軌道交通智能配電控制系統(tǒng)設(shè)計

方志遠(yuǎn)

摘 要： 為滿足軌道交通對控制系統(tǒng)自愈能力、集成能力和經(jīng)濟價值的設(shè)計要求，設(shè)計一種新型的軌道交通智能配電控制系統(tǒng)。首先以功能電路代替控制設(shè)備，通過配電控制電路對通信電路、濾波電路以及采集電路進行管理；然后以總線為媒介的通信電路，提高系統(tǒng)集成能力；最后利用濾波電路過濾電源波浪脈沖，通過采集電路和配電控制電路共同進行配電信息的智能監(jiān)控與故障預(yù)測，為軌道交通提供高品質(zhì)電能。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)擁有很強的自愈能力、集成能力和經(jīng)濟價值，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 軌道交通； 配電； 控制系統(tǒng)； 濾波； 集成能力； 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN710?34； U270.381 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）01?0101?04

Abstract： In order to satisfy the design requirement of rail transit for the self?healing ability， integration ability and economic value of the control system， a new intelligent power distribution control system of rail transit was designed. The functional circuit replaces the control equipment. The communication circuit， filtering circuit and data acquisition circuit are managed through the power distribution control circuit. The communication circuit taking the bus as its medium can improve the system integration ability. The filtering circuit is used to filter the wave pulse of the power supply， and the intelligent monitoring and fault prediction of the power distribution information are realized by means of the acquisition circuit and power distribution control circuit， which can provide the high quality electric energy for rail transit. The experimental results show that the designed system has strong self?healing ability， high integration ability and economic value， and meets the design requirements.

Keywords： rail transit； power distribution； control system； filtering； integration ability； system design

0 引 言

軌道交通是一種兼顧多領(lǐng)域、多工種、多技術(shù)的復(fù)合系統(tǒng)，擁有輕軌、磁懸浮、地鐵、有軌等多種列車類型，其以載客量多、速度快、安全性能好的特點在城市交通中占據(jù)很大比例，各國政府均對軌道交通給予了巨大支持。設(shè)計自適應(yīng)、集成、穩(wěn)定、便捷的軌道交通智能配電控制系統(tǒng)，是確保交通運行與智能管理有機結(jié)合的重要方式。常見的軌道交通智能配電控制系統(tǒng)大多以可編程控制器、數(shù)字儀表、自動開關(guān)等控制設(shè)備堆砌而成，不同控制設(shè)備之間相互干擾，難以維護，存在成本高、控制穩(wěn)定性不好、通信功能不協(xié)調(diào)等弊端。因此，對于軌道交通而言，其智能配電控制系統(tǒng)的硬件優(yōu)化工作仍然非常重要，具有很強的現(xiàn)實意義。

1 軌道交通智能配電控制系統(tǒng)設(shè)計要求

軌道交通智能配電控制系統(tǒng)擁有兩項重要功能，分別是降壓變電控制和電壓循環(huán)控制[1]。也就是說，除了軌道交通的牽引任務(wù)之外，系統(tǒng)需要對列車運行中的所有用電元件進行配電控制，因此，在進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)滿足以下幾項基本要求：

1） 自愈能力[2]。要求在軌道交通通路出現(xiàn)配電紕漏時，智能配電控制系統(tǒng)能夠維護列車持續(xù)、可靠運行，這需要系統(tǒng)可隨時進行配電信息智能監(jiān)控與預(yù)測，主動降低配電安全隱患。

2） 集成能力。要求智能配電控制系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、兼容性強，以節(jié)省軌道交通運行空間，同時方便維修。

3） 經(jīng)濟價值。要求智能配電控制系統(tǒng)提供正確的配電解決方案，減少軌道交通運營損失。

2 軌道交通智能配電控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

在軌道交通智能配電控制系統(tǒng)三項基本要求的約束下，以往直接將不同功能控制設(shè)備相互連接而成的設(shè)計方案已不再適用[3]。所設(shè)計的系統(tǒng)以功能電路代替控制設(shè)備，滿足集成能力。在自愈能力和經(jīng)濟價值上，可通過選擇性能良好的單片機以及通信媒介進行實現(xiàn)。對此，除必要的供電電路之外，軌道交通智能配電控制系統(tǒng)還需要配電控制電路、通信電路、濾波電路和采集電路，如圖1所示。

配電控制電路主要由繼電器、繼電器消弧電路和保險絲開關(guān)組成。通信電路中的單片機、總線收發(fā)器等元件標(biāo)志著所設(shè)計的軌道交通智能配電控制系統(tǒng)選擇總線作為其通信媒介，總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是穩(wěn)定、可靠，能夠連接系統(tǒng)中的所有元件，集成能力強[4]。濾波電路主要進行電源濾波，采集電路和配電控制電路共同進行配電情況的智能監(jiān)控與預(yù)測，為軌道交通提供高品質(zhì)電能。endprint

2.2 配電控制電路設(shè)計

配電控制電路用于進行軌道交通配置指令實施。軌道交通運行前的循環(huán)供電工作耗時較長，在此階段，智能配電控制系統(tǒng)自身的電能消耗不容小覷，為了減少無效電量耗損，通常需要安裝繼電器控制列車用電元件的電能供給。繼電器是一種典型的非接觸式遠(yuǎn)程控制設(shè)備，其被控與主控參量取決于自身的輸入與輸出[5]，采集電路所采集的信息都是通過繼電器傳送過來的。

繼電器在工作時，當(dāng)有電流流過其內(nèi)部線圈會立即產(chǎn)生電磁場，以實現(xiàn)供電，電流消失后電磁場也隨之消失，此時不再進行供電。繼電器突然產(chǎn)生的電磁場會使用電元件和系統(tǒng)電路產(chǎn)生電火花，繼電器消弧電路的作用就是消除電火花，避免安全事故[6]。如圖2所示， K1～K8代表繼電器，每條支路上安置兩個繼電器，這兩個繼電器與手動控制端口組成的回路就是繼電器消弧電路。N1～N6代表保險絲開關(guān)，通過控制開關(guān)狀態(tài)和改變繼電器工作模式，實現(xiàn)配電故障處理。

從圖2中可以看出，所設(shè)計的軌道交通智能配電控制系統(tǒng)采用30 V電池供電，配電控制電路與通信電路、采集電路以及濾波電路之間都是相互聯(lián)通的，其通過總線控制著這些電路的配電行為。每兩個繼電器的功能是不同的，如K7和K8的作用是進行電能通斷控制，K6、K5、K4、K3與濾波電路之間進行信息互通，K2、K1負(fù)責(zé)將采集電路與通信電路的信息引進配電控制電路。

2.3 通信電路設(shè)計

總線通信需要溝通配電控制系統(tǒng)中所有電路信息，將占用大量內(nèi)存使用率[7]，少不得要接受單片機的控制。由于各地軌道交通運營形式不同，故在此不對單片機進行選型，只給出單片機控制結(jié)構(gòu)。如圖3所示，為滿足相關(guān)要求，通信電路所需的單片機應(yīng)至少含有指令集和寄存器，并裝有總線寄存器、總線內(nèi)核驅(qū)動、信息緩沖區(qū)和信息處理模塊。

總線內(nèi)核驅(qū)動用于連接總線收發(fā)器，實現(xiàn)配電進程、故障等信息的引進與傳輸，也可通過搜索功能實現(xiàn)間接訪問[8]。指令集和寄存器共同組成一個微控單元，它在功能上相當(dāng)于協(xié)議控制元件，管理人員可以將決策輸入微控單元，通過總線寄存器實現(xiàn)人機交互。

總線收發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其作用是完成軌道交通智能配電控制系統(tǒng)的物理層信息收發(fā)，包括兩個光電隔離器、若干個功能電阻和一個8位引腳。總線電路的傳輸形式為差分電壓，各引腳口電平擁有不同屬性，為了長久維持穩(wěn)定、可靠的通信性能，在低電平接口和高電平接口中安置一個功能電路[R3，]用來避免電路工作溫度超額，電路最高工作溫度[9]為150 ℃。數(shù)據(jù)接收口與數(shù)據(jù)發(fā)送口與單片機連接，光電隔離器在其中起到隔離單路信息的作用。

2.4 濾波電路設(shè)計

在軌道交通智能配電控制系統(tǒng)中，直流電源是產(chǎn)生配電干擾的主要部分，干擾原因通常是短時間且強烈的波浪脈沖，這對采集電路的干擾尤其之深。對此，濾波電路在直流電源上建立反向抗電泳電路，采用差分抑波方式阻止脈沖通過，如圖5所示。

圖5上半部分中，兩個發(fā)光二極管與一個熱敏電阻[R11]共同對抗電源波浪脈沖，當(dāng)軌道交通智能配電控制系統(tǒng)內(nèi)存在電源波浪脈沖，[R11]阻值快速增大，發(fā)光二極管瞬間進行反向擊穿，保護下半部分電路免受干擾。安置兩個發(fā)光二極管可以提高濾波效率，在短時間內(nèi)獲得強有力的濾波效果。電路下半部分包括一個電容[C2]和一個電感[L，]可對電路內(nèi)的差模干擾進行過濾，改善配電過程的不穩(wěn)定性。

2.5 采集電路設(shè)計

采集電路負(fù)責(zé)采集軌道交通配電信息，如圖6所示，為了避免直流電源對采樣電路的干擾，除了進行電路濾波外，所設(shè)計的智能配電系統(tǒng)還在采集電路中加入了開關(guān)電源，將直流電源與開關(guān)電源中的配電信息進行耦合后再輸出[10]。輸出結(jié)果應(yīng)為高電平，如果是低電平，則意味著軌道交通處于未工作狀態(tài)或者配電工作存在故障。

電阻[R21]和[R22]的作用是提供配電信息傳輸電壓門限，如果采集到的電壓不高于1.0 V，配電信息的光電耦合電流將低于5 mA。軌道交通配電電流范圍一般在5～20 mA之間，因此，此時的軌道交通中必然存在配電故障，需要配電控制電路介入處理。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗對本文所設(shè)計軌道交通智能配電控制系統(tǒng)的自愈能力、集成能力和經(jīng)濟價值進行綜合檢驗。集成能力體現(xiàn)在系統(tǒng)體積大小和兼容能力上，自愈能力與經(jīng)濟價值體現(xiàn)在系統(tǒng)能夠?qū)ε潆姽收线M行正確預(yù)測。本文系統(tǒng)實物圖如圖7所示，可以看出，本文系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)十分緊湊，可節(jié)省軌道交通運行空間。

對系統(tǒng)兼容能力的測試將與配電故障預(yù)測實驗一同進行，如果本文系統(tǒng)預(yù)測誤差小且穩(wěn)定，則標(biāo)志著系統(tǒng)各電路間能夠進行正常的協(xié)同作業(yè)，可實現(xiàn)軌道交通配電智能化控制作業(yè)。實驗給出軌道交通運行中的30次電力諧波，諧波電壓為100 V，諧波電流為2 A，其真實配電信息如表1所示。

利用本文系統(tǒng)進行實際預(yù)測，得到如表2所示的配電信息，進行誤差分析得到表3。

可見，本文系統(tǒng)的預(yù)測誤差小且穩(wěn)定，可較為正確地實現(xiàn)配電故障預(yù)測，擁有優(yōu)秀的自愈能力、集成能力和經(jīng)濟價值。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的軌道交通智能配電控制系統(tǒng)，除必要的供電電路之外，系統(tǒng)內(nèi)還包含配電控制電路、通信電路、濾波電路和采集電路，避免了直接將控制設(shè)備連接在一起導(dǎo)致的性能弊端，有效提升了智能配電控制系統(tǒng)的自愈能力、集成能力和經(jīng)濟價值。實驗結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊并可正確預(yù)測配電故障。

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