆龙继电器，它的安全可靠吸合次数高达数万次。

电源模块板为单元提供工作电源，本模块分110VDC和AC220、DC220两种规格。输出5V(2A)、±15V(0.5A)、24V(0.5A)，并且相互之间均不共地，抗干扰能力为4级，工作温度为-40～85度，湿度0～80％，其中5V(2A)为单元系统供电，±15V(0.5A)为AD芯片供电，24V(0.5A)为继电器板供电。

GPS秒对时模块采用GPS秒脉冲对时方式，主要由三极管和光藕构成，秒脉冲为TTL电平输入，GPS秒脉冲的上升言输入光藕反向后，送到CPU的中断口，以便精确捕获对时信号，使得精读在1ms范围。

人机接口模块包括大屏幕中文液晶、按键、指示灯等。该模块实现了显示系统的工作信息、操作维护等功能。液晶采用320×320图形点阵液晶模块，可以显示图形、汉字、字符，也可以通过软件编程作图。主芯片通过CPLD电路(EPM3128)对液晶进行译码和读写控制。由GPIO对液晶背光、指示灯进行控制。GPIO同时扫描键盘，实时捕获人为的人机对话事件。

为提高单元系统的抗干扰性，在CPU的每个接口电路上均加了滤波电容和上拉电阻。

以上描述仅为本实用新型的实施例，在不偏离本实用新型构思的前提下，对本实用新型的简单修改和替换均包含在构思之内。

Claims (5)

1、一种城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元，其特征在于，含有CPU模块板、继电器模块板、电源模块板、人机接口模块板；继电器模块板、电源模块板、人机接口模块板分别通过显示接口、键盘接口、电源接口、跳闸接口、遥信接口与CPU模块板连接。

2、根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的人机接口模块板包括液晶显示、按键、指示灯、维护串口。

3、根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的电源模块板为单元提供工作电源。

4、根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的继电器模块板提供了单元跳闸出口。

5、根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的CPU模块板包括富士通MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UBOOT存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块、外部端子；

其中：

直流采样模块通过AD采样接口模拟信号线与外部接口端子相连接；

CPLD扩展模块通过显示接口控制线与人机接口端子相连接；

网口通信模块通过网口接口信号线与外部接口端子相连接；

串口通信模块通过串口接口信号线与外部接口端子相连接；

GPS秒对时脉冲模块通过脉冲对时信号线与外部接口端子相连接；

此外，MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UBOOT存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块分别与地址总线、数据总线、控制总线连接。

Images