CN205506924U - 一种通用型动车组高压信号适配器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种通用型动车组高压信号适配器，该适配器包括接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC和电源模块，上述模板均包括采集模块XXSM和信号处理模块XXPM，通过采集模块XXSM和信号处理模块XXPM将高压交流电压信号、高压交流电流信号转换成通用的低压直流信号，实现任意高压设备供应商和网络设备供应商的模拟量采集模块接口的匹配。

Description

一种通用型动车组高压信号适配器

技术领域

本实用新型涉及铁道车辆电气装置领域，具体的说，涉及一种通用型动车组高压信号适配器。

背景技术

为保障实现动车组控制和安全可靠运行，列车牵引和网络控制系统需要对高压系统接触网电压信号、接触网电流信号、牵引变压器原边输入电流信号、牵引变压器原边接地回流电流信号进行实时检测，根据检测值进行牵引控制和网络逻辑控制。

接触网电压信号、接触网电流信号、牵引变压器原边输入电流信号、牵引变压器原边接地回流电流信号均为高压交流信号或大电流交流信号，无法由低压控制电路直接采集检测，因此需对这些信号进行降压降流、转换采集后，再由牵引系统和网络系统进行检测。

目前，我国现运行动车组中，高压系统、牵引系统和网络系统由不同的供应商提供，各个供应商设计方案不同，高压信号转换方法和转换幅值各不相同，因此通过对高压信号采集而实施的列车高压部件的保护方式也不尽相同，无法实现各个系统之间的完全匹配，各型动车组高压信号采集的具体方法如表1。

表1动车组高压信号采集对比

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种通用型动车组高压信号适配器，将高压交流电压信号、高压交流电流信号转换成通用的低压直流信号，实现任意高压设备供应商和网络设备供应商的模拟量采集模块接口的匹配。

本实用新型的技术方案是：一种通用型动车组高压信号适配器，该适配器包括接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC和电源模块；接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC均包括采集模块XXSM和信号处理模块XXPM；采集模块XXSM输入端与接触网信号端及牵引变压器原边信号端连接，信号处理模块XXPM的电路结构包括差分放大电路DIF、有效值分析电路RMS、检测电路ADC、控制器CP、运放调理电路OPA和外围电路，差分放大电路DIF输入端与采集模块XXSM输入端连接，采集模块XXSM共包括两路冗余输出，两路冗余输出分别与差分放大电路DIF连接，差分放大电路DIF依次经有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA连接，运放调理电路OPA输出端输出0～15VDC网流电压信号至动车组网络系统和牵引系统，检测电路采集有效值分析电路RMS信号输入端与信号输出端信号，控制器CP连接检测电路ADC、运放调理电路OPA和外围电路。

优选的是，所述接触网电压转换单元CV输入端与第一互感器TPM连接，第一互感器TPM与接触网并联，将接触网电压信号按照AC 25KV：100V比例进行一次降压，输出0～150VAC电压信号；接触网电压转换单元CV将一次转换后接触网电压信号按照AC 150V:5V比例二次降压，输出0～15VDC网流电压信号，供牵引网络系统采集；所述接触网电流转换单元CC输入端与第二互感器TAL连接，第二互感器TAL与接触网串联，将接触网电流信号按照AC 600A：5A比例进行一次降流，输出0～10AAC电流信号；接触网电流转换单元CC将一次转换后接触网电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供牵引网络系统采集；所述变压器输入电流转换单元TIC输入端与第三互感器TAP1连接，第三互感器TAP1与牵引变压器原边输入电流信号串联，将牵引变压器原边输入电流信号按照AC 300A：5A比例进行一次降压，输出0～10AAC电流信号；变压器输入电流转换单元TIC将一次转换后牵引变压器原边输入电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供网络系统采集；所述变压器输出电流转换单元TOC输入端与第四互感器TAP2连接，第四互感器TAP2与牵引变压器原边输出电流信号串联，将牵引变压器原边输出电流信号按照AC 300A：5A比例进行一次降压，输出0～10AAC电流信号；变压器输出电流转换单元TOC将一次转换后牵引变压器原边输出电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供网络系统采集。

优选的是，所述差分放大电路DIF与有效值分析电路RMS以及有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA之间均设有选择开关，分别为第一选择开关K1、第二选择开关K2和第三选择开关K3；第一选择开关K1设置于第一差分放大电路DIF1与第一有效值分析电路RMS1之间；第二选择开关K2设置于第二差分放大电路DIF2与第二有效值分析电路RMS2之间；第三选择开关K3设置于有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA之间；第一选择开关K1和第二选择开关K2均设有四路开关通路，1路开关通路与差分放大电路DIF输出端连接；1路开关通路与正弦参考信号REFV连接；2路开关通路与模拟地信号连接AGND；第三选择开关K3设有四路开关通路，2路开关通路分别与第一有效值分析电路RMS1和第二有效值分析电路RMS2输出端连接，1路开关通路与模拟地信号连接AGND；1路开关通路经数模转换芯片DAC与控制器CP连接。

优选的是，所述外围电路设有状态指示电路，状态指示电路设有3路继电器，通过控制器CP控制3路继电器冗余输出至网络系统和牵引网络系统。

优选的是，所述外围电路设有自检测按键，通过控制自检测按键，选择开关连通差分放大电路DIF或正弦参考信号REFV，自检结果通过前面板指示灯显示，故障记录存储于控制器CP中。

优选的是，所述电源模块POWER包括2路冗余电源单元，每路电源单元输出端均连接防反二极管，当一个电源单元故障时，另一个电源模块继续供电。

本实用新型与现有技术相比的有益效果为：

1)响应速度快。信号的转换采集采用双路采集电路，并通过高精度有效值分析电路，保证了系统的高速响应；

2)可靠性高。采用双路冗余采集模块和两路差分输入，通过对有效值分析电路的信号输入端与信号输出端信号进行两路ADC采集，并通过控制器实时地在线诊断，控制输出选择开关切换冗余输出，确保检测电路及运算调理电路的正确可靠运行；

3)维护方便。当该适配器发生故障时，在断开高压的情况下，可以通过系统自检测按键，进行系统自诊断，并且定位故障位置，诊断结果可以通过前面板指示灯显示，通过故障记录电路FM进行故障记录；

4)具有接触网电流和牵引变压器输入/输出电流过流保护功能。可通过上位机设置过流检测值，当输入信号超过此设置值时，输出过流故障信号，切除输出通道，同时将该过流故障通过状态指示电路输出；

5)设计灵活，便于更改。通过配置采集模块输入端的采样电阻，实现电压型采样和电流型采样的转换，将电流型/电压型信号采集电路进行简统设计，只需要更改信号输入端口的采样电阻就可以实现电压型和电流型的转换、以及采集范围的变化。对于更改信号输入端口的采样电阻值在一定范围内的改动，可在硬件不做任何修改的情况下通过软件升级完成系统的更改要求；

6)该适配器结构上采用标准机箱设计，板卡设计为标准3U板卡，各个板卡相互独立，任何一块板卡的故障都不会使其它板卡的功能受影响，当出现板卡故障时，只需单独将故障板卡抽出重新更换即可；

7)电源模块采用双路冗余输出电源，两路电源互为热备，任何一路电源故障，系统供电功能不会受任何影响，仍可继续正常工作。

附图说明

图1为本实用新型适配器的连接图；

图2为本实用新型适配器的结构示意图；

图3为信号处理模块结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

一种通用型动车组高压信号适配器，该适配器用于将动车组高压系统的接触网电压信号、接触网电流信号、牵引变压器原边输入电流信号、牵引变压器原边接地回流电流信号四种信号进行降压降流、采集转换为低压直流0～15V信号，供动车组网络系统和牵引系统采集。

参见图1和图2，该适配器与动车组高压系统、动车组网络系统和牵引系统的连接关系图。图1中，该适配器分为4路通路，4路通路分别为接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC。各个单元板卡相互独立，任何一块板卡的故障都不会使其它板卡的功能受影响，当出现板卡故障时，只需单独将故障板卡抽出重新更换即可。其中，接触网采用的电压为0～35KVAC，接触网额定电压为25KVAC。

第一互感器TPM与接触网并联后与接触网电压转换单元CV输入端连接，完成网压信号的一次转换，将接触网电压信号按照AC 25KV：100V比例进行一次降压，输出0～150VAC电压信号。经接触网电压转换单元CV进行网压信号的二次转换，将一次转换后接触网电压信号按照AC 150V:5V比例二次降压，输出0～15VDC网流电压信号，供牵引网络系统采集。

第二互感器TAL与接触网串联后与接触网电流转换单元CC输入端连接，完成网流信号的一次转换，将接触网电流信号按照AC 600A：5A比例进行一次降流，输出0～10AAC电流信号。经接触网电流转换单元CC进行网流信号的二次转换，将一次转换后接触网电流信号按照AC8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供牵引网络系统采集。

第三互感器TAP1与牵引变压器原边输入电流信号串联后与变压器输入电流转换单元TIC输入端连接，完成牵引变压器原边输入电流信号的一次转换，将牵引变压器原边输入电流信号按照AC 300A：5A比例进行一次降压，输出0～10AAC电流信号。经变压器输入电流转换单元TIC进行牵引变压器输入电流信号的二次转换，将一次转换后牵引变压器原边输入电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供网络系统采集。

第四互感器TAP2与牵引变压器原边输出电流信号串联后与变压器输出电流转换单元TOC输入端连接，完成牵引变压器原边输出电流信号的一次转换，将牵引变压器原边输出电流信号按照AC 300A：5A比例进行一次降压，输出0～10AAC电流信号。经变压器输出电流转换单元TOC进行牵引变压器输出电流信号的二次转换，将一次转换后牵引变压器原边输出电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供网络系统采集。

参见图2，接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC均包括采集模块XXSM和信号处理模块XXPM，即接触网电压信号、接触网电流信号、变压器原边输入电流信号、变压器原边输出电流信号均依次经过采集模块XXSM和信号处理模块XXPM后，输出低压直流0～15V信号。

参见图2，采集模块XXSM包括接触网电压采集输入模块CVSM、接触网电流采集输入模块CCSM、变压器原边输入电流采集输入模块TICSM和变压器原边回流电流采集输入模块TOCSM。

由于动车组整车对该适配器安全等级要求较高，该适配器的采集模块XXSM采用双路采集、相互冗余的设计思路。采集模块XXSM包括双路采集电路，采用两只冗余互感器或两只冗余传感器。

通过更改双路采集电路信号输入端的采样电阻，实现电压型采样和电流型采样的转换。由于采集模块XXSM由高压电压/电流信号转换而来，其信号品质差，一般带有谐波分量，因此双路采集电路前级必须进行滤波处理，处理后信号传送至信号处理模块XXPM的差分放大电路DIF输入端。

接触网电压采集输入模块CVSM与一次降压后的网压信号并联，输出0～5VAC网压信号。接触网电流采集输入模块CCSM与一次降流后的网流信号串联，输出0～10mAAC网流信号。变压器原边输入电流采集输入模块TICSM与一次转换后牵引变压器原边输入电流信号串联，输出0～10mAAC电流信号。变压器原边回流电流采集输入模块TOCSM与一次转换后牵引变压器原边输出电流信号串联，输出0～10mAAC电流信号。

参见图2，信号处理模块XXPM包括接触网电压信号处理输出模块CVPM、接触网电流信号处理输出模块CCPM、变压器原边输入电流信号处理输出模块TICPM和变压器原边回流电流电流信号处理输入模块TOCPM。接触网电压信号处理输出模块CVPM、接触网电流信号处理输出模块CCPM、变压器原边输入电流信号处理输出模块TICPM和变压器原边回流电流电流信号处理输入模块TOCPM采用相同的电路结构，通过对电路结构中电阻参数配置，以适配不同的电压/电流输入信号范围。

参见图3，信号处理模块XXPM的电路结构包括差分放大电路DIF、有效值分析电路RMS、检测电路ADC、控制器CP、运放调理电路OPA和外围电路。背板侧输入信号与采集模块XXSM输出端连接，通过背板将采集模块XXSM输出端的电压电流信号与信号处理模块XXPM连接。

采集模块XXSM共包括两路冗余输出，两路冗余输出分别与差分放大电路DIF连接，通过差分放大电路DIF对信号进行必要的调理，使得信达到可采样的阈值。差分放大电路DIF输出端与有效值分析电路RMS输入端连接，通过有效值分析电路RMS实现交流信号到直流信号的转换。有效值分析电路RMS输出端与运放调理电路OPA连接，有效值分析电路RMS包括整流电路和积分电路，实现交流信号到直流信号的转换，并对输入信号进行降压降流，通过调节运放调理电路OPA的比例电阻，实现输入信号与输出信号匹配的要求。

差分放大电路DIF与有效值分析电路RMS以及有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA之间均设有选择开关，分别为第一选择开关K1、第二选择开关K2和第三选择开关K3。第一选择开关K1设置于第一差分放大电路DIF1与第一有效值分析电路RMS1之间；第二选择开关K2设置于第二差分放大电路DIF2与第二有效值分析电路RMS2之间；第三选择开关K3设置于有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA之间。

第一选择开关K1和第二选择开关K2均设有四路开关通路。其中，1路开关通路与差分放大电路DIF输出端连接；1路开关通路与正弦参考信号REFV连接；2路开关通路与模拟地信号连接AGND。第三选择开关K3设有四路开关通路。其中，2路开关通路分别与第一有效值分析电路RMS1和第二有效值分析电路RMS2输出端连接，1路开关通路与模拟地信号连接AGND；1路开关通路经数模转换芯片DAC与控制器CP连接，用于当2路有效值分析电路RMS均出现故障时，通过数模转换芯片DAC将相应模拟量信号直接输出至运放调理电路OPA处理。

检测电路ADC共有4路，采集有效值分析电路RMS信号输入端与信号输出端信号，采集后的数字量通过数字滤波等，用于判断各个通道信号硬件转换的正确性，并可通过控制检测电路ADC实现故障通道向正常通道的切换，并通过前面板输出故障信号。

其中，第一检测电路ADC1与第一有效值分析电路RMS1输入端连接，采集第一有效值分析电路RMS1输入端信号，并传送至控制器CP处理；第二检测电路ADC2与第二有效值分析电路RMS2输入端连接，采集第二有效值分析电路RMS2输入端信号，并传送至控制器CP处理；第三检测电路ADC3与第一有效值分析电路RMS1输出端连接，采集第一有效值分析电路RMS1输出端信号，并传送至控制器CP处理；第四检测电路ADC4与第二有效值分析电路RMS2输出端连接，采集第二有效值分析电路RMS2输出端信号，并传送至控制器CP处理。

外围电路与控制器CP连接。外围电路包括故障记录电路FM、配置信息电路Prom、自检测按键、时钟电路RTC、看门狗电路、串口通讯电路、温度检测电路TEMP、状态指示电路、电源状态监测电路和风扇控制电路。

其中，状态指示电路、串口通讯电路和自检测按键均与前面板输出信号连接，经前面板连接至动车组网络系统和牵引系统。自检测按键用于实现选择开关的通路切换，通过控制自检测按键，选择开关连通差分放大电路DIF或正弦参考信号REFV，实现一键自检功能，并将自检结果通过前面板指示灯显示，通过故障记录电路FM进行故障记录，存储于控制器CP中，通过上位机读取。

所述外围电路设有状态指示电路，状态指示电路设有3路继电器，通过控制器CP控制3路继电器冗余输出至网络系统和牵引网络系统

状态指示电路采用3路继电器冗余输出，输出连接至网络系统和牵引网络系统，状态指示电路用于指示该适配器的工作状态及2路有效值分析电路RMS的工作状态。通过串口通讯电路对系统进行更新维护。电源状态监测电路和风扇控制电路分别经背板侧与电源模块和风扇连接。

参见图2，该适配器还包括电源模块POWER，电源模块为接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC提供电能。电源模块POWER采用DC-DC隔离电源模块，将DC+110V输出电压转换为+24V和+5V电源。电源模块POWER包括2路冗余电源单元，每路电源单元输出端均连接防反二极管，当一个电源单元故障时，另一个电源模块继续供电，保证该适配器在单电源故障时向系统无间断供电，确保供电可靠性，且对电源单元进行保护。

参见图2，该适配器还包括风扇模块FANM，风扇模块FANM安装风扇或者加热带，风扇模块FANM的启停由控制器CP根据应用环境自行控制，以增强适配器对环境的适应性，满足了动车组高海拔，高温度，高寒等复杂恶劣环境应用需求。

该适配器的工作过程为：

1、实现双路信号采集功能

通过更改采集模块XXSM信号输入端的采样电阻，实现电压型采样和电流型采样的转换，并对采集模块XXSM的前级进行滤波处理，采集模块XXSM输出的采样电流信号和采样电压信号进入至差分放大电路DIF输入端，通过差分放大电路DIF对信号进行调理，使得信号达到可采样的阈值，有效值分析电路RMS进行交流信号到直流信号的转换，通过调解运放调理电路OPA的比例电阻，实现输入信号与输出信号匹配的要求，最终输出低压直流0～15V信号，供动车组网络系统和牵引系统采集。

2、实现采样电路在线诊断

该适配器正常工作时，控制器CP通过双路检测电路采集有效值分析电路RMS信号输入端与信号输出端信号，并进行实时监控比较；当该适配器发生故障时，在断开高压情况下，通过自检测按键，进行系统自诊断。自诊断过程为：控制器CP通过数模转换芯片DAC进行数模转换，开关通路接通给定正弦参考信号REFV，经差分放大电路DIF、有效值分析电路RMS输出，通过检测电路ADC对给定正弦参考信号REFV经有效值分析电路RMS信号输入端与信号输出端信号进行采样，通过比较给定正弦参考信号REFV与采样信号值来判定系统双路信号采集电路是否正常。

3、实现过流保护

通过上位机设置过流检测值，设定后的过流检测值通过数模转换芯片DAC进行转换，输出一个比较阈值，当输入信号超过此阈值时，控制器CP进行逻辑判断，为防止系统误动作，控制器CP设有延时电路和延时判断功能，故障确认后切除输出通道，同时将该过流故障通过状态指示电路输出。

4、实现故障输出

该适配器发生故障后，通过控制器CP控制状态指示电路的控制器CP通道连通，输出故障信号。

5、实现状态显示

该适配器发生故障后，前面板设有状态显示灯，可显示电源模块POWER、在线诊断和双路通道状态。

Claims (9)

1.一种通用型动车组高压信号适配器，其特征在于：该适配器包括接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC和电源模块；接触网电压转换单元CV、接触网电流转换单元CC、变压器输入电流转换单元TIC和变压器输出电流转换单元TOC均包括采集模块XXSM和信号处理模块XXPM；采集模块XXSM输入端与接触网信号端及牵引变压器原边信号端连接，信号处理模块XXPM的电路结构包括差分放大电路DIF、有效值分析电路RMS、检测电路ADC、控制器CP、运放调理电路OPA和外围电路，差分放大电路DIF输入端与采集模块XXSM输入端连接，采集模块XXSM共包括两路冗余输出，两路冗余输出分别与差分放大电路DIF连接，差分放大电路DIF依次经有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA连接，运放调理电路OPA输出端输出0～15VDC网流电压信号至动车组网络系统和牵引系统，检测电路采集有效值分析电路RMS信号输入端与信号输出端信号，控制器CP连接检测电路ADC、运放调理电路OPA和外围电路。

2.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述接触网电压转换单元CV输入端与第一互感器TPM连接，第一互感器TPM与接触网并联，将接触网电压信号按照AC 25KV：100V比例进行一次降压，输出0～150VAC电压信号；接触网电压转换单元CV将一次转换后接触网电压信号按照AC 150V:5V比例二次降压，输出0～15VDC网流电压信号，供牵引网络系统采集。

3.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述接触网电流转换单元CC输入端与第二互感器TAL连接，第二互感器TAL与接触网串联，将接触网电流信号按照AC 600A：5A比例进行一次降流，输出0～10AAC电流信号；接触网电流转换单元CC将一次转换后接触网电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供牵引网络系统采集。

4.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述变压器输入电流转换单元TIC输入端与第三互感器TAP1连接，第三互感器TAP1与牵引变压器原边输入电流信号串联，将牵引变压器原边输入电流信号按照AC 300A：5A比例进行一次降压，输出0～10AAC电流信号；变压器输入电流转换单元TIC将一次转换后牵引变压器原边输入电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供网络系统采集。

5.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述变压器输出电流转换单元TOC输入端与第四互感器TAP2连接，第四互感器TAP2与牵引变压器原边输出电流信号串联，将牵引变压器原边输出电流信号按照AC 300A：5A比例进行一次降压，输出0～10AAC电流信号；变压器输出电流转换单元TOC将一次转换后牵引变压器原边输出电流信号按照AC 8A：24mA比例进行二次降流，输出0～15VDC网流电压信号，供网络系统采集。

6.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述差分放大电路DIF与有效值分析电路RMS以及有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA之间均设有选择开关，分别为第一选择开关K1、第二选择开关K2和第三选择开关K3；第一选择开关K1设置于第一差分放大电路DIF1与第一有效值分析电路RMS1之间；第二选择开关K2设置于第二差分放大电路DIF2与第二有效值分析电路RMS2之间；第三选择开关K3设置于有效值分析电路RMS与运放调理电路OPA之间；第一选择开关K1和第二选择开关K2均设有四路开关通路，1路开关通路与差分放大电路DIF输出端连接；1路开关通路与正弦参考信号REFV连接；2路开关通路与模拟地信号连接AGND；第三选择开关K3设有四路开关通路，2路开关通路分别与第一有效值分析电路RMS1和第二有效值分析电路RMS2输出端连接，1路开关通路与模拟地信号连接AGND；1路开关通路经数模转换芯片DAC与控制器CP连接。

7.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述外围电路设有状态指示电路，状态指示电路设有3路继电器，通过控制器CP控制3路继电器冗余输出至网络系统和牵引网络系统。

8.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述外围电路设有自检测按键，通过控制自检测按键，选择开关连通差分放大电路DIF或正弦参考信号REFV，自检结果通过前面板指示灯显示，故障记录存储于控制器CP中。

9.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于：所述电源模块POWER包括2路冗余电源单元，每路电源单元输出端均连接防反二极管，当一个电源单元故障时，另一个电源模块继续供电。