電力機(jī)車遠(yuǎn)程能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王洪偉 夏明超 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院

電力機(jī)車能耗以及由于無功造成的罰款是電力機(jī)務(wù)段的主要運(yùn)營(yíng)成本[1] 。現(xiàn)在各型電力機(jī)車使用的機(jī)械式電度表測(cè)量精度低，必須采用人工抄表，而且人工抄表只能反映機(jī)車整趟作業(yè)的功耗，無法確知機(jī)車在運(yùn)行各階段的區(qū)間瞬時(shí)能耗。而區(qū)間瞬時(shí)能耗是評(píng)價(jià)司機(jī)操作是否合理以及電力機(jī)車牽引部件狀態(tài)是否良好，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)車從定修向狀態(tài)修過渡的重要性能指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行過程中的能耗進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)記錄，并通過GPRS自動(dòng)發(fā)送到地面服務(wù)器，通過軟件可以實(shí)現(xiàn)電量的分人、分車、分段的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

本系統(tǒng)采用專用電能測(cè)量芯片，高速準(zhǔn)確采集能耗信息，提高了能耗計(jì)量的分辨率和準(zhǔn)確度。可以實(shí)現(xiàn)有功、無功電能的正、反向計(jì)量，在替代了機(jī)車上原有3只機(jī)械式電表的同時(shí)，增加了反向無功計(jì)量功能；此外，本裝置還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)弓網(wǎng)電壓、電流、頻率以及離線率等弓網(wǎng)供電參數(shù)，通過對(duì)以上參數(shù)的監(jiān)測(cè)，為供電系統(tǒng)維護(hù)提供科學(xué)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，改善供電品質(zhì)。可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)間用電記錄，作為不同供電段以及不同路局之間電能結(jié)算的依據(jù)。由于系統(tǒng)基于GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)，極大地降低了工作人員的工作強(qiáng)度，節(jié)約了管理成本。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電力機(jī)車遠(yuǎn)程能耗監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括上部的車載電能采集終端和下部的監(jiān)控中心服務(wù)器軟件兩部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

車載電能采集終端適合于電力機(jī)車主變壓器副邊額定頻率50 Hz、交流100 V電能的計(jì)量，可測(cè)量電力機(jī)車的正向有功、正向無功、反向有功、反向無功、供電頻率、網(wǎng)壓、離線率以及機(jī)車級(jí)位手柄等電參數(shù)。并通過RS-485接口從機(jī)車上的安全綜合信息平臺(tái)TAX箱（簡(jiǎn)稱TAX箱）獲取機(jī)車號(hào)、機(jī)車型號(hào)、時(shí)間、車次、司機(jī)號(hào)、牽引總重、記長(zhǎng)、輛數(shù)、公里標(biāo)、區(qū)間段、站號(hào)、速度等機(jī)車運(yùn)用信息，這些運(yùn)行信息作為電參數(shù)記錄的標(biāo)尺。記錄的信息通過GPRS遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，服務(wù)器軟件對(duì)接收的能耗及狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，并記入ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)分人、分時(shí)、分車、分區(qū)段的統(tǒng)計(jì)與計(jì)量，機(jī)務(wù)、供電及路局等各級(jí)用戶還可根據(jù)自己的權(quán)限通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢與管理。

1.2 車載電能采集終端的設(shè)計(jì)

車載電能采集終端是系統(tǒng)的核心，其原理框圖如圖2所示。

圖2 車載能耗監(jiān)測(cè)裝置原理圖

該裝置采用16位單片機(jī)MC9S12A64作為CPU，利用SA9904B作為電能測(cè)量芯片，為提高抗干擾能力，在CPU和SA9904B之間利用光耦加以隔離。CPU通過RS485通訊從機(jī)車兩端的TAX箱獲取機(jī)車運(yùn)行信息，由于列車運(yùn)行過程中只有一端的TAX箱上電工作，因此CPU需要在兩個(gè)TAX箱間自動(dòng)切換直至找到正確的數(shù)據(jù)源。同時(shí)CPU還利用A/D變換采集機(jī)車操作手柄的級(jí)位，采集的信息通過6位LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并將符合條件的數(shù)據(jù)記錄到非易失RAM芯片AT45DB041中，記錄的數(shù)據(jù)可以通過GPRS或IC卡兩種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)。同時(shí)，為了對(duì)能耗裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，保留了校準(zhǔn)脈沖的輸出。

電量測(cè)量主要通過SA9904B實(shí)現(xiàn)，它可測(cè)量三相交流電的有功功率、無功功率、電壓、頻率及電能，CPU通過SPI串行接口訪問其內(nèi)部寄存器的測(cè)量值。對(duì)SA9904B來說，其電流輸入端可連接電流互感器的副邊，電壓輸入端需要通過如圖3所示的電阻網(wǎng)絡(luò)配置其電壓感應(yīng)輸入。流入電壓感應(yīng)輸入端（虛擬輸入端）的電流應(yīng)在額定條件設(shè)為14 μARMS，電壓感應(yīng)輸入飽和于±25 μA峰值的輸入電流。

分壓網(wǎng)絡(luò)(見圖3)應(yīng)將C5之前的電壓分為14 VRMS，R8用于設(shè)定電壓感應(yīng)輸入的電流，阻值為1 MΩ。

設(shè)：

當(dāng)電力機(jī)車相電壓為100 V時(shí)，為了能夠在C5前分得14 V的電壓，有如下關(guān)系：

當(dāng) R13 為 24 kΩ 時(shí)，RB＝23.44 kΩ，RA＝143.98 kΩ。

因此，只要將R16、R19及R22的串聯(lián)電阻值配置為144 kΩ即可。

圖3 電壓感應(yīng)輸入通道配置網(wǎng)絡(luò)

2 數(shù)據(jù)記錄及GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送

本系統(tǒng)采用AT45DB041進(jìn)行車載數(shù)據(jù)的記錄。由于空間有限，既要保證數(shù)據(jù)的完整又要盡可能少的記錄數(shù)據(jù)。因此，必須采用合理的數(shù)據(jù)壓縮記錄算法。

2.1 定長(zhǎng)數(shù)據(jù)壓縮記錄方法

本系統(tǒng)需要記錄的數(shù)據(jù)包括機(jī)車運(yùn)用信息和機(jī)車能耗狀態(tài)信息兩部分。機(jī)車運(yùn)用信息中，除了時(shí)間、站號(hào)和公里標(biāo)等隨車輛運(yùn)動(dòng)變化的數(shù)據(jù)以外，其它數(shù)據(jù)變化頻率很低，大約每8～10h才會(huì)變化一次，在運(yùn)行過程中不需要重復(fù)記錄，能耗信息則需要在每包數(shù)據(jù)中都加以記錄。

為了實(shí)現(xiàn)分人、分車、分區(qū)段的能耗計(jì)量，本系統(tǒng)將上電、交路號(hào)、司機(jī)號(hào)、總重、站號(hào)及過分相點(diǎn)作為數(shù)據(jù)記錄條件。每條記錄26個(gè)字節(jié)，由數(shù)據(jù)頭(2 Bytes)、變化數(shù)據(jù)(2 Bytes)、公共數(shù)據(jù)(21 Bytes)和校驗(yàn)字節(jié)(1 Bytes)組成。由于26個(gè)字節(jié)無法完全記錄上電時(shí)所有的機(jī)車運(yùn)用及能耗狀態(tài)信息，因此通過"@0"和"@1"兩個(gè)不同數(shù)據(jù)頭的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行記錄。此后，只有關(guān)注的機(jī)車運(yùn)用信息發(fā)生變化后才進(jìn)行記錄，交路號(hào)、司機(jī)號(hào)、總重、站號(hào)和分相點(diǎn)的變化分別用"@2～@6"作為數(shù)據(jù)頭加以區(qū)別，數(shù)據(jù)頭格式及具體含義見表1。

表1 記錄數(shù)據(jù)頭及含義

2.2 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送

車載裝置采用GPRS無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。GPRS模塊實(shí)際是一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GPRS Modem，具有訪問Internet的能力。車載裝置通過CPU的串行接口連接GPRS模塊，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)逐條發(fā)送到監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)發(fā)送采用指針發(fā)送方式，AT45DB041中同時(shí)保存著數(shù)據(jù)記錄指針和數(shù)據(jù)發(fā)送指針，只要發(fā)送指針小于記錄指針，就說明有數(shù)據(jù)等待發(fā)送。

所有的數(shù)據(jù)通訊均由車載GPRS模塊主動(dòng)發(fā)起。本系統(tǒng)采用GPRS透明傳輸模式下的短連接功能，該模式下GPRS內(nèi)部配置了接收服務(wù)器的IP地址及端口。當(dāng)模塊接收到CPU串口發(fā)送的數(shù)據(jù)后，若模塊未在線，則自動(dòng)建立與地面服務(wù)器之間的鏈接。鏈接一旦建立，地面服務(wù)器不僅可以接收GPRS模塊傳送的數(shù)據(jù)，還可以向車載設(shè)備發(fā)送時(shí)間校準(zhǔn)值或者要求模塊發(fā)送地面所需的數(shù)據(jù)。當(dāng)多臺(tái)車載GPRS模塊向服務(wù)器提出連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器會(huì)給每個(gè)模塊分配一個(gè)唯一的句柄號(hào)，通過該句柄，即可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通訊。

車載GPRS模塊與地面服務(wù)器通訊遵循事先約定的通訊協(xié)議。服務(wù)器接收到GPRS發(fā)送一包數(shù)據(jù)后，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)正確，將給車載終端發(fā)送應(yīng)答幀。車載終端接收到正確應(yīng)答幀后，模塊的發(fā)送指針調(diào)整到下一包要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址。否則，車載設(shè)備重新檢查所發(fā)數(shù)據(jù)包，并重新發(fā)送數(shù)據(jù)。通過這些嚴(yán)格的校驗(yàn)、握手措施，可以保證準(zhǔn)確的收發(fā)數(shù)據(jù)。若網(wǎng)絡(luò)繁忙或連接中斷，由于接不到應(yīng)答，車載終端會(huì)重發(fā)同一包數(shù)據(jù)，因此不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。若網(wǎng)絡(luò)空閑，CPU將一直發(fā)送數(shù)據(jù)直到發(fā)送指針與記錄指針重合，此時(shí)表明記錄的數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完畢，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止發(fā)送。

3 地面數(shù)據(jù)接收及分析處理軟件

3.1 基于Socket編程的數(shù)據(jù)接收

服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)環(huán)境為Visual 2003.NET，其內(nèi)部的Socket提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。Visual 2003.NET通過設(shè)置WinSock控件的屬性并調(diào)用其方法就可輕易地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。在Visual 2003.NET中，Winsock有2種數(shù)據(jù)傳送格式：字符串型和字節(jié)流型，本系統(tǒng)采用字節(jié)流型。

為了在服務(wù)器端創(chuàng)建Socket應(yīng)用程序，需要設(shè)置一個(gè)收聽端口(LocalPort屬性)并調(diào)用Listen方法。當(dāng)客戶計(jì)算機(jī)需要連接時(shí)就會(huì)發(fā)生ConnectionRequest事件。為了完成連接，可調(diào)用ConnectionRequest事件內(nèi)的Accept方法。一旦連接建立，兩端均可使用SendData或GetData進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。格式如下：

功能為向當(dāng)前連接發(fā)送SendText中的字符串；功能為接收字符串，并保存在變量GetText中。

當(dāng)多個(gè)車載終端同時(shí)向地面服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每發(fā)生一個(gè)ConnectionRequest事件，WinSock1的Index就加1，這樣每個(gè)ConnectionRequest事件就對(duì)應(yīng)唯一的Index，因此可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通訊。當(dāng)Index達(dá)到設(shè)定值后，清除所有Socket連接，由于GPRS模塊會(huì)自動(dòng)重新上線，因此能夠保持接收軟件正常運(yùn)行。服務(wù)器端應(yīng)用Socket控件接收數(shù)據(jù)的程序流程如圖4所示。

圖4 Socket數(shù)據(jù)接收程序流程

3.2 接收數(shù)據(jù)的解壓及存儲(chǔ)

由于Socket控件接收的都是二進(jìn)制數(shù)，為了弄清各字節(jié)的含義，需要進(jìn)行解壓處理，解壓即按照原始數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)格式進(jìn)行反向解釋。對(duì)于還原出來的信息，還需要進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，例如，若解壓出來的時(shí)間中分鐘大于60，說明數(shù)據(jù)不合法，應(yīng)予剔除。只有通過合法性檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)包才能寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

服務(wù)器采用0racle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是一種高效、可靠的適應(yīng)高吞吐量的數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案。Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)采用ADO方法操作，其核心是Connection，Recordset和Command對(duì)象。首先利用Connection與服務(wù)器建立連接，然后用Command對(duì)象執(zhí)行諸如查詢、更新等命令，用Recordset對(duì)象來操作和查看查詢結(jié)果。

3.3 數(shù)據(jù)顯示與查詢

數(shù)據(jù)顯示是人機(jī)界面的主體，顯示的內(nèi)容分為動(dòng)態(tài)信息和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果兩大部分。動(dòng)態(tài)信息顯示接收的機(jī)車運(yùn)行及狀態(tài)信息；用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)司機(jī)、機(jī)車、區(qū)段和時(shí)間的組合查詢，對(duì)于查詢的結(jié)果，采用DataReport控件生成相應(yīng)的報(bào)表，便于查看和打印。

4 結(jié)論

論文針對(duì)當(dāng)前電力機(jī)車能耗計(jì)量中的諸多不足，設(shè)計(jì)了電力機(jī)車遠(yuǎn)程能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過車載終端實(shí)時(shí)采集機(jī)車電能等狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，并通過GPRS傳送到地面服務(wù)器，服務(wù)器端通過Visual 2003.NET編制的軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)及查詢，可通過不同條件的組合實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車能耗的分人、分時(shí)、分車、分段的統(tǒng)計(jì)與計(jì)量。