中国动车组辅助供电系统负荷能耗测试分析装置设计

0 引言

由于国内动车组辅助供电系统的容量参数大部分是直接引用国外样机的设计参数，没有实验数据的支持，无法确定中国动车组现有辅助供电系统参数的合理性。为了在设计上更好地适应中国铁路复杂的运行环境以及适应中国设计和制造平台，满足长距离、长时间连续运行条件，实现中国高速动车组技术全面独立，从2012年初开始，国内相关企业、高校和科研单位等就已着手联合各种优势力量，开展相关的研究工作。

通过对中国动车组辅助供电系统负荷能耗进行长期跟踪试验，才能获得其负荷能耗的实际消耗值，为中国动车组辅助供电系统容量设计提供可靠的数据支持。本文对动车组辅助供电系统负荷能耗测试装置进行设计，实现对各负荷的电压、电流、功率因数、能耗等测试量的采集、记录和存储等，从而得到各负荷的运行状况，为中国动车组辅助供电系统设计的合理性分析提供数据支持。

1 整体设计方案

因动车组辅助供电系统的各负载分布于8节编组车辆中，动车组辅助供电系统负荷能耗测试装置的设计方案将下位机配置在每一节车辆中，下位机接收到工控机发送的数据请求指令后，将采集的数据通过车载以太网交换机传输到工控机，工控机将接收的数据在其数据采集软件上进行显示和存储，整体方案结构如图1所示。

图1 能耗测试装置整体方案结构

单节车厢所配置的数据采集器是基于电压、电流互感器制作而成，采集的数据经对滤波格式转化等简单处理后再通过车载以太网交换机传输到工控机中。

2 下位机设计方案

下位机硬件系统主要由数据采集装置、以STM32F103单片机为核心的智能处理装置2大部分组成，其中智能处理装置由CPU芯片、供电模块、键盘模块、存储模块、通信模块、地址模块、启动模块等部分构成[6～9]。下位机总体结构如图2所示。

2.1 信号采集模块的设计

下位机信号采集模块采用RN7302三相电测仪表专用芯片进行电量信息的采样和检测。下位机除信号采集模块外还包括电流互感器、电阻分压网络等外围电路。电流信号经电流互感器，电压信号经电阻分压网络均传送给计量芯片RN7302进行处理，由其完成各电能参数的测量，并通过SPI总线将数据传递给STM32F103进行处理。

图2 下位机总体结构

2.2 智能处理单元设计

智能处理装置是下位机的核心，采用STM32F103单片机及其扩展电路实现下位机控制和运算处理功能。STM32F103单片机对RN7302采集的数据进行处理，同时实现数据远程传输、存储等功能。

2.3 下位机软件设计

下位机具备可靠的信号数据采集、数据存储、数据传输、参数修改等功能。本设计中以Keil uVision4为平台，使用C语言进行软件设计。软件系统的各模块及其功能如下：

（1）信号采集处理模块：采集电量数据，处理转换。

（2）数据存储模块：按时存储系统数据。

（3）芯片通讯模块：芯片之间传输数据。

（4）网络通讯模块：在上下位机之间实时传输数据。

（5）按键扫描模块：通过按键可对下位机进行简单的操作。

主循环程序主要完成电量计算、数据保存、扫描按键、数据通信等功能。下位机上电后，系统进行初始化，清除看门狗，采集器开始正式工作；随后采集器对当前时间段内的电量进行计量，每到一定时间对当前的电量进行一次计量，储存当时的电能值。在主程序中，不同条件下的中断会导致各相应模块产生中断响应，并在满足条件的情况下调用子程序。在计量过程中，需要通过软件对计量的数值格式进行相应转换，转换后储存在数据存储器中。CPU可读取当前寄存器的数据处理结果并通过网络通信发送给上位机。下位机的主程序流程如图3所示。

图3 下位机主程序流程

3 上位机软件设计

上位机直接采用安装了Win7系统的工控机，因此只需进行上位机软件设计。上位机采用LabVIEW开发数据采集软件[10～13]。

正常运行过程中，下位机需要通过以太网交换机向工控机传输数据，而工控机需将数据进行存储与显示，工控机的数据库采用MySQL。上位机的数据处理流程如图4所示。

为了完成数据采集，首先建立工控机数据采集软件与数据库的正常连接，同时采用UDP协议与8节车厢进行数据通信连接。准备工作完成后，通过以太网交换机向下位机发送数据采集指令，此时下位机采集系统开始进行数据采集工作，同时通过以太网交换机向工控机进行数据上传，工控机接收到数据之后将数据存储在MySQL数据库中，并通过数据采集软件的人机接口界面进行数据显示，实现实时在线监测的目的。同时，工控机软件系统加入了故障显示与处理模块，发现故障信号后可及时报警与存储，为设备的稳定运行以及后期维护提供了可靠的技术手段。

图4 上位机数据处理流程

4 单节车辆数据采集方案设计

对单节车辆的数据采集方案进行设计，设计方案如图5所示。

图5 单节车辆数据采集方案

因各负载在辅助供电系统中均设有统一的端子编号，根据端子编号，在相应的端子排电流进线端卡接互感器。当负载工作时，下位机数据采集器接收互感器采集的电流信号并进行数据处理，然后通过下位机的通信模块传输出去，并通过车载以太网交换机将数据传递给工控机，由工控机数据采集软件进行数据存储与显示。

该装置一共需要制作8个数据采集器以满足不互通车厢中压负荷的数据采集工作，而上位机控制中心则只需1台设备。现场图片如图6所示。

图6 现场图片

5 结语

该装置运行过程稳定可靠，并提供了布局简洁合理、重点突出、易于监控、操作简单、方便实验人员调试和使用并适合长期无人值守的人机交互界面，完全实现了对辅助供电系统各负荷的电压、电流、功率、功率因数和能耗等测试量的采集、记录和存储功能，为以后的数据下载以及动车组辅助供电系统设计的合理性分析提供了条件。

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