专利名称：高速列车设备状态及电能质量监测系统的制作方法
技术领域：
高速列车设备状态及电能质量监测系统本实用新型涉及电能质量及故障预测技术领域，尤其涉及一种高速列车设备状态及电能质量的监测系统。[背景技术]铁道牵引供电系统是高铁的“心脏”，为高铁和动车组提供动力。近年来，高铁事故发生比较频繁，如列车无法制动、失去动力，严重者造成人员伤亡事故。这些事故进一步证明牵引供电系统的安全运行、关键设备的可靠性直接影响列车的安全运行。由于高铁、列车及供电系统的特殊性，既有牵引供电系统的电压输出，又有自己的发配电系统，且牵引供电电压不停切换、负荷始终处于高速运动状态，而目前成熟的电能质量监测系统绝大多数是针对静态(非运动状态)负荷的，无法提供含有被监测点精确时空信息的电能质量数据。 现已公布的关于列车状态监测研究的专利大多集中于列车运行环境(如中国专利申请号03257809. I《现场检测列车空气压力的测量装置》)或者是相对单一的部件运行状态(如中国专利申请号200320124120《一种用于列车轮对运行状态的智能型监测装置》)，对于列车关键设备健康状况进行监测的研究极少。有部分专利涉及到故障信息处理(中国专利申请号200710111200《列车故障误报的过滤方法及系统》；中国专利申请号201010563179《一种基于神经网络的地铁列车故障诊断装置及其方法》)，但其故障状态信息是直接从相关各设备读取方式获�。挥芯咛迳婕叭绾巫灾鞑杉谐瞪璞缸刺�(包括故障)信息采集及特征提取的方法。基于此，我们提出了同时从电能质量和设备健康状况两个方面对高速列车进行综合安全预警，重点研究高速列车设备状态及电能质量监测系统，其中关键设备重点包括供配电系统设备、信号控制与防护系统设备、电(空气)制动系统设备等。本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高速列车设备状态及电能质量监测系统。为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种高速列车设备状态及电能质量的监测系统，包括无线采集系统、电能质量监测系统、数据中心；无线采集子系统与电能质量监测系统连接；电能质量监测系统与数据中心连接。作为优�。尴卟杉低嘲ǘ喔龇植及沧霸诟咚倭谐瞪璞干系奈尴卟杉咏诘悖晃尴卟杉咏诘惆ǘ嗖问杉？楹臀尴叽淠？椋晃尴叽淠？橛攵嗖问杉？榱�。作为优�。尴叽淠？椴捎肸IGBEE无线传输协议。作为优�。嗖问杉？椴捎梅侨肭质降牟杉绞�。作为优�。缒苤柿考嗖庀低嘲ㄊ莶杉？�、ARM主控�？�、频率跟踪�？楹臀尴咄ㄐ偶岸ㄎ荒？椋皇莶杉？榘ǖ缪勾衅鳌⒌缌鞔衅�、预处理电路和A/D采样电路；预处理电路包括AGC自增益程控放大电路和巴特沃思滤波电路，A/D采样电路由ARM主控模块的片内外设提供；ARM主控�？槭褂肅ortex-M3嵌入式控制器；频率跟踪�？榘ū冉掀鞯缏泛突贔PGA的数字倍频电路；无线通信及定位�？榘℅PS定位单元、GPRS无线传输单元、GSM无线传输单元和ZIGBEE无线�？�。作为优�。缪勾衅魇涑鲇朐ご淼缏妨樱缌鞔衅魇涑鲇朐ご淼缏妨樱辉ご淼缏返氖涑鲇階/D采样电路连接；频率跟踪�？榈谋冉掀鞯缏酚肽骋幌嗟缪乖ご淼缏肥涑龆肆樱籄RM主控�？橥ü卸螴/O端口与频率跟踪�？榈氖直镀档缏肥涑隽樱晃尴咄ㄐ偶岸ㄎ荒？橹械腉PS定位单元、GPRS无线传输单元、GSM无线传输单元分别与ARM主控�？榈拇薪涌诹�。作为优�。葜行陌ǹ突е斩耍豢突е斩税ㄎ尴咄ㄐ拍？椋尴咄ㄐ拍？榘℅SM单元和ZIGBEE无线�？�。作为优�。尴卟杉低持械奈尴叽淠？橛氲缒苤柿考嗖庀低车奈尴咄ㄐ偶岸ㄎ荒？橹械腪IGBEE�？槲尴吡印� 作为优�。缒苤柿考嗖庀低车奈尴咄ㄐ偶岸ㄎ荒？橛胧葜行牡奈尴咄ㄐ拍？椴捎肎PRS方式或GSM或ZIGBEE协议无线连接。本实用新型的有益效果是系统基于ARM及FPGA实时技术并采用频率跟踪法同步采集供电系统电压、电流数据、结合AGC自增益程控电路等�？椋岣吡诵巢ǚ治鼍龋渲械缒苤柿渴莅捎萌蚨ㄎ幌低车玫降木返氖奔�、空间信息，上述措施有利于调度中心对电网安全预警做出更及时、精准的判断。采用非入侵方式采集关键设备包括发供电系统设备、信号控制与防护系统设备、机车动力设备等的工作状态信号，其优点在于不需要打开现有各类设备、不改变设备内部电气互联关系，避免了由新增监测系统给原有系统带来新的故障隐患。采用无线分布式采集设备状态信号，其优点在于避免了采取有线方式集成所造成的传输线过长(如车头车尾相距几百米远)、抗干扰能力差、安装困难的缺点。系统采用同时监测电能质量及关键设备状态数据，从高速列车动力源及列车关键设备两个方面考虑同时进行安全预警检测，提高了安全预警系统的预警系统性、及时性和响应能力。图I是本实用新型高速列车设备状态及电能质量监测系统实施例的总体结构图。图2是本实用新型高速列车设备状态及电能质量监测系统实施例的无线采集子节点结构图。图3是本实用新型高速列车设备状态及电能质量监测系统实施例的电能质量监测系统结构图。图4是本实用新型高速列车设备状态及电能质量监测系统实施例的ARM主控�？榭蛲�。图5是本实用新型高速列车设备状态及电能质量监测系统实施例的频率跟踪模块原理框图。[具体实施方式
]如图I所示，本实施例是由无线采集系统、电能质量监测系统和数据中心组成的。其中无线采集系统包含多个无线采集子节点，分布在列车不同空间(如车头、车尾的控制室)设备和关键部件上；电能质量监测系统在或尽量靠近列车的总供电室安装；数据中心包括客户终端、网络接口设备、服务器，其中各客户终端安装在沿铁轨的各控制室或者分调度室，服务器安装在总调度中心，客户终端与服务器之间依靠网络接口设备互联。一、无线采集系统如图I、图2所示，无线采集系统包括多个分布安装在高速列车设备外部附近的无线采集子节点，无线采集子节点包括多参数采集�？楹臀尴叽淠？�。多参数采集�？榘ù衅髂？椋衅髦掷喟缪�、电流传感器、温度传感器、噪声传感器等，采用的均为非入侵式，即安装在设备的外部，如电压电流传感器安装在电源接入端，温度传感器、噪声传感器安装在设备外部相应的敏感空间。
无线传输模块采用ZIGBEE传输协议，要求支持远距离传输，如可以选择TI公司的CC2530,该芯片内部含有CPU核和片上A/D，可以实现控制、采集、传输多功能。无线采集系统工作流程如下步骤11 :无线采集子系统初始化，主要包括ZIGBEE初始化、串口初始化；步骤12 :运行采集�？椋饕杉缪�、电流、温度、噪声等信息；步骤13 :运行数据处理、分析�？椋徊街�14 :数据打包，发送给电能质量监测系统；其中，步骤12中采集的列车设备状态的数据类型如下(一)电压电流参数(I)有效值基波电压(电流)有效值；电压(电流)有效值；(2)谐波含量2-50次谐波电流值中的最高前10个；电流总畸变率；(3)频率基波电压频率；(4)相位每周波电压峰值与电流峰值之间的相位差；(5)功率额定功率、瞬时功率、基波功率因数。( 二 )温度参数设备温度短时平均值、温度长时平均值、温度最大值、温度变化率、环境温度短时平均值、设备额定工作温度值。(三)振动噪声参数噪声强度短时平均值、噪声强度长时平均值、噪声强度最大值、噪声强度变化率。(四)超标数值瞬时电压超标值及时间、瞬时电流超标值及时间、瞬时功率超标值及时间、温度超标值及时间二、电能质量监测系统如图3所示，电能质量监测系统包括由电压传感器、电流传感器、预处理电路、A/D采样电路组成的数据采集�？椤RM主控�？椤⑵德矢倌？�、无线通信及定位�？椤CD液晶显示�？�、键盘及内存扩展�？�。预处理电路由AGC自增益程控放大、低通滤波和电平转换电路组成。[0051](一)AGC自增益程控放大电路考虑到电网电流经过电流互感器变换后的信号电压可从毫伏级到伏级，故采用仪表运放作为放大器芯片。利用ARM主控�？榈腎/O 口选通继电器串联反馈电阻实现档位自动切换，采用先置最小增益采集后，将最大值与A/D满量程的90%比较，并逐次逼近法进行选档。( 二)抗混叠滤波电路采用8阶巴特沃斯型有源低通滤波器，实现低相位失真的陡峭滤波效果。(三)电平转换电路主处理器ARM�？槠螦/D输入的电压范围是0-3.0V，而电压、电流传感器输入的信号均为双极性信号，故采用电平转换电路即2个运放构成的差动放大电路，将前端输出的双极性信号转换为相应电平的单极性信号。如图4所示，A/D采样电路由主处理器ARM模块提供。ARM主控模块选用芯片型号是LM3S1138，它是一款基于Cortex-M3内核的嵌入式控制器，片内ADC具有10_bit精度8
通道同步采样功能。根据高速列车的牵引供电系统的实际情况(可能是单相供电或多相)，选择其中2-6个通道用于电压、电流的采集。本系统采样模式分两种定时器采样和外部触发采样。定时采样主要用于系统初测、量程切换，定时采样由ARM片上定时器控制；采用外部触发采样方式实现对电网信号的实时同步采集，外触外采样由频率跟踪�？榭刂�。如图5所示，频率跟踪�？橛朐ご淼缏啡我宦返ハ�(A、B、C)电压输出信号连接。频率跟踪�？橛杀冉掀饔胧直镀档缏纷槌桑直镀档缏肥腔谧灾频腇PGA板卡并利用VHDL语言编程实现，板卡主芯片是ACEX1K30QC-208FPGA，采用同步周期法进行倍频，并且采用数字去噪预处理提高抗干扰能力。频率跟踪�？橹械谋冉掀鞯缏方普也ǖ牡ハ嗟缪剐藕耪挝德实木匦尾ㄐ藕牛捎酶呔然夹酒魑冉掀鞯幕�。整形后的矩形波信号，一方面输入到ARM主控�？榈牟蹲揭臗APl上，利用LM3S1138的捕捉功能，实现对电网频率的实时捕捉与计算，得出电网频率；另一方面作为数字倍频电路的输入信号，经数字倍频锁相后实现对电信号的128倍频，并输出占空比为I : 8的脉冲信号，该信号与ARM主控�？榈耐獯シ⒅卸螴/O端口(PB4)连接，作为A/D外出触发采样控制信号，实现对电网信号精确同步采样。ARM主控�？槔每焖俑道镆侗浠�(FFT)算法对采样信号的离散序列进行频谱分析，并通过数字滤波、误差校正算法修正相关结果，实时计算出电网频率、各次谐波含量、有功功率和无功功率、功率因素、电压波动等电能质量参数。无线通信及定位�？榘琙igbee�？楹蚎E-GPRS/GSM/GPS —体化模块。Zigbee�？楦涸鹩胛尴卟杉低惩ㄐ牛嗟庇谖尴卟杉低衬诘奈尴咧鹘诘悖≡裼胛尴卟杉低撑涮椎拇淠？椋碈C2530。ARM主控�？橥ü齍ART0/RS232/RS485串行接口与QE-GPRS/GSM/GPS 一体化�？橄嗔樱涸鹩胧葜行耐ㄐ�。QE-GPRS/GSM/GPS 一体化�？槟诓亢蠫PS全球定位系统、GSM无线通信�？�、GPRS无线通信�？椤E-GPRS/GSM/GPS —体化模块选择西门子公司的SM300芯片，该芯片支持AT指令模式。人机接口模块与ARM主控�？榱樱嘶涌谀？橛蒊XD显示和键盘组成。键盘通过响应客户命令控制LCD液晶显示配电能质量分析结果等信息。外扩SD卡接口电路与ARM主控模块的输入/输出端口(GPIO)连接，实现对ARM主控�？榈哪诖胬┱梗迪侄源罅渴莸拇娲�。整个电能质量监测系统是将上述所有部件装配在一起。[0061]上述电能质量监测系统的工作流程如下步骤21 :电能质量监测系统初始化，包括硬件外设初始化、关键数组初始化，步骤22 :读取配置参数，运行电能质量采集及分析�？椋徊街�23 :读取GPS数据，包括时间、经纬度信息；步骤24 :读取无线采集系统数据并分析； 步骤25 :显示综合信息；数据压缩、打包，发送给数据中心；步骤26 :等待接收数据中心分析结果；步骤27 :若结果正常则返回至步骤22，异常则报警，并把报警信息发送给数据中心；步骤28 :等待，接收数据中心发回的解除警报命令；步骤29 :接收到解除警报命令，返回21 ;否则，返回步骤28。三、数据中心如图I所示，数据中心由客户终端、网络接口设备和服务器组成。客户终端包含无线通信模块和终端计算机，无线通信�？榘℅SM无线传输单元、ZIGBEE无线�？椋煌缃涌谏璞赴ǚ阑鹎�、光纤交换机、光纤；服务器包括主机、数据库�？�、应用�？�、磁盘阵列。无线通信模块包括GSM无线传输单元、ZIGBEE无线�？椋渲衂IGBEE�？橛胛尴卟杉低�、电能质量监测系统选择相同型号ZIGBEE芯片。服务器中的数据库模块负责数据实时存储、调用、统计、图表显示、查询等功能；应用�？橹饕ㄉ璞腹ぷ髯刺治�、设备故障预测、电网安全预警功能；磁盘阵列用于存储系统海量历史数据，数据类型包括设备状态数据、电能质量数据两大类数据分别对应的各具体参数的原始结果、分析结果、统计结果等。数据中心的工作流程如下步骤31 :系统初始化，包括硬件外设初始化、关键数组初始化；步骤32 :接收数据，解包、存储；步骤33 :建立数据库；步骤34 :运行数据分析�？椋徊街�35 :如正常则返回32，异常则报警；步骤36 :等待客户解除警报命令；步骤37 :接收到客户解除警报命令，发送解除警报指令给电能质量监测系统，返回S31 ;否则，返回步骤36。
权利要求1.ー种高速列车设备状态及电能质量监测系统，其特征在于，包括无线采集系统、电能质量监测系统、数据中心；所述无线采集子系统与电能质量监测系统连接；所述电能质量监测系统与数据中心连接。
2.根据权利要求I所述的高速列车设备状态及电能质量监测系统，其特征在于，所述无线采集系统包括多个分布安装在高速列车设备上的无线采集子节点；所述无线采集子节点包括多參数采集�？楹臀尴叽淠？椋凰鑫尴叽淠？橛攵鄥⑹杉？榱�。
3.根据权利要求2所述的高速列车设备状态及电能质量监测系统，其特征在于，所述无线传输�？椴捎肸IGBEE无线传输协议。
4.根据权利要求3所述的高速列车设备状态及电能质量监测系统，其特征在于，所述多參数采集�？椴捎梅侨肭质降牟杉绞健�
5.根据权利要求I所述的监测系统，其特征在于，所述电能质量监测系统包括数据采集模块、ARM主控�？椤⑵德矢倌？楹臀尴咄ㄐ偶岸ㄎ荒？椋凰鍪莶杉？榘ǖ缪勾衅�、电流传感器、预处理电路和A/D采样电路；所述预处理电路包括AGC自增益程控放大电路和巴特沃思滤波电路,A/D采样电路由ARM主控�？榈钠谕馍杼峁凰鯝RM主控�？槭褂肅ortex-M3嵌入式控制器；所述频率跟踪�？榘ū冉掀鞯缏泛突贔PGA的数字倍频电路；所述无线通信及定位�？榘℅PS定位単元、GPRS无线传输单元、GSM无线传输单元和ZIGBEE无线�？�。
6.根据权利要求5所述的监测系统，其特征在于，所述电压传感器输出与预处理电路连接，所述电流传感器输出与预处理电路连接；所述预处理电路的输出与A/D采样电路连接；频率跟踪模块的比较器电路与某一相电压预处理电路输出端连接；所述ARM主控�？橥ü卸螴/O端ロ与频率跟踪模块的数字倍频电路输出连接；所述无线通信及定位�？橹械腉PS定位単元、GPRS无线传输单元、GSM无线传输单元分别与ARM主控�？榈拇薪鹰砹�。
7.根据权利要求I所述的监测系统，其特征在于，所述数据中心包括客户终端；所述客户终端包括无线通信�？椋鑫尴咄ㄐ拍？榘℅SM単元和ZIGBEE无线�？�。
8.根据权利要求1-7任何ー项所述的监测系统，其特征在于，所述无线采集系统中的无线传输�？橛氲缒苤柿考嗖庀低车奈尴咄ㄐ偶岸ㄎ荒？橹械腪IGBEE�？槲尴吡�。
9.根据权利要求1-7任何ー项所述的监测系统，其特征在于，所述电能质量监测系统的无线通信及定位�？橛胧葜行牡奈尴咄ㄐ拍？椴捎肎PRS方式或GSM或ZIGBEE协议无线连接。
专利摘要本实用新型公开了一种高速列车设备状态及电能质量的监测系统，包括无线采集系统、电能质量监测系统、数据中心；无线采集子系统与电能质量监测系统无线连接；电能质量监测系统与数据中心无线连接。本实用新型可实现具有精确定位的电能质量监测及分布式设备健康状况监测功能，特别适用于高速列车及牵引供电系统安全监测与预警。
文档编号G01M17/08GK202583342SQ20122007185
公开日2012年12月5日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者高翠云, 韩茹, 赵彦强, 栗文静, 刘酩, 王伟 申请人:安徽建筑工业学院
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