接觸網智能融冰系統的製作方法
2023-04-29 18:29:01
本發明涉及城市軌道交通牽引供電領域，尤其涉及一種接觸網智能融冰系統。
背景技術：
接觸網是城市軌道交通牽引供電系統的重要組成部分，它是沿著鋼軌上方懸掛的為列車提供電能的輸電線路。接觸網覆冰是指水滴遇到冷空氣後凝結在接觸線上，造成大面積接觸線被冰包住的現象。
目前，城市軌道交通接觸網除冰方法主要有人工除冰法、接觸網熱滑法以及熱力融冰法。其中，人工除冰法耗時費力，除冰效率低，並帶有一定的危險性。接觸網熱滑法對接觸網有一定損害，且不能完全清除覆冰。熱力融冰法的工作原理是：給接觸網施加電流，使其自身發熱融化覆冰，現有的相關技術中，通過在變電所增加一套大容量的專用直流可調電源(晶閘管控制調壓)，並在遠端某處將接觸網對鋼軌短路，形成融冰電流，進而通過融冰電流產生的熱量達到融冰的目的。
然而，現有的熱力融冰法的設備中，大容量直流可調電源基於晶閘管控制，交流電流諧波含量大，會對交流電網造成諧波汙染，並且該設備只能用作融冰，功能單一、利用率低、性價比差。
技術實現要素：
本發明提供了一種城市軌道交通接觸網智能融冰系統，以解決大容量直流可調電源對交流電網造成諧波汙染等問題。
根據本發明的第一方面，提供了一種接觸網智能融冰系統，包括融冰控制裝置以及n個變流裝置，所述n為大於等於2的任意整數；
所述變流裝置的一端連接直流接觸網，另一端連接交流電網；
所述變流裝置，用於根據第一控制信號進入整流工況；根據第二控制信號進入逆變工況；
所述融冰控制裝置，用於獲得所述第一控制信號與所述第二控制信號，並向待融冰區段對應的變流裝置發送所述第一控制信號與第二控制信號；其中，所述第一控制信號與第二控制信號均包括融冰電流值；
以使得所述待融冰區段對應的變流裝置中，其中一個處於整流工況，另一個處於逆變工況；處於整流工況的變流裝置、直流接觸網的待融冰區段、處於逆變工況的變流裝置以及交流電網的對應區段之間形成能量循環，且所述直流接觸網的待融冰區段的電流不小於所述融冰電流值。
可選的，所述變流裝置還用於，根據第三控制信號，進入無功補償工況。
可選的，所述的系統還包括：
傳感器網絡，用於獲得所述直流接觸網的監測信息；
所述融冰控制裝置，具體用於根據所述監測信息獲得所述第一控制信號與第二控制信號。
可選的，所述融冰電流值為根據所述監測信息得到。
可選的，所述監測信息包括：
所述直流接觸網所處環境的第一信息，以及：
所述直流接觸網圖像的第二信息。
可選的，所述融冰控制裝置還用於根據所述第二信息，獲得覆冰厚度；並根據所述覆冰厚度和所述第一信息計算得到所述融冰電流值。
可選的，所述融冰控制裝置具體用於：根據所述第一信息、所述覆冰厚度、所述直流接觸網的預設參數以及預輸入的氣象數據，計算得到所述融冰電流值。
可選的，所述第一信息包括以下至少之一：
溫度；
溼度；
風速。
可選的，所述變流裝置包括變壓器和脈衝寬度調製pwm變流器；
所述變壓器，用於所述交流電網與pwm變流器交流側之間的電壓變換。；
所述pwm變流器，用於：
接收所述第一控制信號或第二控制信號；
根據所述第一控制信號，進入整流工作狀態；
根據所述第二控制信號，進入逆變工作狀態；
根據所述融冰電流值，調整輸出的電能，以使得所述待融冰區段的電流達到所述融冰電流值。
可選的，所述pwm變流器包括控制電路與若干功率開關器件；
所述控制電路，用於根據所述融冰電流值，產生驅動脈衝；
所述若干功率開關器件，用於響應所述驅動脈衝，執行導通或關斷動作，從而調整輸出電能的大小和/或方向。
可選的，所述變流裝置還包括第一開關、低壓斷路器、預充電迴路、第二開關和隔離開關；所述變壓器的高壓側通過所述第一開關連接至所述交流電網，所述變壓器的低壓側通過所述低壓斷路器連接至所述pwm變流器的交流側，所述pwm變流器直流側的正極通過所述第二開關連接至所述直流接觸網；所述pwm變流器直流側的負極通過所述隔離開關連接至鋼軌；所述預充電迴路並聯於所述低壓斷路器的兩端；
所述第一開關、低壓斷路器、第二開關和隔離開關，均用於響應所述第一控制信號或第二控制信號，執行閉合動作。
本發明提供的接觸網智能融冰系統中，所述變流裝置的一端連接直流接觸網，另一端連接交流電網；所述變流裝置用於：根據第一控制信號進入整流工況；根據第二控制信號進入逆變工況；其在交流電網與直流接觸網之間形成通路，從而實現了融冰，因其未採用大容量直流可調電源，而採用了變流裝置作為融冰的電源，降低了對交流電網的諧波汙染。而且在本發明可選的實施方案中，在無融冰需求時，變流裝置可根據需要工作在整流、逆變及無功補償模式，從而改善接觸網供電質量，實現列車再生制動能量再利用，提高系統功率因數，實現了一機多用。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖；
圖1是現有相關技術中牽引供電系統的構造示意圖；
圖2是本發明中一接觸網智能融冰系統的構造示意圖；
圖3是本發明中一接觸網智能融冰系統的控制示意圖；
圖4是本發明中一變流裝置的構造示意圖；
圖5是本發明中一融冰過程的流程示意圖。
附圖標記說明：
1-主變電所；
2-變電所；
3-整流機組；
4-鋼軌；
5-列車；
6-交流電網；
7-直流接觸網；
8-變流裝置；
81-第一開關；82-變壓器；83-低壓斷路器；84-預充電迴路；85-pwm變流器；86-第二開關；87-隔離開關；
9-能量循環；
10-待融冰區段；
11-融冰控制裝置；
12-傳感器網絡。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」、「第三」「第四」等(如果存在)是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本發明的實施例例如能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。
下面以具體地實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。下面這幾個具體的實施例可以相互結合，對於相同或相似的概念或過程可能在某些實施例不再贅述。
圖1是現有相關技術中牽引供電系統的構造示意圖；現有相關技術中的牽引供電系統可以包括主變電所1、變電所2、交流電網6以及直流接觸網7，其中一種方案中，110kv電經所述主變電所1降壓至35kv，進而經交流電網6分別傳送至各變電所2，變電所2中設有整流機組3，在供電狀態下，所述整流機組3用於將交流電整流為直流電後傳送至直流接觸網7，鋼軌4上的列車5通過直流接觸網7獲得直流電。在此基礎上，現有的相關技術中，通過在變電所2增加一套大容量的專用直流可調電源(晶閘管控制調壓)，並在遠端某處將直流接觸網7對鋼軌4短路，形成融冰電流，從而進行融冰。
其中，整流機組3可以採用24脈波整流器，其作用是將35kv三相交流電變換為1500v或750v直流電，並輸送到直流接觸網7上供列車5使用。
圖2是本發明中一接觸網智能融冰系統的構造示意圖；請參考圖2，並結合圖1理解，本實施例提供了一種接觸網智能融冰系統，包括融冰控制裝置11以及n個變流裝置8，所述n為大於等於2的任意整數；
所述變流裝置8的一端連接直流接觸網7，另一端連接交流電網6；具體實施方式中，可以通過開關器件連接至直流接觸網7；
所述變流裝置8，用於根據第一控制信號進入整流工況；根據第二控制信號進入逆變工況；
所述融冰控制裝置11，用於獲得所述第一控制信號與所述第二控制信號，並向待融冰區段10對應的變流裝置8發送所述第一控制信號與第二控制信號；其中，所述第一控制信號與第二控制信號均包括融冰電流值；
以使得所述待融冰區段10對應的變流裝置8中，其中一個處於整流工況，另一個處於逆變工況；處於整流工況的變流裝置8、處於逆變工況的變流裝置8、直流接觸網7的待融冰區段10以及交流電網6的對應區段之間形成能量循環9，且所述直流接觸網7的待融冰區段10的電流不小於所述融冰電流值。電流達到融冰電流值，可以產生焦耳熱量，達到融冰目的。
該方案在交流電網6與直流接觸網7之間形成通路，從而實現了融冰，因其未採用大容量直流可調電源，而採用了變流裝置8作為融冰的電源，降低了對交流電網6的諧波汙染。
其中，待融冰區段10，可理解為具有覆冰需要被融化的區段。對於所述區段，可以理解為：每個區段的兩端分別連接一個變流裝置8，相鄰的變流裝置8之間可以劃分為一個區段，相隔一個或多個變流裝置8的兩個變流裝置8之間，也可以劃分為一個區段，區段的劃分旨在確定所述待融冰區段10。在所有區段中，具有覆冰需要被融化的區段，均可理解為待融冰區段10，覆冰的部位可以只是待融冰區段10中的部分，也可以為全部。其中，待融冰區段10對應的變流裝置8，指的是待融冰區段10兩端所連接的變流裝置8；交流電網6的對應區段指的是待融冰區段10兩端所連接的變流裝置8之間的交流電網6的區段。
其中，所述第一控制信號可以理解為用以驅使進入整流工況的信號；第二控制信號可以理解為用以驅動進入逆變工況的信號；其中包括了融冰電流值，還可以包括融冰時間。第一控制信號中還可以包括指示進入整流工況的信息，第二控制信號中還可以包括指示進入逆變工況的信息。
形成能量循環9，指的是電流可以在處於整流工況的變流裝置8、直流接觸網7的待融冰區段10、處於逆變工況的變流裝置8以及交流電網6的對應區段之間流轉循環，其為在融冰狀態下的工作原理，而非所述供電狀態下。
其中，融冰控制裝置11與變流裝置8之間的通信網絡採用pscada網絡，實現數據傳輸、設備控制等功能。
圖3是本發明中一接觸網智能融冰系統的控制示意圖；圖5是本發明中一融冰過程的流程示意圖；請參考圖3，並結合圖5，本實施例中，所述的系統還包括：
傳感器網絡12，用於獲得所述直流接觸網7的監測信息；其中，所稱監測信息可以指針對直流接觸網7的任何可監測獲得的信息；基於目的不同，可以選擇相應的監測信息。
以上功能，對應的可以理解為所述融冰過程包括步驟s51：傳感器網絡12獲得所述直流接觸網7的監測信息；
具體的實施方式中，傳感器網絡12可以採用無線多媒體傳感器，可以包括多組具有計算、存儲和通信能力的傳感器節點，所述傳感器節點組成分布式感知網絡，藉助於節點上的傳感器感獲得接觸網周圍環境的溫度、溼度、風速以及接觸網圖像等信息，通過無線模塊將數據上傳到融冰控制裝置11；其可以實現傳感數據的有效、快速的採集與管理。
所述融冰控制裝置11，具體用於根據所述監測信息獲得所述第一控制信號與第二控制信號。其中，所述融冰電流值為根據所述監測信息得到。此外，融冰控制裝置11還用於判斷接觸網覆冰狀態，具體可以包括判斷是否覆冰的狀態(可以理解為判斷是否位需要融冰的狀態)，以及用於確定待融冰區段10的待融冰區段信息。若判斷為需要融冰，並確定了待融冰區段10，則計算對應的融冰電流值。
該方案將融冰的控制與傳感器網絡12的監測相聯繫，可以實現自動的融冰控制，相較於現有技術中的人工介入操作的方案，其可以有效提高智能化程度，選擇更準確的融冰時機，實現更精確的量化控制，進而提高融冰效率，節約能耗。
其中一種實施方案中，所述監測信息包括：
所述直流接觸網7所處環境的第一信息，以及：
所述直流接觸網7圖像的第二信息。
通過第二信息，可以對是否覆冰以及覆冰的程度進行了解，為融冰電流值的計算，以及是否需要融冰的判斷提供依據；通過第一信息，可以使得後續的計算綜合考慮環境因素，從而計算出更準確的相應融冰時間下的融冰電流值。所述第一信息可以列舉包括以下至少之一：溫度；溼度；風速。
其中一種實施方式中，所述融冰控制裝置11還用於根據所述第二信息，獲得覆冰厚度；並根據所述覆冰厚度和所述第一信息計算得到所述融冰電流值。再其具體的方案中，所述融冰控制裝置11具體用於：根據所述第一信息、所述覆冰厚度、所述直流接觸網7的預設參數以及預輸入的氣象數據，計算得到所述融冰電流值。所稱預設參數可以指相關的電氣參數；其中一種實施方式中，在得到融冰電流值的同時，還可得到融冰時間，可以理解為所述第一控制信號與第二控制信號中還均包括融冰時間。
其中具體的一種實施方式中，融冰控制裝置11具體用於提取第二信息中接觸網覆冰圖像的邊界輪廓，計算出覆冰後圖片中的直徑信息(所佔像素數)以及未覆冰時的直徑信息(所佔像素數)，利用覆冰前後所佔像素之差及直徑像素值與實際尺寸之比，計算出接觸線和承力索的覆冰厚度。將溫度、風速、覆冰厚度、導線半徑、接觸線電阻、承力索電阻、融冰預期時間等相關參數帶入預設的計算公式，可得出接觸網對應融冰時間的融冰電流值。
其中，氣象數據可以從網際網路獲取；相關的電氣參數，如接觸線和承力索的直流電阻等，可以為用戶通過輸入裝置輸入得到。
以上功能，對應的可以理解為所述融冰過程包括：
s52：融冰控制裝置11接收傳感器網絡12發送的監測信息；
s53：融冰控制裝置判斷是否需要融冰；若不需要，則返回步驟s51；若需要，則執行步驟s54；
s54：融冰控制裝置11計算相應融冰時間下的融冰電流值；
s55；融冰控制裝置11獲得所述第一控制信號與所述第二控制信號；
然後，待融冰區段10對應的兩個變流裝置8，分別進入步驟s56和s57。
s56：其中一個變流裝置8接收所述第一控制信號，進入整流工況；
s57：另一個變流裝置8接收所述第二控制信號，進入逆變工況。
為了實現以上提到的融冰控制裝置11的功能，其中一種實施方式中，融冰控制裝置11具體可以包括監測模塊、計算模塊和控制模塊：
所述監測模塊，用於接收所述傳感器網絡12發送的監測信息，並判斷所述直流接觸網7的接觸網覆冰狀態；在所述接觸網覆冰狀態為需要融冰的狀態時，向所述計算模塊發送融冰指令以及所述監測信息；所述融冰指令可以包括待融冰區段10的信息；
所述計算模塊，用於響應所述融冰指令，根據所述監測信息計算對應的所述待融冰區段10相應融冰時間下的融冰電流值，並向所述控制模塊發送所述融冰電流值和融冰時間；
所述控制模塊，用於接收所述融冰電流值和融冰時間，向待融冰區段10對應的變流裝置8發送所述第一控制信號或所述第二控制信號。
此外，所述系統還可以包括：
網絡模塊，用於從網際網路獲取所述氣象數據，並發送至所述計算模塊；
設置模塊，用於接收用戶輸入得到的電氣參數，並發送至所述計算模塊；
顯示模塊：用於顯示實時氣象條件、採集的信息以及融冰系統的工作狀態等；
數據模塊：用於進行數據分析、儲存和處理，用戶可以根據需要管理數據。
以上監測模塊、計算模塊和控制模塊，可以為記載於存儲器，用於被處理器調用以實現相應功能的程序模塊，也可以為用於實現相應功能的電路模塊。
其中一種實施方式中，所述變流裝置8除了具有逆變工況、整流工況，還可以具備無功補償工況，該實施方式中，所述變流裝置8還用於，根據第三控制信號，進入無功補償工況。第三控制信號，可以理解為旨在改變變流裝置8工況，使其進入無功補償工況的信號。通過無功補償工況，可以對交流環網進行無功補償，從而實現一機多用，提高變流裝置8的利用率。
對於所稱的整流工況、逆變工況和無功補償工況，可以理解為，其均為變流裝置8本身的電路，對應於不同的工況，其中的pwm變流器85可實現的不同工作狀態，比如整流工況對應於整流工作狀態，逆變工況，對應於逆變工作狀態，通過對其中開關器件的控制，分別可以實現不同工況的作用，其並不脫離現有相關技術中對於變流裝置8或變流器的通常功能的描述。
對於其中的無功補償工況，在一種實施方式中，可以理解為，利用變流裝置8的無功功率發生功能實現對交流電網6的無功補償，具體實施過程中，可以理解為變流裝置8零功率因數純感性運行(等效為蝠值可調的電感)或者零功率因數純容性運行(等效為幅值可調的電容)，以補償容性負荷或者感性負荷對交流電網6功率因數的影響。可在控制器中寫入無功功率補償的控制邏輯來確定，或者依據預設的量化數據來確定。
此外，變流裝置8還可以用於將列車5再生制動能量回饋到交流中壓電網，也可以輔助整流機組3進行牽引整流供電，其實際也可理解為分別實現逆變和整流功能，不過工作的輸出功率和控制邏輯不同。其可以進一步實現一機多用，提高變流裝置8的利用率。
可見，在無融冰需求時，變流裝置8可根據需要工作在整流、逆變及無功補償模式，從而改善接觸網供電質量，實現列車5再生制動能量再利用，提高系統功率因數，實現了一機多用。
圖4是本發明中一變流裝置8的構造示意圖；請參考圖4，所述變流裝置8，可以包括變壓器82和脈衝寬度調製pwm變流器85；
所述變壓器82，用於進行所述交流電網6與pwm變流器85交流側之間的電壓變換；
所述pwm變流器85，用於：
接收所述第一控制信號或第二控制信號；
根據所述第一控制信號，進入整流工作狀態；
根據所述第二控制信號，進入逆變工作狀態；
根據所述融冰電流值，調整輸出的電能，以使得所述待融冰區段10的電流達到所述融冰電流值。
其中一種實施方式中，所述pwm變流器85包括控制電路與若干功率開關器件；
所述控制電路，用於根據所述融冰電流值，產生驅動脈衝；
所述若干功率開關器件，用於響應所述驅動脈衝，執行導通或關斷動作，從而調整輸出電能的大小和/或方向。領域中的pwm變流器85通常均包括功率開關器件，通過功率開關器件的通斷可以實現輸出電能的調整。
變流裝置8可以採用四象限變流裝置，具體可以採用三相pwm變流器，其基於脈衝寬度調製技術，採用基於同步旋轉坐標系的電流閉環控制，可實現四象限運行，分別運行在整流、逆變及無功補償等工況。
pwm變流器85中的功率開關器件可以採用全控型功率器件，如igbt。在未收到第一控制信號和第二控制信號時，四象限變流裝置處於退出狀態，所有開關和斷路器均處於分斷狀態，igbt驅動脈衝處於封鎖狀態。收到第一控制信號或第二控制信號後，四象限變流裝置投入運行，所有開關和斷路器閉合，並根據融冰電流給定值大小，採用pwm脈寬調製技術產生驅動脈衝，驅動igbt工作，控制四象限變流裝置傳輸能量的大小和方向。
請參考圖4，其中一種實施方式中，所述變流裝置8還包括第一開關81、低壓斷路器83、預充電迴路84、第二開關86和隔離開關87；所述變壓器82的高壓側通過所述第一開關81連接至所述交流電網6，所述變壓器82的低壓側通過所述低壓斷路器83連接至所述pwm變流器85的交流側，所述pwm變流器85直流側的正極通過所述第二開關86連接至所述直流接觸網7；所述pwm變流器85直流側的負極通過隔離開關87連接至鋼軌4；所述預充電迴路84並聯於所述低壓斷路器83的兩端；所述第一開關81、低壓斷路器83、第二開關86和隔離開關87，均用於響應所述第一控制信號或第二控制信號，執行閉合動作。可以理解為，接收到第一控制信號時，均執行閉合動作，執行第二控制信號時，也均執行閉合動作，而非兩者擇一執行，以上所稱第一控制信號或第二控制信號，旨在表達，同時只能響應一種控制信號。
在具體使用的場景中，城市軌道交通日間運營時，列車5運行頻繁，因此接觸網覆冰的概率很小。夜間車輛停運後，接觸網上沒有電流，氣象條件惡劣時(如：溫度低於0度，空氣相對溼度大於80％，風速大於1米/秒)容易發生覆冰。一旦發生接觸網覆冰災害，融冰控制系統就會做出反應，在清晨第一列車上線運營前將接觸網覆冰融化。在融冰電流不超過額定電流的情況下，融冰電流越大，所需融冰時間越短，效率越高。
此外，本實施例所示的方法，對應地可用於實施圖2所示裝置實施例的技術方案，其實現原理、技術效果以及術語的含義類似，此處不再贅述。
本領域普通技術人員可以理解：實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬體來完成。前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：rom、ram、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
最後應說明的是：以上各實施例僅用於說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。