中國動車組輔助供電系統負荷能耗測試分析裝置設計

0 引言

由于國內動車組輔助供電系統的容量參數大部分是直接引用國外樣機的設計參數，沒有實驗數據的支持，無法確定中國動車組現有輔助供電系統參數的合理性。為了在設計上更好地適應中國鐵路復雜的運行環境以及適應中國設計和制造平臺，滿足長距離、長時間連續運行條件，實現中國高速動車組技術全面獨立，從2012年初開始，國內相關企業、高校和科研單位等就已著手聯合各種優勢力量，開展相關的研究工作。

通過對中國動車組輔助供電系統負荷能耗進行長期跟蹤試驗，才能獲得其負荷能耗的實際消耗值，為中國動車組輔助供電系統容量設計提供可靠的數據支持。本文對動車組輔助供電系統負荷能耗測試裝置進行設計，實現對各負荷的電壓、電流、功率因數、能耗等測試量的采集、記錄和存儲等，從而得到各負荷的運行狀況，為中國動車組輔助供電系統設計的合理性分析提供數據支持。

1 整體設計方案

因動車組輔助供電系統的各負載分布于8節編組車輛中，動車組輔助供電系統負荷能耗測試裝置的設計方案將下位機配置在每一節車輛中，下位機接收到工控機發送的數據請求指令后，將采集的數據通過車載以太網交換機傳輸到工控機，工控機將接收的數據在其數據采集軟件上進行顯示和存儲，整體方案結構如圖1所示。

圖1 能耗測試裝置整體方案結構

單節車廂所配置的數據采集器是基于電壓、電流互感器制作而成，采集的數據經對濾波格式轉化等簡單處理后再通過車載以太網交換機傳輸到工控機中。

2 下位機設計方案

下位機硬件系統主要由數據采集裝置、以STM32F103單片機為核心的智能處理裝置2大部分組成，其中智能處理裝置由CPU芯片、供電模塊、鍵盤模塊、存儲模塊、通信模塊、地址模塊、啟動模塊等部分構成[6～9]。下位機總體結構如圖2所示。

2.1 信號采集模塊的設計

下位機信號采集模塊采用RN7302三相電測儀表專用芯片進行電量信息的采樣和檢測。下位機除信號采集模塊外還包括電流互感器、電阻分壓網絡等外圍電路。電流信號經電流互感器，電壓信號經電阻分壓網絡均傳送給計量芯片RN7302進行處理，由其完成各電能參數的測量，并通過SPI總線將數據傳遞給STM32F103進行處理。

圖2 下位機總體結構

2.2 智能處理單元設計

智能處理裝置是下位機的核心，采用STM32F103單片機及其擴展電路實現下位機控制和運算處理功能。STM32F103單片機對RN7302采集的數據進行處理，同時實現數據遠程傳輸、存儲等功能。

2.3 下位機軟件設計

下位機具備可靠的信號數據采集、數據存儲、數據傳輸、參數修改等功能。本設計中以Keil uVision4為平臺，使用C語言進行軟件設計。軟件系統的各模塊及其功能如下：

（1）信號采集處理模塊：采集電量數據，處理轉換。

（2）數據存儲模塊：按時存儲系統數據。

（3）芯片通訊模塊：芯片之間傳輸數據。

（4）網絡通訊模塊：在上下位機之間實時傳輸數據。

（5）按鍵掃描模塊：通過按鍵可對下位機進行簡單的操作。

主循環程序主要完成電量計算、數據保存、掃描按鍵、數據通信等功能。下位機上電后，系統進行初始化，清除看門狗，采集器開始正式工作；隨后采集器對當前時間段內的電量進行計量，每到一定時間對當前的電量進行一次計量，儲存當時的電能值。在主程序中，不同條件下的中斷會導致各相應模塊產生中斷響應，并在滿足條件的情況下調用子程序。在計量過程中，需要通過軟件對計量的數值格式進行相應轉換，轉換后儲存在數據存儲器中。CPU可讀取當前寄存器的數據處理結果并通過網絡通信發送給上位機。下位機的主程序流程如圖3所示。

圖3 下位機主程序流程

3 上位機軟件設計

上位機直接采用安裝了Win7系統的工控機，因此只需進行上位機軟件設計。上位機采用LabVIEW開發數據采集軟件[10～13]。

正常運行過程中，下位機需要通過以太網交換機向工控機傳輸數據，而工控機需將數據進行存儲與顯示，工控機的數據庫采用MySQL。上位機的數據處理流程如圖4所示。

為了完成數據采集，首先建立工控機數據采集軟件與數據庫的正常連接，同時采用UDP協議與8節車廂進行數據通信連接。準備工作完成后，通過以太網交換機向下位機發送數據采集指令，此時下位機采集系統開始進行數據采集工作，同時通過以太網交換機向工控機進行數據上傳，工控機接收到數據之后將數據存儲在MySQL數據庫中，并通過數據采集軟件的人機接口界面進行數據顯示，實現實時在線監測的目的。同時，工控機軟件系統加入了故障顯示與處理模塊，發現故障信號后可及時報警與存儲，為設備的穩定運行以及后期維護提供了可靠的技術手段。

圖4 上位機數據處理流程

4 單節車輛數據采集方案設計

對單節車輛的數據采集方案進行設計，設計方案如圖5所示。

圖5 單節車輛數據采集方案

因各負載在輔助供電系統中均設有統一的端子編號，根據端子編號，在相應的端子排電流進線端卡接互感器。當負載工作時，下位機數據采集器接收互感器采集的電流信號并進行數據處理，然后通過下位機的通信模塊傳輸出去，并通過車載以太網交換機將數據傳遞給工控機，由工控機數據采集軟件進行數據存儲與顯示。

該裝置一共需要制作8個數據采集器以滿足不互通車廂中壓負荷的數據采集工作，而上位機控制中心則只需1臺設備。現場圖片如圖6所示。

圖6 現場圖片

5 結語

該裝置運行過程穩定可靠，并提供了布局簡潔合理、重點突出、易于監控、操作簡單、方便實驗人員調試和使用并適合長期無人值守的人機交互界面，完全實現了對輔助供電系統各負荷的電壓、電流、功率、功率因數和能耗等測試量的采集、記錄和存儲功能，為以后的數據下載以及動車組輔助供電系統設計的合理性分析提供了條件。

參考文獻：

[1]中華人民共和國.中長期鐵路網規劃[R].2008.

[2]劉建國.高速鐵路概論[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3]陳銘儒.簡述我國高速鐵路的發展概況[J].當代經濟，2010（16）：82-83.

[4]郭龍菲.社會經濟視角下我國高速鐵路建設規模分析[D].北京交通大學，2014.

[5]Zhou X J,High-speed railway promotes development of low-carbon economy in China[J].JournalofRailway Engineering Society,2010,09:71-77.

[6]王琳，商周，王學偉.數據采集系統的發展與應用[J].電測與儀表，2004，41（8）：4-8.

[7]韓友川.基于ARM的多通道數據采集技術的研巧與開發[D].北方工業大學，2013.

[8]楊博，張加宏，李敏，等.基于ARM的多通道數據采集系統[J].儀表技術與傳感器，2015（2）：104-107.

[9]張健，劉光斌.多通道測試數據采集處理系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2005，13（10）：1143-1145.

[10]張丙才，劉琳，高廣峰，等.基于LabVIEW的數據采集與信處理[J].儀表技術與傳感器，2007（12）：74-75.

[11]吳慧君，韓志引，柳溪.基于LabVIEW的數據采集系統設計[J].數字技術與應用，2014（2）：170-170.

[12] Chabchoub S,MansouriS,Salah R B.Biomedical monitoring system using LabVIEW FPGA[C].Information Technology and Computer Applications Congress.IEEE,2016:1-5.

[13]Yu Y,Li C,Wang T,er al.Design of empirical mode decomposition and HHT system base on LabVIEW[C].InternationalConference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology,Emeit2011,Harbin,Heilongjiang,China,12-14August.DBLP,2011:2683-2686.