轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法及装置与流程

本发明涉及铁路车辆技术领域，尤其涉及一种轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法及装置。

背景技术：

轨道交通车辆的辅助电源系统是指为了保证列车牵引、制动等系统的正常运行，在车上设置的各种必需的辅助电气装置。辅助电源系统的电能质量良好直接关系到整个系统的稳定运行。因此，很有必要检测轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量并提高检测的精度。

目前，辅助电源系统的电能质量检测主要通过以下方法得到，具体的：首先利用电压传感器或/和电流传感器采集电压或/和电流信号，其次对采集到的电压或/和电流信号进行处理得到适用于模数转换的电压信号，最后采用模数转换器将上述电压信号转换为数字量的电压信号，进而根据数字量的电压信号计算出反映辅助电源系统电能质量的电压偏差、频率偏差、谐波、功率因数、电压波动和闪变、三相不平衡度等参数指标。

然而，鉴于模数转换器自身的误差特性，使得电压或/和电流信号经过模数转换后产生了失真，导致得到的数字量信号不准确，进而致使检测出来的电能质量精确度低。

技术实现要素：

本发明提供一种轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法及装置，以解决现有电能测量方法中模数转换器带来的增益和偏移误差致使辅助电源系统电能质量检测精确度低的问题。

本发明提供的一种轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，包括：

从所述轨道交通车辆的辅助电源系统上采集获取电能信号，所述电能信 号包括电压信号和/或电流信号；

对所述电能信号进行信号处理，得到信号处理后的电能信号；

对所述信号处理后的电能信号进行模数转换，得到数字电能信号；

采用模数转换器的线性校准系数，对所述数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号；

采用所述校正后的数字电能信号进行电能质量检测。

本发明提供的一种轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置，包括：依次连接的采样模块、信号处理模块、模数转换模块、信号校正模块以及检测处理模块；

所述采样模块，用于从所述轨道交通车辆的辅助电源系统上采集获取电能信号，所述电能信号包括电压信号和/或电流信号；

所述信号处理模块，用于对所述电能信号进行信号处理，得到信号处理后的电能信号；

所述模数转换模块，用于对所述信号处理后的电能信号进行模数转换，得到数字电能信号；

所述信号校正模块，用于采用模数转换器的线性校准系数，对所述数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号；

所述检测处理模块，用于采用所述校正后的数字电能信号进行电能质量检测。

本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法及装置，首先通过从轨道交通车辆的辅助电源系统上采集获取电能信号，并对该电能信号进行信号处理，其次对信号处理后的电能信号进行模数转换获取数字电能信号，再采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号，最后才采用校正后的数字电能信号进行电能质量检测。本发明的技术方案，采用模数转换器的线性校准系数对经过模数转换后得到的数字量信号进行了校正，使得参与电能质量检测的数字量信号误差小，解决了模数转换器带来的增益和偏移误差影响，提高了辅助电源系统电能质量检测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法实施例一的流程示意图；

图2为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法实施例二的流程示意图；

图3为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法实施例三的流程示意图；

图4为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置实施例一的结构示意图；

图5为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置实施例二的结构示意图；

图6为图5中所示测试模块的结构示意图；

图7为图6中所示测试模块对应的实际电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测是指对电压偏差、频率偏差、谐波、功率因数、电压波动和闪变、三相不平衡度等参数指标进行连续跟踪监测，利用检测到的值对系统进行调控和保护。由于表征电能质量的参数指标是对检测到的电压或/和电流信号经过一定的数学运算得到的。因此，前端电压或/和电流信号的检测精度直接影响到轨道交通车辆辅助电源系统整个电能质量参数检测的准确度。由于前端电压或/和电流信号是通过电压传感器或/和电流传感器采集、信号处理电路处理以及模数转换电路转 换得到的，所以，提高电能质量检测精度的方法可以从以下方面着手，第一：在设计成本可控的前提下，选用精度高、可靠性强的传感器；第二：提高信号处理电路的抗外界干扰能力；第三提高模数转换器的转换精度。

现有技术的电能质量检测方法中，直接利用模数转换器转换出来的数字量进行后续计算，但是鉴于模数转换器自身的线性特性，使得转换后的数字量信号产生了失真，导致得到的数字量电压或/和电流信号不准确，进而致使检测出来的电能质量精确度低。

针对现有电能检测方法的上述不足，本发明提供了一种轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法及装置，通过利用模数转换器的线性校准系数，对模数转换器得到的数字电能信号进行线性校准，进而得到校正后的数字电能信号，最后利用校正后的数字电能质量进行电能质量检测，解决了模数转换器带来的增益和偏移误差，提高了电能质量检测的精度。

图1为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法实施例一的流程示意图。如图1所示，本发明实施例一提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，包括：

步骤101：从轨道交通车辆的辅助电源系统上采集获取电能信号；

其中，该电能信号包括电压信号和/或电流信号。

具体的，利用电压传感器采集轨道交通车辆辅助电源系统的电压信号，利用电流传感器采集轨道交通车辆辅助电源系统的电流信号，分别得到表征辅助电源系统电能质量的电压信号和/或电流信号。

步骤102：对上述电能信号进行信号处理，得到信号处理后的电能信号；

由于直接利用电压传感器或/和电流传感器来采集获取到的电压信号和/或电流信号中可能包含干扰信号和/或高频信号，并且采集获取到的该电压信号和/或电流信号可能无法被模数转换器识别，所以，对上述电能信号(也即，对电压信号和/或电流信号)进行信号处理的目的主要包括以下两个方面：第一，对该采集获取到的该电压信号和/或电流信号进行滤波，滤除电压信号和/或电流信号中存在的高频信号和干扰信号；第二，将电压信号和/或电流信号转换为模数转换器能够识别的电能信号。因此，对采集获取到的电能信号进行信号处理，得到处理后的电能信号。

步骤103：对信号处理后的电能信号进行模数转换，得到数字电能信号；

由于表征辅助电源系统电能质量好坏的参数指标(例如，电压偏差、频率偏差、谐波、功率因数、电压波动和闪变、三相不平衡度等)均是通过对数字量的电压信号或/和电流信号进行数学运算得到的，所以，进行具体的电能质量检测之前，需要将信号处理后的电能信号输送到模数转换器中对其进行模数转换，进而将模拟量的电能信号转换为数字电能信号，以便于对其进行后续处理。

步骤104：采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号；

从背景技术的现有技术方案可知，现有电能质量检测方法是直接利用模数转换后的数字量信号进行电能质量检测，没有考虑模数转换器自身的线性特性带来的误差影响，致使检测得到的电能质量精确度低。因此，本发明在采用模数转换后的数字量进行电能质量检测之前，采用模数转换器的线性校准系数对上述数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号，能够消除模数转换器带来的误差影响。

步骤105：采用校正后的数字电能信号进行电能质量检测。

本发明利用校正后的数字电能信号进行电能质量检测，也即，得到表征轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量参数指标，电能质量参数指标包括电压偏差、频率偏差、谐波、功率因数、电压波动和闪变、三相不平衡度等，通过对上述电能质量参数指标进行连续跟踪和监测，进而根据监测到的值实现对辅助电源系统的调控和保护。

本发明实施例一提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，首先从轨道交通车辆的辅助电源系统上采集获取电能信号，并对该电能信号进行信号处理，其次对信号处理后的电能信号进行模数转换获取数字电能信号，再采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号，最后才采用校正后的数字电能信号进行电能质量检测。本发明的技术方案，采用模数转换器的线性校准系数对经过模数转换后得到的数字量信号进行了校正，使得参与电能质量检测的数字量信号误差小，解决了模数转换器带来的增益和偏移误差影响，提高了辅助电源系统电能质量检测的精度。

进一步的，在上述实施例一提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质 量检测方法中，在步骤104之前，也即，在采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准之前，还包括：

采用标准测试信号，对模数转换器的线性变换特性进行测量，得到线性校准系数。

由于不同的模数转换器，其自身的线型校准系数不同，因此，若想获取某一模数转换器的线性校准系数，必须利用标准测试信号对该模数转换器的线性变换特性进行测量，才能得到该模数转换器对应的线性校准系数，进而才能利用得到的线性校准系数对经过模数转换器转换得到的数字量信号进行校准，进而得到校正后的数字电能信号。

图2为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法实施例二的流程示意图。本发明实施例二是在上述实施例一技术方案的基础上对轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法的进一步说明。如图2所示，本发明实施例二提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，其中，采用标准测试信号，对模数转换器的线性变换特性进行测量，得到线性校准系数，包括：

步骤201：采用标准测试信号产生电路产生第一标准测试信号和第二标准测试信号；

本发明实施例给出的标准测试信号产生电路包括稳压源和分压电路，其中，稳压源用于产生稳定的基准电压，分压电路用于根据电路中的分压电阻对该基准电压进行分压，得到两路标准测试信号，分别为第一标准测试信号和第二标准测试信号。

步骤202：将第一标准测试信号输入到模数转换器的一信号输入端，得到第一测试输出信号；

步骤203：将第二标准测试信号输入到模数转换器的同一信号输入端，得到第二测试输出信号；

将标准测试信号产生电路产生的第一标准测试信号和第二标准测试信号分别输入到模数转换器的信号输入端，从模数转换器的信号输出端分别输出两路信号，也即，第一测试输出信号和第二测试输出信号，其中，第一测试输出信号为第一标准测试信号的输出信号，第二测试输出信号为第二标准测试信号的输出信号。

步骤204：采用下述公式(1)得到线性校准系数a和b：

y＝ax+b (1)

其中，x为第一标准测试信号，对应的y为第一测试输出信号，或者，x为第二标准测试信号，对应的y为第二测试输出信号。

具体的，模数转换器的线性特性可以用上述公式(1)表示，分别将第一标准测试信号及其对应的第一测试输出信号、第二标准测试信号及其对应的第二测试输出信号带入公式(1)中，便可得到一个二元一次方程组，求解该二元一次方程组便可求得线性校准系数a和b，其中，a表示模数转换器转换通道的增益系数，b表示模数转换器转换通道的偏移量。

本发明实施例二提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，通过采用标准测试信号产生电路产生了两路标准测试信号，将这两路标准测试信号分别输入到模数转换器的信号输入端，可相应的得到两路测试输出信号，利用标准测试信号和测试输出信号便可求出模数转换器的线性校准系数。本实施例求出的线性校准系数为后续对转换后的数字电能信号进行校正提供了必要条件，为解决模数转换器带来的增益和偏移误差问题提供了可能。

进一步的，在上述实施例二提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法技术方案的基础上，上述步骤104，也即，采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号，包括：

采用下述公式(2)得到校正后的数字电能信号x′：

x′＝(y′-b)/a (2)

其中，x′为校正后的数字电能信号，y′为校正前的数字电能信号。

具体的，由于模数转换器的线性校准系数已通过公式(1)求出，所以，将模数转换器转换后输出的数字电能信号，也即，校正前的数字电能信号y′带入上述公式(2)中，即可求出校正后的数字电能信号x′。

校正后的数字电能信号消除了模数转换器因自身转换通道的增益系数和偏移量带来的误差，准确的反映了辅助电源系统的真实电能信号，为后续计算出精确的电能质量参数奠定了基础。

图3为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法实 施例三的流程示意图。本发明实施例三是在上述实施例一或/和实施例二技术方案的基础上对轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法的进一步说明。如图3所示，本发明实施例三提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，在采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准之前，还包括：

步骤301：对数字电能信号对应的各采样点按照电压值的大小进行排序；

本发明实施例将模数转换后的数字电能信号对应的各采样点按照电压值的大小进行排序，具体的，可以按照电压值从大到小或者从小到大的顺序排序。若电能信号在模数转换器中转换时受到干扰信号的干扰，致使数字电能信号发生畸变，使得到的数字电能信号电压值突变的很大或很小，经过排序后，发生畸变的数字电能信号电压值会被排到该组采样点的头部或尾部，便于后续对发生畸变的数字电能信号电压值进行剔除。

步骤302：提取排序的采样点中处于中间值附近的预设个数的采样点；

由上述可知，经过排序后的数字电能信号电压值，使得发生畸变的值排到了该组采样点的头部或尾部，所以，通过提取排序的采样点中处于中间值附近的预设个数的采样点可以得到预设个数的正常转换后的数字电能信号，进而得到精度较高的数字电能信号。

步骤303：采用乘法累加法对上述预设个数的采样点进行平均处理，得到平均处理后的数字电能信号。

本发明实施例通过将每次得到的平均处理后的数字电能信号和未处理的采样点值乘以一定的分配系数后可得到新的平均处理后的数字电能信号。假设预设个数的采样点数为n，那么，通过公式(3)对上述n个采样点进行平均处理，便可获得平均处理后的数字电能信号：

y″(k)＝(n-1)/n*y″(k-1)+1/n*y(k) (3)

其中1<k≤n，y″(1)＝y(1)。

其中，y″(k)是第k个采样点平均处理后的数字电能信号，y″(k-1)是第k-1个采样点平均处理后的数字电能信号，y(k)是采样得到的第k个未处理的采样点的数字电能信号。

本发明实施例提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，通过对数字电能信号对应的各采样点按照电压值的大小进行排序，并提取排 序的采样点中处于中间值附近的预设个数的采样点，最后采用乘法累加法对上述预设个数的采样点进行平均处理，得到平均处理后的数字电能信号。本发明实施例的技术方案，通过采取中间值的提取算法有效的避免了瞬态误差对模数转换器转换过程中的影响，提高了电能质量检测的精度。

相应的，在上述实施例三提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法技术方案的基础上，上述步骤104，也即，采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准，包括：

采用模数转换器的线性校准系数，对上述平均处理后的数字电能信号进行线性校准。

具体的，根据模数转换器的线性校准系数a和b，采用下述公式(3)对平均处理后的数字电能信号进行线性校准，得到校正后且经过平均处理后的数字电能信号x″：

x″＝(y″-b)/a (3)

其中，x″为校正后且经过平均处理后的数字电能信号，y″为校正前的但经过平均处理后的数字电能信号。

本发明实施例得到的校正后且经过平均处理后的数字电能信号，不仅消除了模数转换器因自身转换通道的增益系数和偏移量带来的误差，而且还避免了瞬时误差对模数转换器转换过程中的影响，因此，利用校正后且经过平均处理后的数字电能信号能够得到精确的电能质量参数，提高了电能质量检测的精度。

图4为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置实施例一的结构示意图。如图4所示，本发明实施例一提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置，包括：依次连接的采样模块401、信号处理模块402、模数转换模块403、信号校正模块404以及检测处理模块405。

采样模块401，用于从轨道交通车辆的辅助电源系统上采集获取电能信号；

其中，电能信号包括电压信号和/或电流信号。

信号处理模块402，用于对电能信号进行信号处理，得到信号处理后的电能信号；

模数转换模块403，用于对信号处理后的电能信号进行模数转换，得到 数字电能信号；

信号校正模块404，用于采用模数转换器的线性校准系数，对数字电能信号进行线性校准，得到校正后的数字电能信号；

检测处理模块405，用于采用校正后的数字电能信号进行电能质量检测。

本发明实施例提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置，用于执行图1所示实施例提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图5为本发明提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置实施例二的结构示意图。图6为图5中所示测试模块的结构示意图，图7为图6中所示测试模块对应的实际电路图。本发明实施例二是在上述实施例一技术方案的基础上对轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置的进一步说明。如图5所示，本发明实施例提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置，还包括：与模数转换模块403连接的测试模块501。

测试模块501，用于采用标准测试信号，对模数转换器的线性变换特性进行测量。

具体的，如图6和图7所示，测试模块501，包括：稳压源601以及分压电路602。

稳压源601，用于产生基准电压；

具体的，如图7所示，本发明实施例采用的稳压源选用三端集成的稳压IC芯片TL431。TL431是一个具有良好热稳定性能的三端可调基准源，由于TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，通过调整R1和R2的阻值，输出电压可在2.5V～36V之间任意设置，其中，输出电压V_out与V_ref之间的对应关系通过公式(4)得到：

其中，V_ref为2.5V。

当R1和R2的阻值确定时，两者对V_out的分压引入反馈，若V_out增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致V_out下降。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1＝R2时，V_out等于5V。需要注意的是，在选择电阻Rin时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。

分压电路602，用于对基准电压进行分压，得到第一标准测试信号和第二标准测试信号，并将第一标准测试信号输入到模数转换器的一信号输入端，将第二标准测试信号输入到模数转换器的同一信号输入端。

如图7所示，利用分压电路602中的分压电阻R3、R4、R5和R6对输出电压V_out进行分压，进而可得到第一标准测试信号V_ref1和第二标准测试信号V_ref2，具体的，第一标准测试信号V_ref1通过公式(5)得到，第二标准测试信号V_ref2通过公式(6)得到。

第一标准测试信号V_ref1和第二标准测试信号V_ref2的值以实际测量得到的数据为准，将第一标准测试信号V_ref1和第二标准测试信号V_ref2分别输入到模数转换器的同一信号输入端，从而可计算出模数转换器转换通道的增益系数和偏移量。

相应的，模数转换模块403，具体用于：

对输入的第一标准测试信号进行模数转换处理，得到第一测试输出信号；

对输入的第二标准测试信号进行模数转换处理，得到第二测试输出信号；

信号校正模块404，具体用于：

采用公式(1)得到线性校准系数a和b：

y＝ax+b (1)

其中，x为第一标准测试信号，对应的y为第一测试输出信号，或者，x为第二标准测试信号，对应的y为第二测试输出信号。

相应的，信号校正模块404，具体用于：

采用公式(2)得到校正后的数字电能信号x′：

x′＝(y′-b)/a (2)

其中，x′为校正后的数字电能信号，y′为校正前的数字电能信号。

进一步的，在上述实施例一或/和实施例二提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置中，如图5所示，轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置还包括：连接在模数转换模块403和信号校正模块404之间的采样处理模块502。

采样处理模块502，用于对数字电能信号的各采样点按照电压值的大小 进行排序，提取排序的采样点中处于中间值附近的预设个数的采样点，采用乘法累加法对所述预设个数的采样点进行平均处理，得到平均处理后的数字电能信号。

本发明实施例提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测装置，用于执行图2和图3所示实施例提供的轨道交通车辆辅助电源系统的电能质量检测方法，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。