CN111092369A - 安全型开关柜 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前定子开关柜安全性不够、冗余程度不高的缺点，提出一种安全型开关柜，安全型开关柜电连接至供电设备和用电设备，并且可通信地连接至开合控制器；安全型开关柜通过多条不同的通信链路从开合控制器接收开合信息，并且根据开合信息，选择性地切换至通状态或断状态。即使安全型开关柜与开合控制器之间的多条通信链路中的一路通信链路故障，也可以实现可靠性控制。

Description

安全型开关柜

技术领域

本发明涉及开关及控制设备，特别地涉及一种用于轨道交通的安全型开关柜。

背景技术

开关柜是一种用于传统轨道交通的电气设备，主要作用是在牵引变电所牵引供电系统中进行输电、配电的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜内的部件主要由真空接触器、隔离开关、操作机构和各种保护装置构成。

在传统轨道交通牵引供电系统中，在供电线路检修、故障保护的条件下会使用开关柜的开合功能，使用频次不是很高，相应地在运营效率、安全方面，对开关柜的要求也不高。而磁浮交通牵引供电系统中，需通过开关柜给对应的长定子直线电机定子段提供牵引电源，称之为定子开关柜(又称定子开关站、轨旁开关柜)。定子开关柜是将一个牵引区域(两个牵引变电所间)划分为若干个供电区(定子段)，使一个牵引区域等效为一组较短的定子段，因此牵引控制系统驱动的是一个较小的电动机，以减少线路损耗。牵引控制系统根据磁浮车辆运行速度、运营间隔等等条件，开通或关断特定定子开关柜中的真空接触器，用以给长定子直线电机定子段通电、断电，提供车辆运行必要的动力，定子开关柜故障，无论是与上层牵引控制系统的通信协议解析错误，或是定子开关柜内部开关的动作错误，则直接影响运营效率、旅客舒适度等，严重的可能致使车辆无法到达运控既定的辅助停车区而发生安全事故。

目前，无论传统轨道交通牵引供电系统使用的开关柜，还是采用长定子直线电机的磁浮交通(上海示范线、德国TRANSRAPID试验线)牵引供电系统使用的定子开关柜，均使用PLC作为其控制设备。PLC控制器是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作控制器，具有逻辑运算、顺序运算、计时、计数等功能，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制开关有序动作。

如图1所示，轨道交通牵引控制系统通过串行Profibus通信方式将开关的开合信息发送给开关柜的PLC控制器，PLC控制器再将此开合信息转化为数字量的开合指令信号，控制真空接触器开合，实现向负载供电。带有微机保护功能的开关柜或定子开关柜通过另外一套PLC实现对开关状态监测、交直流采样单元、绝缘监测、防雷装置监测等功能。

换言之，开关柜内的两个PLC负责的功能不同，实际上用于控制真空接触器开合、实现向负载供电的PLC控制器与轨道交通牵引控制系统仅有一路通信连接，定子开关柜控制系统的冗余度不高，在单个PLC控制器(控制真空接触器开合的PLC控制器)与牵引控制系统之间的通信故障后，长定子直线电机将丧失能力。

发明内容

本发明针对目前定子开关柜安全性不够、冗余程度不高的缺点，提出一种安全型开关柜。

一种安全型开关柜，安全型开关柜电连接至供电设备和用电设备，并且可通信地连接至开合控制器；安全型开关柜通过多条不同的通信链路从开合控制器接收开合信息，并且根据开合信息，选择性地切换至通状态或断状态；其中当安全型开关柜在通状态时，用电设备能够从供电设备接收电能；并且当安全型开关柜在断状态时，用电设备不能够从供电设备接收电能。

优选地，用电设备为磁浮列车的与安全型开关柜对应的牵引电机绕组段，并且开合控制器为磁浮列车的牵引电机控制系统。

优选地，安全型开关柜包括多个一级控制器和一个二级控制器，多个一级控制器分别通过不同的通信链路从开合控制器接收开合信息，并且根据开合信息分别生成相应的多个一级开合指令，二级控制器接收多个一级开合指令，并根据多个一级开合指令生成二级开合指令，并且：安全型开关柜根据二级开合指令选择性地在通状态和断状态之间切换。

优选地，多个一级控制器为两个比较器，以使得两个比较器和二级控制器构成二乘二取二架构，其中：当二级控制器判断到从两个比较器分别接收的两个一级开合指令相同时，二级控制器生成开合指令。

优选地，多个一级控制器为三个控制器，以使得三个控制器和二级控制器构成三取二架构，其中：当二级控制器判断到从三个控制器分别接收的三个一级开合指令中存在两个以上相同的一级开合指令时，二级控制器生成二级开合指令。

优选地，安全型开关柜包括接触器，其中：根据二级开合指令，接触器在闭合状态和打开状态之间切换，以使得安全型开关柜相对应地从在通状态和断状态之间切换；并且接触器向二级控制器发送反馈信号，反馈信号指示接触器的状态。

优选地，反馈信号为脉冲生命信号、计数信号、电流信号形式的联锁自检信号。

优选地，安全型开关柜能够根据反馈信号判断接触器的使用期限，并且在临近接触器的使用期限时发出预警。

优选地，二级控制器通过安全输出电路控制接触器的状态；并且接触器通过安全输入电路向二级控制器发送反馈信号。

优选地，通信链路采用Profibus、RS485、以太网中的一个或多个。

本发明的安全型开关柜采用冗余技术，将开关柜作为可信设备纳入磁浮交通系统范畴，采用冗余技术提高系统的可靠性和安全性。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1示出现有技术中采用两个功能不同的PLC作为控制设备的定子开关柜的示意图。

图2示出本发明的安全型开关柜的示意图。

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

针对目前定子开关柜安全性不够、冗余程度不高、无联锁自检功能等缺点，本发明提供了一种磁浮交通使用的安全控制定子开关柜。

图2示出本发明的安全型开关柜的一个实施例的示意图，其中安全型开关柜1电连接至供电设备和牵引电机定子段2，供电设备例如是通过馈电电缆连接到定子开关柜的牵引变电所，牵引变电所通过轨旁的主变电所接收公共电网的电能；并且安全型开关柜1通过网关设备4可通信地连接至牵引电机控制系统3。

牵引电机定子段2为本发明用电设备的示例，根据具体使用环境的不同，本发明的安全型开关柜也可以连接至其它用电设备。此处，当安全型开关柜1在通状态时，牵引电机定子段2能够从供电设备接收电能而产生磁场，以与磁浮列车车上的牵引次级相互作用，产生推动磁浮列车行进的牵引力；并且当安全型开关柜1在断状态时，牵引电机定子段2不能够从供电设备接收电能。

牵引电机控制系统3是牵引控制系统的一部分(未示出)，用于实现较高层次的闭环/开环控制和管理功能，包括磁浮列车导引控制、推力控制、定子段换流控制、工作模式选择等。具体地，牵引电机控制系统3能够根据车辆速度、位置等信息实时计算磁浮列车在当前对应的定子段的绝对位置，并且根据速度、位置信息，控制当前对应的定子段和下一定子段的供电通断时间，实现不同的换步要求。本发明中，牵引电机控制系统3作为本发明中开合控制器的示例实现开合控制器的功能，也可以设置单独的开合控制器。

如图2所示，安全型开关柜1包括开关柜控制系统10和真空接触器11，通过使得真空接触器11从闭合状态切换至打开状态，安全型开关柜相对应地从通状态切换至断状态或相反。

开关柜控制系统10的功能包括但不限于对定子开关柜的接触器进行控制、对定子开关柜的外围设备进行控制(风扇、加热器等)、对定子开关柜内设备进行诊断和监控、对连接到定子开关站的馈电电缆和牵引电机定子段绕组的接地故障进行检测，并断开受故障影响的部分，以防止故障扩大。

在图2所示的实施例中，开关柜控制系统10经由网关设备4采用安全协议与牵引电机控制系统进行3通信，以网关设备4通过两条不同的通信链路R1、R2连接至牵引电机控制系统的网关设备，以使得开关柜控制系统10通过两条不同的通信链路R1、R2从牵引电机控制系统3接收开合信息，并且根据所述开合信息，选择性地切换至通状态或断状态。

因此，即使开关柜控制系统10与牵引电机控制系统3之间的两条通信链路R1、R2中的一路通信链路故障，也可以实现可靠性控制。

进一步，开关柜控制系统10内部还可以设有多数量、多级别的控制器，以实现控制器层面的冗余。具体地，在图2所示的实施例中，开关柜控制系统10可以包括两个一级控制器，即一级控制器A、一级控制器B，和一个二级控制器，即二级控制器C。一级控制器A和一级控制器B分别连接至网关设备4，以使得一级控制器A和一级控制器B分别通过不同的通信链路从牵引电机控制系统3接收开合信息。

一级控制器A、一级控制器B根据其所收到的开合信息分别生成相应的多个一级开合指令，二级控制器C接收分别接收一级控制器A和一级控制器B发送的两个一级开合指令，并根据两个一级开合指令生成二级开合指令，以根据二级开合指令控制真空接触器11的开合，以使得安全型开关柜1根据二级开合指令选择性地在通状态和断状态之间切换。

此处，一级控制器的数量不限于两个，也可以具有更多数量的控制器，例如在本发明又一实施例中，可以具有三个一级控制器，以使得三个一级控制器和一个二级控制器C构成三取二架构，其中当二级控制器C判断到从三个一级控制器分别接收的三个一级开合指令中存在两个以上相同的一级开合指令时，二级控制器C生成二级开合指令。

因此，当冗余设置的多个一级控制器中的一个一级控制器与网关设备4之间通信链路发生故障、或者冗余设置的多个一级控制器中的一个控制器本身发生故障，也可以实现可靠性控制。

更进一步，在基于本发明的第一实施例的另一实施例中，两个一级控制器A和一级控制器B可以为两个比较器，以使得两个比较器和二级控制器C构成二乘二取二架构。作为比较器的一级控制器A通过两路通信链路RA1、RA2连接至网关设备4，另一作为比较器的一级控制器B通过两路通信链路RB1、RB2连接至网关设备4，每个比较器分别比较其通过两路不同的通信链路从网关设备4接收的开合信号的异同，并生成一致性信息作为一级开合指令；当二级控制器C判断到从两个比较器分别接收的两个一级开合指令相同时，即二级控制器C判断到从两个比较器接收到相同的一致性信息时，二级控制器C生成二级开合指令。

因此，任何一路通信链路故障、比较器A和B任何一个故障，均可实现可靠性控制。

在上述实施例中，优选地，当真空接触器11的状态发生改变时，真空接触器向二级控制器C发送反馈信号，反馈信号指示真空接触器11的状态，反馈信号为脉冲生命信号、计数信号、电流信号形式的联锁自检信号。

具体地，安全型开关柜1还包括安全输入电路13和安全输出电路12，二级控制器C通过安全输出电路12控制真空接触器11的开合。真空接触器11在正常工作时，通过完全闭锁的辅助触点接通内部电源，通过安全输入电路13反馈给二级控制器C，用于判断开合的准确性和真空接触器的状态。

综上，采用具有闭锁功能的真空接触器11，采用其辅助触点形成二次电路，实现开合状态的自检，保证通过接触器辅助触点的状态符合需要的逻辑要求。

为了保证磁浮系统的可靠性，同时对真空接触器11的闭合状态进行计算并计数，在接近生命周期时可提醒运营机构进行维护。换言之，安全型开关柜1能够根据反馈信号判断真空接触器11的使用期限并发送至运行控制相关系统5，并且在临近真空接触器11的使用期限时发出预警。

优选地，二级控制器C通过安全重力型继电器连接至真空接触器11。

优选地，以上各处的每一通信链路均可采用Profibus、RS485、以太网中的一个或多个。

下面将与现有技术相比，示出本发明的优点。

在磁浮列车的定子开关柜中使用现有技术中以PLC作为控制设备，存在以下缺陷：

1)对于安全性要求不高的系统而言，PLC可以实现系统功能。但是，对于磁浮交通而言，牵引、运控、车辆各子系统之间存在强耦合关系，定子开关柜的控制器在通信、计算、逻辑控制等方面的错误，会造成定子开关柜中的真空接触器错误闭合或断开的情况，导致本段长定子直线电机不能发挥应有的功能，而使正常行驶的车辆丧失动力或者施加不该有的动力，影响运输效率和行驶安全。

2)定子开关柜采用的真空接触器不具备连锁的自检功能，所以，PLC无法准确确定真空接触器的开合转换状态；

3)定子开关柜控制系统的冗余度不高，在单个控制系统故障后，长定子直线电机丧失能力。

相对应地，本发明的安全型开关柜能够具有如下优点：

1)安全型开关柜软、硬件设计遵循“故障-安全”原则，引用“故障-安全”理念，实现磁浮列车运输过程中的可靠性、旅客舒适性、安全性问题；

2)安全型开关柜的控制器采用硬件冗余、软件冗余、通信冗余等冗余技术，保证开关柜的可靠性和安全性；

3)由于采用了具备自锁功能的真空接触器和安全电路，运用容错设计、动态重构、故障屏蔽等技术，能够实现安全柜内设备的故障检测与诊断。

此外，本发明还可用于传统铁路、电力系统、石油化工等领域的高风险供电控制系统中，虽然不叫定子开关柜，但是其采用的开关柜也可采用本发明的方式来实现，以提高其系统安全性和可靠性。

这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种安全型开关柜，所述安全型开关柜电连接至供电设备和用电设备，并且可通信地连接至开合控制器；其特征在于：

所述安全型开关柜通过多条不同的通信链路从开合控制器接收开合信息，并且根据所述开合信息，选择性地切换至通状态或断状态；其中

当所述安全型开关柜在所述通状态时，所述用电设备能够从所述供电设备接收电能；并且

当所述安全型开关柜在所述断状态时，所述用电设备不能够从所述供电设备接收电能。

2.根据权利要求1所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述用电设备为磁浮列车的与所述安全型开关柜对应的牵引电机绕组段，并且所述开合控制器为所述磁浮列车的牵引电机控制系统。

3.根据权利要求1所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述安全型开关柜包括多个一级控制器和一个二级控制器，

所述多个一级控制器分别通过不同的通信链路从所述开合控制器接收所述开合信息，并且根据所述开合信息分别生成相应的多个一级开合指令，

所述二级控制器接收所述多个一级开合指令，并根据所述多个一级开合指令生成二级开合指令，并且：

所述安全型开关柜根据所述二级开合指令选择性地在所述通状态和所述断状态之间切换。

4.根据权利要求3所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述多个一级控制器为两个比较器，以使得所述两个比较器和所述二级控制器构成二乘二取二架构，其中：

当所述二级控制器判断到从所述两个比较器分别接收的两个一级开合指令相同时，所述二级控制器生成所述开合指令。

5.根据权利要求3所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述多个一级控制器为三个控制器，以使得所述三个控制器和所述二级控制器构成三取二架构，其中：

当所述二级控制器判断到从所述三个控制器分别接收的三个一级开合指令中存在两个以上相同的一级开合指令时，所述二级控制器生成所述开合指令。

6.根据权利要求3所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述安全型开关柜包括接触器，其中：

根据所述二级开合指令，所述接触器在闭合状态和打开状态之间切换，以使得所述安全型开关柜相对应地在所述通状态和所述断状态之间切换；并且

所述接触器向所述二级控制器发送用于指示所述接触器的状态的反馈信号。

7.根据权利要求6所述的安全型开关柜，其特征在于：

反馈信号为脉冲生命信号、计数信号、电流信号形式的联锁自检信号。

8.根据权利要求6所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述安全型开关柜能够根据所述反馈信号判断所述接触器的使用期限，并且在临近所述接触器的使用期限时发出预警。

9.根据权利要求6所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述二级控制器通过安全输出电路控制所述接触器的状态；并且

所述接触器通过安全输入电路向所述二级控制器发送反馈信号。

10.根据权利要求1所述的安全型开关柜，其特征在于：

所述通信链路采用Profibus、RS485、以太网中的一个或多个。

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