CN114074558A - 一种分布式磁浮牵引控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁浮交通系统领域，更具体的说，涉及一种分布式磁浮牵引控制系统。本发明提出的分布式磁浮牵引控制系统，包括数个牵引变流器模块、电机控制单元和数据传输设备：所述牵引变流器模块及电机控制单元，集中设置在牵引变电所内，通过数据传输设备组成通信环网；所述电机控制单元，与沿线路铺设的直线电机长定子、馈电电缆组成牵引分区；当磁浮车辆行驶至某一牵引分区时，该牵引分区的电机控制单元，通过通信环网控制所对应的牵引变流器模块输出磁浮车辆所需的牵引电流。本发明基于光传输通信技术，采用冗余设计原则，提高了系统的实时性、可靠性和可用性，易于使用和推广。

Description

一种分布式磁浮牵引控制系统
技术领域
本发明涉及磁浮交通系统领域，更具体的说，涉及一种分布式磁浮牵引控制系统。
背景技术
我国正在积极研发并大力推广适用于商业运营环境的常导式时速200公里中速磁浮和时速600公里高速磁浮。中高速磁浮的动力系统安装于地面，其牵引控制设备、供电设备安装于地面牵引变电所、轨旁变电所和定子开关站内，设备数量多、间隔距离远、通信实时性要求高、集成难度大，对牵引控制及系统组网提出了严峻挑战。
目前世界上实现商业运营的高速磁浮线路只有上海磁浮运营示范线一条，该示范线采用德国常导电磁悬浮技术，其牵引控制系统主要由电机控制单元MCU和牵引变流器控制单元CCU组成，控制器数量多，设备接口复杂。
在我国，高速磁浮牵引控制系统的主要研究单位为中科院电工所，其牵引控制组网方案采用反射内存网络技术，已应用于同济大学1.5公里磁浮试验线。其原理为通过反射内存总线将牵引控制设备内置反射内存板卡，牵引控制设备包括电机控制单元(MCU)和变流器控制单元(CCU)，通过反射内存总线将MCU、CCU串联组成环网，实现本牵引分区内的牵引控制。
图1揭示了现有技术的基于反射内存技术的牵引控制系统网络架构图，如图1所示，牵引变电所111内设有4个电机控制单元MCU，包括MCU11、MCU12、MCU21、MCU41，设有2组变流器控制单元组，包括CCU11和CCU12，每组变流器控制单元组包括3个变流器控制单元CCU。牵引变电所112内设有4个电机控制单元MCU，包括MCU22、MCU31、MCU32、MCU42，设有2组变流器控制单元组，包括CCU21和CCU22，每组变流器控制单元组包括3个变流器控制单元CCU。
牵引分区121内的控制设备为电机控制单元MCU11、MCU12，MCU11、MCU12可以驱动两组变流器控制单元组CCU11和CCU12。
牵引分区122内的控制设备为电机控制单元MCU21、MCU22，MCU21、MCU22可以驱动两组变流器控制单元组CCU11和CCU21。
牵引分区123内的控制设备为电机控制单元MCU31、MCU32，MCU31、MCU32可以驱动两组变流器控制单元组CCU21和CCU22。
牵引分区124内的控制设备为电机控制单元MCU42、MCU41，MCU42、MCU41可以驱动两组变流器控制单元组CCU12和CCU22。
该技术方案仅适用于短距离信号传输，不适用于远距离通信，不能满足高速磁浮长大干线牵引控制系统通信要求。
反射内存网络是一种特殊类型的共享内存系统，旨在使多个独立计算机共享通用数据集。反射内存网络可在每个子系统中保存整个共享内存的独立备份。每个子系统均享有充分且不受限制的访问权限，还能以极高的本地内存写入速度修改本地数据集。总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道。通过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式磁浮牵引控制系统，解决现有技术的牵引控制系统远距离通信和通信网络高延迟、高抖动以及控制设备数量多、集成难度大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种分布式磁浮牵引控制系统，包括数个牵引变流器模块、电机控制单元和数据传输设备：
所述牵引变流器模块及电机控制单元，集中设置在牵引变电所内，通过数据传输设备组成通信环网；
所述电机控制单元，与沿线路铺设的直线电机长定子、馈电电缆组成牵引分区；
当磁浮车辆行驶至某一牵引分区时，该牵引分区的电机控制单元，通过通信环网控制所对应的牵引变流器模块输出磁浮车辆所需的牵引电流。
在一实施例中，所述牵引分区包括数个车站分区和正线分区：
所述车站分区内的直线电机长定子段采用单端供电，由线路一端的两个牵引变流器模块供电；
所述正线分区内的直线电机长定子段采用双端供电，由线路两端的各一个牵引变流器模块供电。
在一实施例中，所述牵引变流器模块，包括数个牵引变流器及其对应的变流器控制单元；
所述电机控制单元，为变流器控制单元的控制设备，通过通信环网对变流器控制单元进行控制，下发和管理长定子直线电机的牵引力控制命令。
在一实施例中，所述电机控制单元，根据定位测速系统提供的速度信号和位置信号，计算得到直线电机长定子所需的牵引力，发送牵引力控制命令至变流器控制单元，变流器控制单元控制牵引变流器向轨道两侧的直线电机长定子供电。
在一实施例中，在每个牵引分区内设置2个电机控制单元，按一主一从冗余配置，当且仅当主电机控制单元故障时，从电机控制单元被授权下发控制命令。
在一实施例中，所述车站分区内的所有电机控制单元，控制线路一端的两个牵引变流器模块向沿线路的直线电机长定子段供电；
所述正线分区内的所有电机控制单元，控制线路两端的各一个牵引变流器模块向沿线路的直线电机长定子段供电。
在一实施例中，每个车站分区单独通过数据传输设备组成通信环网，所有正线分区通过数据传输设备组成通信环网。
在一实施例中，所述数据传输设备为光传输设备，采用光纤传输通道串联成两路或多路传输通道，组成数个相互独立的光纤通信环网，牵引变电所内的所有电机控制单元和牵引变流器模块连接到相应的光传输设备。
在一实施例中，每个光纤通信环网中有2N台光传输设备，其中，N为大于等于1的整数。
在一实施例中，所述光传输设备，采用冗余形式配置，组成多环的光纤通信环网。
本发明提出了一种分布式磁浮牵引控制系统，基于光传输通信技术，采用冗余设计原则，解决了高速磁浮地面牵引控制系统设备数量多、间隔距离远、通信实时性要求高、集成难度大、接口复杂的问题，提高了系统的实时性、可靠性和可用性，易于使用和推广。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了现有技术的基于反射内存技术的牵引控制系统网络架构图；
图2揭示了根据本发明一实施例的分布式磁浮牵引控制系统结构图；
图3揭示了根据本发明一实施例的光纤通信环网的通信设备不冗余扩展形式示意图；
图4揭示了根据本发明一实施例的光纤通信环网的通信设备冗余扩展形式示意图。
图中各附图标记的含义如下：
111 牵引变电所；
112 牵引变电所；
121 牵引分区；
122 牵引分区；
123 牵引分区；
124 牵引分区；
211 牵引变电所；
212 牵引变电所；
221 牵引分区；
222 牵引分区；
223 牵引分区；
224 牵引分区；
231 光传输设备；
232 光传输设备；
233 光传输设备；
234 光传输设备；
235 光传输设备；
236 光传输设备；
237 光传输设备；
238 光传输设备；
241 光纤环网；
242 光纤环网；
243 光纤环网；
251 牵引变流器；
252 牵引变流器；
253 牵引变流器；
254 牵引变流器；
255 牵引变流器；
256 牵引变流器；
261 牵引变流器；
262 牵引变流器；
263 牵引变流器；
264 牵引变流器；
265 牵引变流器；
266 牵引变流器；
301 光传输设备；
302 光传输设备；
303 光传输设备；
304 光传输设备；
305 光传输设备；
306 光传输设备；
401 光传输设备；
402 光传输设备；
403 光传输设备；
404 光传输设备；
405 光传输设备；
406 光传输设备；
411 光传输设备；
412 光传输设备；
413 光传输设备；
414 光传输设备；
415 光传输设备；
416 光传输设备。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
为解决中高速磁浮牵引控制系统工程化应用的远距离通信以及通信网络高延迟、高抖动，以及控制器数量多、设备接口复杂的问题，本发明提出一种分布式高速磁浮牵引控制系统，基于光传输通信技术，采用冗余设计原则，解决了高速磁浮地面牵引控制系统因控制设备数量多、间隔距离远而造成的远距离通信以及通信网络高延迟、高抖动、集成难度大等问题，提高了系统的实时性、可靠性、冗余度和可用性。
我国高速磁浮列车的悬浮制式为常导磁悬浮，采用长定子直线同步电机驱动。常导式高速磁浮交通，以常导电磁悬浮、长定子直线同步电机牵引的磁浮交通系统。主要包括磁浮线路、磁浮列车、牵引及供电、运行控制、测速定位以及车站和维护设施等子系统。
电机的定子铁心和绕组沿轨道分段布置组成定子段，励磁磁铁安装在列车下部，励磁磁铁和长定子的电磁作用产生悬浮力使列车悬浮于轨道之上。
牵引供电系统为长定子绕组提供幅值和频率可变的电源，该电源产生的行波磁场与励磁磁铁产生的励磁磁场相互作用，产生磁浮列车高速行驶所需的牵引力。
图2揭示了根据本发明一实施例的分布式磁浮牵引控制系统结构图，如图2所示的实施例，以两牵引变电所、四牵引分区线路架构为例，对牵引控制设备进行部署，两牵引变电所为牵引变电所211和牵引变电所212，间相距数十公里，全线共划分为四个牵引分区，其中牵引分区221和223为车站分区，牵引分区222和224为正线分区。
高速磁浮牵引控制设备布置在地面牵引变电所内。
牵引分区是指相对于每条线路轨道来说，两相邻牵引变电所之间沿线路铺设的直线电机长定子、馈电电缆、及电机控制单元组成的逻辑分区。
在每个牵引分区内，只允许一列车运行。
每个牵引变电所内布置2个牵引变流器模块和4个电机控制单元(MCU)。
每个牵引变流器模块包括三台牵引变流器及其对应的变流器控制单元CCU。每个变流器控制单元CCU只控制一个牵引变流器，即变流器控制单元CCU与牵引变流器一一对应。
每个牵引变流器模块相当于一个电源模块，向定子段提供幅值和频率可变的牵引电流。
根据冗余设计原则，每牵引变电所内可设置多个牵引变流器模块及电机控制单元MCU。
更进一步的，牵引变电所211内有2个牵引变流器模块和4个电机控制单元(MCU)。
其中，第一牵引变流器模块包括牵引变流器251及其变流器控制单元C11、牵引变流器252及其变流器控制单元C12和牵引变流器253及其变流器控制单元C13，用于上行区间，第二牵引变流器模块包括牵引变流器254及其变流器控制单元C14、牵引变流器255及其变流器控制单元C15和牵引变流器256及其变流器控制单元C16，用于下行区间。
更进一步的，牵引变电所212内有两个牵引变流器模块和4个电机控制单元(MCU)。
其中，第三牵引变流器模块包括牵引变流器261及其变流器控制单元C21、牵引变流器262及其变流器控制单元C22和牵引变流器263及其变流器控制单元C23，用于上行区间，第四牵引变流器模块包括牵引变流器264及其变流器控制单元C24、牵引变流器265及其变流器控制单元C25和牵引变流器266及其变流器控制单元C26，用于下行区间。
电机控制单元(以下简称MCU)为变流器控制单元(以下简称CCU)的控制设备，用于实现长定子直线电机牵引力控制命令的下发和管理功能。
在图2所示的实施例中，每牵引分区内设置2个电机控制单元MCU，按一主一从冗余配置，当且仅当主电机控制单元出故障时，从电机控制单元才能被授权下发控制命令。
牵引分区221为车站分区设置在牵引变电所211左侧，牵引分区221内设置电机控制单元M11，作为主电机控制单元，设置电机控制单元M12，作为从电机控制单元。
牵引分区222为正线分区的上行区间，车辆从牵引变电所211向牵引变电所212方向行驶。牵引分区222内设置电机控制单元M21，作为主电机控制单元设置在牵引变电所211。牵引分区222内设置电机控制单元M22，作为从电机控制单元设置在牵引变电所212。
牵引分区223为车站分区设置在牵引变电所212右侧，牵引分区223内设置电机控制单元M31，作为主电机控制单元，设置电机控制单元M32，作为从电机控制单元。
牵引分区224为正线分区的下行区间，车辆从牵引变电所212向牵引变电所211方向行驶。牵引分区224内设置电机控制单元M41，作为主电机控制单元设置在牵引变电所211。牵引分区224内设置电机控制单元M42，作为从电机控制单元设置在牵引变电所212。
每个主MCU可控制与其配套的2组牵引变流器模块，MCU根据定位测速系统提供的数据计算出直线电机长定子所需的牵引力，将其作为控制信号下发给对应牵引变流器模块的变流器控制单元CCU。
每三个牵引变流器及其控制单元(CCU)为一组牵引变流器模块，CCU接收MCU指令并控制其指定牵引变流器向轨道两侧的直线电机长定子提供频率、幅值和相位可变的电压及电流。在其他实施例中，牵引变流器及其控制单元(CCU)的数量可以大于3个。
当车辆行驶至某一牵引分区时，该牵引分区的主MCU可向其配属的CCU下发牵引力分配命令，驱动牵引变流器输出所需要的牵引电流。
牵引分区221和牵引分区223为车站分区，每个车站分区单独组成通信环网。
牵引分区222和牵引分区224为正线分区，所有正线分区组成一个通信环网。
牵引分区221和牵引分区223内的直线电机长定子段采用单端供电，由线路一端的两个牵引变流器模块供电。
牵引分区221中，电机控制单元M11、M12可控制变流器控制单元C11、C12、C13和变流器控制单元C14、C15、C16供电。
牵引分区223中，电机控制单元M31、M32可控制变流器控制单元C21、C22、C23和变流器控制单元C24、C25、C26供电。
牵引分区222和牵引分区224内的直线电机长定子段采用双端供电，由线路左右两端各一个牵引变流器模块供电。
牵引分区222中，电机控制单元M21、M22均可控制变流器控制单元C11、C12、C13和变流器控制单元C21、C22、C23。
牵引分区224中，电机控制单元M41、M42均可控制变流器控制单元C14、C15、C16和变流器控制单元C24、C25、C26。
车辆行驶至某一牵引分区时，只有一台电机控制单元MCU为主MCU，另一台电机控制单元MCU为从MCU，由主MCU下发控制命令。当且仅当主MCU出故障时，从MCU才能被授权下发控制命令。
由于两相邻牵引分区相距数十公里，为满足牵引控制信号的延时和抖动要求，采用光传输设备作为数据传输设备，将四个牵引分区的牵引控制设备MCU、CCU串联组成三个相互独立的光纤通信环网。每个MCU与其控制的CCU通过光传输设备相连，实现控制命令的下发。
光纤通信环网是用于实现牵引分区内控制设备间通信及命令下发的通信专网，以满足牵引控制设备对通信网络的延迟和抖动要求。
网络中的延迟是指信息从发送到接收经过的延迟时间，一般由传输延迟及处理延迟组成。抖动是指最大延迟与最小延迟的时间差，主要标识一个网络的稳定性。
在图2所示的实施例中，每个车站分区包括牵引分区221、223，单独组成光纤环网，正线分区包括牵引分区222、224组成一个光纤环网。
牵引分区221中，光传输设备231和光传输设备232组成光纤环网241，电机控制单元M11连接到光传输设备231，电机控制单元M12连接到光传输设备232。
牵引分区223中，光传输设备237和光传输设备238组成光纤环网243，电机控制单元M31连接到光传输设备237，电机控制单元M32连接到光传输设备238。
光传输设备233、光传输设备234、光传输设备235、光传输设备236组成光纤环网242，牵引分区222、224的电机控制单元均连接到其最近的光传输设备。
电机控制单元M21连接到光传输设备233，电机控制单元M22连接到光传输设备235，电机控制单元M41连接到光传输设备234，电机控制单元M42连接到光传输设备236。
本发明提出的分布式磁浮牵引控制系统所采用的光传输设备以及MCU、CCU具有多路光纤接口，图2中的光传输设备与MCU、CCU的连线仅表示设备间采用光纤介质连接，光传输设备与MCU、CCU采用多路冗余的光纤通信。
进一步地，光纤环网的拓展形式如图3和图4所示。如图2所示，光纤通信环网扩展形式可采用多路光纤传输通道，亦可增加通信设备数量组成两个或多个相互独立的牵引控制光纤通信环网。
每个光纤通信环网中有2N(N为大于等于1的整数，默认值为1)台光传输设备，根据线路长度N可取更大值。
为提高环网的通信可靠性，光传输设备OTN之间通过光纤串联成两路或多路传输通道，图3揭示了根据本发明一实施例的光纤通信环网的通信设备不冗余扩展形式示意图，如图3所示，光传输设备301至光传输设备306之间通过2路光纤串联为光纤通信环网，光纤通道通过2路光纤冗余设置而作为通信设备的光传输设备不冗余设置。
光传输设备OTN亦可采用冗余形式组成双环光纤通信环网，图4揭示了根据本发明一实施例的光纤通信环网的通信设备冗余扩展形式示意图，如图4所示，光纤通道通过2路光纤冗余设置而作为通信设备的光传输设备同样做冗余设置，每个光传输设备进行冗余设置，光传输设备401至光传输设备406之间通过2路光纤串联为第一光纤通信环网，光传输设备411至光传输设备416之间通过2路光纤串联为第二光纤通信环网，第二光纤通信环网作为第一光纤通信环网的冗余设置。
当光纤环网发生单根断线故障时，可保持既有的环网控制策略，通信不受影响；
当光纤环网发生多根断线或者光传输设备故障时，可进行环网切换，电机控制单元通信不受影响。
本发明提出了一种分布式磁浮牵引控制系统，基于光传输通信技术，采用冗余设计原则，解决了高速磁浮地面牵引控制系统设备数量多、间隔距离远、通信实时性要求高、集成难度大、接口复杂的问题，提高了系统的实时性、可靠性和可用性，易于使用和推广。
本发明提供的一种分布式磁浮牵引控制系统，具体具有以下有益效果：
1)采用光传输设备组成牵引控制环网，满足高速磁浮牵引控制系统低延时、低抖动要求；
2)采用的光纤通信环网根据冗余原则进行设计，解决了高速磁浮远距离通信的环网故障问题，提高了系统的可靠性和冗余度；
3)电机控制单元MCU和牵引变流器控制单元CCU均采用冗余设计，采用分布式控制结构，可实现一个MCU对多个CCU的同步控制。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，包括数个牵引变流器模块、电机控制单元和数据传输设备：
所述牵引变流器模块及电机控制单元，集中设置在牵引变电所内，通过数据传输设备组成通信环网；
所述电机控制单元，与沿线路铺设的直线电机长定子、馈电电缆组成牵引分区；
当磁浮车辆行驶至某一牵引分区时，该牵引分区的电机控制单元，通过通信环网控制所对应的牵引变流器模块输出磁浮车辆所需的牵引电流。
2.根据权利要求1所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，所述牵引分区包括数个车站分区和正线分区：
所述车站分区内的直线电机长定子段采用单端供电，由线路一端的两个牵引变流器模块供电；
所述正线分区内的直线电机长定子段采用双端供电，由线路两端的各一个牵引变流器模块供电。
3.根据权利要求2所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于：
所述车站分区内的所有电机控制单元，控制线路一端的两个牵引变流器模块向沿线路的直线电机长定子段供电；
所述正线分区内的所有电机控制单元，控制线路两端的各一个牵引变流器模块向沿线路的直线电机长定子段供电。
4.根据权利要求2所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，每个车站分区单独通过数据传输设备组成通信环网，所有正线分区通过数据传输设备组成通信环网。
5.根据权利要求1所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于：
所述牵引变流器模块，包括数个牵引变流器及其对应的变流器控制单元；
所述电机控制单元，为变流器控制单元的控制设备，通过通信环网对变流器控制单元进行控制，下发和管理长定子直线电机的牵引力控制命令。
6.根据权利要求5所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，所述电机控制单元，根据定位测速系统提供的速度信号和位置信号，计算得到直线电机长定子所需的牵引力，发送牵引力控制命令至变流器控制单元，变流器控制单元控制牵引变流器向轨道两侧的直线电机长定子供电。
7.根据权利要求1所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，在每个牵引分区内设置2个电机控制单元，按一主一从冗余配置，当且仅当主电机控制单元故障时，从电机控制单元被授权下发控制命令。
8.根据权利要求1所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，所述数据传输设备为光传输设备，采用光纤传输通道串联成两路或多路传输通道，组成数个相互独立的光纤通信环网，牵引变电所内的所有电机控制单元和牵引变流器模块连接到相应的光传输设备。
9.根据权利要求8所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，每个光纤通信环网中有2N台光传输设备，其中，N为大于等于1的整数。
10.根据权利要求9所述的分布式磁浮牵引控制系统，其特征在于，所述光传输设备，采用冗余形式配置，组成多环的光纤通信环网。
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