軌道交通車輛電能監控系統方案研究

常青

【摘 要】電能監控系統是軌道交通車輛的新興重要技術之一，通過計算列車各站點之間的距離，能夠實時掌握列車的行駛狀態及用電狀況，合理分配列車行駛所需的電能，能夠有效防止電能的浪費。本文提出了一種新型電能監控系統，特點是具備多重冗余電路的列車車載電能監控系統，并且對列車電能監控系統方案進行了概述，主要包括系統組成、各關鍵部件、顯示界面和接線圖。

【關鍵詞】軌道交通車輛；電能監控系統

一、概述

列車的電能監控系統主要實現對整車供電安全的實時監控，可以精確計算列車從電網上消耗的電能，并將電能值在列車員車廂里顯示。同時該系統監測列車上供電參數如：電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波含量等，為司機或機械師掌握列車的供電情況提供了保障，是重要的安全保障系統。

目前，國內軌道交通所用的電能監控系統多安裝于受電弓車廂內，整體電能監控系統包括：信號采集器、處理單元、顯示器，信號采集器、處理單元、顯示器依次連接，所述的處理單元內部由信號轉化電路、計量芯片、CPU、數據存儲芯片依次連接成一路信號處理電路，若處理單元受到損壞，則電能監控系統則無法處理信號采集器收集到的電流、電壓信號，電能監控系統會處于癱瘓狀態，不利于準確計量列車的電能使用情況，因此，本文提出一種在一路信號處理電路受損的情況下也能夠同樣計量列車行駛情況的車載電能監控系統方案。本文闡述的列車電能監控系統方案，基于RS485總線將處理器采集到的實時電氣參數并傳送到顯示單元。

二、方案

為了實現以上目的，本實提出了一種具備多重冗余的列車車載電能監控系統，包括信號采集處理單元和顯示單元，所述信號采集處理單元至少兩個，該信號采集處理單元與顯示單元采用通訊連接，所述信號采集處理單元包括信號采集器和信號處理器，所述信號處理器內部至少設有兩條信號處理電路，所述新型號處理電路有信號轉換電路、計量芯片和CPU依次連接構成。

為了擴大CPU的存儲量，所述信號處理電路包括數據存儲芯片，所述數據存儲芯片與CPU相連接，便于其存貯大量行駛數據。

所述顯示單元包括顯示器和存儲單元，顯示器與存儲單元相連接，存儲單元與數據存儲芯片相連接。

所述信號采集器包括電流傳感器和電壓傳感器，電流傳感器和電壓傳感器與信號轉換電路連接。

提升改進：本文提出的列車電能監控系統具備多重冗余電路，于現有的列車電能監控系統技術相比，具有以下優點：

1.結構簡單：本實用新型無需增加新的設備，只需在處理單元內設置兩條完全獨立的冗余電路，可實現在一路電路受損的情況下另一路可繼續工作，保證列車供電電能計算的準確性；

2.精確度高：本實用新型通過設置兩個處理單元，可保證在一個處理單元完全損壞的情況下，另一個處理單元可繼續對行車數據進行監控，保證列車行駛數據的準確性。

（一）系統組成

電能監控系統主要由2個處理單元和1個顯示單元組成。其系統架構如圖1所示。在每處受電弓車廂內設置一組信號采集（電流互感器及電壓傳感器）及處理單元，然后在餐車處設置一個顯示單元，提供用戶界面及人機對話。各個處理單元與顯示單元之間通過485 進行聯絡，傳送數據。系統的連接結構如圖2所示。

（二）各部件介紹

（1）采樣接口：

列車上電壓信號由25V的1：1隔離變壓器進行隔離采樣。25V對應接觸網壓為25KV。列車上電流信號由電流互感器5A：20mA進行變換采樣。5A對應接觸網電流為800A。

（2）處理單元：

處理單元可以實現采集并處理列車運行過程中受電弓與電網之間實時的電氣參數，通過RS485 現場總線傳送到顯示單元。處理單元采用了冗余設計，兩路同時計量，一路癱瘓一路仍可繼續工作。同時，如果顯示單元和處理單元之間通訊癱瘓，處理單元可繼續工作并保存電氣參數，待通訊恢復，顯示單元仍可接收到癱瘓那段時間的電氣參數。具備USB 數據下載功能。處理單元具體的外形與安裝尺寸如圖3所示，接線方法如圖4所示。

（3）顯示單元：

顯示單元通過RS485 現場總線與處理單元相連，接收處理單元送上來的數據，顯示列車運行過程中實時的電氣參數，并對數據進行分析、處理、貯存。用戶可以對列車運行過程中的電氣參數的實時查詢，在線修改和設置控制參數，給處理單元下達指令。顯示單元具體的外形與安裝尺寸如圖5所示，接線方法如圖6所示。操作界面可直觀顯示整個系統參數動態，報警顯示，并可按要求儲存有關即時參數及歷史運轉參數（如圖7所示）。具備USB 數據下載功能。

（三）安全性

系統各個組成部件均有金屬外殼（電流互感器除外），外殼均有接地柱，可確保人身安全。系統各零部件均符合BST 對非金屬材料及限制采用材料的要求。符合在列車上使用的安全性要求。

本文闡述的列車電能監控系統性能符合《EN 50463_2007 鐵路應用-車載電能儀表》和《GB_25119-2010-T_軌道交通_機車車輛電子裝置》標準中的相關條款以及《EMU 250 Coach NG Technical Description-Electric Energy Monitoring System》的要求。

三、結論

近年各地軌道交通項目建設中，對于設備節能環保的要求逐漸提高。為了對軌道交通車輛數據實時監測、能耗統計分析、節能潛力挖掘、節能控制、節能效果提供技術支持，越來越多的項目引入了電能監控系統。現有的電能監控系統若處理單元受到損壞，則電能監控系統則無法處理信號采集器收集到的電流、電壓信號，電能監控系統會處于癱瘓狀態，不利于準確計量列車的電能使用情況，因此，研究出一種在一路信號處理電路受損的情況下也能夠同樣計量列車行駛情況的車載電能監控系統是目前需要解決的問題之一。本文中的電能監控系統通過設置兩個處理單元，可保證在一個處理單元完全損壞的情況下，領另一個處理單元可以繼續對行車數據進行監控，保證列車行駛數據的準確性。

【參考文獻】

[1] 顧岷.我國城市軌道交通發展現狀與展望[J].中國鐵路，2011：53-56.

[2] 寧濱.高速列車運行控制系統.北京，科學出版社，2012：251.

[3] 中車長客股份有限公司 列車網絡用戶文件[z].2012.endprint