方志遠(yuǎn)

摘 要： 為滿(mǎn)足軌道交通對(duì)控制系統(tǒng)自愈能力、集成能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)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(guò)配電控制電路對(duì)通信電路、濾波電路以及采集電路進(jìn)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(guò)濾電源波浪脈沖，通過(guò)采集電路和配電控制電路共同進(jìn)行配電信息的智能監(jiān)控與故障預(yù)測(cè)，為軌道交通提供高品質(zhì)電能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)擁有很強(qiáng)的自愈能力、集成能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； U270.381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(chē)類(lèi)型，其以載客量多、速度快、安全性能好的特點(diǎn)在城市交通中占據(jù)很大比例，各國(guó)政府均對(duì)軌道交通給予了巨大支持。設(shè)計(jì)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(yùn)行與智能管理有機(jī)結(jié)合的重要方式。常見(jiàn)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(dòng)開(kāi)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(hù)，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(duì)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(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 軌道交通智能配電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

軌道交通智能配電控制系統(tǒng)擁有兩項(xiàng)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(shuō)，除了軌道交通的牽引任務(wù)之外，系統(tǒng)需要對(duì)列車(chē)運(yùn)行中的所有用電元件進(jìn)行配電控制，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下幾項(xiàng)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(shí)，智能配電控制系統(tǒng)能夠維護(hù)列車(chē)持續(xù)、可靠運(yùn)行，這需要系統(tǒng)可隨時(shí)進(jìn)行配電信息智能監(jiān)控與預(yù)測(cè)，主動(dòng)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(qiáng)，以節(jié)省軌道交通運(yùn)行空間，同時(shí)方便維修。

3） 經(jīng)濟(jì)價(jià)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(yùn)營(yíng)損失。

2 軌道交通智能配電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

在軌道交通智能配電控制系統(tǒng)三項(xiàng)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(jì)方案已不再適用[3]。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以功能電路代替控制設(shè)備，滿(mǎn)足集成能力。在自愈能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值上，可通過(guò)選擇性能良好的單片機(jī)以及通信媒介進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(xiǎn)絲開(kāi)關(guān)組成。通信電路中的單片機(jī)、總線收發(fā)器等元件標(biāo)志著所設(shè)計(jì)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(diǎn)是穩(wěn)定、可靠，能夠連接系統(tǒng)中的所有元件，集成能力強(qiáng)[4]。濾波電路主要進(jìn)行電源濾波，采集電路和配電控制電路共同進(jìn)行配電情況的智能監(jiān)控與預(yù)測(cè)，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(jì)

配電控制電路用于進(jìn)行軌道交通配置指令實(shí)施。軌道交通運(yùn)行前的循環(huán)供電工作耗時(shí)較長(zhǎng)，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(wú)效電量耗損，通常需要安裝繼電器控制列車(chē)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(guò)繼電器傳送過(guò)來(lái)的。

繼電器在工作時(shí)，當(dāng)有電流流過(guò)其內(nèi)部線圈會(huì)立即產(chǎn)生電磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)供電，電流消失后電磁場(chǎng)也隨之消失，此時(shí)不再進(jìn)行供電。繼電器突然產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)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(gè)繼電器，這兩個(gè)繼電器與手動(dòng)控制端口組成的回路就是繼電器消弧電路。N1～N6代表保險(xiǎn)絲開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)和改變繼電器工作模式，實(shí)現(xiàn)配電故障處理。

從圖2中可以看出，所設(shè)計(jì)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(guò)總線控制著這些電路的配電行為。每?jī)蓚€(gè)繼電器的功能是不同的，如K7和K8的作用是進(jìn)行電能通斷控制，K6、K5、K4、K3與濾波電路之間進(jìn)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(jìn)配電控制電路。

2.3 通信電路設(shè)計(jì)

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?jī)?nèi)存使用率[7]，少不得要接受單片機(jī)的控制。由于各地軌道交通運(yùn)營(yíng)形式不同，故在此不對(duì)單片機(jī)進(jìn)行選型，只給出單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)。如圖3所示，為滿(mǎn)足相關(guān)要求，通信電路所需的單片機(jī)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(dòng)、信息緩沖區(qū)和信息處理模塊。

總線內(nèi)核驅(qū)動(dòng)用于連接總線收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)配電進(jìn)程、故障等信息的引進(jìn)與傳輸，也可通過(guò)搜索功能實(shí)現(xiàn)間接訪問(wèn)[8]。指令集和寄存器共同組成一個(gè)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(guò)總線寄存器實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(gè)光電隔離器、若干個(gè)功能電阻和一個(gè)8位引腳?？偩€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(zhǎng)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(gè)功能電路[R3，]用來(lái)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(jī)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(jì)

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(shí)間且強(qiáng)烈的波浪脈沖，這對(duì)采集電路的干擾尤其之深。對(duì)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(guò)，如圖5所示。

圖5上半部分中，兩個(gè)發(fā)光二極管與一個(gè)熱敏電阻[R11]共同對(duì)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(jìn)行反向擊穿，保護(hù)下半部分電路免受干擾。安置兩個(gè)發(fā)光二極管可以提高濾波效率，在短時(shí)間內(nèi)獲得強(qiáng)有力的濾波效果。電路下半部分包括一個(gè)電容[C2]和一個(gè)電感[L，]可對(duì)電路內(nèi)的差模干擾進(jìn)行過(guò)濾，改善配電過(guò)程的不穩(wěn)定性。

2.5 采集電路設(shè)計(jì)

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(duì)采樣電路的干擾，除了進(jìn)行電路濾波外，所設(shè)計(jì)的智能配電系統(tǒng)還在采集電路中加入了開(kāi)關(guān)電源，將直流電源與開(kāi)關(guān)電源中的配電信息進(jìn)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(mén)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所設(shè)計(jì)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(jì)價(jià)值進(jìn)行綜合檢驗(yàn)。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(jì)價(jià)值體現(xiàn)在系統(tǒng)能夠?qū)ε潆姽收线M(jìn)行正確預(yù)測(cè)。本文系統(tǒng)實(shí)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(yùn)行空間。

對(duì)系統(tǒng)兼容能力的測(cè)試將與配電故障預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)一同進(jìn)行，如果本文系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差小且穩(wěn)定，則標(biāo)志著系統(tǒng)各電路間能夠進(jìn)行正常的協(xié)同作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)軌道交通配電智能化控制作業(yè)。實(shí)驗(yàn)給出軌道交通運(yùn)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(shí)配電信息如表1所示。

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

可見(jiàn)，本文系統(tǒng)的預(yù)測(cè)誤差小且穩(wěn)定，可較為正確地實(shí)現(xiàn)配電故障預(yù)測(cè)，擁有優(yōu)秀的自愈能力、集成能力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)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(jì)價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊并可正確預(yù)測(cè)配電故障。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫建新.城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)智能化管控終端設(shè)計(jì)[J].城市軌道交通研究，2016，19（5）：40?43.

SUN Jianxin. Design low voltage power distribution system for urban mass transit intelligent terminal device [J]. Urban mass transit， 2016， 19（5）： 40?43.endprint

[2] 劉向.地鐵環(huán)控系統(tǒng)的供配電設(shè)計(jì)與分析[J].智能建筑電氣技術(shù)，2016，10（4）：62?65.

LIU Xiang. Design and analysis of power supply and distribution for environmental control system [J]. Electrical technology of intelligent buildings， 2016， 10（4）： 62?65.

[3] 吳成加.總線式電動(dòng)客車(chē)高壓配電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2015，37（2）：25?27.

WU Chengjia. Bus?based control system design on high?voltage power distribution for electric buses [J]. Bus & coach technology and research， 2015， 37（2）： 25?27.

[4] 張琛，李超，賀力霞，等.2014年中國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路統(tǒng)計(jì)與分析[J].都市快軌交通，2015，28（1）：1?3.

ZHANG Chen， LI Chao， HE Lixia， et al. Statistics and analysis of urban rail transit lines in China， 2014 [J]. Urban rapid rail transit， 2015， 28（1）： 1?3.

[5] 胡楠，張吉沐陽(yáng)，郭健，等.配電房軌道式自動(dòng)巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（3）：95?98.

HU Nan， ZHANG Jimuyang， GUO Jian， et al. Design and implementation of control system for power distribution room orbital automatic inspection robot [J]. Computer measurement & control， 2016， 24（3）： 95?98.

[6] 王盈盈，馮珂，尹晉，等.物有所值評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建及應(yīng)用：以城市軌道交通PPP項(xiàng)目為例[J].項(xiàng)目管理技術(shù)，2015，13（8）：21?27.

WANG Yingying， FENG Ke， YIN Jin， et al. Worth the construction and application of evaluation model： taking PPP project of urban rail transit as an example [J]. Project management technology， 2015， 13（8）： 21?27.

[7] 羅璨，徐萬(wàn)江，朱燦焰.基于熵劃分子模式典型相關(guān)分析的步態(tài)識(shí)別[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（10）：1?4.

LUO Can， XU Wanjiang， ZHU Canyan. Gait recognition based on entropy?sub?pattern canonical correlation analysis [J]. Electronic design engineering， 2016， 24（10）： 1?4.

[8] 徐黃浦，夏焱.撒多水電廠通風(fēng)配電及通風(fēng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)[J].四川水力發(fā)電，2015，34（3）：97?98.

XU Huangpu， XIA Yan. The automatic control design of hydropower plant ventilation and ventilation distribution [J]. Sichuan water power， 2015， 34（3）： 97?98.

[9] 李文娟，陳艷.大型物聯(lián)網(wǎng)下的交通智能監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（6）：95?97.

LI Wenjuan， CHEN Yan. Optimization design of traffic intelligent monitoring system in large?scale IOT [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（6）： 95?97.

[10] 楊友才，謝雪松，哈月，等.基于PLC的交通錐筒收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2016，35（11）：80?82.

YANF Youcai， XIE Xuesong， HA Yue， et al. The design of tube traffic cone retraction system based on PLC [J]. Measurement & control technology， 2016， 35（11）： 80?82.endprint