軌道交通智能配電控制系統設計

方志遠

摘 要： 為滿足軌道交通對控制系統自愈能力、集成能力和經濟價值的設計要求，設計一種新型的軌道交通智能配電控制系統。首先以功能電路代替控制設備，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控與故障預測，為軌道交通提供高品質電能。實驗結果表明，該系統擁有很強的自愈能力、集成能力和經濟價值，滿足設計要求。

關鍵詞： 軌道交通； 配電； 控制系統； 濾波； 集成能力； 系統設計

中圖分類號： TN710?34； U270.381 文獻標識碼： 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域、多工種、多技術的復合系統，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很大比例，各國政府均對軌道交通給予了巨大支持。設計自適應、集成、穩定、便捷的軌道交通智能配電控制系統，是確保交通運行與智能管理有機結合的重要方式。常見的軌道交通智能配電控制系統大多以可編程控制器、數字儀表、自動開關等控制設備堆砌而成，不同控制設備之間相互干擾，難以維護，存在成本高、控制穩定性不好、通信功能不協調等弊端。因此，對于軌道交通而言，其智能配電控制系統的硬件優化工作仍然非常重要，具有很強的現實意義。

1 軌道交通智能配電控制系統設計要求

軌道交通智能配電控制系統擁有兩項重要功能，分別是降壓變電控制和電壓循環控制[1]。也就是說，除了軌道交通的牽引任務之外，系統需要對列車運行中的所有用電元件進行配電控制，因此，在進行系統設計時應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配電紕漏時，智能配電控制系統能夠維護列車持續、可靠運行，這需要系統可隨時進行配電信息智能監控與預測，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體積小、質量輕、兼容性強，以節省軌道交通運行空間，同時方便維修。

3） 經濟價值。要求智能配電控制系統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設計

2.1 設計方案

在軌道交通智能配電控制系統三項基本要求的約束下，以往直接將不同功能控制設備相互連接而成的設計方案已不再適用[3]。所設計的系統以功能電路代替控制設備，滿足集成能力。在自愈能力和經濟價值上，可通過選擇性能良好的單片機以及通信媒介進行實現。對此，除必要的供電電路之外，軌道交通智能配電控制系統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組成。通信電路中的單片機、總線收發器等元件標志著所設計的軌道交通智能配電控制系統選擇總線作為其通信媒介，總線結構的優點是穩定、可靠，能夠連接系統中的所有元件，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控與預測，為軌道交通提供高品質電能。endprint

2.2 配電控制電路設計

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供電工作耗時較長，在此階段，智能配電控制系統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程控制設備，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，當有電流流過其內部線圈會立即產生電磁場，以實現供電，電流消失后電磁場也隨之消失，此時不再進行供電。繼電器突然產生的電磁場會使用電元件和系統電路產生電火花，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，通過控制開關狀態和改變繼電器工作模式，實現配電故障處理。

從圖2中可以看出，所設計的軌道交通智能配電控制系統采用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負責將采集電路與通信電路的信息引進配電控制電路。

2.3 通信電路設計

總線通信需要溝通配電控制系統中所有電路信息，將占用大量內存使用率[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構。如圖3所示，為滿足相關要求，通信電路所需的單片機應至少含有指令集和寄存器，并裝有總線寄存器、總線內核驅動、信息緩沖區和信息處理模塊。

總線內核驅動用于連接總線收發器，實現配電進程、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，它在功能上相當于協議控制元件，管理人員可以將決策輸入微控單元，通過總線寄存器實現人機交互。

總線收發器結構如圖4所示，其作用是完成軌道交通智能配電控制系統的物理層信息收發，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 ℃。數據接收口與數據發送口與單片機連接，光電隔離器在其中起到隔離單路信息的作用。

2.4 濾波電路設計

在軌道交通智能配電控制系統中，直流電源是產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，兩個發光二極管與一個熱敏電阻[R11]共同對抗電源波浪脈沖，當軌道交通智能配電控制系統內存在電源波浪脈沖，[R11]阻值快速增大，發光二極管瞬間進行反向擊穿，保護下半部分電路免受干擾。安置兩個發光二極管可以提高濾波效率，在短時間內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，]可對電路內的差模干擾進行過濾，改善配電過程的不穩定性。

2.5 采集電路設計

采集電路負責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，所設計的智能配電系統還在采集電路中加入了開關電源，將直流電源與開關電源中的配電信息進行耦合后再輸出[10]。輸出結果應為高電平，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 實驗結果與分析

實驗對本文所設計軌道交通智能配電控制系統的自愈能力、集成能力和經濟價值進行綜合檢驗。集成能力體現在系統體積大小和兼容能力上，自愈能力與經濟價值體現在系統能夠對配電故障進行正確預測。本文系統實物圖如圖7所示，可以看出，本文系統的硬件結構十分緊湊，可節省軌道交通運行空間。

對系統兼容能力的測試將與配電故障預測實驗一同進行，如果本文系統預測誤差小且穩定，則標志著系統各電路間能夠進行正常的協同作業，可實現軌道交通配電智能化控制作業。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。

利用本文系統進行實際預測，得到如表2所示的配電信息，進行誤差分析得到表3。

可見，本文系統的預測誤差小且穩定，可較為正確地實現配電故障預測，擁有優秀的自愈能力、集成能力和經濟價值。

4 結 論

本文設計的軌道交通智能配電控制系統，除必要的供電電路之外，系統內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備連接在一起導致的性能弊端，有效提升了智能配電控制系統的自愈能力、集成能力和經濟價值。實驗結果顯示，本文系統結構緊湊并可正確預測配電故障。

參考文獻

[1] 孫建新.城市軌道交通低壓配電系統智能化管控終端設計[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.地鐵環控系統的供配電設計與分析[J].智能建筑電氣技術，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.總線式電動客車高壓配電控制系統設計[J].客車技術與研究，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年中國城市軌道交通運營線路統計與分析[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，郭健，等.配電房軌道式自動巡檢機器人控制系統設計與實現[J].計算機測量與控制，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.物有所值評價模型的構建及應用：以城市軌道交通PPP項目為例[J].項目管理技術，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，徐萬江，朱燦焰.基于熵劃分子模式典型相關分析的步態識別[J].電子設計工程，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.撒多水電廠通風配電及通風自動控制設計[J].四川水力發電，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.大型物聯網下的交通智能監控系統優化設計[J].現代電子技術，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設計[J].測控技術，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