CN113991890B - 一种轨道交通非接触式供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道交通非接触式供电方法，包括以下步骤：步骤1、测量距发送装置的距离值；步骤2、根据测距结果调整发送参数；步骤3、接收装置接收高频交变磁场信号，变换为直流电供给列车。本发明能够同时检测出是否出现发送设备和接收设备间距变化、发送装置和接收装置是否未对准、发送装置中是否出现异物，并针对性的调整发送参数，并采取不同情况的针对性措施，保证车辆的稳定运行。

Description

一种轨道交通非接触式供电方法

技术领域

本发明涉及轨道交通供电技术领域，尤其涉及一种轨道交通非接触式供电方法。

背景技术

随着城市化进程的进一步加快，我国城市道路交通状态逐步趋近饱和，交通拥堵的状况在城市中频频发生且具有愈演愈烈的趋势。同时，空气污染严重，能源供应紧张，使得低碳经济的呼声不断高涨，在此背景下，城市轨道交通产业拥有了巨大的发展前景和发展机遇。城市轨道交通作为一种绿色的出行方式，具有安全、准点、速度快、运量大、保护环境、节约能源和用地等特点，主要包括地铁、轻轨、有轨电车等。

然而，城轨车辆的供电方式并不完美，现有的供电方式主要包括:

(1)架空接触网供电

架空接触网牵引供电系统技术成熟、运行经验丰富，国铁及地铁通常采用该技术。但架空接触网容易出现断线、刮弓、雷击断电等不可靠现象，对正常运营造成潜在危害，且其搭建时除了要满足安装净空要求，还对沿线边界条件有一定限制，严重影响城市景观。

(2)地面接触供电

采用地面接触供电方式的有阿尔斯通APS系统、安萨尔多TRAMWAVE系统，该方式类似于地铁中使用的第三轨技术，消除了“视觉污染”的同时，具有与接触网供电方式同等的能量输出技术指标。但该方式初期造价和维护成本很高，且技术垄断，与公司车辆绑定。

(3)车载储能装置供电

车载储能是电动汽车领域在城市轨道交通车辆上的延展，全线除充电设备外，不需要敷设地面设备。但其也存在缺点，车载储能设备体积大、质量大，对运行距离、载客数量等都有一定限制。

然而在上述的轨道交通传统供电领域，传统接触式供电方式产生的问题日益突出：架空接触网因易出现断线、刮弓、雷击断电等不可靠现象，对正常运营构成潜在危害，易造成通信干扰，严重影响城市景观问题；接触轨因存在意外触摸触电、区间维修以及乘客疏散困难等安全隐患，工程实践中受到极大限制，且由于集电靴在高速之下难以准确地抓紧带电轨，该方案不适用于列车速度高于100km/h运营线路。

相对于接触式的供电方式，实时非接触式供电方式，采用的是无线电能传输技术通过利用电磁场、电磁波在物理空间的分布或传播特性，采用非导线直接接触的方式实现电能由电源侧传递至负载侧的技术。目前无线电能传输方式主要有微波辐射、磁共振耦合、感应耦合和电场耦合4种，其中感应耦合电能传输技术(inductively coupled powertransfer，ICPT)是一种基于电磁场近场松耦合感应原理，综合利用电力电子变换技术、磁场耦合技术以及控制理论，实现用电设备以非导线接触方式从电网获取能量的技术，具有近距离、大功率、非接触、供电灵活、安全可靠、维护成本低的特点，可以非接触供电方式为列车提供实时牵引电能。基于ICPT的非接触式牵引供电技术由于避免了供电电源与列车的直接接触，可有效解决接触式供电方式存在的弊端，并有利于解决供电设备的冗余性和安全性问题，不但美观而且使用方便、安全；有轨电车与牵引供电网络之间没有直接的电气连接，消除了机械舞动及接触火花等危险；不会带来积尘和机械磨损，减少了相应的维护问题；同时还可适应如下雪和大风等恶劣天气环境。因此，非接触移动供电技术有望成为未来轨道交通牵引供电方式的重要发展方向，得到了极大的发展。

现有技术中比较成熟的轨道车非接触供电系统分为地面的发送装置和车载的接收装置两部分。发送装置主要是将供电母线传输的电能通过电能变换装置转换为高频交流电，并输入发送线圈，激发高频交变磁场。车载接收装置的线圈在发送装置激发的高频交变磁场中感应出高频交流电压，经过接收装置后续的谐振补偿和整流变换，将高频交流电变换为直流电供给用电负载。在轨道车非接触式供电系统中，需将轨道车的整个运行线路，分为若干供电区间，每个供电区间由一个发送装置进行供电发送。一个发送装置的发送线圈需要覆盖的范围一般有数公里长，若采用单一线圈形式，易造成线圈长度过长，自感过大，系统品质因数Q过高的问题；而且线圈的电能损耗和电磁辐射范围也随线圈长度增加而增大，降低非接触供电效率和电磁兼容性能。为解决上述问题，通常会在每个供电区间的发送装置中采用一个电能变换装置为多个发送线圈进行分时、分段供电，简称分段式非接触供电。

在这种分段式非接触供电中，发送装置和接受装置的距离是固定的，属于短距离传输，例如48cm或51cm等，但是在长时间使用之后，例如路面沉降，列车震动，设备变形等因素，会使得该距离产生变化，或者出现偏移，或者出现倾斜，甚至在发送设备上出现异物。这些变化不但影响电能传输的效率，而且会影响到供电系统的稳定运行，因此需要使该距离保持稳定，并在该距离出现改变的时候及时进行维护。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种轨道交通非接触式供电方法。包括以下步骤：

步骤1、测量距发送装置的距离值；

步骤2、根据测距结果调整发送参数；

步骤3、接收装置接收高频交变磁场信号，变换为直流电供给列车。

优选的，步骤1中，在列车头部的下端固定安装有两个激光位移传感器，在每一个发送装置的顶端开设有V形状槽，两个激光位移传感器对称设置，V形状槽对称设置，两个激光位移传感器分别测得距离值D1和D2。

优选的，步骤2中，设置有对准度阈值T对准、传输距离上限阈值H传输距离上限、传输距离下限阈值H传输距离下限，H传输距离上限＞H传输距离下限，根据不同的测距情况进行具体的故障判断。

优选的，步骤2中，D均值＝(D1+D2)/2，如果|D1-D2|≤T对准并且H传输距离下限≤D均值≤H传输距离上限，则判定发送和接收装置的距离符合要求；

如果|D1-D2|≤T对准并且D均值＞H传输距离上限，则判定发送和接收装置的距离出现了明显变大，增加发送功率；

如果|D1-D2|≤T对准并且D均值＜H传输距离下限，则判定发送和接收装置的距离出现了明显变小，减小发送功率；

如果|D1-D2|＞T对准并且H传输距离下限≤D1≤H传输距离上限，并且D2＜H传输距离下限，则判定在发送装置右侧出现异物；

如果|D1-D2|＞T对准并且H传输距离下限≤D2≤H传输距离上限，并且D1＜H传输距离下限，则判定在发送装置左侧出现异物；

如果|D1-D2|＞T对准并且D1＞H传输距离上限，并且D2＜H传输距离下限，则判定发送装置出现了向左偏移；

如果|D1-D2|＞T对准并且D2＞H传输距离上限，并且D1＜H传输距离下限，则判定发送装置出现了向右偏移。

优选的，步骤2中，如果当日通过该路段其他车辆的测量结果都符合要求，但本车次对每一个发送装置的测量结果都判定为出现异常，则判定本车次的两个激光位移传感器出现故障。

优选的，步骤2中，如果本日各车次通过某发送装置的测距值按照时间顺序出现持续的增大或减小，则通知维护人员进行维护和调整。

优选的，两个激光位移传感器的前端的正中部安装有高压喷嘴。

本发明的有益效果是：

1、本发明在轨道交通非接触式供电领域首先意识到了发送设备和接收设备间距对能量传输的重要影响，并采取相应的措施对其进行测量，并根据测量结果对能量传输进行调整；

2、本发明能够同时检测出是否出现发送设备和接收设备间距变化、发送装置和接收装置是否未对准、发送装置中是否出现异物，并针对性的调整发送参数，并采取不同情况的针对性措施，保证车辆的稳定运行；

3、本发明能够根据两个激光位移传感器的具体的测距情况，判定是否出现路基沉降，准确定位故障类型和位置；

4、本发明通过在发送装置顶部设置V形槽结构并配合列车头部的两个测距传感器进行不同故障的检测和判断不要复杂的结构或复杂的计算，结构简单，成本低，检测结果可靠，实时性好；

5、本发明采用当日其他车次的测距信息对本次测距信息进行验证，并能够据此判断出是否为测距传感器出现故障或安装高度或角度出现了变化，需要对两个激光位移传感器进行检修和标定，以避免出现故障误判的情况出现；

6、本发明还采用其他车次的测距信息对距离变化趋势进行预测，及时的维护和调整，使其符合设计要求的规定，避免出现安全事故等重大损失；

7、本发明在两个激光位移传感器的前端的正中部安装有高压喷嘴，在列车运行期间，高压喷嘴首先对经过的发送装置进行清洁，克服了灰尘、异物、积水等影响距离测量结果准确性的不利因素保证了测量的准确性；

8、本发明把两个激光位移传感器安装在列车头部，能够有足够时间对测量结果进行处理并对发送参数进行调整。

附图说明

图1表示发送装置未出现偏移的情况示意图；

图2表示发送装置某一侧出现异物的情况示意图；

图3表示发送装置出现偏移的情况示意图；

图4表示轨道交通非接触式供电方法流程图；

图中各附图标记为：1：第一激光位移传感器、2：第二激光位移传感器、3：V形槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

在轨道交通分段式非接触供电中，多个发送装置沿铁轨分段设置，而接受装置设置在列车底部，发送装置和接收装置实现电能的无线传输，其中发送装置和接受装置的距离是固定的，属于短距离传输，但是在长时间使用之后，例如路面沉降，列车震动，设备变形等因素，会使得该距离产生变化，或者出现偏移，或者出现倾斜，甚至在发送设备上出现异物，不但影响电能传输的效率，而且会影响到供电系统的稳定运行。为了解决该技术问题，如图4所示，本实施例提供一种轨道交通非接触式供电方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、测量距发送装置的距离值；

步骤2、根据测距结果调整发送参数；

步骤3、接收装置接收高频交变磁场信号，变换为直流电供给列车。

具体的，如图1所示，在步骤1和步骤2中，在列车头部的下端固定安装有两个激光位移传感器，分别记为第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2，优选的，第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2在列车头部的下端左右对称设置，并且两者的规格、型号、参数相同，安装尺寸、安装高度、安装角度也相同。

相对应的，在铁轨沿线的每一个发送装置的顶端开设有V形槽3，优选的，该V形槽3与列车头部的下端固定安装的第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2相对应，呈左右对称设置，并且保证该V形槽3的内表面光滑，具有良好的反射特性。

在列车运行期间，列车头部首先通过布设在铁轨沿线的发送装置，在此时，设置在列车头部的下端的第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2分别照射V形槽左右两个对称位置处，得到两个测距值D1和D2，并将两个测距值D1和D2传输到处理器进行后续处理。

在后续处理时，系统设置有对准度阈值T_对准和传输距离上限阈值H_{传输距离上限}和传输距离下限阈值H_{传输距离下限}，其中H_{传输距离上限}＞H_{传输距离下限}。并根据不同的测距情况进行具体的故障判断。

情况1，如果D1＝D2，或|D1-D2|≤T_对准，则判定发送装置和接收装置未出现明显的偏移，导致发送装置和接收装置无法对准，在发送装置上也未出现异物，则把第一激光位移传感器1的测距中D1和第二激光位移传感器2的测距值D2进行综合判断，进一步对测量得到的距离是否符合要求进行判断。具体的，把第一激光位移传感器1的测距中D1和第二激光位移传感器2的测距值D2的均值D_均值＝(D1+D2)/2作为测距值，并进一步对该距离是否符合要求进行判断。

如果H_{传输距离下限}≤D_均值≤H_{传输距离上限}，则判定发送和接收装置的距离未出现明显变化，符合要求，不进行后续的操作。

如果D_均值＞H_{传输距离上限}，则判定发送和接收装置的距离出现了明显变大，会影响到发送装置和接收装置之间的传输效率和传输安全，需要采取进一步措施，具体的包括调整发送装置的发送参数，例如增大发送功率等，来保证接收装置能够接收到稳定的功率，以保证列车安全稳定的运行。同时如果出现连续的多个发送装置均出现D_均值＞H_{传输距离上限}的情况，则判定该区域铁轨的地基出现沉降，需要及时进行维护。如果仅零星区域出现D_均值＞H_{传输距离上限}的情况，则初步判定在对应的发送装置出现异常状况，及时通知维护人员进行现场查验和调整。具体的位置通过GPS定位系统或北斗定位系统实现，GPS定位系统或北斗定位系统的定位信号实时接入处理器，与同时间的激光测距信号进行头部处理。

如果D_均值＜H_{传输距离下限}，则判定发送和接收装置的距离出现了明显变小，同样会影响到发送装置和接收装置之间的传输效率和传输安全，需要采取进一步措施，具体的包括调整发送装置的发送参数，例如减小发送功率等，来保证接收装置能够接收到稳定的功率，以保证列车安全稳定的运行。同时在判定出D_均值＜H_{传输距离下限}，需要及时通知维护人员进行现场查看和调整，以避免该距离进一步变小，进而出现与列车相碰撞的情况，影响到列车的安全运行。

情况2，如图2所示，|D1-D2|＞T_对准，并且H_{传输距离下限}≤D1≤H_{传输距离上限}，并且D2＜H_{传输距离下限}，则判定在发送装置右侧出现异物，需要及时清理。

同理，|D1-D2|＞T_对准，并且如果H_{传输距离下限}≤D2≤H_{传输距离上限}并且D1＜H_{传输距离下限}，则判定在发送装置左侧出现异物，需要及时清理。

情况3，如图3所示，如果测量结果出现|D1-D2|＞T_对准的情况，并且出现了D1＞H_{传输距离上限}，并且D2＜H_{传输距离下限}，则判定发送装置出现了向左偏移，导致发送装置和接收装置无法对准；在判定发送装置出现偏移之后，需要调整发送装置的发送参数，例如发送功率，发送相位等参数，来保证接收装置能够接收到稳定的功率，以保证列车安全稳定的运行。并将出现异常的位置发送给铁路维护人员进行现场查看和调整。

同理，如果测量结果出现|D1-D2|＞T_对准的情况，并且出现了D2＞H_{传输距离上限}，并且D1＜H_{传输距离下限}，则判定发送装置出现了向右偏移，导致发送装置和接收装置无法对准；在判定发送装置出现偏移之后，需要调整发送装置的发送参数，例如发送功率，发送相位等参数，来保证接收装置能够接收到稳定的功率，以保证列车安全稳定的运行。并将出现异常的位置发送给铁路维护人员进行现场查看和调整。

由于在长时间的工作之后，发送设备上端的V形槽容易出现灰尘、异物、积水等影响距离测量结果准确性的因素，因此在两个激光位移传感器的前端的正中部安装有高压喷嘴，在列车运行期间，高压喷嘴首先对经过的发送装置进行清洁，然后两个激光位移传感器再对距离进行测量，保证了测量的准确性。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行进一步改进，技术方案共同的部分在此不再赘述。

在本实施例中，系统还参考其他车辆的测距结果对本次测距结果进行验证。

具体的，通过当日通过该路段其他车辆的测量结果都符合要求，但是本车次对每一个发送装置的测量结果都判定为出现异常，则有理由判定本车次的两个激光位移传感器出现故障，或者本车次的两个激光位移传感器的安装高度或角度出现了变化，需要对两个激光位移传感器进行检修和标定，以避免出现故障误判的情况出现。

实施例3

本实施例是在实施例1或2的基础上进行进一步改进，技术方案共同的部分在此不再赘述。

在本实施例中，系统还参考其他车辆的测距结果对本次测距结果进行验证，同时对变化趋势进行预测并采取必要的措施进行设备的维护。

例如，如果本日各车次通过某发送装置的测距值按照时间顺序出现持续的增大或减小，则能够断定该区域的发送装置的情况在持续恶化，需要通知维护人员进行及时的维护和调整，使其符合设计要求的规定，避免出现安全事故等重大损失。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

Claims (4)

1.一种轨道交通非接触式供电方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、测量距发送装置的距离值；步骤1中，在列车头部的下端固定安装有两个激光位移传感器，并在每一个发送装置的顶端开设有V形槽，两个激光位移传感器左右对称设置，V形槽左右对称设置，分别测得距离值D1和D2；

步骤2、根据测距结果调整发送参数，步骤2中，设置有对准度阈值T_对准、传输距离上限阈值H_{传输距离上限}、传输距离下限阈值H_{传输距离下限}，其中H_{传输距离上限}＞H_{传输距离下限}，根据不同的测距情况进行具体的故障判断；使D_均值＝(D1+D2)/2，如果|D1-D2|≤T_对准并且H_{传输距离下限}≤D_均值≤H_{传输距离上限}，则判定发送装置和接收装置的距离符合要求；如果|D1-D2|≤T_对准并且D_均值＞H_{传输距离上限}，则判定发送装置和接收装置的距离出现了明显变大，增加发送功率；

如果|D1-D2|≤T_对准并且D_均值＜H_{传输距离下限}，则判定发送装置和接收装置的距离出现了明显变小，减小发送功率；

如果|D1-D2|＞T_对准并且H_{传输距离下限}≤D1≤H_{传输距离上限}，并且D2＜H_{传输距离下限}，则判定在发送装置右侧出现异物；

如果|D1-D2|＞T_对准并且H_{传输距离下限}≤D2≤H_{传输距离上限}，并且D1＜H_{传输距离下限}，则判定在发送装置左侧出现异物；

如果|D1-D2|＞T_对准并且D1＞H_{传输距离上限}，并且D2＜H_{传输距离下限}，则判定发送装置出现了向左偏移；

如果|D1-D2|＞T_对准并且D2＞H_{传输距离上限}，并且D1＜H_{传输距离下限}，则判定发送装置出现了向右偏移；

步骤3、接收装置接收高频交变电磁场信号，变换为直流电供给列车。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，如果当日通过测量路段其他车辆的测量结果都符合要求，但本车次对每一个发送装置的测量结果都判定为出现异常，则判定本车次的两个激光位移传感器出现故障。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，如果本日各车次通过某发送装置的测距值按照时间顺序出现持续的增大或减小，则通知维护人员进行维护和调整。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两个激光位移传感器的前端的正中部安装有高压喷嘴。

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