專利名稱：軌道電位限制裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種軌道電位限制裝置及其控制方法，特別適用于地鐵、輕軌系統(tǒng)中 采用多點監(jiān)測方式限制過高的軌道電位，防止上下車乘客受到傷害。
背景技術：
為了防止雜散電流的危害，需要保證足夠大的道床電阻，因此地鐵直流牽引供電 系統(tǒng)中，鋼軌對地絕緣安裝，從而形成各自獨立的保護地(車站地)和軌道地(牽引地)。 列車行使時的回流電流可能使軌道對大地產生異常過高的電壓。當發(fā)生某些故障時，如接 觸網與鋼軌發(fā)生金屬接觸短路，接觸網對架空地線發(fā)生金屬接觸故障，直流設備發(fā)生框架 泄漏故障等都會引起軌道電位的異常過高。而當列車?？空九_，乘客上下車時可能會觸及 到這個危險電壓而受到傷害，為了降低車體與地之間的接觸電壓和跨步電壓，一般在設有 牽引變電所的車站和車場設置軌道電位限制裝置，實時監(jiān)測鋼軌與大地之間的電壓，如果 該電壓超過設定值時，軌道電位限制裝置動作，將鋼軌短時與接地母排短接，強行降低軌道 電位。這是國際上通用的一種保護人身安全的防護措施。目前正在投入使用的軌道電位限制裝置采用的大多是時間繼電器式的傳統(tǒng)控制 方式，控制精度和靈活性不高，動作時間長，且存在拒動的可能。在軌道電位限制裝置的控 制方法上大多采用的是單點監(jiān)測軌道電位，當單點監(jiān)測軌道電位高于設定值時，軌道電位 限制裝置動作。但單點監(jiān)測控制方法存在以下不足(1)測量精度低，易造成軌道電位限制裝置誤動作；(2)監(jiān)測控制有一定的時間延遲，沒有提前預測功能，當軌道電位異常過高時不能 及時控制軌道電位限制裝置動作，會對人體產生傷害；(3)沒有考慮一段區(qū)間內軌道電位情況，僅通過監(jiān)測軌道上某點的軌道電位不足 以說明一段區(qū)間內的軌道電位是否超出人體安全極限電壓。軌道電位限制裝置動作閉合的依據是軌道電位是否超出人體安全電壓，但由于軌 道電位隨機車的運行狀態(tài)的改變而變化，其變化趨勢比較復雜，且各參數具有非線性、強耦 合等特點，因此建立該過程的精確數學模型困難較大，一般常規(guī)的控制方法很難保證其控 制精度。

發(fā)明內容
技術問題鑒于以上問題，本發(fā)明的目的在于提供采用多點監(jiān)測方式、考慮機車到 站距離、結構簡單，操作容易，測量精度高，可靠性好的軌道電位限制裝置及其控制方法。技術方案本發(fā)明的軌道電位限制裝置，由限壓回路、保護回路、多點電壓監(jiān)測單 元、分流器、電流監(jiān)測單元、PLC控制系統(tǒng)單元及工作狀態(tài)顯示儀表連接組成。保護回路與 限壓回路并聯，限壓回路核心部件為復合開關，復合開關一端與軌道連接，另一端與接地母 排連接；PLC控制系統(tǒng)單元與電壓監(jiān)測單元、電流監(jiān)測單元連接，輸出端與限壓回路、工作 狀態(tài)顯示儀表連接。
限壓回路中的復合開關由反向并聯的大功率晶閘管和接觸器構成，晶閘管與接觸 器并聯設置，大功率晶閘管的快速導通承受流過軌道電位限制裝置中的初始故障電流，每 個晶閘管的導通與否取決于鋼軌與接地母排間電位差的極性，而接觸器用來承受長時間通 過電流。多點電壓監(jiān)測單元由均勻分布在車站附近軌道沿線的8個軌道電位變送器組成， 軌道電位變送器用來實時檢測軌道與接地母排之間的電壓，其監(jiān)測范圍為50V 150V。電流監(jiān)測單元主要由分流器和電壓監(jiān)測電路構成，分流器安裝在主回路中，電壓 監(jiān)測電路監(jiān)測其電壓，轉化為限壓回路復合開關閉合時流過軌道與接地母排間的電流，當 監(jiān)測電流低于預設值時，軌道電位限制裝置自動復位。PLC控制系統(tǒng)單元根據多點電壓監(jiān)測單元和電流監(jiān)測單元監(jiān)測結果控制復合開關 的動作和顯示儀表的狀態(tài)。軌道電位限制裝置的控制方法采用多點監(jiān)測方式、模糊控制的方法，PLC控制系 統(tǒng)單元對多點電壓監(jiān)測單元在軌道多點處檢測到的電位值進行數據處理，得到軌道電位極 值和機車到站距離，對軌道電位極值和機車到站距離進行模糊化處理，得到模糊處理結果， 查詢模糊控制規(guī)則表，得出輸出控制量，可直接控制軌道電位限制裝置中復合開關的動作。 具體如下(1)獲取多點電位值多點電壓監(jiān)測單元實時檢測車站附近軌道沿線多點處軌道和接地母排之間的電 壓，并送入PLC控制系統(tǒng)單元。(2)得到軌道電位極值和機車到站距離PLC控制系統(tǒng)單元對獲取的多個軌道電位值采用最小二乘法進行數據擬合，軌道 電位極值u為擬合直線與縱坐標軸的截距計算得到的峰值電壓與實際監(jiān)測最值中的較大 者；機車到站距離s由擬合直線與橫坐標軸的截距計算得到。軌道電位極值和機車到站距 離兩者結合作為軌道電位限制裝置的動作依據。(3)輸入變量即軌道電位極值和機車到站距離的模糊化處理軌道電位極值u分為ul，u2, u3三個等級，其量化論域為UiU, 2，3}，按一定隸屬 度關系使該值與模糊變量U的3個語言取值{PS，PM, PL}相對應。機車到站距離s，距離范圍定義為W，2000]m(該范圍可根據實際雙邊供電距離進 行修正)，將s量化為論域{0，1，2，3}中的值，并按以一定隸屬度關系使該值與模糊變量S 的4個語言取值{0，PS, PM, PL}相對應。(4)模糊推理以軌道電位極值u和機車到站距離s經模糊化階段處理后的模糊變量為輸入參 數，查詢編制好的模糊控制規(guī)則表，得出模糊輸出量。(5)輸出處理模糊控制器輸出為軌道電位限制裝置的動作狀態(tài)，分為不動作、延時接觸器動作、 接觸器動作三種狀態(tài)。其量化論域Oi為{1，2，3}，與語言取值{PS，PM, PL}相對應。由模 糊推理得出的模糊輸出量無需精確化可直接控制軌道電位限制裝置中復合開關的動作。模糊控制器在PLC控制系統(tǒng)中的實現將依據模糊控制規(guī)則建立的軌道電位限 制裝置動作狀態(tài)模糊控制查詢表預先存儲在軌道電位限制裝置內部存儲器上，在實際控制中，8個軌道電位變送器實時測量車站附近的軌道電位，PLC控制系統(tǒng)單元根據數據處理規(guī) 則計算出軌道電位極值和機車到站距離，經模糊化處理后，通過查詢模糊控制查詢表獲得 所需控制量，直接輸出軌道限制裝置的動作，實現軌道電位限制裝置的模糊控制。有益效果一種軌道限制裝置適用于地鐵(輕軌)限制過高的軌道電位，和傳統(tǒng)方 法相比較，限壓回路采用大功率晶閘管與接觸器組成的復合開關，提高了裝置的速動性及 長時間過電流特性，該裝置結構簡單，系統(tǒng)擴展方便，可靠性高；采用了多點監(jiān)測方式，避免 了單點監(jiān)測判斷不準的缺點，提供一種模糊控制方法，可以提前預測軌道電位極值及機車 到站距離，從而預判軌道電位限制裝置動作狀態(tài)，提前消除軌道電位過高帶來的危害，提高 了系統(tǒng)響應的及時性和安全性。


圖1是軌道電位限制裝置系統(tǒng)組成原理圖，圖2是限壓回路原理圖，圖3是軌道電位變送器的安裝位置示意圖，圖4是軌道電位分布理論解析模型曲線分布，圖5是軌道電位限制裝置模糊控制器結構圖，圖6是本發(fā)明程序控制流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明的軌道電位限制裝置如圖1所示，軌道與接地母排之間串接一復合開關， 多點電壓監(jiān)測單元由均勻分布在車站附近軌道沿線的8個軌道電位變送器組成，軌道電位 變送器實時檢測測各點軌道電位值，同時電流監(jiān)測單元由電壓監(jiān)測電路與分流器組成。保 護回路與限壓回路并聯，以保護復合開關的通斷引起的瞬時高電壓。多點電壓監(jiān)測單元、電 流監(jiān)測單元與PLC控制系統(tǒng)單元相連，PLC控制系統(tǒng)單元與限壓回路和工作狀態(tài)顯示儀表 相連。PLC控制系統(tǒng)單元根據監(jiān)測結果控制限壓回路中復合開關的動作，從而限制過高的軌 道電位。當電流監(jiān)測單元監(jiān)測到限壓回路流過的電流小于預設值時，復位軌道電位限制裝 置。軌道電位限制裝置模糊控制方法實施如下如圖2設置軌道電位變送器，實時測量車站附近一段區(qū)域內的軌道電位，為了更 好地消除測量誤差，將8個變送器每次測量得到的一組電壓信號擬合成一條直線，提取其 斜率值和8個變送器測量值的最大值，利用軌道電位分布理論解析模型曲線分布如圖3所 示，計算出軌道電位極值u和機車到站距離s，以所得的軌道電位極值u和機車到站距離s 作為模糊控制器的輸入。模糊控制器結構如圖4所示，其中D1-D8為在軌道多點處軌道電位變送器的測量 值，多點測量值采用最小二乘法擬合后，得到軌道電位極值u和機車到站距離s，經模糊化 處理后作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出為軌道電位限制裝置狀態(tài)輸出O。(1)輸入變量的模糊化、量化等級和隸屬函數軌道電位限制裝置的動作閾值分為ul，u2，u3三個狀態(tài)等級，其量化論域UiU, 2，3}，并按一定隸屬度關系使該值與模糊變量U的3個語言取值{PS，PM，PL}相對應，隸屬函 數如表1所示。表1軌道電位極值u模糊變量隸屬度表
權利要求
一種軌道電位限制裝置，其特征在于它包括限壓回路、保護回路、多點電壓監(jiān)測單元、分流器、電流監(jiān)測單元、PLC控制系統(tǒng)單元及工作狀態(tài)顯示儀表；其中，多點電壓監(jiān)測單元的輸入端為軌道電位變送器，采集軌道電位變送器的信號；多點電壓監(jiān)測單元的輸出端接PLC控制系統(tǒng)單元，將采集來的信號輸入到PLC控制系統(tǒng)單元；PLC控制系統(tǒng)單元的輸出端分別與限壓回路、工作狀態(tài)顯示儀表連接；限壓回路與保護回路并聯后；其一端與軌道連接，另一端通過分流器與接地母排連接；電流監(jiān)測單元的輸入端接在分流器的兩端，電流監(jiān)測單元的輸出端連接PLC控制系統(tǒng)單元的另一輸入端。
2.根據權利要求1所述的軌道電位限制裝置，其特征在于所述的限壓回路核心部件為 復合開關，由反向并聯的大功率晶閘管和接觸器構成，接觸器與晶閘管并聯，大功率晶閘管 的快速導通來承受流過軌道電位限制裝置中的初始故障電流，采用接觸器來承受長時間通 過電流。
3.根據權利要求1所述的軌道電位限制裝置，其特征在于采用多點監(jiān)測方式，多點電 壓監(jiān)測單元由均勻分布在車站附近軌道沿線的8個軌道電位變送器組成，軌道電位變送器 實時監(jiān)測軌道和接地母排之間的電壓，其監(jiān)測范圍在50V 150V。
4.一種如權利要求1所述的軌道電位限制裝置的控制方法，其特征在于采用模糊控 制方法，PLC控制系統(tǒng)單元對多點電壓監(jiān)測單元在軌道多點處檢測到的電位值進行數據處 理，得到軌道電位極值和機車到站距離，對軌道電位極值和機車到站距離進行模糊化處理， 得到模糊處理結果，查詢模糊控制規(guī)則表，得出輸出控制量，可直接控制軌道電位限制裝置 中復合開關的動作；具體如下1)獲取多點電位值多點電壓監(jiān)測單元實時監(jiān)測車站附近軌道沿線多點處軌道和接地母排之間的電壓，并 送入PLC控制系統(tǒng)單元；2)得到軌道電位極值和機車到站距離PLC控制系統(tǒng)單元對獲取的多個軌道電位值采用最小二乘法進行數據擬合，軌道電位 極值u為擬合直線與縱坐標軸的截距計算得到的峰值電壓與實際監(jiān)測最值中的較大者；機 車到站距離s由擬合直線與橫坐標軸的截距計算得到，軌道電位極值和機車到站距離兩者 結合作為軌道電位限制裝置的動作依據；3)輸入變量即軌道電位極值和機車到站距離的模糊化處理軌道電位極值u分為ul，u2，u3三個等級，其量化論域為Ui {1，2，3}，按其隸屬度關系 使該值與模糊變量U的3個語言取值{PS，PM, PL}相對應；機車到站距離s，距離范圍定義為W，2000]m，將s量化為論域{0，1，2，3}中的值，并按 以其隸屬度關系使該值與模糊交量S的4個語言取值{0，PS, PM, PL}相對應；4)模糊推理以軌道電位極值u和機車到站距離s經模糊化階段處理后的模糊變量為輸入參數，查 詢編制好的模糊控制規(guī)則表，得出模糊輸出量；5)輸出處理模糊控制器輸出為軌道電位限制裝置的動作狀態(tài)，分為不動作、延時接觸器動作、接觸 器動作三種狀態(tài)；其量化論域Oi為{1，2，3}，與語言取值{PS，PM, PL}相對應；由模糊推理 得出的模糊輸出量無需精確化可直接控制軌道電位限制裝置中復合開關的動作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軌道電位限制裝置及其控制方法，軌道電位限制裝置由限壓回路、保護回路、多點電壓監(jiān)測單元、分流器、電流監(jiān)測單元、PLC控制系統(tǒng)單元及工作狀態(tài)顯示儀表組成。限壓回路核心部件為復合開關；多點電壓監(jiān)測單元實時檢測軌道沿線多點軌道與地之間的電壓；PLC控制系統(tǒng)單元對檢測到的電壓進行數據處理，利用模糊控制方法，控制限壓回路中復合開關的動作；電流監(jiān)測單元用于監(jiān)測流過軌道與接地母排間的電流，控制復合開關自動斷開；保護回路用于消除復合開關通斷引起的瞬時高電壓；工作狀態(tài)顯示儀表實時顯示工作狀態(tài)參數。其優(yōu)點是采用多點監(jiān)測的方式，提高了系統(tǒng)的測試精度，消除軌道電位過高帶來的危害，響應及時和安全，可靠性高。
文檔編號G05B19/05GK101950166SQ201010274868
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權日2010年9月7日
發(fā)明者張海濤, 李威, 楊雪鋒, 王禹橋, 蘇秀平, 陳闖 申請人:中國礦業(yè)大學