Универсальный измеритель для тяговых подстанций и электроподвижного состава метрополитенов
Полезная модель относится к электроснабжению метрополитенов и может быть использована для измерения напряжений, токов и других электрических величин на высоковольтном оборудовании тяговых подстанций и электроподвижного состава.
Техническая задача - обеспечение возможности длительных высокоточных измерений электрических величин в высоковольтных цепях переменного и постоянного тока на тяговых подстанциях и электроподвижном составе метрополитенов.
Универсальный измеритель включает высоковольтный измерительный узел, состоящий из микроконтроллера, связанного с каналами измерений тока, напряжения, общих измерений, блоком часов реального времени, датчиком ускорения по двум координатным осям, менеджером питания, совмещенного со сторожевым таймером, блоком сопряжения с последовательным каналом связи, и блок развязки, состоящий из блока питания и оптических каналов связи, один из которых связан для передачи информации с записывающим устройством, микроконтроллер соединен с записывающим устройством через оптический канал блока развязки или напрямую через блок сопряжения с последовательным каналом связи. 1 илл.
Полезная модель относится к электроснабжению метрополитенов и может быть использована для измерения напряжений, токов и других электрических величин на высоковольтном оборудовании тяговых подстанций и электроподвижного состава.
Известны измерительные устройства (аналоги), входящие в состав микропроцессорной защиты фидеров тяговой сети постоянного тока 3,3 БЗ-М1 и ЦЗАФ-3,3 (Гречишников В.А., Пупынин В.Н. Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 3,3 кВ. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2004, №1).
Устройств, позволяющих проводить измерения напряжений, токов и других электрических величин на высоковольтном оборудовании, разработано большое множество, начиная от киловольтметров и амперметров и заканчивая современными цифровыми осциллографами.
Однако проводить длительные непрерывные измерения указанных величин при одновременной фиксации измеренных значений с их помощью либо нельзя, либо измерительный и записывающий комплекс на их основе будет непомерно громоздок и дорог.
Наиболее близким к заявленному измерителю является измерительное устройство, входящее в состав устройства микропроцессорной защиты фидеров тяговой сети постоянного тока 3,3 кВ БЗ-М1. Измерительное устройство включает высоковольтный измерительный узел, состоящий из микроконтроллера, связанного с каналами измерений тока и напряжения, менеджером питания, совмещенного со сторожевым таймером, и блок развязки, состоящий из блока питания и оптических каналов связи. В известном устройстве измерение, аналого-цифровое преобразование и обработку информации обеспечивает высоковольтный измерительный узел. Обработанная информация передается посредством оптической развязки в низковольтный узел. Оптическая развязка совмещена с развязывающим блоком питания, состоящим из развязывающего трансформатора. Оптическая развязка и развязывающий блок питания составляют блок развязки. В низковольтном узле находится клавиатура, блок питания, блоки управления коммутационным оборудованием, интерфейсы с ПК и АСТМУ.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности длительных высокоточных измерений электрических величин в высоковольтных цепях переменного и постоянного тока на тяговых подстанциях и электроподвижном составе метрополитенов, передаче значений измеренных величин к записывающему устройству, находящемуся под безопасным низким потенциалом, при одновременном обеспечении устойчивости к электромагнитным помехам канала передачи значений измеренных величин и самого универсального измерителя. Техническая задача достигается тем, что в универсальном измерителе для тяговых подстанций и электроподвижного состава метрополитенов, включающем высоковольтный измерительный узел, состоящий из микроконтроллера, связанного с каналами измерений тока и напряжения,
менеджером питания, совмещенного со сторожевым таймером, и блок развязки, состоящий из блока питания и оптических каналов связи, высоковольтный измерительный узел снабжен каналом общих измерений, дополнительными каналами измерений тока и напряжения, блоком часов реального времени, датчиком ускорения по двум координатным осям для измерения ускорений на электроподвижном составе, блоком сопряжения с последовательным каналом связи, один оптический канал блока развязки связан для передачи информации с записывающим устройством, канал общих измерений, дополнительные каналы измерений тока и напряжения, блок часов реального времени и датчик ускорения соединены с микроконтроллером прямой связью, микроконтроллер соединен с записывающим устройством через оптический канал блока развязки или напрямую через блок сопряжения с последовательным каналом связи.
Предлагаемый универсальный измеритель предназначен для длительного высокоточного непрерывного измерения и передачи на устройство записи посредством опторазвязывающего канала:
- тока и напряжения в любых цепях на тяговых подстанциях метрополитена;
- тока и напряжения на подвижном составе, а также его скорости и ускорения;
- тока и напряжения в кабельных перемычках между подстанциями метрополитена и кабелях между автотрансформаторами;
- потенциалов рельсов метрополитена, а также для определения расхода электроэнергии на фидерах тяговой сети метрополитенов и ЭПС, и определения потерь электроэнергии в тяговой сети метрополитенов.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема универсального измерителя.
Измеритель включает высоковольтный измерительный узел 1, блок развязки 2 и блок сопряжения с последовательным каналом связи 3. Высоковольтный измерительный узел 1 состоит из микроконтроллера 4, соединенного с каналами измерения тока 5 и 6, каналами измерения напряжения 7 и 8, каналом общих измерений 9, блоком часов реального времени 10, датчиком измерения ускорения по двум координатным осям 11, и менеджера питания, совмещенного со сторожевым таймером, 12. В качестве первичного сигнала о токе могут использоваться измерительные шунты, датчики тока или трансформаторы тока. В качестве первичного источника сигнала о напряжении могут использоваться датчики напряжения или трансформаторы напряжения. Для измерения любых необходимых величин, кроме токов и напряжения (например, скорости ЭПС), служит канал общих измерений 9. Для обеспечения четкой привязки измеренных блоков данных по времени служит блок часов реального времени 10, который подключен непосредственно к микроконтроллеру 4. Блок часов реального времени 10 также используется для запуска и остановки измерений в заранее заданные моменты времени суток. Датчик ускорения 11 используется для измерения ускорения по двум координатным осям. Внутренняя программа микроконтроллера 4 настраивает соответствующим образом работу интегрированных устройств и, отслеживая определенные моменты времени, передает пакетами измеренную информацию по последовательному интерфейсу микроконтроллера 4. Если требуется отсутствие гальванических связей с измерительным устройством, то для передачи информации используется оптический канал 13 блока развязки 2. В качестве устройства записи могут использоваться, например, персональный компьютер или ноутбук. Если отсутствие гальванической связи с измерительным устройством необязательно, то используется выход блока 3 сопряжения с последовательным каналом связи.
Так как работа универсального измерителя предполагается внутри ячеек силового оборудования, то неминуемо он будет подвержен электромагнитному влиянию со стороны токоведущих элементов ячейки, особенно в моменты коммутации силового оборудования. Электромагнитное влияние отрицательно сказывается на работе микропроцессорной техники и может приводить к сбоям в работе и «зависанию». Для минимизации последствий воздействия электромагнитных помех на работу измерителя дополнительно к интегрированному в микроконтроллер 4 сторожевому таймеру добавлен блок 12, представляющий собой внешний сторожевой таймер, совмещенный с менеджером питания 14 блока развязки 2. Такая двухступенчатая система обеспечивает перезагрузку микроконтроллера 4 и возобновляет его работу в течение нескольких периодов времени, равных шагу дискретизации.
Питание универсального измерителя осуществляется через развязывающий блок питания 14.
Универсальный измеритель функционирует следующим образом. Измеряемые сигналы одновременно поступают на соответствующие измерительные каналы 5, 6, 7. и 8, где преобразуются в необходимые уровни для поступления на микроконтроллер 4. Датчик ускорения внешних сигналов 11 не используется. Под управлением внутренней программы микроконтроллера 4 с периодом времени, равному шагу дискретизации, формируется пакет данных, состоящий из данных, измеренных по всем каналам. К каждому пакету данных прикрепляются показания блока 10 часов реального времени и сформированный, таким образом, пакет поступает в блок 3 сопряжения с последовательным каналом связи и в блок 13 оптического канала. Если требуется отсутствие гальванических связей с измерительным устройством, то переданная информация снимается с выхода блока 13 оптического канала. Если отсутствие гальванических связей с измерительным устройством не требуется, то переданная информация
снимается с выхода блока 3 сопряжения с последовательным каналом связи. Периодически микроконтроллер 4 посылает импульсы на сторожевой таймер 12, сбрасывая его. Если вследствие воздействия электромагнитных помех микроконтроллер 4 «зависнет», то сторожевой таймер 12 производит сброс всего устройства и возобновление его работы. Питание всего устройства обеспечивает блок питания 14. При недопустимом уровне питающего напряжения менеджер питания прекращает работу устройства с сохранением рабочих режимов во внутренней FLASH памяти микроконтроллера.
Универсальность предлагаемой полезной модели позволяет применять ее для большого спектра задач. Это обеспечивается не только большим разнообразием первичных источников сигналов (кроме указанных можно использовать и любой другой, уровень выходного напряжения которого приведен к одному из описанных), но и перепрограммируемой памятью программ микроконтроллера, которую можно менять без демонтажа с места измерения, адаптируя работу устройства под конкретные условия эксплуатации или добавляя новые функциональные возможности, а также малым шагом дискретизации, большим временем осциллографирования, большим числом измерительных каналов, безинерционностью, наличием оптической развязки, небольшими размерами, возможностью работы в непосредственной близости от силовых цепей, простотой монтажа и демонтажа, возможностью непосредственной записи измеренной информации на персональный компьютер, где можно применить всю мощность современного программного обеспечения для опосредованной обработки результатов осциллографирования.
Универсальный измеритель для тяговых подстанций и электроподвижного состава метрополитенов, включающий высоковольтный измерительный узел, состоящий из микроконтроллера, связанного с каналами измерений тока и напряжения, менеджером питания, совмещенного со сторожевым таймером, и блок развязки, состоящий из блока питания и оптических каналов связи, отличающийся тем, что высоковольтный измерительный узел снабжен каналом общих измерений, дополнительными каналами измерений тока и напряжения, блоком часов реального времени, датчиком ускорения по двум координатным осям для измерения ускорений на электроподвижном составе, блоком сопряжения с последовательным каналом связи, при этом один оптический канал блока развязки связан для передачи информации с записывающим устройством, канал общих измерений, дополнительные каналы измерений тока и напряжения, блок часов реального времени и датчик ускорения соединены с микроконтроллером прямой связью, а микроконтроллер соединен с записывающим устройством через оптический канал блока развязки или напрямую через блок сопряжения с последовательным каналом связи.
