Устройство для учета электрической энергии на электроподвижном составе постоянного и переменного тока

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для учета электрической энергии, потребляемой электроподвижным составом железных дорог постоянного и переменного тока.
Известна система коммерческого учета электроэнергии, потребляемой тяговым подвижным составом [1], где на электровозе монтируется оборудование, обеспечивающее учет электроэнергии, накапливание результатов учета и передачу их в дорожный центр и в центр учета потребленной электроэнергии в локомотивном депо при прохождении составом источников реперного сигнала, расположенных вдоль пути следования.
Достоинством предложенного решения является возможность реализации автоматизированного дифференцированного учета расхода электроэнергии на тягу поездов с привязкой к системе единого времени, с возможностью отслеживания маршрута движения электровоза.
Недостатками предложенного технического решения является необходимость использования источников реперного сигнала, расположенных вдоль железнодорожного полотна, обеспечивающих передачу результатов измерений и отслеживание местоположения электровоза, причем малое количество источников снижает точность определения местоположения и не обеспечивает гарантированную передачу данных, большое количество источников повышает точность и улучшает передачу данных, но усложняет внедрение системы, ее обслуживание и ремонт. Кроме того, система рассчитана на использование только в тяговых сетях переменного тока, и не может быть использована в тяговых сетях постоянного тока.
Известен счетчик электрической энергии для тяговых подстанций и подвижного состава железнодорожного транспорта с питанием от сети постоянного тока [2], содержащий микропроцессорный измеритель электроэнергии, подключенный к шинам высоковольтной силовой сети и получающий питание от бестрансформаторного источника питания, выполненного на основе стабилизатора напряжения, подключенного к высоковольтному конденсаторному делителю напряжения, выделяющему пульсации напряжения тяговой сети, использующиеся для питания устройства.
Достоинством предложенного технического решения являются малые габариты и масса источника питания, обеспеченные отсутствием силового понижающего трансформатора.
Недостатками предложенного технического решения является отсутствие возможности определения текущих координат и невозможность привязки моментов измерений к сигналам точного времени, что не позволяет использовать это решение для организации современного коммерческого учета электрической энергии на подвижном составе. Кроме того, устройство не может быть использовано в тяговых сетях переменного тока.
Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для автоматического учета электроэнергии, потребляемой и рекуперированной транспортным средством, и параметров работы электрической и информационной сетей [3], которое содержит двунаправленный счетчик электроэнергии, который по каналу напряжения непосредственно подключается к линии высокого напряжения, а по каналу тока с помощью измерительного токового шунта к электрической сети транспортного средства, включающий в себя измерительный модуль, снабженный детектором переходов через нуль, встроенную энергонезависимую память, управляющий вход которой подключен к процессору счетчика электроэнергии, обменивающемуся цифровыми данными с измерительным модулем, блок мобильной связи со встроенной энергонезависимой памятью, подключенной к процессору блока мобильной связи, связанному с процессором счетчика электроэнергии и информационной сети транспортного средства (прототип).
К достоинствам устройства, принятого за прототип, можно отнести использование сигналов спутниковых систем навигации, позволяющих определять точное время и фиксировать координаты электровоза в процессе движения, возможность использования устройства на подвижном составе как постоянного, так и переменного тока, а так же возможность передачи результатов измерений посредством систем сотовой связи стандарта GSM, что не требует применения дополнительного приемопередающего оборудования вдоль железнодорожных путей.
К недостаткам устройства, принятого за прототип, можно отнести необходимость монтажа трех отдельных корпусов с прокладкой соответствующих соединений между ними при реализации полной версии устройства, что снижает механическую прочность устройства, а так же использование в качестве межблочной информационной сети проводного CAN интерфейса, усложняющего реализацию межблочной гальванической изоляции повышенной электрической прочности.
Целью полезной модели является повышение надежности устройства благодаря сокращению количества корпусов с трех до одного с расположением всех межблочных соединений внутри корпуса, а так же использованию волоконно-оптической линии связи, обладающей высокой диэлектрической прочностью, вместо проводного CAN интерфейса.
Указанная цель достигается тем, что разработано устройство для учета электрической энергии на электроподвижном составе постоянного и переменного тока, содержащее блок измерения, который по каналу напряжения непосредственно подключается к линии высокого напряжения, а по каналу тока с помощью измерительного токового шунта к электрической сети транспортного средства, включающий в себя управляемый процессором измерительный модуль с системой термостатирования, а так же содержащее блок управления, включающий в себя центральный процессор, энергонезависимую память, радиомодуль приема сигналов спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС и радиомодуль сотовой связи GSM, к которым подключена внешняя совмещенная GSM и GPS/ГЛОНАСС антенна, причем блок измерения и блок управления взаимодействуют между собой посредством информационной сети, отличающееся тем, что устройство реализовано в одном корпусе из диэлектрического материала, а в качестве информационной сети использована волоконно-оптическая линия связи.
Достоинствами предлагаемого технического решения являются повышение надежности работы устройства благодаря тому, что:
- устройство выполнено в одном корпусе вместо трех, что позволило расположить все межблочные соединения внутри корпуса и исключить их случайное повреждение обслуживающим персоналом во время проведения регламентных работ на расположенном рядом оборудовании;
- в качестве межблочной информационной сети использована волоконно-оптическая линия связи, обладающая значительно большей диэлектрической прочностью по сравнению с проводным интерфейсом CAN, использованном в прототипе.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.
Потребители (5), представляющие собой электрическую нагрузку электровоза (1), своим верхним выводом подключены к высоковольтной сети (6), на которую через токоприемник поступает напряжение контактной сети (7). Нижний вывод потребителей (5) подключен к верхнему выводу измерительного шунта (8). Нижний вывод измерительного шунта (8) подключен к колесным парам электровоза (9), имеющим непосредственный электрический контакт с рельсами (10).
Устройство (2) монтируется в высоковольтной камере электровоза (1). В противоположных концах диэлектрического корпуса устройства (2) расположены два блока: блок измерения БИ (3) и блок управления БУ (4).
БИ (3) осуществляет непосредственное измерение уровней тока и напряжения при помощи двухканального измерительного модуля (11). Токовые входы измерительного модуля (11), обозначенные I+ и I- подключены к выходным клеммам измерительного шунта (8), а входы напряжения, имеющие обозначения U+ и U- подключены к выходу измерительного высоковольтного делителя ИВД (12). Верхний входной вывод ИВД (12) подключен к высоковольтной сети (6), нижний входной вывод ИВД (12) через измерительный шунт (8) имеет электрическое соединение с колесными парами (9) и рельсами (10). Управляющие линии измерительного модуля (11) подключены к процессору (14). Кроме того, к процессору (14) подключена информационная сеть (15). ИВД (12), измерительный модуль (11) и процессор (14) помещены внутрь системы термостатирования (13). Все элементы БИ (3) получают питание от гальванически развязанного источника питания ГРИП (16).
БУ (4) состоит из центрального процессора (17), к которому подключены следующие блоки:
- энергонезависимая память ЭНЗУ (18);
- радиомодуль GSM (19);
- радиомодуль GPS/ГЛОНАСС (20);
- индикатор (21).
Кроме того, центральный процессор (17) имеет подключение к информационной сети (15), идущей от БИ (3). Радиомодуль связи GSM (19) и радиомодуль GPS/ГЛОНАСС (20) подключены к антенне (22), в качестве которой использована внешняя совмещенная GSM и GPS/ГЛОНАСС антенна, размещенная на крыше электровоза (1).
Устройство работает следующим образом.
Напряжение контактной сети (7) через токоприемник поступает в высоковольтную сеть (6) электровоза (1), и приходит на верхний вывод потребителей (5) обеспечивая их питание. Возникающий при этом ток нагрузки проходит через измерительный шунт (8), колесные пары (9) и замыкается на рельсы (10). Выходной сигнал шунта (8), несущий информацию о протекающем токе, поступает на токовые входы измерительного модуля (11). ИВД (12), подключенный к высоковольтной сети (6), понижает напряжение контактной сети (7) согласно заданному коэффициенту деления, формируя сигнал напряжения, пропорциональный величине напряжения на токоприемнике электровоза (1), который поступает на входы измерения напряжения измерительного модуля (11), обеспечивающего измерение сигналов тока и напряжения с преобразованием их в цифровой вид. Процессор (14) обеспечивает управление работой измерительного модуля (11) и получает от него измеренные данные, которые передает по информационной сети (15). Температура элементов, участвующих в процессе измерения, поддерживается на постоянном уровне благодаря системе термостатирования (13). Электропитание всех элементов БИ (3) реализовано от гальванически развязанного источника питания ГРИП (16), который помимо формирования питающих напряжений, обеспечивает заданный уровень электрической прочности гальванической изоляции, регламентируемый отраслевыми стандартами.
Измеренные данные посредством информационной сети (15) поступают в центральный процессор (17) БУ (4), где посредством цифровой обработки вычисляются усредненные и мгновенные значения тока, напряжения, а так же прямой и обратной мощности. К этим данным добавляется информация о текущих географических координатах и времени, предоставляемая радиомодулем GPS/ГЛОНАСС (20), который посредством антенны (22) принимает сигналы спутниковых навигационных систем, рассчитывая на их основе координаты и точное время. Итоговые результаты обработки помещаются для хранения в ЭНЗУ (18), откуда, при необходимости, они могут быть автоматически переданы на следующий информационный уровень посредством радиомодуля GSM (19), реализующим передачу данных по каналам сотовой связи, используя антенну (22). Визуальное отображение результатов измерений обеспечивается посредством индикатора (21), содержащего жидкокристаллический графический дисплей.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности работы устройства. Устройство может быть применено на всех локомотивах постоянного и переменного тока для организации коммерческого учета электроэнергии.
Библиографический список
1) Система коммерческого учета электроэнергии, потребляемой тяговым подвижным составом. Патент на изобретение РФ №2427916.
2) Счетчик электрической энергии для тяговых подстанций и подвижного состава железнодорожного транспорта с питанием от сети постоянного тока. Патент на полезную модель РФ №156167.
3) Устройство для автоматического учета электроэнергии, потребляемой и рекуперированной транспортным средством, и параметров работы электрической и информационной сетей. Патент на изобретение РФ №2605142.