城市轨道交通通新型供电系统监控试验平台研究

0 引 言
    为了减少制动能量在列车制动电阻上的耗散，抑制地铁隧道内温度的升高和减少车载设备，国外一般在牵引变电所的直流母线上设置再生制动能量吸收装置。设置再生制动能量吸收装置的供电系统区别于传统的二极管不控整流供电系统，又被称为城市轨道交通新型供电系统。
    新型牵引供电系统的结构由若干整流器单元多重化并联组成。采用这种结构方式，可以提高系统的供电质量，同时供电装置扩容容易，并可以提供一定的冗余性。另外其直流侧的制动能量可以回馈到交流电网，交流侧功率因数可调，并且直流侧的输出特性完全可控。
    为了保障供电系统调试及运行的正常，要求对供电系统动态过程中的各电气参量、温度值及开关量等进行测量、传输、显示、存储及故障诊断，方便用户观察数据、分析数据。而目前测量电参数主要依靠示波器、电压表、电流表以及万用表等仪表装置，这些仪表会影响PWM整流器的正常运行、威胁技术人员人身安全、使调试过程复杂化等，急需开发一种新的技术来代替传统的测量仪器。此外，为方便设计人员调试修改供电系统底层程序，需要设计控制系统，实现与主控板的数据通讯。
    为了解决以上问题，本文研究了新型供电系统的监控要求，以PWM整流器子系统为监控对象，设计了包含监测子系统和控制子系统的监控试验平台。

1 监控系统方案
    根据系统的设计要求、考虑到设计人员和使用人员的应用层次不同，本文设计的新型能馈式牵引供电系统的监控系统主要分为两个部分，即监测子系统和控制子系统，如图1所示。

    由图1可知，本监测控制系统的主要由监测子系统和控制子系统构成，其中监测子系统又包括下位机系统和上位机系统，控制子系统主要通过设计控制器实现。新型能馈式牵引供电系统监控结构图如图2所示。

1．1 监测子系统研究
    新型能馈式牵引供电系统监测子系统的示意图如图3所示，监测子系统由下位机系统和上位机系统构成。

1．1．1 监控子系统的下位机系统研究
    监测子系统的下位机系统主要由多路传感器、信号调理板、监测板以及网络通信传输单元构成。监测子系统的上位机系统由基于LabVIEW的监测软件组成。
    监测系统下位机系统的结构如图4所示。首先传感器采集模拟量送给模拟信号调理板，PWM整流器单元给出相关数字量给数字量调理板。调理板将调理后的模拟信号、数字信号送给监测板，监测板可以将得到的信号通过网络传输单元进行数据传输。

1．1. 2 监控子系统的上位机系统设计
    监测系统上位机系统主要指上位机监测软件。本文应用NI公司开发的LabVIEW软件为平台，在此基础上开发新型能馈式牵引供电系统调试需要的上层监测软件。监测软件主界面大致分为6个部分，分别是供电系统状态、PWM1状态、PWM2状态、PWM3状态、PWM4状态以及故障状态。
    其中，供电系统状态主要用来显示供电系统的整体状态，如变压器、机组、接触网信号等等；此外，在主界面右侧显示了供电系统的数字量信号，如开机信号、关机信号、整流状态信号、逆变状态信号、交流侧接触器状态、直流侧接触器状态等，如图5所示。

    PWM1、P WM2、PWM3及PWM4状态：主要用来显示每个PWM的运行状态，如图6所示。

    此外，还设计了故障显示界面，用于显示系统故障信号及故障诊断结果。
1．1．3 以太网通信实现
    在监测子系统中，下位机系统通过以太网将监测数据打包发送给上层监测软件，因此，以太网通信的实现对于监测系统来说至关重要。
    以太网通信结构如图7所示，硬件电路通过LAN91C11 1以太网芯片实现，在网络层通过IP自动分配以及ARP请求实现握手协议，在传输层通过UDP实现数据通信，从而将数据从下位机传给上位机。

1．2 控制子系统设计
    控制子系统即控制器，主功能分为4个部分：控制命令、参数查询、故障信息、参数设置。有了这些功能，就能在一般环境中(无监测仪器及PC机)对供电系统的运行情况、故障信息等进行显示，同时能对重要参数进行修改。
1．2．1 控制器的硬件设计
    控制器系统硬件组成主要有：CPU控制单元、网络传输单元、液晶显示单元、按键操作单元以及DA输出单元。控制器的硬件结构如图8所示。

    控制器的CPU单元采用TMS320C28X系列中的DSP2812，它具有串行外围接口(SPI)、两个串行通信接口(SCIs)、改进的局域网络(eCAN)、多通道缓冲串行接口(McBSP)。DSP2812主频高，能够满足控制器的通讯速率，同时可以很好地支持控制器所需要的：RS232、RS485外围设备，降低了系统的开发难度。
    控制器的网络通信单元主要包括RS232模块、RS485模块。RS232通讯模块使用MAX232作为总线的接口芯片，与DSP的SCI接口相连。RS232主要用于控制器与PC机之间的通讯及实现DSP程序的远程烧写。RS485通讯模块使用MAX485作为总线的接口芯片，与DSP的SCI接口相连。模块内部采用了HCPL2610高速隔离光耦用作电平转换和信号隔离，模块的输出侧装设了的防过压涌流和抗干扰电路，以提高通讯的可靠性。RS4．85通信模块电路如图9所示。

    控制器中的液晶显示单元采用LCM128645ZK型中文液晶显示模块。该模块电源操作范围宽(2．7V to5．5V)，其低功耗设计可满足产品的省电要求。同时，模块与微控器的接口界面灵活(三种模式：并行8位／4位，串行3线／2线)，可实现汉字、ASCII码、点阵图形的同屏显示，支持所有的主流液晶操作指令，预留多种控制线(复位／串并选择／亮度调整)供用户灵活使用。
    LCM128645ZK型中文液晶显示模块使用串行总线方式时，只需要时钟线与数据线结合其他必要的信号即可，硬件上可以大大简化。串行方式时，DSP并不需要向外提供数据／地址总线其他的读／写信号，这使得DSP的管脚数并不需要很多，进一步降低了硬件的复杂程度，提高了系统总体的工作可靠性。
    因此，本文中LCM128645ZK型中文液晶显示模块工作于串行总线方式。DSP使用SPI通讯接口与LCM128645ZK进行通讯，发送相关的控制指令和数据，控制液晶模块执行相应的操作，显示相关的数据。液晶显示单元的硬件电路如图10所示。

1．2．2 控制器的软件设计
    控制器软件流程如图11所示，控制器上电初始化后，系统先对CPU和液晶进行初始化，设置必要的寄存器，清空液晶的显示数据，使其进入相应的工作方式。每隔10ms对按键扫描一次，检查是否有键按下，如果有按键按下，则根据预先确定的工作时序控制液晶的显示，实现页面的翻转、菜单项的移动、相关参数的修改和显示等功能。每隔3s重新发送一次485通讯数据。这样可以实现通讯上的冗余，增加通讯的可靠性。

2 结束语
    本文研究了新型能馈式牵引供电系统监测控制试验平台，设计了监控测试系统的监测子系统(上位机系统、下位机系统)、控制子系统(控制器)。经过在实际装置上的调试应用，牵引供电系统监控平台满足了新型能馈式牵引供电系统实际调试和运行时的监测要求，实现了预期功能。监测平台的数据和波形显示实时性好，测量精度高，传输距离远，数据可靠性强。本文提出的监测平台设计方案在牵引供电或者其他直流供电领域相关方面会有很好的应用前景。