动车组列车能耗计量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了动车组列车能耗计量系统，涉及能耗计量技术领域，用以解决目前无法满足多点采集的动车组列车各类能耗的计量以及谐波分析，各类能耗包括牵引输入的有功能耗和无功能耗、辅助供电系统的有功能耗等。本系统包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；电压互感器和电流互感器，用于测量牵引变压器从供电网获取交流电的第一电压值和第一电流值，电流传感器和电压传感器用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统直流电的第二电压值和第二电流值；能量计量模块，用于结合预设频谱分析算法，获取牵引输入的预设能耗。本系统可获取列车在运行过程中的各类能耗及谐波成分，为动车组列车用电和节能管理提供了基础数据。

Energy Consumption Measurement System and Method for EMU Train

【技术实现步骤摘要】
动车组列车能耗计量系统及方法
本专利技术涉及能耗计量
，尤其涉及动车组列车能耗计量系统及方法。
技术介绍
随着动车组列车的快速发展，能源消耗总量随之增长。但是，目前动车组列车实际能耗却没有精确的测量方法，虽然有针对城市轨道的能耗计量算法，但却是针对城市轨道交通的直流供电系统的有功能耗进行的计量，无法针对动车组列车交流供电系统的无功能耗和视在能耗以及牵引供电的电能质量进行计量，并且也无法满足动车组列车多路输入的需求。并且动车组列车电网中谐波污染日益严重。谐波问题不仅恶化点呢个质量，对动车组列车的安全稳定和经济运行也将会造成巨大影响，因此对动车组列车的谐波含量以及谐波能耗的计量对无功能耗的计量影响比较大的。综上所述，需要设计一种能够计量交流电系统中各个牵引系统的视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统的有功能耗、谐波无功能耗以及谐波有功能耗的动车组列车能耗计量系统及方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了可以通过动车组列车各个牵引变压器输入主回路的电压、电流以及辅助供电系统输入主回路的电压、电流进行检测，统计分析列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统有功能耗以及谐波无功能耗、谐波有功能耗的动车组列车能耗计量系统及方法。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：动车组列车能耗计量系统，包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；所述电压互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；所述电流互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；所述电流传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的连线上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；所述电压传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的回路上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；所述能量计量模块，用于将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。进一步地，能量计量模块包括一个能量计量装置主机和多个能量计量装置从机，所述能量计量装置主机和多个能量计量装置从机均和动车组列车网络连接。进一步地，能量计量装置包括采样电路、放大电路、ADC转换电路、CPU、通信单元、实时时钟单元以及数据存储单元；所述采样电路接收电流互感器、电压互感器、电压传感器以及电流传感器的第一电流值、第一电压值、第二电压值以及第二电流值，并将接收的电压值和电流值发送至放大电路；所述放大电路，用于将放大后的电压值和电流值传输至ADC转换电路，所述ADC转换电路，用于将放大后的电压值和电流值转换为对应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至CPU；所述CPU，用于对电压值和电流值进行数据校准、频谱分析以及能耗计算，获取初始能耗数据；所述实时时钟单元，用于结合初始能耗数据，获取当前动车组列车最终能耗数据；所述数据储存单元，用于储存最终能耗数据；所述通信单元，用于将最终能耗数据传输给动车组列车网络。进一步地，CPU包括频谱分析单元和能耗计量单元；所述频谱分析单元，用于通过FFT运算和频谱分析获取基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位；所述能耗计量单元，用于根据频谱分析单元获取的基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位、电压互感器的原边电压、电流互感器的原边电压、电压传感器的原边电压以及电流传感器的原边电压获取牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的频率修正公式为：fh＝khΔf＝(α+kh1+0.5)Δf其中，α的取值范围为[-0.5，0.5]，Kh1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线，Δf为离散抽样间隔，Δf＝f/N，N是数据截断长度；所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的幅值修正公式为：Ah＝N-1(y1+y2)u(α)其中，y1是第h项谐波峰值点Kh附近幅值最大的谱线Kh1的幅值y1＝|X(kh1Δf)|，y2是第h项谐波峰值点Kh附近幅值次最大的谱线Kh2的幅值y2＝|X(kh2Δf)|；所述频谱分析单元中频谱分析的预设第h项谐波的初相位修正公式为：其中是w(n)的连续频谱，w(n)是Nuttal的窗函数，rh＝h。进一步地，能耗计量单元中电压互感器原边电压的满足以下公式：能耗计量单元中电流互感器原边电流的满足以下公式：其中U0为电压直流量；I0为电流直流量；Uh为第h次谐波电压有效值；Ih为第h次谐波电流有效值；θh为第h次谐波电压相位；为第h次谐波电流相位；H为谐波次数；ω0为基波角频率，ω0＝2πf0；f0为基波频率。7、根据权利要求6所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，牵引输入的无功能耗的公式为：W牵引无功＝∑QT；其中T为频谱分析的计算周期，其中Q为牵引输入的无功功率。进一步地，牵引输入的视在能耗的公式为：W视在＝∑ST；其中T为频谱分析的计算周期，其中S为牵引输入的无功功率。进一步地，牵引输入的辅助能耗的公式为：其中UV1为电压传感器的原边电压，IA1为电流传感器的原边电流。动车组列车能耗计量方法，其特征在于，包括步骤：S1：通过电压互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；S2：通过电流互感器获取牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；S3：通过电流传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；S4：通过电压传感器测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；S5：将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、视在能耗、基波的有功能耗、谐波的有功能耗以及辅助能耗。本专利技术包括至少以下有益效果为：(1)能够满足多路输入的动车组列车的无功能耗、视在能耗以及谐波检测的需求。(2)通过基于FFT的频域分析放大，利用牵引变压器获取的供电网的交流电的电压和电流的各次谐波幅值及其夹角计量获取谐波无功能耗和谐波有功能耗。(3)通过对动车组列车各个牵引变压器输入主回路的电压、电流以及辅助供电系统输入主回路的电压、电流进行检测，统计分析动车组列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗，牵引有功能耗以及辅助供电系统有功能耗，满足了动车组列车的各个能耗的计量。(4)通过统计和分析动车组列车以及各个牵引系统的总视在能耗、总有功能耗、总无功能耗、牵引有功能耗、辅助供电系统有功能耗以及牵引回路的谐波成分，可以了解动车组列车能耗统计情况以及电能质量情况，为动车组列车用电管理和节能管理提供基础本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.动车组列车能耗计量系统，其特征在于，包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；所述电压互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；所述电流互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；所述电流传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的连线上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；所述电压传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的回路上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；所述能量计量模块，用于将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。

【技术特征摘要】
1.动车组列车能耗计量系统，其特征在于，包括电压互感器、电流互感器、电压传感器、电流传感器以及能量计量模块；所述电压互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电压值，并将测量的第一电压值发送至能量计量模块；所述电流互感器安装于牵引变压器高压侧，用于测量牵引变压器从供电网获取的交流电的第一电流值，并将测量的第一电流值发送至能量计量模块；所述电流传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的连线上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电流值，并将测量的第二电流值发送至能量计量模块；所述电压传感器设置在牵引变压器和辅助供电系统的回路上，用于测量牵引变压器输出到辅助供电系统的直流电的第二电压值，并将测量的第二电压值发送至能量计量模块；所述能量计量模块，用于将获取的第一电压值、第一电流值、第二电压值以及第二电流值结合预设频谱分析算法，获取当前动车组列车的牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵引输入的谐波的有功能耗以及辅助能耗。2.根据权利要求1所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，能量计量模块包括一个能量计量装置主机和多个能量计量装置从机，所述能量计量装置主机和多个能量计量装置从机均和动车组列车网络连接。3.根据权利要求2所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，能量计量装置包括采样电路、放大电路、ADC转换电路、CPU、通信单元、实时时钟单元以及数据存储单元；所述采样电路接收电流互感器、电压互感器、电压传感器以及电流传感器的第一电流值、第一电压值、第二电压值以及第二电流值，并将接收的电压值和电流值发送至放大电路；所述放大电路，用于将放大后的电压值和电流值传输至ADC转换电路，所述ADC转换电路，用于将放大后的电压值和电流值转换为对应的数字信号，并将转换后的数字信号发送至CPU；所述CPU，用于对电压值和电流值进行数据校准、频谱分析以及能耗计算，获取初始能耗数据；所述实时时钟单元，用于结合初始能耗数据，获取当前动车组列车最终能耗数据；所述数据储存单元，用于储存最终能耗数据；所述通信单元，用于将最终能耗数据传输给动车组列车网络。4.根据权利要求1所述的动车组列车能耗计量系统，其特征在于，CPU包括频谱分析单元和能耗计量单元；所述频谱分析单元，用于通过FFT运算和频谱分析获取基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位；所述能耗计量单元，用于根据频谱分析单元获取的基波和预设共h项谐波的频率、幅值和初相位、电压互感器的原边电压、电流互感器的原边电压、电压传感器的原边电压以及电流传感器的原边电压获取牵引输入的有功能耗、牵引输入的视在能耗、牵引输入的基波的有功能耗、牵...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉钊，郑良广，赵爽，周峰，包演生，
申请(专利权)人：宁波中车时代传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33