轨道交通车辆电能监控系统方案研究
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【摘 要】电能监控系统是轨道交通车辆的新兴重要技术之一，通过计算列车各站点之间的距离，能够实时掌握列车的行驶状态及用电状况，合理分配列车行驶所需的电能，能够有效防止电能的浪费。本文提出了一种新型电能监控系统，特点是具备多重冗余电路的列车车载电能监控系统，并且对列车电能监控系统方案进行了概述，主要包括系统组成、各关键部件、显示界面和接线图。
【关键词】轨道交通车辆；电能监控系统
一、概述
列车的电能监控系统主要实现对整车供电安全的实时监控，可以精确计算列车从电网上消耗的电能，并将电能值在列车员车厢里显示。同时该系统监测列车上供电参数如：电压、电流、有功功率、无功功率、谐波含量等，为司机或机械师掌握列车的供电情况提供了保障，是重要的安全保障系统。
目前，国内轨道交通所用的电能监控系统多安装于受电弓车厢内，整体电能监控系统包括：信号采集器、处理单元、显示器，信号采集器、处理单元、显示器依次连接，所述的处理单元内部由信号转化电路、计量芯片、CPU、数据存储芯片依次连接成一路信号处理电路，若处理单元受到损坏，则电能监控系统则无法处理信号采集器收集到的电流、电压信号，电能监控系统会处于瘫痪状态，不利于准确计量列车的电能使用情况，因此，本文提出一种在一路信号处理电路受损的情况下也能够同样计量列车行驶情况的车载电能监控系统方案。本文阐述的列车电能监控系统方案，基于RS485总线将处理器采集到的实时电气参数并传送到显示单元。
二、方案
为了实现以上目的，本实提出了一种具备多重冗余的列车车载电能监控系统，包括信号采集处理单元和显示单元，所述信号采集处理单元至少两个，该信号采集处理单元与显示单元采用通讯连接，所述信号采集处理单元包括信号采集器和信号处理器，所述信号处理器内部至少设有两条信号处理电路，所述新型号处理电路有信号转换电路、计量芯片和CPU依次连接构成。
为了扩大CPU的存储量，所述信号处理电路包括数据存储芯片，所述数据存储芯片与CPU相连接，便于其存贮大量行驶数据。
所述显示单元包括显示器和存储单元，显示器与存储单元相连接，存储单元与数据存储芯片相连接。
所述信号采集器包括电流传感器和电压传感器，电流传感器和电压传感器与信号转换电路连接。
提升改进：本文提出的列车电能监控系统具备多重冗余电路，于现有的列车电能监控系统技术相比，具有以下优点：
1.结构简单：本实用新型无需增加新的设备，只需在处理单元内设置两条完全独立的冗余电路，可实现在一路电路受损的情况下另一路可继续工作，保证列车供电电能计算的准确性；
2.精确度高：本实用新型通过设置两个处理单元，可保证在一个处理单元完全损坏的情况下，另一个处理单元可继续对行车数据进行监控，保证列车行驶数据的准确性。
（一）系统组成
电能监控系统主要由2个处理单元和1个显示单元组成。其系统架构如图1所示。在每处受电弓车厢内设置一组信号采集（电流互感器及电压传感器）及处理单元，然后在餐车处设置一个显示单元，提供用户界面及人机对话。各个处理单元与显示单元之间通过485 进行联络，传送数据。系统的连接结构如图2所示。
（二）各部件介绍
（1）采样接口：
列车上电压信号由25V的1：1隔离变压器进行隔离采样。25V对应接触网压为25KV。列车上电流信号由电流互感器5A：20mA进行变换采样。5A对应接触网电流为800A。
（2）处理单元：
处理单元可以实现采集并处理列车运行过程中受电弓与电网之间实时的电气参数，通过RS485 现场总线传送到显示单元。处理单元采用了冗余设计，两路同时计量，一路瘫痪一路仍可继续工作。同时，如果显示单元和处理单元之间通讯瘫痪，处理单元可继续工作并保存电气参数，待通讯恢复，显示单元仍可接收到瘫痪那段时间的电气参数。具备USB 数据下载功能。处理单元具体的外形与安装尺寸如图3所示，接线方法如图4所示。
（3）显示单元：
显示单元通过RS485 现场总线与处理单元相连，接收处理单元送上来的数据，显示列车运行过程中实时的电气参数，并对数据进行分析、处理、贮存。用户可以对列车运行过程中的电气参数的实时查询，在线修改和设置控制参数，给处理单元下达指令。显示单元具体的外形与安装尺寸如图5所示，接线方法如图6所示。操作界面可直观显示整个系统参数动态，报警显示，并可按要求储存有关即时参数及历史运转参数（如图7所示）。具备USB 数据下载功能。
（三）安全性
系统各个组成部件均有金属外壳（电流互感器除外），外壳均有接地柱，可确保人身安全。系统各零部件均符合BST 对非金属材料及限制采用材料的要求。符合在列车上使用的安全性要求。
本文阐述的列车电能监控系统性能符合《EN 50463_2007 铁路应用-车载电能仪表》和《GB_25119-2010-T_轨道交通_机车车辆电子装置》标准中的相关条款以及《EMU 250 Coach NG Technical Description-Electric Energy Monitoring System》的要求。
三、结论
近年各地轨道交通项目建设中，对于设备节能环保的要求逐渐提高。为了对轨道交通车辆数据实时监测、能耗统计分析、节能潜力挖掘、节能控制、节能效果提供技术支持，越来越多的项目引入了电能监控系统。现有的电能监控系统若处理单元受到损坏，则电能监控系统则无法处理信号采集器收集到的电流、电压信号，电能监控系统会处于瘫痪状态，不利于准确计量列车的电能使用情况，因此，研究出一种在一路信号处理电路受损的情况下也能够同样计量列车行驶情况的车载电能监控系统是目前需要解决的问题之一。本文中的电能监控系统通过设置两个处理单元，可保证在一个处理单元完全损坏的情况下，领另一个处理单元可以继续对行车数据进行监控，保证列车行驶数据的准确性。
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