一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置和方法，该装置包括主控单元、电能计量单元、数据传输单元、故障指示单元、驱动输出单元，电能计量单元设有单相电能计量芯片或三相电能计量芯片，每一个红色或者黄色或者绿色信号灯单元均对应一个单相电能计量芯片的检测方式，也可以采用每一个红黄绿信号灯灯组均对应一个三相电能计量芯片的检测方式，通过自学习获取的电能信息故障阈值与当前获取的电能信息值的数值比较结果来判断信号机负载的工作状态。采用本发明所述的装置和方法可以有效解决目前国内信号机存在对负载的检测结果精度低、容易受到干扰，不能及时对系统运行正确性及故障原因作出判断的问题。

说明书

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，涉及一种信号机负载故障检测装置，更具体的是一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置和方法。

背景技术

随着国家现代化进程的推进，作为经济血管的城市道路负担不断加大，机动车及非机动车保有量不断增加，城市交通出行压力猛增，交通事故频发导致的惨烈后果已然成为严重的社会问题。人们对道路交通安全问题不得不给予高度重视，并研究新的科技产品为交通安全保驾护航。

目前，国内用信号机对路口设备输出控制信号，用以驱动各类信号灯、倒计时器等交通信号控制负载单元。这类负载单元在室外工作，受物理环境、电气环境影响难免会出现工作异常情况，绝大多数信号机对负载单元没有故障检测传输功能，少部分厂家只能做到某一通道的IO量的有无检测，且检测精度低，容易受到干扰，不能对系统运行正确性及故障原因作出预测，从而导致道路交通控制单元及负载单元损坏后很难被用户及时发现，现场检修排查处理困难，极易造成交通事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，具有高检测率的基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置。

本发明所要解决的另一技术问题是针对现有技术的不足，提供一种使用上述基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置进行信号机负载故障检测的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

所述装置包括主控单元、电能计量单元、数据传输单元、故障指示单元、驱动输出单元，主控单元与上述各单元连接并发送控制指令、接收回传信息，驱动输出单元与信号机负载连接；

电能计量单元，检测多路信号机负载的电能信息，并将电能信息值发送至所述主控单元；

数据传输单元，向外部传输不同类型的报文信息；

故障指示单元，指示工作故障信息或者工作正常状态信息；

驱动输出单元，接收主控单元的命令，根据命令驱动信号机负载工作；

主控单元，用于获取电能信息值、传输不同类型的报文信息、控制指示灯的亮灭，并通过自学习获取的电能信息故障阈值与当前获取的电能信息值的数值比较结果来判断信号机负载的工作状态。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述主控单元通过SPI总线与所述电能计量单元相连接，主控单元通过UART串口与所述数据传输单元相连接，主控单元通过I/O口与故障指示单元相连接。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述电能计量单元包括电能计量芯片及其外围电路。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述电能计量芯片为单相电能计量芯片，单相电能计量芯片采样端通过互感器隔离式电路分别与红色或者黄色或者绿色信号灯单元连接；

互感器隔离式电路由并联在电路上的电流互感器和电压互感器组成，前端电流互感器和电压互感器将转变后的小电流和小电压信号传输至电能计量芯片的采样端，单相电能计量芯片通过内部算法计算出电能信息值，然后通过SPI总线与主控单元进行电能信息的传输。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述电能计量芯片为同时采集三个信号灯单元的电能信息的三相电能计量芯片，三相电能计量芯片采样端通过非隔离串入式电路与每一个红黄绿信号灯灯组连接；

所述非隔离串入式电路由并联在电路上的电流互感器和电压采样电路组成，电压采样电路采用电阻串分压方式，

前端互感器、电压采样电路将转变后的小电流和小电压信号传输至电能计量芯片的采样端，三相电能计量芯片通过内部算法计算出电能信息值然后通过SPI总线与主控单元进行电能信息的传输。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述电压采样电路由6个片式封装电阻串联而成。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述电能计量芯片由多个三相电能计量芯片和多个单相电能计量芯片组成，每一个信号灯灯组的红灯单元或绿灯单元分别通过单相电能计量芯片进行单通道的电能信息的读取，每一个红黄绿信号灯灯组使用一个三相电能计量芯片进行三通道电能信息的同时读取。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，所述数据传输单元由485隔离通讯芯片ADM2587EBRWZ及其外围电路组成；

所述故障指示单元由电路板LED指示灯及其外围电路组成；

驱动输出单元由可控硅BT139X-600E及其外围电路组成。

一种使用上述信号机负载故障检测装置进行信号机负载故障检测的方法，其特点是，该方法为，通过主控单元的自学习获取的电能信息故障阈值与当前获取的电能信息值的数值比较结果来判断信号机负载的工作状态；若当前获取的电能信息值大于故障阈值，则判断当前信号机负载为工作正常状态；若当前获取的电能信息值小于或等于故障阈值，则判断当前信号机负载为工作故障状态。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，该方法的具体步骤如下，

（1）所述主控单元接收信号机发送的控制命令，控制所述驱动输出单元工作；

（2）所述主控单元控制电能计量单元启动电能计量功能，读取电能信息值，所述电能信息包括电压有效值、电流有效值、有功功率值、无功功率值、视在功率值等；

（3）主控单元读取内部存储的学习完成标志字，若该标志字为0，则表明自学习未完成，若该标志字为1，则表明自学习完成；

（4）若自学习未完成，则进入自学习模式，自学习模式为，每隔20ms获取一次当前信号灯灯态的电能信息值，总计获取2s共计100个电能信息值后，求和取平均值，将该值的50%作为电能信息的故障阈值，完成每个灯态的电能信息故障阈值自学习后，自学习完成标志字置为1；

（5）若自学习完成，读取电能信息的故障阈值，与当前获取的电能信息值作数值比较，若当前电能信息值大于故障阈值，所述主控单元控制所述数据传输单元传输工作正常报文、控制所述故障指示单元熄灭故障指示灯、点亮工作正常指示灯；

若当前电能信息值小于或者等于故障阈值，所述主控单元控制所述数据传输单元传输工作故障报文、控制所述故障指示单元点亮故障指示灯、熄灭工作正常指示灯。

与现有技术相比，本发明通过设主控单元、设有三相电能计量芯片和单相电能计量芯片的电能计量单元，通过自学习获取的电能信息故障阈值与当前获取的电能信息值的数值比较结果来判断信号机负载的工作状态，使信号机对负载单元具有自动故障检测传输功能，提高检测精度；各电能计量单元中的采样电路采用互感器隔离式设计或非隔离串入式设计，通过使用高精度电流互感器和高精度电压互感器进行强弱电隔离转化的方式进行采样，或电阻串分压的方式进行采样，有效避免了受到干扰，保证系统运行的正确性并对故障原因作出预测，使得用户能及时发现问题，降低了现场检修排查处理难度，从而保证了交通通畅。

附图说明

图1是本发明所述一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置的结构框图；

图2是本发明所述信号机负载故障检测装置中采用单相电能计量芯片的原理框图；

图3是本发明所述信号机负载故障检测装置中采用三相电能计量芯片的原理框图；

图4是本发明所述信号机负载故障检测装置中单相电能计量芯片和三相电能计量芯片共用的原理框图；

图5是本发明所述信号机负载故障检测方法的工作流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1，一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置，所述装置由主控单元、电能计量单元、数据传输单元、故障指示单元、驱动输出单元等组成。

主控单元，是由STM32F系列及其外围电路组成的最小系统。所述主控单元通过SPI总线与所述电能计量单元相连接，用于获取电能信息值；所述主控单元通过UART串口与所述数据传输单元相连接，用于传输不同类型的报文信息；所述主控单元通过I/O口与故障指示单元相连接，用于控制指示灯的亮灭。所述主控单元接收信号机的控制命令，控制驱动输出单元输出负载控制电压。

电能计量单元，由电能计量芯片及其外围电路和采样电路组成。芯片型号包括RN8302B、CS5463、ATT7022、FC7758、HLW8012等。用于检测多路信号机负载的电能信息，并通过SPI总线发送电能信息值至所述主控单元。因该类型电能计量芯片内部具有独有的电能计量算法，可以有效解决传统电流电压采样电路数据波动大，易受外部环境影响的问题。

数据传输单元，由485隔离通讯芯片ADM2587EBRWZ及其外围电路组成。用于向外部传输不同类型的报文信息。该类型芯片具有传输距离远、抗干扰能力强的优点。

故障指示单元，由电路板LED指示灯及其外围电路组成。用于指示工作故障信息或者工作正常状态信息。

驱动输出单元，由可控硅BT139X-600E及其外围电路组成。用于接收主控单元的命令，根据命令驱动信号机负载工作。

实施例2，参照图2，实施例1所述的一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置，所述电能计量单元的前端采用互感器隔离式设计进行采样，后端采用单相电能计量芯片及其外围电路进行电能信息的计量，电流互感器的型号为DL-CT1005A，主要负责将大电流信号转变小电流信号；电压互感器的型号为DL-PT202H1，主要负责将大电压信号转变小电压信号；本实施例中的单相电能计量芯片的型号为CS5463，该芯片负责电能信息的计量。前端互感器将转变后的小电流和小电压信号传输至电能计量芯片的采样端，电能计量芯片通过内部算法计算出电能信息值然后通过SPI总线与主控单元进行电能信息的传输。

在本实施例中，因单相电能计量芯片仅具有单通道的电能计量功能，所以对于信号机负载中的每一个信号灯灯组中的红灯单元、黄灯单元、绿灯单元均需要使用1个单相电能计量芯片来采集电能信息。

实施例3，参照图3，实施例1所述的一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置，所述电能计量单元前端采用非隔离串入式设计，通过电阻串分压的方式进行采样，电阻串的后端接入三相电能计量芯片及其外围电路进行电能信息的计量；

本实施例中电流互感器的型号为DL-CT1005A，主要负责将大电流信号转变小电流信号，电压采样电路采用传统的电阻串分压的方式。采用6个封装为1206的片式电阻，使得阻值和在1兆欧姆左右，最终输出的信号幅值在100mV左右。使用该方法，可以降低成本。

本实施例中的三相电能计量芯片的型号为RN8302B，该芯片负责电能信息的计量。前端互感器、电压采样电路将转变后的小电流和小电压信号传输至电能计量芯片的采样端，电能计量芯片通过内部算法计算出电能信息值然后通过SPI总线与主控单元进行电能信息的传输。

由于RN8302B电能计量芯片可以同时进行三路的电能信息计量，因此，对于信号机负载中的每一个信号灯灯组中的红灯单元、黄灯单元、绿灯单元可以使用一个三相电能计量芯片来同时采集三个单元的电能信息。

实施例4，参照图4，实施例1所述的一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置，所述电能计量单元前端的前端采用互感器隔离式设计进行采样，后端采用单相电能计量芯片及其外围电路、三相电能计量单元及其外围电路进行电能信息的计量。

本实施例中电流互感器的型号为DL-CT1005A，主要负责将大电流信号转变小电流信号。

本实施例中电压互感器的型号为DL-PT202H1，主要负责将大电压信号转变小电压信号。

本实施例中的单相电能计量芯片的型号为CS5463、三相电能计量芯片的型号为RN8302B。前端互感器将转变后的小电流和小电压信号传输至电能计量芯片的采样端，电能计量芯片通过内部算法计算出电能信息值然后通过SPI总线与主控单元进行电能信息的传输。

在本实施例中，采用单相电能计量芯片和三相电能计量芯片共用的方法。因部分信号机负载中的信号灯灯组仅具有红灯单元和绿灯单元，故对于此种情况，每个红绿信号灯灯组采用两个单相电能计量芯片及其外围电路来采集电能信息。对于每个红黄绿信号灯灯组采用一个三相电能计量芯片及其外围电路来采集电能信息。

实施例5，参照图5，一种基于电能计量技术的信号机负载故障检测方法，使用实施例1-4所述的号机负载故障检测装置，工作流程如下：

（1）所述主控单元接收信号机发送的控制命令，控制所述驱动输出单元工作；

（2）所述主控单元控制电能计量单元启动电能计量功能，读取电能信息值；

（3）主控单元读取内部存储的学习完成标志字，若该标志字为0，则表明自学习未完成，若该标志字为1，则表明自学习完成。

（4）若自学习未完成，则进入自学习模式。每隔20ms获取一次当前信号灯灯态的电能信息值，总计获取2s共计100个电能信息值后，求和取平均值，将该值的50%作为电能信息的故障阈值。完成每个灯态的电能信息故障阈值自学习后，自学习完成标志字置为1。

（5）若自学习完成，读取电能信息的故障阈值，与当前获取的电能信息值作数值比较。若当前电能信息值大于故障阈值，所述主控单元控制所述数据传输单元传输工作正常报文、控制所述故障指示单元熄灭故障指示灯、点亮工作正常指示灯。若当前电能信息值小于或者等于故障阈值，所述主控单元控制所述数据传输单元传输工作故障报文、控制所述故障指示单元点亮故障指示灯、熄灭工作正常指示灯。

采用本实施例的基于电能计量技术的信号机负载故障检测装置，在实际应用中，不仅可以提高信号机负载故障检测的准确率，还实现了对信号机负载的故障原因进行判别和信息传输的功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。