车地协同过分相控制方法、系统及轨道交通车辆与流程

本发明涉及轨道交通领域，特别是一种车地协同过分相控制方法、系统及轨道交通车辆。

背景技术：

在电气化牵引区段，牵引接触网采用单相工频交流供电方式。为了使电力系统三相负荷平衡和提高电网利用率，要求电气化铁路接触网采用分段换相供电。为防止相间短路，相邻相之间用空气或绝缘物分割，称为“电分相”。

当电力机车或动车组过分相时，需要采取合适的过分相方式，常见的有车载自动过分相、司机手动过分相以及地面转换自动过分相。其中地面转换自动过分相通过地面牵引供电设备（隔离开关、断路器等）控制关节式电分相两端电源之一为无电区供电，实现自动切换供电，列车可不断电通过接触网电分相区，具有断电时间短、无供电死区和降低列车过分相的速度损失等优点，有利于满足高速列车的运行要求，目前在国内外推广使用。但是，当地面转换自动过分相功能失效时，仍需车载自动过分相或手动过分相。因此，如何实现车地协同过分相，满足列车的运行要求，提高列车运行的安全可靠性，提高列车运营效率及乘车舒适度，是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种车地协同过分相控制方法、系统及轨道交通车辆，实现车地协同过分相，满足列车的运行要求，提高列车运行的安全可靠性，提高列车运营效率及乘车舒适度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种车地协同过分相控制方法，该方法包括：机车或动车组通过电分相区时，若地面过分相设备功能正常，则车载主断路器不分闸，实现地面转换自动过分相；

当地面转换自动过分相功能失效，且车载信号设备功能正常时，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现车载自动过分相；

当地面转换自动过分相功能失效，且车载自动过分相功能失效时，操作手动过分相开关，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现手动过分相；

当地面转换自动过分相、车载自动过分相与手动过分相功能均失效时，控制主断路器分闸，车辆靠惯性滑过无电区；当网压恢复正常后，自动或手动控制主断路器合闸。

本发明基于现有车载设备与地面设备，无需安装地面磁感应器与车载自动过分相装置，通过车地设备之间的协同配合，实现地面转换自动过分相与车载自动过分相的无缝切换，当两种自动过分相功能均失效时，提供手动过分相功能，当三种过分相功能均失效时，机车或动车组将闯分相，车辆将保护并控制主断路器分闸，车辆靠惯性滑过无电区，网压恢复正常后，自动或手动控制主断路器合闸。满足列车的运行要求，提高列车运行的安全可靠性，提高列车利用率。具有安全可靠、容易实现、推广应用方便的优点。

当地面转换自动过分相功能失效，且车载信号设备功能正常时，车地协同实现车载自动过分相功能。本发明车载自动过分相的具体实现过程包括：

1）地面过分相设备将地面转换自动过分相功能失效信号发送给地面信号设备；

2）地面信号设备将地面转换自动过分相功能失效信号、车辆位置信息、电分相中性区段长度发送给车载信号设备；

3）车载信号设备根据地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号、以及列车速度计算并发送过分相指令高电平给车辆控制器；

4）车辆控制器接收到过分相指令高电平，控制机车或动车组的主断路器分闸；

5）车载信号设备根据地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号、以及列车速度计算并发送过分相指令低电平给车辆控制器；

6）车辆控制器接收到过分相指令低电平时，控制主断路器合闸，实现车载自动过分相。

当地面转换自动过分相功能失效，且车载自动过分相功能失效时，车地协同实现手动过分相功能。本发明手动过分相的具体实现过程包括：

a）地面过分相设备将地面转换自动过分相功能失效信号发送给轨旁指示器，轨旁指示器应指示地面转换自动过分相功能失效；车载信号设备将车载自动过分相功能失效发送给车载指示器，车载指示器应指示车载自动过分相功能失效；车载自动过分相功能失效情况包括但不限于：由地面信号设备失效、车地传输通道失效、车载信号设备失效、信号采集通道失效等导致；功能失效状态可通过冗余硬线或/且冗余网络传输。

b）根据轨旁指示器的指示和车载指示器的指示，操作手动过分相开关，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现手动过分相。

车辆过分相时，如果速度过低，可能无法惰性通过分相区，因此车辆靠惯性滑过无电区时，过分相速度不低于固定值。

本发明还提供了一种车地协同过分相控制系统，其包括：

地面过分相设备，用于在机车或动车组通过电分相区时，实现地面转换自动过分相功能，使得车载主断路器不分闸过分相；当地面转换自动过分相功能失效时，发送地面转换自动过分相功能失效信号给地面信号设备与轨旁指示器；

手动过分相开关，用于当地面转换自动过分相功能失效，且车载自动过分相功能失效时，发出过分相指令，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现手动过分相；

车辆控制器，用于当地面转换自动过分相功能失效且车载信号设备功能正常时，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现车载自动过分相；以及当地面转换自动过分相功能失效、车载自动过分相功能失效且手动过分相功能正常时，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现手动过分相；以及当地面转换自动过分相功能、车载自动过分相功能且手动过分相功能均失效时，控制主断路器分闸，车辆靠惯性滑过无电区；当网压恢复正常后，自动或手动控制主断路器合闸。优选地，本发明的系统还包括：

地面信号设备，用于在地面转换自动过分相功能失效时，接收到地面转换自动过分相功能失效信号，并将地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号发送给车载信号设备；车载信号设备，用于根据地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号、以及列车速度计算并发送过分相指令高电平给车辆控制器；或者车载信号设备根据列车速度计算并发送过分相指令低电平给车辆控制器。

进一步的，本发明的系统还包括：

轨旁指示器，用于接收地面转换自动过分相功能失效信号，并提示地面自动过分相功能失效；

车载指示器，用于接收车载自动过分相功能失效信号，并提示车载自动过分相功能失效。本发明的系统还包括主断路器；所述主断路器与所述车辆控制器通过硬线或网络连接，当接收到过分相指令高电平，或接收到手动过分相指令，或车辆控制器检测到网压过低时，控制所述主断路器分闸；当接收到过分相指令低电平且车辆控制器检测到网压恢复正常时，控制所述主断路器合闸。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种轨道交通车辆，包括上述车地协同过分相控制系统。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

（1）当地面转换自动过分相功能正常时，地面过分相设备实现过分相功能，车载主断路器不分闸过分相，车辆无需断电，无需降速，提高了列车利用率与安全性。

（2）当地面转换自动过分相功能失效时，车地协同实现车载自动过分相功能，兼容地面过分相功能失效，无缝切换，提高了列车利用率与安全性。

（3）当地面转换自动过分相功能失效，且车载自动过分相功能失效时，司机手动过分相，兼容地面转换自动过分相功能失效与车载自动过分相功能失效，司机可根据指示器准确判断是否需要手动过分相，提高了列车利用率与安全性。

（4）当三种过分相功能均失效，车辆检测到网压过低，保护并控制主断路器分闸，车辆靠惯性滑过无电区，网压恢复正常后，自动或手动控制主断路器合闸。三种过分相功能均失效时，车辆保护断电，提高了列车安全性。

附图说明

图1是本发明公开的一种车地协同过分相控制系统结构示意图；

图2是本发明公开的一种车地协同过分相控制方法流程示意图；

图3为本发明实施例过分相指令计算过程示意图。

具体实施方式

如图1，本发明实施例的车地协同过分相控制系统包括：地面过分相设备101、地面信号设备102、车载信号设备103、车辆控制器104、轨旁指示器107，车载指示器108，手动过分相开关106、主断路器105。

地面过分相设备101：用于实现地面转换自动过分相功能，车辆通过电分相区时，地面过分相设备自动控制实现电分相的无电区由电分相两端电源之一自动切换供电，使机车或动车组能够在车载主断路器不分闸过分相。当地面转换自动过分相功能失效时，将地面转换自动过分相功能失效信号发送给轨旁指示器与地面信号设备。

地面转换自动过分相功能失效信号宜通过冗余无源干接点方式或冗余通信总线方式传递,保证冗余备份，当单个接点故障时，应保证故障信号正常传输。考虑安全导向，地面转换自动过分相功能失效信号定义为：1-功能正常，0-功能失效。地面转换自动过分相功能失效，需要车辆过分相操作时，地面过分相设备应持续输出“0”。

地面信号设备102：用于在地面转换自动过分相功能失效时，接收到地面转换自动过分相功能失效信号，并将地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号发送给车载信号设备；地面信号设备不限于采用：地面应答器或无线闭塞中心或其他设备或手动方式。

车载信号设备103：用于根据地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号、以及列车速度计算并发送过分相指令高电平给车辆控制器；或者车载信号设备根据列车速度计算并发送过分相指令低电平给车辆控制器。车载信号设备与车辆控制器的连接不限于采用：通过冗余硬连线点位、冗余mvb总线、或冗余以太网总线等连接方式，实现信号传输与交互。车辆信号设备应考虑冗余备份，当单台设备故障时，应保证系统可维持使用。

车辆控制器104：用于当地面转换自动过分相功能失效且车载信号设备功能正常时，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现车载自动过分相；以及当地面转换自动过分相功能失效、车载自动过分相功能失效且手动过分相功能正常时，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现手动过分相；以及当地面转换自动过分相功能、车载自动过分相功能且手动过分相功能均失效时，控制主断路器分闸，车辆靠惯性滑过无电区；当网压恢复正常后，自动或手动控制主断路器合闸。车辆控制器与主断路器的连接宜采用硬连线或通信总线连接。车辆控制器在实现过分相的自动控制时，可同时允许司机通过手动进行控制，当司机手动过分相时，车辆控制器仅起监督、保障作用。车辆控制器应具有自检和故障显示功能，在系统故障时，可自动或手动隔离，隔离后不能影响车辆的正常运行。

轨旁指示器107：用于接收地面转换自动过分相功能失效信号，并通过轨旁指示器点亮或翻转提示地面自动过分相功能失效，以警示司机。轨旁指示器不限于采用：通过标识灯或标识牌等方式实现。轨旁指示器宜设置在分相区的正向与反向适当的位置，包括“断”、“合”指示器。考虑司机反应并发出手动过分相指令，主断路器分闸的时间、列车行驶速度等，考虑安全距离，小于200km/h线路的“断”指示器宜设置在远离中性区段边界≥30m处，200km/h及以上线路的“断”指示器宜设置在远离中性区段边界≥80m处，“合”指示器应根据中性区长度，无电区长度，受电弓到驾驶室的最大距离合理标定，确保主断路器合闸的系统安全可靠。

车载指示器108:用于接收车载自动过分相功能失效信号，并提示车载自动过分相功能失效，以警示司机。车载指示器不限于采用：通过司机操纵台的指示灯、显示屏等方式实现。

手动过分相开关106：用于当地面转换自动过分相功能失效，且车载自动过分相功能失效时，发出手动过分相指令，控制机车或动车组的主断路器分闸或合闸，实现司机手动过分相功能。手动过分相开关不限于采用：通过硬按钮或开关、显示屏的软按钮等方式实现。手动过分相开关与主断路器的连接宜采用硬连线或通信总线连接。

主断路器105：用于接通和分断机车或动车组的网侧电流。

图2为本发明实施例车地协同过分相控制方法流程示意图，详述如下：

一种车地协同过分相控制方法，包括以下方法及步骤：

方法1：地面转换自动过分相（s201）

机车或动车组通过电分相区时，当地面过分相设备功能正常时，地面过分相设备实现地面转换自动过分相功能，车载主断路器不分闸过分相。

方法2：车载自动过分相（s202）

1）机车或动车组通过电分相区时，当地面转换自动过分相功能失效时，地面过分相设备将地面转换自动过分相功能失效信号发送给地面信号设备；

2）地面信号设备将地面转换自动过分相功能失效信号、车辆位置信息、电分相中性区段长度等信号发送给车载信号设备；

3）车载信号设备根据地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号、以及列车速度计算并发送过分相指令高电平给车辆控制器；

4）车辆控制器接收到过分相指令高电平，控制机车或动车组的主断路器分闸；

5）车载信号设备根据地面转换自动过分相功能失效、车辆位置信息、电分相中性区段长度信号、以及列车速度计算并发送过分相指令低电平给车辆控制器；

6）车辆控制器接收到过分相指令低电平时，控制主断路器合闸；

7）车载自动过分相程序完成。

如图3，根据列车速度计算并发送过分相指令的具体实现过程包括：

1）根据列车速度计算列车车头距离中性区的时间，并按照预设的安全时间或安全距离发送过分相指令高电平，以便于列车有足够的时间卸载牵引力，分闸主断路器。

2）根据列车速度计算列车距离中性区的距离，并按照预设的安全距离，发送过分相指令低电平（例如远端受电弓到驾驶室的最大距离为x米，在列车车头离开中性区x米，保证列车后弓已通过分相区），以便于列车及时合闸主断路器，恢复牵引力。

例如：假设列车速度160km/h,分相区长度210m，列车长度200米，列车车头到后弓距离150米，车辆控制器接收到过分相指令到主断路器分闸的时间为10s，根据车辆运行速度，计算发出过分相指令高电平的位置或时间，例如在进入分相区前10s，即440m发送过分相指令；计算发送过分相指令低电平的位置或时间，例如在列车车头通过分相区后150米，保证列车后弓已通过分相区；过分相相关的距离可以根据gps获取，也可以根据实时速度计算。

方法3：司机手动过分相（s203）

1）机车或动车组通过电分相区时，轨旁指示器接收到地面转换自动过分相功能失效信号时，轨旁指示器将点亮或翻转翻转，提示地面转换自动过分相功能失效；

2）车载指示器接收到车载自动过分相功能失效信号，提示车载自动过分相功能失效；

3）观察到轨旁指示器提示地面转换自动过分相功能失效，且观察到车载指示器提示车载自动过分相功能失效时，司机操作手动过分相开关，发出手动过分相指令；

4）车辆控制器控制机车或动车组的主断路器分闸；

5）车辆控制器检测网压恢复正常后，自动控制主断路器合闸；观察到轨旁“合”标，司机可手动控制主断路器合闸；

6）手动过分相程序完成。

方法4：闯分相，车辆保护过分相（s204）

1）机车或动车组运行到无电区时，当地面转换自动过分相、车载自动过分相与手动过分相功能均失效时，车辆控制器检测到网压过低，将保护并控制主断路器分闸，车辆靠惯性滑过无电区。

2）当车辆控制器检测网压恢复正常后，自动控制主断路器合闸；观察到轨旁“合”标，司机可手动控制主断路器合闸；

3）车辆保护过分相程序完成。

车辆过分相时，如果速度过低，可能无法惰性通过分相区，建议过分相速度应不低于固定值。过分相的最低速度确定：建议根据列车的牵引制动特性，计算惰行工况下运行一定距离（分相区长度+分相区前的安全距离+分相区后的安全距离）时，所需要的最低速度，同时应考虑过分相过程中列车施加紧急制动的情况，计算紧急制动工况下运行一定距离（分相区长度）的最低速度，以保证列车在最严酷环境下顺利通过无电区。