专利名称：轨道电位限制装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种轨道电位限制装置及其控制方法，特别适用于地铁、轻轨系统中 采用多点监测方式限制过高的轨道电位，防止上下车乘客受到伤害。
背景技术：
为了防止杂散电流的危害，需要保证足够大的道床电阻，因此地铁直流牵引供电 系统中，钢轨对地绝缘安装，从而形成各自独立的保护地(车站地)和轨道地(牵引地)。 列车行使时的回流电流可能使轨道对大地产生异常过高的电压。当发生某些故障时，如接 触网与钢轨发生金属接触短路，接触网对架空地线发生金属接触故障，直流设备发生框架 泄漏故障等都会引起轨道电位的异常过高。而当列车停靠站台，乘客上下车时可能会触及 到这个危险电压而受到伤害，为了降低车体与地之间的接触电压和跨步电压，一般在设有 牵引变电所的车站和车场设置轨道电位限制装置，实时监测钢轨与大地之间的电压，如果 该电压超过设定值时，轨道电位限制装置动作，将钢轨短时与接地母排短接，强行降低轨道 电位。这是国际上通用的一种保护人身安全的防护措施。目前正在投入使用的轨道电位限制装置采用的大多是时间继电器式的传统控制 方式，控制精度和灵活性不高，动作时间长，且存在拒动的可能。在轨道电位限制装置的控 制方法上大多采用的是单点监测轨道电位，当单点监测轨道电位高于设定值时，轨道电位 限制装置动作。但单点监测控制方法存在以下不足(1)测量精度低，易造成轨道电位限制装置误动作；(2)监测控制有一定的时间延迟，没有提前预测功能，当轨道电位异常过高时不能 及时控制轨道电位限制装置动作，会对人体产生伤害；(3)没有考虑一段区间内轨道电位情况，仅通过监测轨道上某点的轨道电位不足 以说明一段区间内的轨道电位是否超出人体安全极限电压。轨道电位限制装置动作闭合的依据是轨道电位是否超出人体安全电压，但由于轨 道电位随机车的运行状态的改变而变化，其变化趋势比较复杂，且各参数具有非线性、强耦 合等特点，因此建立该过程的精确数学模型困难较大，一般常规的控制方法很难保证其控 制精度。
发明内容
技术问题鉴于以上问题，本发明的目的在于提供采用多点监测方式、考虑机车到 站距离、结构简单，操作容易，测量精度高，可靠性好的轨道电位限制装置及其控制方法。技术方案本发明的轨道电位限制装置，由限压回路、保护回路、多点电压监测单 元、分流器、电流监测单元、PLC控制系统单元及工作状态显示仪表连接组成。保护回路与 限压回路并联，限压回路核心部件为复合开关，复合开关一端与轨道连接，另一端与接地母 排连接；PLC控制系统单元与电压监测单元、电流监测单元连接，输出端与限压回路、工作 状态显示仪表连接。
限压回路中的复合开关由反向并联的大功率晶闸管和接触器构成，晶闸管与接触 器并联设置，大功率晶闸管的快速导通承受流过轨道电位限制装置中的初始故障电流，每 个晶闸管的导通与否取决于钢轨与接地母排间电位差的极性，而接触器用来承受长时间通 过电流。多点电压监测单元由均勻分布在车站附近轨道沿线的8个轨道电位变送器组成， 轨道电位变送器用来实时检测轨道与接地母排之间的电压，其监测范围为50V 150V。电流监测单元主要由分流器和电压监测电路构成，分流器安装在主回路中，电压 监测电路监测其电压，转化为限压回路复合开关闭合时流过轨道与接地母排间的电流，当 监测电流低于预设值时，轨道电位限制装置自动复位。PLC控制系统单元根据多点电压监测单元和电流监测单元监测结果控制复合开关 的动作和显示仪表的状态。轨道电位限制装置的控制方法采用多点监测方式、模糊控制的方法，PLC控制系 统单元对多点电压监测单元在轨道多点处检测到的电位值进行数据处理，得到轨道电位极 值和机车到站距离，对轨道电位极值和机车到站距离进行模糊化处理，得到模糊处理结果， 查询模糊控制规则表，得出输出控制量，可直接控制轨道电位限制装置中复合开关的动作。 具体如下(1)获取多点电位值多点电压监测单元实时检测车站附近轨道沿线多点处轨道和接地母排之间的电 压，并送入PLC控制系统单元。(2)得到轨道电位极值和机车到站距离PLC控制系统单元对获取的多个轨道电位值采用最小二乘法进行数据拟合，轨道 电位极值u为拟合直线与纵坐标轴的截距计算得到的峰值电压与实际监测最值中的较大 者；机车到站距离s由拟合直线与横坐标轴的截距计算得到。轨道电位极值和机车到站距 离两者结合作为轨道电位限制装置的动作依据。(3)输入变量即轨道电位极值和机车到站距离的模糊化处理轨道电位极值u分为ul，u2, u3三个等级，其量化论域为UiU, 2，3}，按一定隶属 度关系使该值与模糊变量U的3个语言取值{PS，PM, PL}相对应。机车到站距离s，距离范围定义为W，2000]m(该范围可根据实际双边供电距离进 行修正)，将s量化为论域{0，1，2，3}中的值，并按以一定隶属度关系使该值与模糊变量S 的4个语言取值{0，PS, PM, PL}相对应。(4)模糊推理以轨道电位极值u和机车到站距离s经模糊化阶段处理后的模糊变量为输入参 数，查询编制好的模糊控制规则表，得出模糊输出量。(5)输出处理模糊控制器输出为轨道电位限制装置的动作状态，分为不动作、延时接触器动作、 接触器动作三种状态。其量化论域Oi为{1，2，3}，与语言取值{PS，PM, PL}相对应。由模 糊推理得出的模糊输出量无需精确化可直接控制轨道电位限制装置中复合开关的动作。模糊控制器在PLC控制系统中的实现将依据模糊控制规则建立的轨道电位限 制装置动作状态模糊控制查询表预先存储在轨道电位限制装置内部存储器上，在实际控制中，8个轨道电位变送器实时测量车站附近的轨道电位，PLC控制系统单元根据数据处理规 则计算出轨道电位极值和机车到站距离，经模糊化处理后，通过查询模糊控制查询表获得 所需控制量，直接输出轨道限制装置的动作，实现轨道电位限制装置的模糊控制。有益效果一种轨道限制装置适用于地铁(轻轨)限制过高的轨道电位，和传统方 法相比较，限压回路采用大功率晶闸管与接触器组成的复合开关，提高了装置的速动性及 长时间过电流特性，该装置结构简单，系统扩展方便，可靠性高；采用了多点监测方式，避免 了单点监测判断不准的缺点，提供一种模糊控制方法，可以提前预测轨道电位极值及机车 到站距离，从而预判轨道电位限制装置动作状态，提前消除轨道电位过高带来的危害，提高 了系统响应的及时性和安全性。
图1是轨道电位限制装置系统组成原理图，图2是限压回路原理图，图3是轨道电位变送器的安装位置示意图，图4是轨道电位分布理论解析模型曲线分布，图5是轨道电位限制装置模糊控制器结构图，图6是本发明程序控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的轨道电位限制装置如图1所示，轨道与接地母排之间串接一复合开关， 多点电压监测单元由均勻分布在车站附近轨道沿线的8个轨道电位变送器组成，轨道电位 变送器实时检测测各点轨道电位值，同时电流监测单元由电压监测电路与分流器组成。保 护回路与限压回路并联，以保护复合开关的通断引起的瞬时高电压。多点电压监测单元、电 流监测单元与PLC控制系统单元相连，PLC控制系统单元与限压回路和工作状态显示仪表 相连。PLC控制系统单元根据监测结果控制限压回路中复合开关的动作，从而限制过高的轨 道电位。当电流监测单元监测到限压回路流过的电流小于预设值时，复位轨道电位限制装 置。轨道电位限制装置模糊控制方法实施如下如图2设置轨道电位变送器，实时测量车站附近一段区域内的轨道电位，为了更 好地消除测量误差，将8个变送器每次测量得到的一组电压信号拟合成一条直线，提取其 斜率值和8个变送器测量值的最大值，利用轨道电位分布理论解析模型曲线分布如图3所 示，计算出轨道电位极值u和机车到站距离s，以所得的轨道电位极值u和机车到站距离s 作为模糊控制器的输入。模糊控制器结构如图4所示，其中D1-D8为在轨道多点处轨道电位变送器的测量 值，多点测量值采用最小二乘法拟合后，得到轨道电位极值u和机车到站距离s，经模糊化 处理后作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出为轨道电位限制装置状态输出O。(1)输入变量的模糊化、量化等级和隶属函数轨道电位限制装置的动作阈值分为ul，u2，u3三个状态等级，其量化论域UiU, 2，3}，并按一定隶属度关系使该值与模糊变量U的3个语言取值{PS，PM，PL}相对应，隶属函 数如表1所示。表1轨道电位极值u模糊变量隶属度表
权利要求
一种轨道电位限制装置，其特征在于它包括限压回路、保护回路、多点电压监测单元、分流器、电流监测单元、PLC控制系统单元及工作状态显示仪表；其中，多点电压监测单元的输入端为轨道电位变送器，采集轨道电位变送器的信号；多点电压监测单元的输出端接PLC控制系统单元，将采集来的信号输入到PLC控制系统单元；PLC控制系统单元的输出端分别与限压回路、工作状态显示仪表连接；限压回路与保护回路并联后；其一端与轨道连接，另一端通过分流器与接地母排连接；电流监测单元的输入端接在分流器的两端，电流监测单元的输出端连接PLC控制系统单元的另一输入端。
2.根据权利要求1所述的轨道电位限制装置，其特征在于所述的限压回路核心部件为 复合开关，由反向并联的大功率晶闸管和接触器构成，接触器与晶闸管并联，大功率晶闸管 的快速导通来承受流过轨道电位限制装置中的初始故障电流，采用接触器来承受长时间通 过电流。
3.根据权利要求1所述的轨道电位限制装置，其特征在于采用多点监测方式，多点电 压监测单元由均勻分布在车站附近轨道沿线的8个轨道电位变送器组成，轨道电位变送器 实时监测轨道和接地母排之间的电压，其监测范围在50V 150V。
4.一种如权利要求1所述的轨道电位限制装置的控制方法，其特征在于采用模糊控 制方法，PLC控制系统单元对多点电压监测单元在轨道多点处检测到的电位值进行数据处 理，得到轨道电位极值和机车到站距离，对轨道电位极值和机车到站距离进行模糊化处理， 得到模糊处理结果，查询模糊控制规则表，得出输出控制量，可直接控制轨道电位限制装置 中复合开关的动作；具体如下1)获取多点电位值多点电压监测单元实时监测车站附近轨道沿线多点处轨道和接地母排之间的电压，并 送入PLC控制系统单元；2)得到轨道电位极值和机车到站距离PLC控制系统单元对获取的多个轨道电位值采用最小二乘法进行数据拟合，轨道电位 极值u为拟合直线与纵坐标轴的截距计算得到的峰值电压与实际监测最值中的较大者；机 车到站距离s由拟合直线与横坐标轴的截距计算得到，轨道电位极值和机车到站距离两者 结合作为轨道电位限制装置的动作依据；3)输入变量即轨道电位极值和机车到站距离的模糊化处理轨道电位极值u分为ul，u2，u3三个等级，其量化论域为Ui {1，2，3}，按其隶属度关系 使该值与模糊变量U的3个语言取值{PS，PM, PL}相对应；机车到站距离s，距离范围定义为W，2000]m，将s量化为论域{0，1，2，3}中的值，并按 以其隶属度关系使该值与模糊交量S的4个语言取值{0，PS, PM, PL}相对应；4)模糊推理以轨道电位极值u和机车到站距离s经模糊化阶段处理后的模糊变量为输入参数，查 询编制好的模糊控制规则表，得出模糊输出量；5)输出处理模糊控制器输出为轨道电位限制装置的动作状态，分为不动作、延时接触器动作、接触 器动作三种状态；其量化论域Oi为{1，2，3}，与语言取值{PS，PM, PL}相对应；由模糊推理 得出的模糊输出量无需精确化可直接控制轨道电位限制装置中复合开关的动作。
全文摘要
本发明公开了一种轨道电位限制装置及其控制方法，轨道电位限制装置由限压回路、保护回路、多点电压监测单元、分流器、电流监测单元、PLC控制系统单元及工作状态显示仪表组成。限压回路核心部件为复合开关；多点电压监测单元实时检测轨道沿线多点轨道与地之间的电压；PLC控制系统单元对检测到的电压进行数据处理，利用模糊控制方法，控制限压回路中复合开关的动作；电流监测单元用于监测流过轨道与接地母排间的电流，控制复合开关自动断开；保护回路用于消除复合开关通断引起的瞬时高电压；工作状态显示仪表实时显示工作状态参数。其优点是采用多点监测的方式，提高了系统的测试精度，消除轨道电位过高带来的危害，响应及时和安全，可靠性高。
文档编号G05B19/05GK101950166SQ201010274868
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者张海涛, 李威, 杨雪锋, 王禹桥, 苏秀平, 陈闯 申请人:中国矿业大学