一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置及其方法
2023-05-31 08:37:26
專利名稱：一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及長度的計測領域，更具體地涉及鐵路調車線空餘長度的計測裝置。
目前有關駝峰場測長有3種制式音頻測長、電腦測長、50Hz測長，其中音頻測長和50Hz測長屬於電壓—長度制式，電腦測長屬於頻率—電壓制式，目前在我國應用數量的次序(由多到少)為工頻測長、音頻測長及電腦測長。這3種測長各有千秋，在電氣化區段均無成功應用先例。
隨著電氣化鐵路營運裡程的迅速增加，傳統的駝峰場及其周邊環境發生了較大變化—電氣化區段與駝峰場接近距離不斷縮小，在一些帶編發線的駝峰場電氣化接觸網就在駝峰場股道中的頭部及尾部，甚至電氣化接觸網就在測長軌道電路的發送接受端，嚴重幹擾了駝峰測長的正常工作。而以上3種測長無論是在理論上和實踐上均沒有解決電氣化50Hz及其倍頻分量幹擾的根本措施。例如在發明名稱為「鐵路線路空閒50Hz頻率測長器」(授權公告號CN1028356C)中，採用了50Hz的頻率，在採取100m隔離帶及加絕緣的情況下音頻測長仍然難以抵抗大電流對接受端的燒損。工頻測長由於頻率與牽引頻率相同，雖然採取了提高信號量(軌道電路電流較大)的方法，只能抵抗駝峰場外包線電氣化對測長的影響。電腦測長的頻率變化範圍也難以避開50Hz及其倍頻分量的幹擾。為從根本上解決電氣化幹擾的問題。
本發明提出的一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置是通過如下技術方案實現的，所述的一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置，該裝置包括25Hz高頻開關電源，用於將50Hz交流電源經變頻處理為25Hz電源，並通過送電電纜與25Hz隔離變壓器連接；25Hz隔離變壓器，一端與送電電纜連接，另一端與25Hz電抗器連接，用於將25Hz高頻開關電源與各測長軌道電路進行隔離，調整所聯軌道道路送電電壓；25Hz電抗器，一端與25Hz隔離變壓器連接，另一端與電壓微調整器連接，用於均衡電流，使測長軌道道路空、滿線時的電流變化控制在10％範圍內，電流基本穩定；電壓微調整器，該電壓微調整器一端與25Hz電抗器連接，另一端與軌道連接，用於通過調整軌道電阻來微調軌道道路送電電壓；防雷分線盤裝置，該防雷分線盤裝置通過受電電纜與軌道連接，用於接收來自軌道的軌道測長信號並阻止雷電信號的進入；25Hz濾波器，該25Hz濾波器的一端與防雷分線盤裝置連接，另一端與採樣處理裝置連接，用於過濾出25Hz的軌道測長信號；採樣處理裝置，具有多個輸入埠分別與不同軌道的25Hz濾波器連接，另一端與交流隔離放大電路連接，用於抑制幹擾及電壓衝擊；交流隔離放大電路，一端與交流隔離放大電路連接，另一端與連接，用於隔離並放大來自採樣處理裝置的軌道空閒信號；M路模擬開關，一端與交流隔離放大電路連接，另一端與25Hz有效值轉換器連接，用於選擇M路不同軌道的信號；有效值轉換器，一端與M路模擬開關連接，另一端與模/數轉換電路連接，用於提取25Hz有效信號成分；模/數轉換電路，一端與有效值轉換器連接，另一端與微處理機連接，用於將模擬信號轉換為能為微處理機接受的數位訊號；微處理機，用於根據接收到的數位訊號，按預先設定的數學模型運行程序，計算出相應長度值並根據計算出的調整係數K進行調整。
所述的25Hz高頻開關電源包括變頻交流穩壓電源，它採用現代高頻電力電子技術、有源功率因數校正技術(PFC-ZVT)和正弦波脈寬調製技術(SPWM)將50Hz交流電源變換成直流電，經高頻隔離再逆變成25Hz交流電源。
所述的25Hz濾波器的截止頻率為30Hz，基波頻率信號放大倍數為1，採用安全型繼電器插座安裝形式，可實現帶電插拔，每一股道設置一臺濾波器，使彼此相互獨立，若濾波器發生故障可減少影響範圍。
所述的M路為16路。
所述的數學模型運行程序是具體實施例中的高次方程曲線逼近方式。
所述的調整係數是K＝L/LC，其中L是實際股道空線待測長度，LC是實際股道空線測量長度。
本發明的抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置的整個計算過程都是由計算機控制的，一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置工作方法，包括步驟將50Hz電源經變頻為25Hz電源作為該測長裝置的信號源；將25Hz電源作為該測長裝置的信號源通過電纜分別送到室外各測長股道；各測長股道的25Hz隔離變壓器調整適當的空線電壓；經25Hz電抗器均衡電流；電壓微調整器微調送電電壓後送至相應的測長軌道道路；每一個測長軌道道路測量區末端用鋼絲繩連接；測長信號由電纜分別連接回送室內作防雷、濾波、抗幹擾處理後；經模擬開關、模/數轉換後按照預先設定的數學模型作空閒長度模型運算、走行速度計算、停長的判定、空線自動調整及其他計算機處理並將結果送到顯示器或作為自動控制的基礎數據。
本發明採用25Hz做為測長工作頻率不僅避免了與電氣化牽引電流同頻，也避開了50Hz的倍頻幹擾，迴路電流達4A，空、滿線時的電流變化控制在10％，電流基本恆定。軌道電路信號電壓在空線時達到1.5V左右，由於採樣信號幅度足夠大，提高信噪比，具有可靠的抗電氣化幹擾性質。從根本上提高電路工作的可靠性和穩定性。室內外電路之間採用25Hz濾波器及微處理器採用數字濾波，更好的避免了電氣化牽引電流的幹擾。25Hz測長器適用於電氣化鐵路和非電氣化鐵路的駝峰調車線，特別是適用於電氣化鐵路的駝峰調車線。發送電路可以採用與普通交流軌道電路發送端相似的結構，元件少，維修調試簡單。
25Hz隔離變壓器3，一端與送電電纜2連接，另一端與25Hz電抗器4連接，用於將25Hz高頻開關電源1與各測長軌道電路進行隔離，調整所聯軌道道路送電電壓；25Hz電抗器4，一端與25Hz隔離變壓器3連接，另一端與電壓微調整器5連接，用於均衡電流，使測長軌道道路空、滿線時的電流變化控制在10％範圍內，電流基本穩定；電壓微調整器5，該電壓微調整器5一端與25Hz電抗器4連接，另一端與軌道6連接，用於通過調整軌道電阻來微調軌道道路送電電壓；防雷分線盤裝置10，該防雷分線盤裝置10通過受電電纜與軌道6連接，用於接收來自軌道6的軌道測長信號並阻止雷電信號的進入；25Hz濾波器11，該25Hz濾波器11的一端與防雷分線盤裝置連接，另一端與採樣處理裝置12連接，用於過濾出25Hz的軌道測長信號；採樣處理裝置12，具有多個輸入埠分別與不同軌道的25Hz濾波器11連接，另一端與交流隔離放大電路13連接，用於抑制幹擾及電壓衝擊；交流隔離放大電路13，一端與交流隔離放大電路13連接，另一端與連接，用於隔離並放大來自採樣處理裝置12的軌道空閒信號；16路模擬開關14，一端與交流隔離放大電路13連接，另一端與25Hz有效值轉換器15連接，用於選擇16路不同軌道的信號；有效值轉換器15，一端與16路模擬開關14連接，另一端與模/數轉換電路16連接，用於提取25Hz有效信號成分；模/數轉換電路16，一端與有效值轉換器15連接，另一端與微處理機17連接，用於將模擬信號轉換為能為微處理機接受的數位訊號；微處理機17，用於根據接收到的數位訊號，按預先設定的數學模型運行程序，計算出相應長度值。
所述的M路為16路。
所述的數學模型運行程序是具體實施例中的高次方程曲線逼近方式。
所述的調整係數K＝L/LC其中L是實際已知股道空線長度，LC是股道空線實際測量長度。本發明的抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置的整個計算過程都是由計算機控制的，一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置工作方法，包括步驟將50Hz電源經變頻為25Hz電源作為該測長裝置的信號源；將25Hz電源作為該測長裝置的信號源通過電纜分別送到室外各測長股道；各測長股道的25Hz隔離變壓器調整適當的空線電壓；經25Hz電抗器均衡電流；
電壓微調整器微調送電電壓後送至相應的測長軌道道路；每一個測長軌道道路測量區末端用鋼絲繩8連接；測長信號由電纜分別連接回送室內作防雷、濾波、抗幹擾處理後；經模擬開關、模/數轉換後按照預先設定的數學模型作空閒長度模型運算、走行速度計算、停長的判定、空線自動調整及其他計算機處理並將結果送到顯示器或作為自動控制的基礎數據。
其中所述是數學模型運行程序是這樣設計的，由於軌道電路的短路輸入阻抗與股道的空線長度之間是一種非線性的函數關係，以往的測長系統一般採用特定條件下的線性模擬計算或採取折線逼近的方法，由於受特定條件的制約，以及折線段的有限性，會使計算的結果與實際有較大的差距。駝峰25Hz微機測長採用了高次方程曲線逼近的計算方法。任意一條非周期性曲線都可以用高次方程式來逼近它，冪取值愈高，方程所描述的曲線便愈接近實際的曲線。運用這種方法，無論軌道電路呈現怎樣的非線性特徵，我們都可以建立起它的數學模型。測長計算由計算機按照下面兩個關係公式進行運算模/數轉換值-電壓關係式V＝KA+KB(ADC)電壓-長度值關係式L＝Ka+Kb.V+Kc.V2+Kd.V3+Ke.V4式V＝f(ADC)反映的是計算機採樣電壓與接口電路中模/數轉換器轉換值之間的關係式。通過該式的計算，計算機能正確地反映出軌道電路輸入電壓的有效值。由於計算機接口電路是線性的，故式V＝f(ADC)為線性方程。調整時，分別記下被調股道軌道電路處於空線和滿線狀態時的電壓值及與之對應的模/數轉換值(ADC)，代入式V＝f(ADC)，求出係數KA、KB的值。計算機根據每股道各自的電壓計算公式，便可以自動計算出對應ADC值的電壓值。
式L＝f(V)反映的是測長信號電壓與股道空線長度的對應關係。它是一個高次非線性方程式。通過選取適當的係數，可使關係式的曲線十分逼近於軌道電路的傳輸特性，從而得到比較精確的測試結果。
在同一股道上(包括空線、滿線點在內)，有代表性地選取N個採樣點(N≥4)，在每個採樣點處用封線短接軌道電路，記下採樣點的長度值，同時讀取維護終端上顯示出的計算電壓值V，將它們輸入計算機，由計算機用數理統計的方法，求出係數Ka、Kb、Kc、Kd，這樣便確定了式L＝f(V)的各項係數。由式L＝f(V)所表徵的軌道特性曲線會最大限度地逼近於所對應股道上的各採樣點參數。計算機將實時地掃描軌道電路輸入電壓，代入式L＝f(V)即可得出股道的空線長度。實踐證明，當採用三次方程時，其計算引起的系統誤差σ＜2米。
由於道床漏洩會隨著地表溼度發生變化，表現出測長會在天氣下雨後誤差變大，另外軌道電路送電也可能會在一段時間後發生參數變化，為此該系統實現了自動微調，消除該誤差。測長自動調整的原理如圖所示，其方法首先是判斷和識別車列7的牽出過程，確認股道空線，由於股道的實際空線長度是已知的，此時將測量空線長度與實際空線長度進行比較，計算出調整係數，此後的測量長度將按該係數進行調整。
調整條件A停長由大向小變化B此前發生3次以上停長由小向大跳變，(n＞15)。
C只在有效範圍方可調整，即La＞Lc＞Lb。
調整過程A求調整係數KK＝L/LC其中L是實際已知股道空線長度，LC是股道空線實際測量長度。
B調整後，其調整測長值與走長值的關係是Lt＝K×L，直至下一次牽出被判別出，得到新的調整係數K。根據軌道電路傳輸理論，可列出它的傳輸方程式Us＝Uzchγx+IzZbshγxIs＝Uz/Zbshγx+Izchγx當終端短路時Uz＝0，則有Us＝IzZbshγxIs＝Izchγx短路輸入阻抗為Z短＝Us/Is＝Zthγx25 其中Z=(R+jwL)/(G+jwC)]]>稱為鋼軌特性阻抗。=(R+jwL)(G+jwC)]]>稱為軌道電路傳播係數。其中γL是軌道電路長度為L(km)時的傳輸係數。
當時γL較小時，便有thγL≈γL，則Z短＝ZγL＝ZL＝(R+jωL)·L其中Z＝R+jωL，在頻率一定時，它是一個常數。故有Z短＝KL在這種情況下，軌道電路的短路阻抗與股道空線長度近似成線性關係，為使γL值較小，只能使測量區段短或信號頻率低。但是，測量區段短勢必造成電纜多，設備多，投資增加。可行的措施便是降低測長軌道電路信號電壓的頻率，減少γ值，降低了頻率，使得道床電阻的變化對軌道電路遠端的影響減小，對氣候變化的適應能力增強了。增加了軌道電路的線性度，我們選擇的25Hz便是基於這一原理。同時，選擇25Hz避開電氣化牽引電流50Hz及其倍頻等幹擾頻率，使抗電化幹擾駝峰25Hz測長器具有普遍適用性。
根據上述的描述，本領域的技術人員可以對本發明的裝置結構的具體構成進行修改，或者對本發明的測長裝置工作方法的各個步驟進行合併或分解，這些具體的變化都應當在本發明權利要求書限定的範圍之內。
權利要求
1.一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置，其特徵在於該裝置包括25Hz高頻開關電源(1)，用於將50Hz交流電源經變頻處理為25Hz電源，並通過送電電纜(2)與25Hz隔離變壓器(3)連接；25Hz隔離變壓器(3)，一端與送電電纜(2)連接，另一端與25Hz電抗器(4)連接，用於將25Hz高頻開關電源(1)與各測長軌道電路進行隔離，調整所聯軌道道路送電電壓；25Hz電抗器(4)，一端與25Hz隔離變壓器(3)連接，另一端與電壓微調整器(5)連接，用於均衡電流，使測長軌道電路在空、滿線時的電流變化控制在10％範圍內，電流基本穩定；電壓微調整器(5)，該電壓微調整器(5)一端與25Hz電抗器(4)連接，另一端與軌道(6)連接，用於通過調整該裝置來微調軌道道路送電電壓；防雷分線盤裝置(10)，該防雷分線盤裝置(10)通過受電電纜(9)與軌道(6)連接，用於接收來自軌道的軌道測長信號並阻止雷電信號的進入；25Hz濾波器(11)，該25Hz濾波器(11)的一端與防雷分線盤裝置(10)連接，另一端與採樣處理裝置(12)連接，用於過濾出25Hz的軌道測長信號；採樣處理裝置(12)，具有多個輸入埠分別與不同軌道的25Hz濾波器(11)連接，另一端與交流隔離放大電路(13)連接，用於抑制幹擾及電壓衝擊；交流隔離放大電路(13)，一端與採樣處理裝置(12)連接，另一端與M路模擬開關(14)連接，用於隔離並放大來自採樣處理裝置(12)的軌道空閒信號；M路模擬開關(14)，一端與交流隔離放大電路(13)連接，另一端與25Hz有效值轉換器(15)連接，用於選擇M路不同軌道的信號；有效值轉換器(15)，一端與M路模擬開關(14)連接，另一端與模/數轉換電路(16)連接，用於提取25Hz有效信號成分；模/數轉換電路(16)，一端與有效值轉換器(15)連接，另一端與微處理機(17)連接，用於將模擬信號轉換為能為微處理機接受的數位訊號；微處理機(17)，用於根據接收到的數位訊號，按預先設定的數學模型運行程序，計算出相應長度值並根據計算出的調整係數K進行調整。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的25Hz高頻開關電源(1)包括變頻交流穩壓電源，它採用現代高頻電力電子技術、有源功率因數校正技術(PFC-ZVT)和正弦波脈寬調製技術(SPWM)將50Hz交流電源變換成直流電，經高頻隔離再逆變成25Hz交流電源。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於所述的25Hz濾波器(11)的截止頻率為30Hz，基波頻率信號放大倍數為1，採用安全型繼電器插座安裝形式，可實現帶電插拔，每一股道設置一臺濾波器，使彼此相互獨立，若濾波器發生故障可減少影響範圍。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於所述的M路為16路。
5.根據權利要求1或4所述的裝置，其特徵在於所述的數學模型運行程序是高次方程曲線逼近方式。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於所述的調整係數K＝L/LC，其中L是實際已知股道空線長度，LC是股道空線實際測量長度。
7.一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置工作方法，其特徵在於所述的工作方法包括步驟將50Hz電源經變頻為25Hz電源作為該測長裝置的信號源；將25Hz電源作為該測長裝置的信號源通過電纜分別送到室外各測長股道；各測長股道的25Hz隔離變壓器調整適當的空線電壓；經25Hz電抗器均衡電流；電壓微調整器微調送電電壓後送至相應的測長軌道道路；每一個測長軌道道路測量區末端用鋼絲繩連接；測長信號由電纜分別連接回送到室內作防雷、濾波、抗幹擾處理；經模擬開關、模/數轉換後按照預先設定的數學模型作空閒長度模型運算、走行速度計算、停長的判定、空線自動調整及其他計算機處理並將結果送到顯示器或作為自動控制的基礎數據。
全文摘要
本發明公開了一種抗電化幹擾駝峰25Hz測長裝置及其工作方法,該裝置包括:25Hz高頻開關電源、25Hz隔離變壓器、電壓微調整器、防雷分線盤裝置、25Hz濾波器、採樣處理裝置、模/數轉換和微處理機等,其工作方法包括步驟:產生25Hz的信號源,測長信號回送室內作防雷、濾波、抗幹擾處理後,經模擬開關、模/數轉換後按照預先設定的數學模型作計算機處理等。本發明採用25Hz做為測長頻率不僅避免了與電氣化牽引電流同頻,也避開了50Hz的倍頻幹擾,25Hz測長裝置適用於電氣化鐵路和非電氣化鐵路的駝峰調車線,特別是適用於電氣化鐵路的駝峰調車線。發送電路可以採用與普通交流軌道電路發送端相似的結構,元件少,維修調試簡單。
文檔編號B61J3/00GK1380214SQ0211752
公開日2002年11月20日 申請日期2002年4月29日 優先權日2002年4月29日
發明者丁昆, 熊建明, 佟紹平, 韓秋月 申請人:北京全路通信信號研究設計院