轨道交通智能配电控制系统设计

摘 要： 为满足轨道交通对控制系统自愈能力、集成能力和经济价值的设计要求，设计一种新型的轨道交通智能配电控制系统。首先以功能电路代替控制设备，通过配电控制电路对通信电路、滤波电路以及采集电路进行管理；然后以总线为媒介的通信电路，提高系统集成能力；最后利用滤波电路过滤电源波浪脉冲，通过采集电路和配电控制电路共同进行配电信息的智能监控与故障预测，为轨道交通提供高品质电能。实验结果表明，该系统拥有很强的自愈能力、集成能力和经济价值，满足设计要求。

关键词： 轨道交通； 配电； 控制系统； 滤波； 集成能力； 系统设计

中图分类号： TN710⁃34； U270.381 文献标识码： A 文章编号： 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

轨道交通是一种兼顾多领域、多工种、多技术的复合系统，拥有轻轨、磁悬浮、地铁、有轨等多种列车类型，其以载客量多、速度快、安全性能好的特点在城市交通中占据很大比例，各国政府均对轨道交通给予了巨大支持。设计自适应、集成、稳定、便捷的轨道交通智能配电控制系统，是确保交通运行与智能管理有机结合的重要方式。常见的轨道交通智能配电控制系统大多以可编程控制器、数字仪表、自動开关等控制设备堆砌而成，不同控制设备之间相互干扰，难以维护，存在成本高、控制稳定性不好、通信功能不协调等弊端。因此，对于轨道交通而言，其智能配电控制系统的硬件优化工作仍然非常重要，具有很强的现实意义。

1 轨道交通智能配电控制系统设计要求

轨道交通智能配电控制系统拥有两项重要功能，分别是降压变电控制和电压循环控制[1]。也就是说，除了轨道交通的牵引任务之外，系统需要对列车运行中的所有用电元件进行配电控制，因此，在进行系统设计时应满足以下几项基本要求：

1） 自愈能力[2]。要求在轨道交通通路出现配电纰漏时，智能配电控制系统能够维护列车持续、可靠运行，这需要系统可随时进行配电信息智能监控与预测，主动降低配电安全隐患。

2） 集成能力。要求智能配电控制系统体积小、质量轻、兼容性强，以节省轨道交通运行空间，同时方便维修。

3） 经济价值。要求智能配电控制系统提供正确的配电解决方案，减少轨道交通运营损失。

2 轨道交通智能配电控制系统设计

2.1 设计方案

在轨道交通智能配电控制系统三项基本要求的约束下，以往直接将不同功能控制设备相互连接而成的设计方案已不再适用[3]。所设计的系统以功能电路代替控制设备，满足集成能力。在自愈能力和经济价值上，可通过选择性能良好的单片机以及通信媒介进行实现。对此，除必要的供电电路之外，轨道交通智能配电控制系统还需要配电控制电路、通信电路、滤波电路和采集电路，如图1所示。

配电控制电路主要由继电器、继电器消弧电路和保险丝开关组成。通信电路中的单片机、总线收发器等元件标志着所设计的轨道交通智能配电控制系统选择总线作为其通信媒介，总线结构的优点是稳定、可靠，能够连接系统中的所有元件，集成能力强[4]。滤波电路主要进行电源滤波，采集电路和配电控制电路共同进行配电情况的智能监控与预测，为轨道交通提供高品质电能。

2.2 配电控制电路设计

配电控制电路用于进行轨道交通配置指令实施。轨道交通运行前的循环供电工作耗时较长，在此阶段，智能配电控制系统自身的电能消耗不容小觑，为了减少无效电量耗损，通常需要安装继电器控制列车用电元件的电能供给。继电器是一种典型的非接触式远程控制设备，其被控与主控参量取决于自身的输入与输出[5]，采集电路所采集的信息都是通过继电器传送过来的。

继电器在工作时，当有电流流过其内部线圈会立即产生电磁场，以实现供电，电流消失后电磁场也随之消失，此时不再进行供电。继电器突然产生的电磁场会使用电元件和系统电路产生电火花，继电器消弧电路的作用就是消除电火花，避免安全事故[6]。如图2所示， K1～K8代表继电器，每条支路上安置两个继电器，这两个继电器与手动控制端口组成的回路就是继电器消弧电路。N1～N6代表保险丝开关，通过控制开关状态和改变继电器工作模式，实现配电故障处理。

从图2中可以看出，所设计的轨道交通智能配电控制系统采用30 V电池供电，配电控制电路与通信电路、采集电路以及滤波电路之间都是相互联通的，其通过总线控制着这些电路的配电行为。每两个继电器的功能是不同的，如K7和K8的作用是进行电能通断控制，K6、K5、K4、K3与滤波电路之间进行信息互通，K2、K1负责将采集电路与通信电路的信息引进配电控制电路。

2.3 通信电路设计

总线通信需要沟通配电控制系统中所有电路信息，将占用大量内存使用率[7]，少不得要接受单片机的控制。由于各地轨道交通运营形式不同，故在此不对单片机进行选型，只给出单片机控制结构。如图3所示，为满足相关要求，通信电路所需的单片机应至少含有指令集和寄存器，并装有总线寄存器、总线内核驱动、信息缓冲区和信息处理模块。

总线内核驱动用于连接总线收发器，实现配电进程、故障等信息的引进与传输，也可通过搜索功能实现间接访问[8]。指令集和寄存器共同组成一个微控单元，它在功能上相当于协议控制元件，管理人员可以将决策输入微控单元，通过总线寄存器实现人机交互。

总线收发器结构如图4所示，其作用是完成轨道交通智能配电控制系统的物理层信息收发，包括两个光电隔离器、若干个功能电阻和一个8位引脚。总线电路的传输形式为差分电压，各引脚口电平拥有不同属性，为了长久维持稳定、可靠的通信性能，在低电平接口和高电平接口中安置一个功能电路[R3，]用来避免电路工作温度超额，电路最高工作温度[9]为150 ℃。数据接收口与数据发送口与单片机连接，光电隔离器在其中起到隔离单路信息的作用。

2.4 滤波电路设计

在轨道交通智能配电控制系统中，直流电源是产生配电干扰的主要部分，干扰原因通常是短时间且强烈的波浪脉冲，这对采集电路的干扰尤其之深。对此，滤波电路在直流电源上建立反向抗电泳电路，采用差分抑波方式阻止脉冲通过，如图5所示。

图5上半部分中，两个发光二极管与一个热敏电阻[R11]共同對抗电源波浪脉冲，当轨道交通智能配电控制系统内存在电源波浪脉冲，[R11]阻值快速增大，发光二极管瞬间进行反向击穿，保护下半部分电路免受干扰。安置两个发光二极管可以提高滤波效率，在短时间内获得强有力的滤波效果。电路下半部分包括一个电容[C2]和一个电感[L，]可对电路内的差模干扰进行过滤，改善配电过程的不稳定性。

2.5 采集电路设计

采集电路负责采集轨道交通配电信息，如图6所示，为了避免直流电源对采样电路的干扰，除了进行电路滤波外，所设计的智能配电系统还在采集电路中加入了开关电源，将直流电源与开关电源中的配电信息进行耦合后再输出[10]。输出结果应为高电平，如果是低电平，则意味着轨道交通处于未工作状态或者配电工作存在故障。

电阻[R21]和[R22]的作用是提供配电信息传输电压门限，如果采集到的电压不高于1.0 V，配电信息的光电耦合电流将低于5 mA。轨道交通配电电流范围一般在5～20 mA之间，因此，此时的轨道交通中必然存在配电故障，需要配电控制电路介入处理。

3 实验结果与分析

实验对本文所设计轨道交通智能配电控制系统的自愈能力、集成能力和经济价值进行综合检验。集成能力体现在系统体积大小和兼容能力上，自愈能力与经济价值体现在系统能够对配电故障进行正确预测。本文系统实物图如图7所示，可以看出，本文系统的硬件结构十分紧凑，可节省轨道交通运行空间。

对系统兼容能力的测试将与配电故障预测实验一同进行，如果本文系统预测误差小且稳定，则标志着系统各电路间能够进行正常的协同作业，可实现轨道交通配电智能化控制作业。实验给出轨道交通运行中的30次电力谐波，谐波电压为100 V，谐波电流为2 A，其真实配电信息如表1所示。

利用本文系统进行实际预测，得到如表2所示的配电信息，进行误差分析得到表3。

可见，本文系统的预测误差小且稳定，可较为正确地实现配电故障预测，拥有优秀的自愈能力、集成能力和经济价值。

4 结 论

本文设计的轨道交通智能配电控制系统，除必要的供电电路之外，系统内还包含配电控制电路、通信电路、滤波电路和采集电路，避免了直接将控制设备连接在一起导致的性能弊端，有效提升了智能配电控制系统的自愈能力、集成能力和经济价值。实验结果显示，本文系统结构紧凑并可正确预测配电故障。

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