JP2013135605A - 鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置 - Google Patents

鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置を提供する。
【解決手段】電力供給先及び負荷側に各々設置されて、電圧と電流値を検出する電圧検出部6,12及び電流検出部8,14と、印加された信号の入力を受ける信号入力部16と、印加されたアナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部18と、リアルタイムで受信されたデータを保存するデータ保存部26と、収集されたデータを記録するデータ記録部24からなるメモリーと、モニタリングされたデータを画面出力する表示部32と、電力供給先及び負荷側で各々検出された電流と電圧値の印加をリアルタイムで受けて、その変動推移をモニタリングして、電力の流れ、供給電力量を保存して、通信モジュール28を介して、遠隔地に該当情報を送信処理する制御部20と、を備えることを特徴とする、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2が提供される。
【選択図】図1

Description

本発明は、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置に関し、より詳細には種々の産業分野のAC及びDC電源側の電圧と電流センサーを利用してエネルギーの流れ及び電力量を計算して記録するもので、交流の場合は電圧電流の位相を検知し、直流の場合は電流の方向を検知して、消費電力を求め、保存されたデータを分析する鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置に関するものである。
周知のように、各産業分野で使われる慣性が大きいモーター負荷という特性のために一般韓電(韓国電力公社)の常用ラインとは異なる。
瞬く間に多くの電力を消耗したり逆にスマートグリッド分野及び鉄道電力システム分野では、韓電電力を供給したりもするため、韓電が供給する電源環境を大きく変動させる。このようにエネルギー源が変動するほどの多くの電力量が流れる負荷に設備やシステムを設置しようとすると必ずその位置の電気的環境や電力流れの様子を確認する作業を先行して行う必要がある。
鉄道電力システムの場合には、韓電から12相整流器に供給される変電所の平常電圧が1620[V]のDC架線ラインが、電車の電動機が電力を消耗する逆行時には、実際電圧が1580[V]以下に落ち、電気制動で電動機が発電機として動作する回生時には、電圧が1800[V]まで上昇する。この時流れる電流は数百アンペアに達する。
このような環境に置かれるシステムの容量を決めて、電力品質分析のためには一定期間の電力データを収集、記録、分析する必要がある。これは、電源供給源の変電所だけでなく負荷である列車でも同様である。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、各産業分野のAC及びDC電源側の電圧と電流センサーを利用して、エネルギーの流れ及び電力量を計算して記録するもので、交流の場合は電圧電流の位相を検知し、直流の場合は電流の方向を検知して、消費電力を求めて保存データを分析する鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電力供給先及び負荷側に各々設置されて、電圧と電流値を検出する電圧検出部及び電流検出部と、前記電圧検出部及び電流検出部から印加された信号の入力を受ける信号入力部と、前記信号入力部から印加されたアナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部と、リアルタイムで受信されたデータを保存するデータ保存部と、収集されたデータを記録するデータ記録部からなるメモリーと、モニタリングされたデータを画面出力する表示部と、電力供給先及び負荷側で各々検出された電流と電圧値の印加をリアルタイムで受けて、その変動推移をモニタリングして、電力の流れ、供給電力量を保存して、通信モジュールを介して、遠隔地に該当情報を送信処理する制御部と、を備えることを特徴とする、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置が提供される。
前記制御部は、TMS320c32−60(DSP)からなる演算部を更に含んでいてもよい。
上記鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置は、入出力信号の絶縁を行うためにTLP620−4と命名されたフォトカプラをさらに備えていてもよい。
前記電圧検出部は、DCPT 2516であってもよい。
前記制御部は、TMS320C32に対する回路と電源監視回路(リセット回路)を含んでいてもよい。
前記電源監視回路は、DS1232からなり、3番ピン(TOL)が、VCCに連結する場合、電源が4.5[V]以下のときにリセット信号を出力し、GNDに連結する場合、4.75[V]以下に落ちるときにリセット信号を出力してもよい。
前記制御部は、7番ピン(ST)にパルスが入力されない場合、リセットを出力することによって、CPUのプログラムが正しく動作しているかを監視するウォッチドッグ(Watch dog)機能を具現し、前記ウォッチドッグ(Watch dog)機能は、2番ピン(TD)がVCCに連結している時は1.2秒間、GNDに連結している時は150ミリ秒間、オープン(open)の場合500ミリ秒間のパルスが入力されなければリセット信号を出力するものであってもよい。
以上説明したように本発明に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置は、ACライン及び負荷である列車側の電圧と電流をリアルタイムでモニタリングすることによって、その変動推移及び消費電力量、電力の流れをグラフィックやテキストとして出力でき、これによって架線環境を全体的に簡単に把握できる長所がある。
本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置の構成を示したブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置を示した写真である。 本発明の一実施形態に係る信号変換部を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るフォトカプラを示したブロック図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁AMPを示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るモニターPCBを示したブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電源監視回路を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るCPUの要部を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るメモリーの要部を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るFPGAの要部を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係る直列通信制御部を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るRS 232ドライバーを示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るRS485通信回路を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るアナログ絶縁回路を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るデジタル入力回路を示した回路図である。 本発明の一実施形態に係るPCMCIAカードコネクター回路を示した回路図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置の構成を示したブロック構成図、図2は、本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置を示した図である。
図1及び図2を参照すると、本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2は、リアルタイムデータ収集のためのモニタリング装置は、(株)ウジン産電製であり、内部試験によって検証された。主演算を実行するデジタル信号処理器は、TSM320c32であり、5ミリ秒でサンプリングしてデータ値を収集する。サンプリングデータは、CFカードに記録して、記録データをPC分析用プログラムによって分析及びグラフ表示を行う。
本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2の詳細仕様は表1の通りである。
本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2は、電力供給先4及び負荷10側に各々設置されて、電圧と電流値を検出する電圧検出部6、12及び電流検出部8、14と、電圧検出部6、12及び電流検出部8、14から印加された信号の入力を受ける信号入力部16と、信号入力部16から印加されたアナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部18と、リアルタイムで受信されたデータを保存するデータ保存部26と、収集されたデータを記録するデータ記録部24からなるメモリー22と、モニタリングされたデータを画面出力する表示部32と、表示部32を駆動する表示駆動部30と、電力供給先及び負荷側で各々検出された電流と電圧値の印加をリアルタイムで受けて、その変動推移をモニタリングして、電力の流れ、供給電力量を保存して、通信モジュール28を介して、遠隔地で該当情報を送信処理する制御部20で構成される。
より詳細には、制御部20は、TMS320c32−60(DSP)の演算部が含まれるため、アナログ信号のデジタル変換、カード記録、データ演算及び処理を行うデジタル信号処理器で32ビットの浮動小数点演算が可能であり、高精度のデータ加工に適し、その特徴は表2の通りである。
表示部32と表示駆動部30は、モジュール形態で提供されるが、Graphic LCDモジュールとして設計され、一般にLCDモジュールの内部にはインターフェース部、制御部、表示部、バックライト部等で構成される。LCDモジュールだけでなく、これの核心素子に該当するCharacter Generator ROM、Character Generator RAM、Display Data RAM等を内蔵したLSIが日本で初めて開発されたため、CG ROMには日本語文字を表す機能を有している。
LCDモジュールをCPUに接続するための信号や電源は、14ピンの端子になっており、ここにバックライト機能を行うために15番と16番ピンが追加された。表3は、LCD Display機能部のピンアサインを示す。
信号変換部18は、AD7891AS−1(A/D Converter)が採用され、電流及び電圧、応荷重のようなアナログ信号の入力及びデジタル値への変換を行うために使われ、図3にその回路図を示す。またAD7891AS−1は以下のような特徴を有する。
・Fast 12−Bit ADC with 1.6 ms Conversion Time
・Eight Single−Ended Analog Input Channels
・Overvoltage Protection on Each Channel
・Selection of Input Ranges: ±5 V、 ±10 V for AD7891−1
・Parallel and Serial Interface
・On−Chip Track/Hold Amplifier
・On−Chip Reference
・Single Supply、Low Power Operation (85 mW max)
一方、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2には、TLP620−4(フォトカプラ)がさらに含まれるが、TLP620−4(フォトカプラ)は、入出力信号の絶縁を行うために使われ、P(11)、B0(27)、B1(28)、B2(29)、Door(145)信号のようなDC100V Level信号の入力に使われる。図4にその回路図を示す。また表4にフォトカプラの電気的特性を示す。
一方、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2には、AD202JY(アイソレーションアンプ)がさらに含まれるが、応荷重及びノッチ入力信号は、VVVF制御装置の制御に使われる主要因子で、インターフェースする過程においてモニタリング装置からの影響を最小化するために入力と出力を絶縁する用途としてAD202JY(アイソレーションアンプ)がさらに構成され、図5の回路図がこれに該当する。またAD202JYは以下のような特徴を有する。
・Small Size:4Channels/lnch
・High CMR:130dB(Gain=100V/V)
・Wide Bandwidth:5kHz Full−Power
・High CMV Isolation:±2000V pk Continuous
・Isolated Power Outputs
また、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2には、DS12c887(時計IC)がさらに含まれるが、DS12c887(時計IC)は、記録装置(CF Card)に保存される時間を設定するために使われ、制御電源がOffになっても内部のバッテリーが内蔵されているため、時間は持続的に進む。またDS12c887(時計IC)は以下のような特徴を有する。
・Totally nonvolatile with over 10 years of operation in the absence of power
・Self−contained subsystem includes lithium,quartz、and support circuitry.
・Counts seconds,minutes、hours、days、day of the week,date,month,and year with leap year compensation valid up to 2100
・Binary or BCD representation of time and calendar
・15 bytes of clock and control registers
・113 bytes of general purpose RAM
また、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2に構成された電圧検出部6、12は電圧センサー(DCPT 2516)を使う。DCPT 2516は以下のような特徴を有する。
・Sensor Scale:3000V/10V
・Rated Voltage:1800Vdc
・Polarity:Unipolar
・Purpose:Voltage measurement of filter capacitor
一方、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2に構成された電流検出部8、14は、電流センサー(KLL3.0K−10VD)である。KLL3.0K−10VDは以下のような特徴を有する。
・Sensor Scale:3000A/10V
・Polarity:Bipolar
・Purpose:Current measurement of inverter and SIV
より詳細には、本発明の一実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2の中の制御部20は、Texas Instruments社のリアルタイムFloating point演算が可能なTMS320c32−60 DSPが取り付けられており、主制御部と、制御電源を供給するDC power、およびアナログ入出力絶縁のためのA/Dボードで構成される。
制御部20を示した制御ボードのブロック図は、図6同様、状態データモニター、データ収集及び記録、PCとのRS232C通信を介した時間設定等を行う。
より詳細には、制御部20は、TMS320C32に対する回路及び電源監視回路(リセット回路)を含むが、図7に示された回路図が電源監視回路図である。
図7の回路は、CPUとその他回路にリセット信号を作る回路である。
DS1232は、3番ピン(TOL)VCCに連結する場合電源が4.5[V]以下の場合、にリセット信号を出力し、GNDに連結する場合、4.75[V]以下になる場合、リセット信号を出力する(電源監視)。
また、CPUのプログラムが正しく動作しているかを監視するウォッチドッグ(Watch dog)機能を有するが、これは7番ピン(ST)にパルスが入力されない場合、リセットを出力する機能である。これは2番ピン(TD)がVCCに連結している時、1.2秒間、GNDに連結している時には150ミリ秒間、オープン(open)の場合500ミリ秒間のパルスが入力されなければリセットが出力される。1番ピン(PBRST)ではプッシュボタンを利用して手動でリセットできるようになっている。
図8は、CPU部分の回路を示す説明図である。
上記で説明したDSPについてより詳細に説明すると、TMS320C32は回路図から分かるように基本的に1個のバスで24ビットアドレスと32ビットデータバスを有する。また、1個の直列ポートは、プログラムデータのダウンロードとプログラムモニターとしてコンネクトを介してPCと連結が可能で、32ビット2チャンネルのタイマーは周期的なデータ処理が可能にする。電源電圧は、DC5Vであり、動作クロックは、60MHzの水晶振動子が使われる。
メモリー22は、基本的にROMとRAMを必要とする。8ビットROMと16ビットRAMを使った。図9は、メモリーを示した回路図である。
ROMは、基本的に反復記録が可能なフラッシュROMを使い、RAMはプログラム演算のためSRAMと故障データを保存するために非揮発性のNVSRAM(Non−volatile SRAM)を使う。
各々のメモリーチップは、アドレスバス入力の部分があって、データ入力の部分がある。なお、各チップの選択のためのチップセレクト信号(CS、またはCEピン)を有し、RD、WR等の入力ピンがある。チップセレクト信号は、各チップを選択する信号であり、アドレスデコーディングを介してFPGAのロジック回路で作られる。
FPGA部分は、図10に示され、FPGAはロジック回路をプログラムできるチップであり、モニターPCBで各チップのアドレスデコーディング、デジタル入力と出力を制御するロジック回路を構成する。
FPGAでは、アドレスデコーディングをしなければならないため、当然アドレスバスは入力されなければならない。また、シーケンス制御や故障処理をしなければならないため、デジタル入力とデジタル出力がFPGAのピンと連結しなければならない。そして、各チップのチップセレクト信号が連結しており、CPUのデータバスが連結する。
通信モジュール28を調べると、主制御ボードの通信は、二つのチャンネルを持つように設計された。一つはRS232通信で、PCとデータをやりとりするための目的で設計され、これはZ85C30という直列通信コントローラーを使った。図11と図12にZ85C30の回路とRS232ドライバー回路を示した。
他の一つはRS485通信で、これは追加的な通信の連結のために構成したものであり、この時の通信ポートはZ85C30の二番目のチャンネルの通信ポートを使い、この信号をRS485方式に変換される回路は図13に示した。
信号入力部16は、アナログ信号及びデジタル信号を入力する入力部であり、主制御ボードは、アナログ入力で電流と電圧を有する。応荷重及びノッチ値は制御信号に使われるため、主制御ボードとは電気的に絶縁されていなければ安全性を保障することができない。従って、別のアナログ絶縁ボードを設計して追加する。
図14に示されたアナログ絶縁回路を調べると、この回路の入力電圧は抵抗として分圧されてフィルターを経た後、アイソレーションアンプであるAD202の入力端に連結した。この時、分圧抵抗は特に高精度を持っているべきで、高圧が印加される部分であるため、適宜の容量でなければならない。AD202の出力端でフィルターとバッファーを経てCPUで入力される。
図15は、本発明の一実施形態に係るデジタル入力回路を示した回路図である。図15からデジタル信号入力を調べると、主制御ボードはDC100V Levelの信号を、フォトカプラを介して入力が受けられるデジタル入力信号が12チャンネルある。そのうち現在使用中のチャンネルは逆行信号(P)、制動信号(B0、B1、B2)とノッチ入力、出入口信号が入力される。
本実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置2を構成する主制御ボードは、コンパクトフラッシュ(登録商標)カード(CFカードという)を挿入できるPCMCIA connector(図16参照)を有し、その値は2ギガバイトまで読み込めるように設計される。
各Pinは、アドレスとデータバスが結線されており、CFカード制御する制御ピンがFPGAを介してDSPとインターフェースするようになる。CFカードの記録最小単位は、セクタで512バイトを一度に記録するようになっており、アナログ値及びデジタル入力値は臨時メモリーに保存されて最小単位のメモリー大きさに保存されると、この時その値をCFカードに記録するようになる
また、CFカードに記録されたデータは、ヘッダ、ボディー及び測定されたデータで演算された電力計算部に分れる。64×1,024バイトを一つのブロックで記録し、最大ブロックの大きさは30,720個で構成されており、全容量は2ギガバイトとなる。一つのブロックを記録する場合、一つのブロック当たり一つのヘッダと1,820個のボディーを含み、表5と表6は、ヘッダとボディーのメモリーマップに対する構成を示す。
ここで、nはBlockの数として、0から30,719までを示した。
一つのメモリーブロックを記録するのに必要とする時間は、サンプリング周期5ミリ秒を1,820回記録する時間で、9.1秒の時間を示した。従って、2ギガバイトのメモリー全体を記録するのに必要とする時間は30,720[ブロック]×9.1[秒]=279,552[秒]を記録でき、これは77.65時間を示す。記録されたデータは、この時間範囲を越えるようになると、初期状態のブロックで記録して、以前のデータを上書きするようになる。
一方、本発明の実施形態に係る鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置は、単に上記実施形態に限定されるものではなく、その技術的要旨を離脱しない範囲内で多様な変更が可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
2 電力品質モニタリング装置
4 電力供給先
6、12 電圧検出部
8、14 電流検出部
10 負荷
16 信号入力部
18 信号変換部
20 制御部
22 メモリー
24 データ記録部
26 データ保存部
28 通信モジュール
30 表示駆動部
32 表示部

Claims (7)

  1. 電力供給先及び負荷側に各々設置されて、電圧と電流値を検出する電圧検出部及び電流検出部と、
    前記電圧検出部及び電流検出部から印加された信号の入力を受ける信号入力部と、
    前記信号入力部から印加されたアナログ信号をデジタル信号に変換する信号変換部と、
    リアルタイムで受信されたデータを保存するデータ保存部と、
    収集されたデータを記録するデータ記録部からなるメモリーと、
    モニタリングされたデータを画面出力する表示部と、
    電力供給先及び負荷側で各々検出された電流と電圧値の印加をリアルタイムで受けて、その変動推移をモニタリングして、電力の流れ、供給電力量を保存して、通信モジュールを介して、遠隔地に該当情報を送信処理する制御部と、
    を備えることを特徴とする、鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置。
  2. 前記制御部は、TMS320c32−60(DSP)からなる演算部を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置。
  3. 入出力信号の絶縁を行うためにTLP620−4と命名されたフォトカプラをさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置。
  4. 前記電圧検出部は、DCPT 2516であることを特徴とする、請求項1に記載の鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置。
  5. 前記制御部は、TMS320C32に対する回路と電源監視回路(リセット回路)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置。
  6. 前記電源監視回路は、DS1232からなり、3番ピン(TOL)が、VCCに連結する場合、電源が4.5[V]以下のときにリセット信号を出力し、GNDに連結する場合、4.75[V]以下に落ちるときにリセット信号を出力することを特徴とする、請求項5に記載の鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置。
  7. 前記制御部は、7番ピン(ST)にパルスが入力されない場合、リセットを出力することによって、CPUのプログラムが正しく動作しているかを監視するウォッチドッグ(Watch dog)機能を具現し、
    前記ウォッチドッグ(Watch dog)機能は、2番ピン(TD)がVCCに連結している時は1.2秒間、GNDに連結している時は150ミリ秒間、オープン(open)の場合500ミリ秒間のパルスが入力されなければリセット信号を出力するものであることを特徴とする、請求項5に記載の鉄道電力システムにおける電力品質モニタリング装置。
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