专利名称：城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元的制作方法
技术领域：
城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元所属技术领域
本实用新型涉及自动化管理设备制造领域，直接应用于城市轨道交通 直流牵引供电系统，具备直流电流、电压故障保护，电缆监控，事故分析 记录及系统对时功能的设备单元。
背景技术：
城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、有轨电车、独轨等。轨道交通采 用直流供电，机车是以电力为能源的电动车组，机车在运行过程中不断地 从直流牵引网上获取电能。直流供电系统包括直流开关柜、控制和保护系 统、直流电缆、接触网等。其中控制和保护设备单元对确保轨道交通的安 全、可靠的运行，具有举足轻重的作用。
目前国内在上海、北京、深圳、南京等地的轨道交通直流牵引供电系统
大多采用基于可编程序控制器(PLC)的控制和国外的保护装置。
随着计算机技术及其控制技术和继电保护设备相关技术的快速发展，
PLC技术和国外设备的不足已经显现出来
1. 更新周期长，损坏维护成本高；
2. CPU采用的都是8位或者16位单处理器，处理能力低，逻辑软件 可扩展性和灵活性较差；
3. 固定的硬件设计，不能根据现场实际情况进行改动；
4. 单一的通讯设置，通讯实时性差；
5. 人机界面差。
实用新型内容
本实用新型综合了城市轨道交通直流牵引供电系统方面的特殊性和专 业性要求。城市轨道交通直流牵引供电系统的保护，不同于一般交流电力系统的保护，大致可以分为两方面:牵引整流机组保护和直流馈线保护。牵引 供电系统保护的最大特点就是系统的"多电源"和保护的"多盲点"。多 电源，就是指在系统内发生电流短路故障时，并不仅故障点线路两侧的变 电所向该点供电，在这类情况下全线的牵引变电所将都通过轨道牵引网向 短路故障点供电。所谓多盲点，是因为轨道直流牵引供电系统本身构成的 特点和保护对象的特殊性而形成保护上的"盲点"。任何电力系统的继电 保护的最基本要求就是能正确无误切除故障，即要求继电保护具有足够的 选择性、快速性、灵敏性和可靠性。而直流牵引供电系统短路时产生的直 流电弧不同于交流电弧，交流电弧的燃烧在其电压过零时会自动熄灭，但 直流电弧可以长时间维持燃烧而不熄灭，这时如果不快速切断电源则是非 常危险的。所以直流供电系统保护的快速性是最重要的，即当轨道交通直 流牵引供电系统发生短路故障时，首要就是迅速"切除电源"。针对这一 点，本实用新型还设置了 di/dt AI (电流上升率保护)的特殊保护措 施，这就可以满足直流牵引供电系统发生故障时快速切除电源的要求；而 "消除盲点"则设计成通过直流牵引变电所内部联跳、牵引网双边联跳的 措施来解决；对直流牵引供电系统选择性，误动作设计成用自动重合闸实 施矫正；而且本实用新型增加了线路巡检功能，可以更准确地检测出线路 是否已经导通还是断开，提高了重合闸的安全性。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是单元采用模块化设计 方法，设计成CPU模块板、电源模块板、人机接口模块板、继电器模块板。 继电器模块板、电源模块板、人机接口模块板分别通过显示接口、键盘接
口、电源接口、跳闸接口、遥信接口与CPU模块板连接。
所述的CPU模块板包括富士通MB91F467主CPU核心控制模块、网口通 信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UB00T存储 器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块、外部端子；
4其中
一一直流采样模块通过AD采样接口模拟信号线与外部接口端子相连
接；
一一CPLD扩展模块通过显示接口控制线与人机接口端子相连接； 一 一网口通信模块通过网口接口信号线与外部接口端子相连接； — 一串口通信模块通过串口接口信号线与外部接口端子相连接； 一一GPS秒对时脉冲模块通过脉冲对时信号线与外部接口端子相连接； 此外，MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、 GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UB00T存储器、程序存储器、数据存 储器、CPLD扩展模块分别与地址总线、数据总线、控制总线连接。 所述的人机接口模块板包括液晶显示、按键、指示灯、维护串口； 所述的继电器模块板包括跳闸出口继电器； 所述的电源模块板为单元提供工作电源，包括5V、 士15V、 24V。 此外本实用新型的CPU模块板、电源模块板、继电器模块板的线路板尺 寸设计为相同，安装方式为叠加式，通过立柱隔开，CPU模块板固定在后盖 板上，模块板与模块板之间依靠排针和排线连接，人机接口模块板则安装 在面板上，保证拆卸简单，安装方便。 本实用新型的积极效果是
1、 使用富士通的32位MB91F467微处理器，具有强大的通信和网络 协议处理能力；
2、 采用limix操作系统作为单元的操作系统，稳定性高、可靠性强;
3、 没有采用CAN总线作为单元内部的模块板间的连接，使得单元判 断出故障后，更加准确快速地出口跳闸；
4、 模块板与模块板之间安装方式为叠加式，通过立柱隔开，保证拆 卸简单，安装方便。
附图1为装置的结构示意图
具体实施方式
本实用新型采用富士通的32位MB91F467为主芯片，它有144个引 脚，32K RAM、 1088K ROM,外部中断14个，30个AD采样通道，8/16 位定时器16个，5个硬件串口， 3个CAN， 5个LIN， 3个IIC， 12个
CPU元件使用外部晶振，工作频率为4腿z，通过芯片内部的锁相环电 路，使CPU内部工作时钟最高可以提升到96MHz，看门狗电路和掉电检测电 路由一块工MP813LCPA完成，可以可靠检测内部系统的电源情况并确保系统 可靠复位。另外CPU外围还附加了 SDRAM、 FLASH、 B00TR0M芯片及电路， 一起构建了一个基本的嵌入式操作系统。
单元系统在上电后，先自检各个元件，确保单元使用时安全正常，之 后根据直流釆样系统采集到的直流信号来判断外部的直流牵引供电系统是 否发生故障。由于直流牵引供电系统需要丰富的通讯功能，本实用新型最 大程度上利用了富士通32位MB91F467的5个硬件串口 ，其中2个用做485 通讯(输出部分通过光隔器件隔离)、2个作为232通讯(输出部分通过光 隔器件隔离)，另外系统还配备了 1个网口 (输出部分通过变压器隔离)， 方便单元与整个直流牵引供电系统的监控配合。其中232接口通讯采用了 MAX232， 485接口通讯采用了 IM81487。 '
内部时钟系统采用了 Epson的8025芯片，该芯片内部的晶振误差在 常温下只有士 5 /1000000，此外还采用温度补偿确保在周围环境温度波动 较大的情况下，系统的时钟准确无误，能够实时记录波形。内部时钟系统 由另外单独的锂电池保电，锂电池采样法国的SFAT电池，确保时钟芯片能 持续供电8年以上。整定值全部存储在单元系统的Phlips的e印rom24c04里面，24c04通过 IIC通讯接口与CPU连接，由于e印rom特殊的工艺决定了它的擦写安全可 靠，所以提高了单元系统的稳定性和可靠性。
继电器模块板采用的均是欧姆龙继电器，它的安全可靠吸合次数高达数 万次。
电源模块板为单元提供工作电源，本模块分110VDC和AC220、 DC220两 种规格。输出5V (2A)、 士15V (0. 5A)、 24V (0. 5A)，并且相互之间均不共 地，抗干扰能力为4级，工作温度为一40 85度，湿度0 80%，其中5V (2A)为单元系统供电，土15V (0. 5A)为AD芯片供电，24V (0.5A)为继 电器模块板供电。
GPS秒对时模块采用GPS秒脉冲对时方式，主要由三极管和光藕构成， 秒脉冲为TTL电平输入，GPS秒脉冲的上升沿输入光耦反向后，送到CPU的 中断口，以便精确捕获对时信号，使得精读在lms范围。
人机接口模块板包括大屏幕中文液晶、按键、指示灯，显示系统的工作 信息和操作维护信息。液晶采用320X320图形点阵液晶模i央，可以显示图 形、汉字、字符，也可以通过软件编程作图。主芯片通过CPLD电路(EPM3128) 对液晶进行译码和读写控制。由GPIO对液晶背光、指示灯进行控制。GPIO 同时扫描键盘，实时捕获人为的人机对话事件。
为提高单元系统的抗干扰性，在CPU的每个接口电路上均加了滤波电容 和上拉电阻。
以上描述仅为本实用新型的实施例，在不偏离本实用新型构思的前提 下，对本实用新型的简单修改和替换均包含在构思之内。
权利要求1、一种城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元，其特征在于，含有CPU模块板、继电器模块板、电源模块板、人机接口模块板；继电器模块板、电源模块板、人机接口模块板分别通过显示接口、键盘接口、电源接口、跳闸接口、遥信接口与CPU模块板连接。
2、 根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的人机接口模块板包括 液晶显示、按键、指示灯、维护串口。
3、 根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的电源模块板为单元提 供工作电源。
4、 根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的继电器模块板提供了 单元跳闸出口。
5、 根据权利要求1所述的单元，其特征在于，所述的CPU模块板包括富士 通MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时 脉冲模块、直流采样模块、UB0QT存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩 展模块、外部端子；其中直流采样模块通过AD采样接口模拟信号线与外部接口端子相连接；CPLD扩展模块通过显示接口控制线与人机接口端子相连接；网口通信模块通过网口接口信号线与外部接口端子相连接；串口通信模块通过串口接口信号线与外部接口端子相连接；GPS秒对时脉冲模块通过脉冲对时信号线与外部接口端子相连接；此外，MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流釆样模块、UB00T存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块分别与地址总线、数据总线、控制总线连接。
专利摘要一种城市轨道交通直流牵引供电系统微机保护和测控单元，适用于城市轨道交通直流牵引供电系统的牵引整流机组保护和直流馈线保护。单元设计有CPU模块板包括富士通MB91F467主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GPS秒对时脉冲模块、直流采样模块、UBOOT存储器、程序存储器、数据存储器、CPLD扩展模块、外部端子，以及电源模块板，继电器模块板、人机接口模块板。继电器模块板、电源模块板、人机接口模块板分别通过显示接口、键盘接口、电源接口、跳闸接口、遥信接口与CPU模块板连接。该单元的优点是可以满足直流牵引供电系统发生故障时迅速切除电源和消除保护“盲点”，优于可编程序控制器的控制和国外相同用途的装置。
文档编号B60M3/00GK201435600SQ20092006964
公开日2010年3月31日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者崔大勇, 潘运平, 飚 穆, 昕 范, 邱锡为 申请人:上海致达智利达系统控制有限责任公司