（电力电子与电力传动专业论文）电力机车智能电度表系统.pdf

j 匕立交通叁堂亟堂位论塞 旦墨i 丛至 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m ya n dt h ec o n t i n u a l l y i n c r e a s e dr e q u i r e m e n tf o rt r a n s p o r t a t i o nm a k ec h i n e s er a i l w a yf a c i n g g o d g i v e n o p p o r t u n i t yf o rd e v e l o p m e n t t h ef l y i n gd e v e l o p m e n to fr a i l w a ya r o u s e sm a n y l o c o m o t i v e s t r i d i n g o v e rr a i l w a yd i s t r i c t ，w h i c h b r i n g a n e n e r g ym e a s u r ea n d m a n a g e m e n tp r o b l e m ，a n dt h ep r o b l e mm u s t b es o l v es o o n t h i st h e s i si st h ee x p a n s i o no fd d s d j - i ia m m e t e rf o re l e c t r i cl o c o m o t i v e w h i c hi s t h es u b - t a s ko ft h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mf o re l e c t r i cl o c o m o t i v ei nl a n z h o u r a i l w a yb u r e a u y i n g s h u i q i a od e p o t a tf i r s t ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h et e c h n o l o g y a c t u a l i t y , m a n a g ea c t u a l i t ya n da c t u a lp r o b l e m so ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la m m e t e r i n v i e wo ft h e s eq u e s t i o n s ，w ed e v e l o pas y s t e mo fi n t e l l i g e n ta m m e t e rf o re l e c t r i c l o c o m o t i v eb a s e do na t t 7 0 2 2 a t h es y s t e mc a nm e a s u r e se l e c t r i cl o c o m o t i v e sv o l t a g e ， f o r w a r da c t i v ee n e r g y , b a c k w a r da c t i v ee n e r g y , f o r w a r dr e a c t i v ee n e r g ya n db a c k w a r d r e a c t i v ee n e r g yc o r r e c t l y t h i ss y s t e ma l s og a t h e r st h eo p e r a t i n gd a t ao fe l e c t r i c l o c o m o t i v ea n dc o m p l e t e st h ee n e r g ys t a t i s t i c sa n dt h e o p e r a t i n g d a t au n i o n a u t o m a t i c a l l y , t r a n s m i t st h e s ed a t at h r o u g ht h ea s y n c h r o n o u ss e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ， r e a l i z e st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( a m r ) t h es y s t e mo fi n t e l l i g e n ta m m e t e rf o re l e c t r i cl o c o m o t i v ec o m p l e t e ss y s t e m sd a t a p r o c e s s i n gb ym c u m c 9 s12 a 6 4 a tf i r s t ，m c 9 s12 a 6 4g a t h e r sa t t 7 0 2 2 a 。s d a t a ；a n d t h e n ，i tc o l l e c t st h et a x 2b o x so p e r a t i n gd a t ab yr s 4 8 5a n dc o m b i n e sw i t ht h ee l e c t r i c d a t at oc r e a t et h ea m rl i s t ；f i n a l l y , i tr e a l i z e st h ef u n c t i o no fl o n g - d i s t a n c ea n ds p o t a m rt h r o u g ht h ew i r e l e s sm o d u l ea n dt h eh a n d h o l dc o m p u t e r t h er e l i a b i l i t yi st h e k e yo f t h es o f ta n dh a r d w a r ed e s i g n so ft h i ss y s t e m w eu s ep cs o f t w a r et oc a l i b r a t et h e s y s t e ma u t o m a t i c a l l y t h i si n t e l l i g e n ta m m e t e ro fe l e c t r i cl o c o m o t i v eh a sh i g hp r e c i s i o n a n dm u l t i f u n c t i o n s o ，t h i ss y s t e mh a ss a t i s f i e dt h ec u r r e n tt r u n kl i n ee l e c t r i f i c a t i o n s r e q u e s ta n dh a sa na l l r i g h ta p p l i e dp r o s p e c t k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；i n t e l l i g e n ta m m e t e r ；a t t 7 0 2 2 a ：m c g s12 a 6 4 ；a m r c l a s s n 0 ：t p 2 7 4 v n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：雠铭 导师签名： 签字日期：纱彦年月夕日 参鬈 签字日期：纱砂年6 月b 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：聪钐 签字日期：加驾年厂月庐日 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授、 张维戈副教授、李景新老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助 和影响。在此衷心感谢两年来姜久春老师、张维戈老师、李景新老师对我的关心 和指导。 张维戈副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向张维戈老师表示衷心的谢意。 张维戈副教授、李景新老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇、裴晓泽、葛少伟、李秉宇等同学对 我论文中研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本人在研究生的学习阶段，在实验室参与了多项仪表类项目的研究，对目前 电力机车罩电气设备的应用及发展情况有所了解。结合目前电力机车电度表的利 弊，并学习吸收了实验室在此类项目开发中的经验，提出了电力机车智能电度表 系统。该系统的研究得到了导师和实验室的支持，在实验室老师和同学的关心帮 助下，解决了实践过程中的一些具体问题。实践的结果验证了方案的可行性。由 于学识水平、实践经验以及时间等的限制，在很多方面做得还不够完善，需要做 进一步的研究。 第1 章引言 本论文提出并讨论了一种新型的电力机车智能电度表系统，是兰州铁路局迎 水桥机务段“电力机车能耗管理系统”项目中d d s d j i i 型电力机车智能电度表的 进一步扩展和实现产业化。该智能电度表实时采集电力机车的电压，正、反向有 功、无功电量以及电力机车的运行状况，并且在运行过程中自动完成能量统计和 运行数据的结合。通过无线传输的方式实现远程抄表，还能通过手持中端完成数 据转储。智能电度表能够完全取代机车现有的机械式电度表，对进一步提高铁路 系统电气化水平，降低铁路运营成本，实现科学化管理具有极为重要的意义。 1 1选题背景1 】 从第一条营业铁路一上海吴淞铁路一1 8 7 6 年通车之时算起，中国铁路迄今己 有了1 3 2 年的历史。在这百余年间，中国铁路事业经历了由小到大、由少到多和由 弱变强的渐进过程，特别2 0 世纪7 0 年代末开始，中国铁路进入改革开放新时期， 在新的路线、方针、政策指引下，铁路事业推陈出新，突飞猛进。目前，铁路运 输己经成为国民经济的重要组成部分。在全路六次大提速之后，铁路运输以其方 便、快捷、安全的特点，成为人们出行的首选。 随着现代铁路运输的进一步提速和高速列车的发展，对电力机车的用电管理 提出了更高的要求。但目前的电力机车用电管理一般是通过机务段、水电段( 供电 段) 共同人工抄表来实现的，即机车回到机务段后，乘务员和水电段的抄表人员共 同记录电表的读数，乘务员将数据连同司机报单上交到机务段统计室，水电段的 抄表人员将数据上交到水电段的统计室，机务段和水电段每月各出自己的报表， 最后水电段和机务段的电费结算依靠协商确定。电费主要依靠水电段的关口表来 进行估算，抄表的数据仅作为参考以及下一年度单耗估计的依据。这种机械式电 表和手工抄表方式存在着很多的弊端。主要包括以下几个方面的问题： 1 、磨损问题。传统的机械式电表首先是一个机械装置。尽管经历一个多世纪 后人们已能够制造非常可靠的机械式千瓦时电表，但机械装置的精度还是容易受 磨损、机车震动及其它导致位移事件的影响。据了解，机械式电表由于机械磨损、 润滑油变质、使走字越来越慢，造成计量的负误差，而电子式电能表不存在机械 磨损，可在长期运行中保证计量精度不变。 2 、有功电能记录准确度问题。传统的机械式电表只能够记录实时有功功率， 不能记录无功功率。理想情况下，输入电流和输入电压相位完全一致，电压和电 流的乘积就等于实际输出的有功电能。然而，在实际使用时用电设备会导致电流 相位偏离与之对应的电压相位，只有同相部分的区域才能形成有功功率，不同相 部分的区域将会以无功功率形式返回电网，结果实际有功功率小于输入电压和电 流的乘积。另外，机车原有机械式电表分辨率较低，其分辨率为1 0 0 k w h ( 度) 。假 设机车以6 0 k m h 的速度通过一个l k m 的区间，其功率为3 0 0 0 k w ，耗电为 5 0 k h ( 度) ，原有机械电表无法进行用电的统计，导致供电段和机车电表之间的 误差。目前，铁路上电力机车用电由供电段负责进行统计和收费。按照这种管理 模式，机车用电的收费应该参照机车电表进行收费，但是由于机车电表的计量数 据和关口表的计量数据相差很大，因此只能按照关口表进行收费。按照供电段提 供的统计数据，两者的误差在6 7 - 6 8 。 3 、乘务员窃电。有一些乘务员采取短路机车电流互感器副边的方法进行窃电， 而机械式电度表由于自身测量方法的限制很难有效地防止窃电，从而造成供电段 和机车电表之间的误差。 4 、传统机械式电表的管理问题。传统的机械式电表无法实现自动远程抄表， 所以要求在机务段和水电段需配备专门的抄表人员和统计人员。抄表工人上车把 能量填写在司机报单后上交统计部门，然后统计室的统计人员再把数据输入到电 脑中进行统计。由于机械表的最小刻度是1 0 0 度，视觉误差很容易造成抄表人员的 漏抄、误抄。另外，由于管理部门和人员的复杂性，这样不仅造成数据返回不及 时，而且还要耗费大量的人力、财力资源。 1 2 电度表的发展趋势2 】 综上所述，传统机械式电表技术方面、管理方面的确存在着很多的弊端，己 经不再适应信息时代下的铁路跨越式发展的需要。为了解决传统的机械式电表带 来的种种问题，各种新型电子式电度表不断出现。 目前，国内外新型的多功能电度表正朝着以下方向发展： l ，体积小型化。早期的机械式电度表的体积比较大，目前代表多功能电度表 发展方向的全电子式多功能电度表在体积、重量两方面都远小于机械式电度表。 2 、功能多样化。除了电量计量的基本功能外，又增加了最大需量、脉冲输出 等功能。一些先进的多功能电度表增加了固定汉字显示、红外线抄表接口、一智能 接口等功能，还可以同时计量有功电能、无功电能，记录失压，监测负荷等，做 到一表多用。 3 、功耗减小，维持电流降低。某些多功能电能表的视在功率能做至i l j 2 v a 以下， 停电维持时电流能做到1 u a 以下。后备电源的供给采用高效锂电池，放弃了惰性较 2 大的可充电电池。 4 、采用新器件，提高了可靠性。多功能电能表的发展离不开电子技术的发展。 单片机特别是低功耗单片机应用于多功能电能表是近年来的明显特点。单片机功 能全、价格低，通过对单片机的软件编程可以实现一些完全由硬件电路很难实现 的功能。近年来国内外有些厂家将专用集成电路( a s i c ) 技术应用于多功能电能表， 使多功能电能表的可靠性进一步得到提高。多功能电能表的另外一个特点是广泛 使用电可擦写非易失性存储器e 2 p r o m ，e 2 p r o m 的数据可以保持1 0 年以上，数 据保持不需要后备电源。 5 、显示方式普遍更新。使用高效发光二极管和低功耗液晶显示器已成为多功 能电能表的发展趋势。这两种显示器可显示的内容更多，逐步取代了传统的继电 器、步进电机和机械数码轮显示方式。 6 、编程抄表方式多样化。旧有的分时电能表一般用小键盘编程，现场用纸、 笔记录抄表。现在可供选择的编程抄表方法有许多种，例如现场红外线非接触式 编程抄表、无线电编程抄表、串行接口网络编程抄表等，有些多功能电能表还可 以实现远程编程抄表。 从电力机车计量需求、能耗管理上，需要一种智能电度表。一方面要求安全 稳定的工作，实现对电力机车用电的全面准确计量及数据集成；另一方面能够实 现自动抄表的功能。结合“电力机车能耗管理系统的地面部分，为电力部门提 供更详尽准确的用电数据，减少非必要能耗，达到节能降耗的目的。可以预计， 这样的智能电度表系统投入使用，使电力机车用电管理更加科学化、合理化，运 营成本更低。届时创造的社会效益和经济效益将是很大的，有巨大的应用前景。 1 3研究内容 本课题的研究目标是针对电力机车电度表的使用要求，开发出适用于当前铁 路发展的电力机车智能电度表系统。一方面实现电力机车电量的准确可靠的计量； 另一方面，电力机车智能电度表实现了自动抄表。论文针对电力机车智能电度表 系统进行分析和研制，分为六个部分： 1 、电力机车电度表的应用现状和发展趋势。 2 、“电力机车能耗管理系统 地面处理系统部分的介绍。 3 、电力机车智能电度表系统的整体设计。 4 、电力机车智能电度表系统的硬件设计及抗干扰措施。 5 、电力机车智能电度表系统的软件设计及抗干扰措施。 6 、电力机车智能电度表系统的自动校准。 3 1 4本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景和意义，结合当前电度表的发展趋势进行了 综述，最后介绍了研究工作的内容。 4 地面处理丕统 第2 章地面处理系统 “电力机车能耗管理系统”除包括本论文具体论述的电力机车智能电度表系 统外，还包括地面处理系统。其完成的主要任务有：( 1 ) 接收来自电力机车智能电 度表的数据并进行处理。( 2 ) 将解压缩的数据生成机务段以及供电段需要的数据， 通过计算机局域网和调制解调器( m o d e m ) 将数据自动传输到机务段和供电段。 ( 3 ) 在安装有管理软件的微机上能够实时统计和分析全段电力机车和司机的相关用 电信息。根据以上分析，地面处理系统可以分为三个部分：地面接收装置、数据 存储装置、数据分析终端。 2 1地面接收装置3 】 地面接收装置需要完成的功能主要是数据接收和数据发送，电力机车和地面 接收装置之间的数据传递是采用无线的方式完成的。智能电度表依靠一对无线数 传模块将数据传输至地面无线接收装置的两台工控机内，在这里无线数传模块就 相当于串口通讯线。分散的各地面接收装置通过网络将数据传送至数据存储装置 存入s q l 数据库，为供电段和机务段信息管理系统提供可靠的数据查询服务。 2 1 1数据接收软件 地面接收装置被安装在重要的车站，通常是某区段的起点或者终点，并且要 求电力机车至少要在此停留2 0 分钟以上。当安装有智能电度表的电力机车进入地 面接收装置方圆2 公里范围内，通讯将在2 0 分钟内完毕。其界面如图2 1 所示。 图2 - 1 数据接收软什用户界面 f i g u r e 2 1u s e ri n t e r f a c eo fr e c e i v i n gs t a t i o ns o f t w a r e 点击“运行 按钮，则按钮标题变为“停机”，程序进行广播呼叫。若有任一 智能电度表进行响应，则建立连接，接收从该电度表发来的数据，数据接收完毕 后恢复广播呼叫状态。在运行过程中不能修改主机号及串口参数。点击“停机 按钮，则按钮标题变为“运行，这时就可以通过点击“主机号及串口修改”按钮 进行修改主机号和串口参数操作。在接收过程中，当天的接收记录在界面右边的 接收列表中显示出来，包括接收日期、机车号、总页码、末页地址、接收完全标 志。对于未接收完全的智能电度表在当天可以进行数据断点续传。 2 1 2数据存储及发送 地面接收装置的数据存储在两台工控机里。两台互为备用的工控机通过数据 会话监控彼此状态，一旦主机出现故障将进行自动状态切换而无需人工干预，此 时以前的从机将变为主机完成数据的接收、存储、发送工作。同时，从机将自动 备份主机上的数据。即使主机通讯失败，数据也可以通过从机发送到服务器，提 高了系统的可靠性和自动化程度。 地面接收装置通过t c p i p 网络向数据存储装置传输数据。当网络出现故障无 法正常数据传输时，系统将自动启用m o d e m 通过电话线完成数据传输，提高了系 统的可靠性。系统可以根据数据统计要求和流量大小灵活配置数据传输时间，有 接收完立即发送和定时传送数据两种方式，前者适用于数据统计实时性要求较高 的场合，后者适用于需要提高数据传输效率的场合。 2 2 数据存储装置 该部分由一台高性能服务器和一个s o c k e tm o d e m 机盒组成，采用多线程技术 同时监听t c p i p 数据链路端口和m o d e m 数据链路端口，快速响应各节点数据连 接请求，完成数据转储。各路并行执行互不影响提高了系统的可靠性和快速响应 性。服务器同时完成部分数据统计功能。 数据库采用s q l2 0 0 0 ，支持多处理器和大容量内存，可适合于用电管理中大 量数据处理和多用户连接应用场合，同时提供远程数据库访问。 2 3数据分析终端 该部分由多个查询终端组成，通过局域网访问服务器完成数据的统计和分析。 如无网络环境，依托w i n d o w s2 0 0 0 提供的远程服务可通过电话线连接服务器组成 6 计算机网络。这样安装在本机务段的复视终端( 如安装在技术科、检修车间) 就 可以实时访问数据库，了解机务段全部机车近期的运行情况。甚至与机务段不在 一个局域网内的供电段等单位也可以通过拨号的方式访问服务器，获取每台机车 近期的用电情况。由于各个部门所需要的数据情况不同，数据分析软件分为数据 统计分析软件和机务热力软件。 2 3 1数据统计分析软件 其主要功能为对服务器内数据进行特定要求的统计，形成各种报表、图形。 各个部门可以按照自己的要求提取。另外，在数据积累的基础上，根据不同的电 力机车运行情况，可以指导司机操纵，优化机车行驶方案，达到节能降耗目的。 1 、按司机统计。完成一定时间段( 可选) 内选定司机的机车能耗，用于比较 相同条件下司机的节能状况， 2 、按机车统计。统计在一定时间段( 可选) 内机车的能耗。比较不同机车的 能耗差别。 3 、按区段统计。统计某一区段( 可选) 的能耗，可以查询不同路况条件下的 能耗。 2 3 2机务热力软件 机务段热力部负责电能的日常管理，这个部门需要大量的报表，所以专门为 其设计了软件系统。 机务热力软件设计为八个模块，其功能分别介绍如下：( 1 ) 智能电度表运行曲 线。该功能按照智能电表所记录的机车在不同交路上各车站电表电量，生成机车 用电运行曲线图，工程技术人员可根据该曲线分析机车在运行过程中的用电情况。 ( 2 ) 报单。该功能提取统计各月的报单，并根据系统同期、报单日期、机车号、车 次、司机、运输种别和区段对报单进行查询分析。( 3 ) 统计报表。该功能可生成技 术室所需的( 包括内燃、电力) 机报和热报并进行打印。( 4 ) 热力台帐。该功能提 取统计数据生成技术室所需的内燃、电力共十八种热力报表。( 5 ) 节能奖。该功能 生成乘务员的节能表，可根据该表计算并打印乘务员节能报表。( 6 ) 热力分析。该 功能生成当年与上年度各月、季、半年、前九个月和全年的总重吨公里、总走行 公里、辅助走行公里、单机走行公里、单机率、辅率、平牵、技速、日车公里、 日产量、超重次、超重吨、欠重次、欠重吨、机外停次、机外停时、单耗共十六 种影响单耗的因素供热力工程师对单耗变化进行分析，并生成热力分析报告。( 7 ) 7 计划标。该功能用于输入当年总的及各种运输种别的计划任务量、计划用能、考 核用能、计划标和考核标，用于计算和生成热力报表。( 8 ) 参数设置。该功能用于 输入节能奖的发放数据，用于计算和生成热力报表，同时设置统计报务器的i p 地 址，用于热力和统计联网。 2 4 迎水桥机务段地面处理系统 以迎水桥机务段安装的地面处理系统为例，说明整个系统。具体方案包括： ( 1 ) 在迎水桥、中卫折返所、固原、分别安装一套地面接收系统，在迎水桥联网办 安装管理服务器并配备u p s 。( 2 ) 以计算机局域网和调制解调器( m o d e m ) 一公用 电话网一调制解调器两种方式构成数据通信网络，实现数据的定向传输。( 3 ) 在银 川供电段安装另一套服务器，由通讯网络提供相关的数据。方案的总体框图和数 据传输流向分别如图2 - 2 、2 - 3 所示。 图2 - 2 迎水桥方案总体框图 f i g u r e 2 2o v e r a l lc h a r to fy i n g s h u i q i a o sp r o j e c t 迎水桥 局域网 迎水桥段内其他用户 图2 - 3 迎水桥机务段数据流向 2 5本章小结 f i g u r e 2 3d a t as t r e a mo fy i n g s h u i q i a od e p o t 局域网 银川供电段 本章介绍了“电力机车能耗管理系统 除电力机车智能电度表系统外的其它 部分，为电力机车的电能的自动化、智能化管理给出了切实可行的方案。 9 第3 章智能电度表整体设计 3 1 电度表总体设计思想 4 】【5 】 设计电力机车智能电度表系统的目的是研制一种进行电量准确计量，能采集 机车运行数据并进行数据远程自动传输的新一代智能测量仪表。设计时需要考虑 如下几个方面的内容：( 1 ) 保证前向电量传感电路的精确度、灵敏度、线性范围及结 构合理性。( 2 ) 保证计量单元计量的准确性、可靠性。( 3 ) 为保证电度表运行可靠， 电表本身要具备很强的抗干扰能力，应在硬件及软件设计上引入各种抗干扰措施， 以增强其运行稳定性和准确性。( 4 ) 可自动采集机车运行数据。( 5 ) 在抄表方面还要 具有兼容性，对具备通讯条件的用户，可以采用全自动远程抄表。对某些暂不具 备通讯条件或通信线路发生故障的用户，可采用其他方式抄表，如手持终端等。 下面就对电度表系统主要部分的设计进行分析。 3 1 1电能测量方式选择 电度表作为一种测量仪表，它的性能、成本等指标首先取决于电度表所使用 的测量方式。电度表按工作原理的不同可以分为电解式、感应式和静止式三大类， 其中交流电能测量主要采用感应式和静止式。感应式电度表受其原理和结构等因 素的制约，进一步扩展功能和提高精度是有限度的。静止式电度表是采用电子方 式把单相或三相交流功率转换成脉冲或其他数字量的仪表，又称全电子式电度表， 它具有测量精度高、功能扩展容易、可测频带宽、线性度好、过载能力强、功耗 低、重量轻以及体积小等诸多优点。近些年来静止式电度表正逐渐取代感应式电 度表。 根据转换方式的不同静止式电度表可以分为热电变换型、模拟数字变换 ( a d c ) 型、时分割乘法型和霍尔乘法型等几种类型。热电变换型利用电能的热效 应产生热量，再利用热电元件把热能转换成一个正比于电功率的电信号。模拟数 字变换型电能检测方式将三相的电压、电流瞬时值转换为数字量，由微处理器对 它们进行分析处理。a d c 检测到的是反映三相电最基本的量，微处理器可以对它 们作各种数学处理，计算出瞬时功率、无功功率、视在功率、电能累计值、电能 传送的方向、功率因数、电压电流的大小等。时分割乘法型电能检测方式的核心 是时分割乘法器，时分割乘法器又称为p w m 乘法器，它实质是一个脉宽、幅度调 制器。输入时分割乘法器的两路输入信号分别被进行脉宽和幅度调制，调制后得 到的脉动信号的直流分量即为两路输入信号的乘积。时分割乘法型电能检测方式 使用时分割乘法器检测瞬时功率。霍尔乘法型使用霍尔元件检测电压和电流的乘 积，输出与电功率成正比的电信号。 热电变换型电能检测方式成本较高，适用于制造高精度仪表，不适合大规模 生产。霍尔乘法器型电度表的优点是可测频带宽，但是成本较高，温度系数不好， 精度一般受外磁场影响较大，因此应用不多。时分割乘法器型电能检测方式因其 成本低，精度较好而得到广泛应用，但一般都用于生产普通电表。用时分割乘法 器芯片研制多功能电度表的主要障碍在于功能扩展比较困难。模拟数字变换型电 能检测方式在原理上可达到很高的测量准确度，且它在一定周期内对电压、电流 信号进行采样处理的方法，可保证了测量准确度可不受高次谐波的影响：并且其精 度、线性度、稳定性和抗干扰能力等方面都优于其它乘法器电路，具有更好的发 展前景，但使用通用微处理器芯片开发多功能表存在着软件开发周期长、可靠性 差、成本高等问题。近年来出现了使用模拟数字变换型电能测量专用芯片的新趋 势。专用芯片是相对于半导体生产厂家的标准产品而言的，以往此类电能测量芯 片存在的问题随着芯片产量的提高以及半导体技术的发展都得到解决。 电力机车干扰大，尤其是测量的谐波大，而且需测量多种电量。根据以上对 测量方式的描述，采用模拟数字变换( a d c ) 型。而且，近几年随着大规模集成电 路技术的发展和数字信号处理技术理论的日趋完善，d s p 芯片的应用越来越普及， 出现了大量的电能计量专用芯片，而且在这些芯片中，更有一些可以实现全数字 校表。在这些芯片里选取合适的电能计量芯片，可选择余地很大。在本电度表系 统里选择了芯片a t t 7 0 2 2 a 。 3 1 2交流采样电路方案 采样电路是电度表内比较关键的部分，直接决定电度表精度。交流采样电路 一般采取两种方式：( 1 ) 互感器采样，即采用电压互感器、电流互感器得到模拟小 电压、电流信号。这种采样方式发热少、隔离性好。电流互感器适用于大负载电 流用户，但小电流非线性较为严重。( 2 ) 直接采样，即采用精密电阻网络对相电压 进行分压得到采样电压信号，由分流器( 锰铜片) 对负载电流进行取样得到采样电 流信号。这种采样方式，重负载情况下锰铜片功耗大，发热多，但成本小。由于 本设计针对电力机车，负载电流大且对电度表抗干扰要求高，因此采用第一种方 式。为了使电度表能适应不同负载工况，采样电路也预留了电阻分压采样电压的 方式。 1 2 3 1 3电量数据的存储选择 在电度表设计中，必须保证掉电后电度表里数据不丢失。有两种电路可实现 数据的非易失性保存：( 1 ) 选用静态r a m 及专用的上电、掉电数据保护电路，但这 种结构占用较多软硬件资源，不宜采用。( 2 ) 使用串行e 2 p r o m 作为数据存储器，且 串行e 2 p r o m 具有很强的抗干扰能力，与单片机硬件接口非常简单，擦写次数多( 目 前最多为1 0 0 0 万次) 。因此，本设计采用第二种方案。 本智能电度表系统需要存储的数据包括电量数据和上传数据两类。基本电量 数据存储采用的是m i c r o c h i p 公司的9 3 l c 6 6 b ，该芯片是一款4 k 位的e 2 p r o m 。 另外考虑到还需存储大量的上传数据，需配置一款大容量的e 2 p r o m ，采用a t m e l 公司4 m 位的a t 4 5 d b 0 4 1 b 。 3 1 4自动采集运行数据的实现嘲 传统的手工记录需要手工抄表后将电量与包括机车号、司机号、公里标、区 间号、车站号、时刻、车次、总重等运行数据进行匹配，容易出错且效率低。电 力机车智能电度表系统实现了自动采集运行数据，并能和电量自动匹配。这样， 就可以把电量和机车、司机的相关情况结合起来，为各个部门方便、准确的统计 打下了基础。另外，在数据积累的基础上，综合考虑机车能耗经济性能、线路条 件、牵引重量、运行图等因素，结合系统优化理论，研究出能耗优化算法，指导 司机操纵，就可以达到节能降耗的目的。对机车状态进行评估，可以早期发现机 车的故障，通过维修，降低能耗。以上这些功能实现的前提是电力机车智能电度 表系统实时自动的采集运行数据。 t a x 2 箱是机车安全信息综合监测装置，能实现串行通信功能，装置内通讯记 录单元能通过r s 4 8 5 串行通信方式从监控装置获得年月日、时分秒、公里标、运行 速度、机车号、车次、车种、区段号、车站号、司机号、副司机号、列车编组等 运行信息，并能将这些信息通过另一个r s 4 8 5 接口周期地传送到装置内各功能单 元。有了t a x 2 箱的存在，电力机车智能电度表系统就可以和t a x 2 箱通讯自动获 得相关运行数据，然后通过程序处理将运行数据和电量进行匹配、存储。 3 1 5自动抄表的实现 传统电力机车用电管理中感应式电度表的抄表需工作人员进入电力机车在电 表的数据盘上读取数据，效率十分低下并且容易出错。而采用“电力机车能耗管 理系统”后，电力机车智能电度表自动完成抄表。 目前的自动抄表方式主要有现场手持电脑方式和远程抄表两种，在本系统里 采用了两种方式结合。j 下常运行时，采用远程抄表。电力机车智能电度表正确计 量，地面接收装置正确接收数据，抄表十分快捷、方便。但当能量寄存器数据丢 失或无线通讯故障时，抄表重新成为问题。现场外接手持终端使得用户可以对智 能电度表进行数据操作。这样当远程抄表出现问题时，用户仍能继续对智能电度 表操作。 远程抄表系统的基本结构主要是由处理数据的上位机、电能表( 本系统) 、和 中间的通信网构成的。通信网的实现方式主要包括有线和无线两种。本设计采用 的是无线通信方式。无线通信方式与有线相比，只是传输介质有区别，它不采用 有线传输中的线缆进行传输，而是使用肉眼看不到的“无形的 微波、无线电波 等进行传输。所以无线传输方式更加灵活，它可以在任何时间和地点进行通信和 数据处理。它的通信系统模型与有线方式完全相同。无线通讯相比于有线通讯存 在着以下几个优点： 1 、成本廉价 有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟；而用无线数据传输方式 则无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需要在每个终端连接无线数传电台和架设适当 高度的天线就可以了。相比之下用无线数据传输方式，节省了人力物力。尤其是 电力机车的抄表是在机务段完成，现场环境复杂，难以布线，如选用无线的方式 通讯则更加方便。 2 、建设工程周期短 当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有 线方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，工程周期很长。而用无 线数据传输的方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周 就可以。相比之下，无线的方式可以迅速组建起通信链路，工程周期大大缩短。 3 、适应性好 在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境 或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，对有线网络的布线工程有着极 强的制约力。而用无线数据传输方式将不受这些限制，适应性好，几乎不受地理 环境限制。 4 、扩展性好 在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的设备。如果 采用有线的方式，需要重新布线。不仅施工麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯 线路，但是如果采用无线方式，只需将新增设备与无线数传模块相连接就可以实 1 4 现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。 5 、设备易于维护 有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点。 而采用无线数传模块建立专用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故障时 则能快速找出原因，恢复线路正常运行。 以上分析了电力机车实现自动抄表的条件，在智能电度表里采用远程无线和 手持终端结合的自动抄表方式。 3 1 6 m c u 的选型 中央微处理器模块是整个智能电度表系统的核心，是系统的逻辑处理单元和 各项功能的主要承担者。m c u 在使用上需要满足以下要求：( 1 ) 满足电度表要求的 运算和数据处理。( 2 ) 同a t t 7 0 2 2 a 以及e 2 p r o m 进行可靠的数据传递和交换。( 3 ) 和多个外设通讯。( 4 ) 调试方便、快捷，可满足电力机车智能电度表的量产要求。 ( 5 ) 满足环境恶劣且电磁要求高的电力机车安装环境。 所以m c u 要求选用运算功能强大，i o 口多，功耗小、散热量低，抗干扰能力 强且使用方便、成本低的单片机。基于上述考虑，我们选择了m o t o r o l a 公司 6 8 h c s l 2 系列的单片机m c 9 s 1 2 a 6 4 。 3 1 7显示设计 单片机应用系统中使用的显示器主要有l e d 和l c d 两种。近年来也有用c r t 显示的。前者价格低廉，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示， 但接口较复杂，成本也较高。考虑到在电力机车智能电度表系统里，对显示的要求 不是很高，只需要显示数字，所以选用l e d 显示。 l e d ( l i n ge m i t i n gd i o d e ) 是发光二极管的缩写。实际应用非常普遍的是八段 l e d 显示器，其显示方式有并行和串行两种。在采用并行显示方式时，显示电路 的段码与位控码要占用单片机较多的口线，尽管可采用8 1 5 5 等接口芯片进行扩展， 但口线利用率仍较低，不能满足大型控制系统的要求。采用串行显示方式则只需 占用2 根或3 根口线，节约单片机大量的i o 线，且使用效果很好。所以在本系统里 使用的是基于7 4 h c 5 9 5 的6 位l e d 串行显示。用7 4 h c 5 9 5 芯片驱动l e d 有以下特点： 速度较快，功耗较小，l e d 的数目多少随意，既可以控制共阴极的l e d 显示器，也 可以控制共阳极的l e d 显示器，可以软件控锖i j l e d 的亮度，还可以在必要的时候关 断显示( 数据保留) ，以减小功耗，并可随时唤醒显示。用它设计的电路，不仅软硬 1 5 件设计简单，而且功耗低，驱动能力强，占用的i 0 1 5 1 线较少，是一种造价低廉， 应用灵活的设计方案。 3 1 8电源设计 为了提高电力机车智能电度表的精度和稳定性，将电源分为独立的三组分别 提供给电度表的各个部分。由于单片机及外围电路、e 2 p r o m 和l e d _ 显示模块工作 非常稳定，与外界没有联系干扰小，相互之间几乎没有影响，它们由同一组电源 供电。由于电能计量单元和电网相连，电网中存在各种干扰，如电压和频率不稳、 电磁干扰、尖峰、毛刺、浪涌等。为了减小各个部分之间的干扰影响，电能计量 单元采用了由一组电源独立供电的措施。由于r s 4 8 5 串口通讯模块与外部设备通 讯，通讯线上的干扰也是各式各样的。因此为了避免产生干扰，r s 4 8 5 串口通讯模 块采用一组电源独立供电。 3 2系统概述 根据以上的分析，本智能电度表系统应该包括以下几个部分： 1 、电源模块。外部直流1 1 0 v 电源转变为系统内部三路直流5 v 电源，为电度表 其它部分提供稳定可靠的电源。 2 、采样电路及电能计量单元。电压采样电路采用互感器采样为主、电阻分压 采样备用的方式，电流采样采用互感器采样进行电量采样。测量并上传数据采用 电能计量专用芯片a t t 7 0 2 2 a 。 3 、m c u 及外围电路，实现电度表的控制。 4 、显示采用l e d 和发光二极管进行显示，满足使用要求，价格便宜。 5 、存储使用两片串行e 2 p r o m ：9 3 l c 6 6 b 、a t 4 5 d b 0 4 1 b 。 6 、通讯功能。通讯接口实现4 种通讯功能：( 1 ) 使用上位机软件，进行纯软件 校表。采用纯软件校表，界面清楚、操作简单，大大减少了校表工作量。( 2 ) 同t a x 2 装置通信，实现运行数据和电量的结合。( 3 ) 采用无线通讯模块，实现了数据的自 动远程传输。( 4 ) 外接手持终端，人工读取、写入数据。 电力机车智能电度表系统结构框图如图3 1 所示。 1 6 3 3本章小结 校表脉冲 图3 - 1 系统框图 f i g u r e 3 一lt h eh a r d w a r ep r i n c i p l eo fs y s t e m 智能电度表系统包括了交流采样电路、计量单元模块、存储、m c u 、显示、 通讯等部分。本章从电力机车的运行现场、电力机车智能电度表的功能、电力机 车智能电度表的成本等多方面出发，分析了电度表的各个部分并确定各个部分的 组成、结构。 1 7 4 1电源模块 第4 章智能电度表硬件实现 电力机车智能电度表的电源来自机车1i o v 直流电源，而该直流电源上除了电 度表还给其它包括微机、l c u 、信号、通信、故障显示等电子设备供电。可见，来 自电源的干扰相当大，因此应充分考虑电源对电度表的影响。 4 1 1数据处理模块电源 电力机车智能电度表数据处理模块包括m c u 及外围电路、e 2 p r o m 、l e d 显 示、无线数传模块，需要供电的器件多、功率大，且要求工作稳定。所以，外部 电源直流1 1 0 v 首先经前端保护、滤波电路后进入d c l l 0 v - d c 5 v 电源模块 s m a l 5 1 1 0 s 0 5 后给主体部分供电，其电路如图4 1 所示。 s m a l 5 1 1 0 s 0 5 为鼎立信公司出品的1 5 w 电源，高效率、高可靠性。其特点 有：( 1 ) 宽范围电压输入( d c l o o v - 1 8 0 v ) 。( 2 ) 输出电压精度高、纹波小。( 3 ) 输出过 流、短路、过热保护( 连续可恢复) 1 7 1 。 前端的保护、滤波电路在设计上兼顾了保护和滤波两方面。在保护方面加入 了1 a 保险管f l ，防止反接的二极管d p i 、d p 2 。而且并联一个压敏电阻，其电阻随 电压的增加而减小。在过压时形成一个低阻的分流器，从而可以防止被保护电路 两端的电压进一步上升。当浪涌电压过后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏 电阻又恢复到高阻状态。 在无源滤波上，电路加入了兀形滤波器一p 1 、c p 2 旁路，l 阻隔，同时减小 高频干扰的影响。滤波器的元件选择必须考虑到功率和耐压、磁饱和的要求。l 阻 隔采用把导线穿绕在高导磁率磁环上的方式实现，为l a 的共模扼流圈。c p l 、c p 2 为耐压为2 7 5 v 的x 2 电容。x 2 电容，耐电压较高，适合e m i 电路的高压脉冲吸收 作用，串联电阻小，电感值小，电容量相对时间、温度、电压很稳定，适用于要 求频率稳定性高的场合，用于高频滤波、旁路、去耦。 图4 - 1 电源原理