CN1232416C - 电力机车的自动过分相控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力机车的自动过分相控制方法及其装置，只需利用车载设备，即能模拟司机操作，可靠地完成自动过分相过程并实现优化控制。本发明方法包括以下步骤：根据机车当前位置、速度及手柄级位，结合下一断电标，判断机车是否进入自动过分相的有效操作距离，若是，由自动过分相装置获取级位控制权，将级位降到零；然后在到达断电标之前断开主断路器；在机车通过合电标后，闭合主断路器，延时一段时间再将机车级位恢复到当前手柄级位，然后将级位控制权交还给操纵手柄。本发明装置包括主控制器以及与主控制器连接的级位控制模块、通讯接口、主断路器控制模块及显示盒。本装置还可以与机车智能电表配合，实现电量的分时分段计量。

Description

电力机车的自动过分相控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种电力机车的自动过分相控制装置，尤指一种基于机车安全信息综合监测装置TAX箱(以下简称TAX箱)的自动过分相控制装置。

背景技术

电力机车在行驶过程中，是从架设在铁路旁的电网上获取单相交流电来提供动力的。电网三相电源的各相交替设置在不同路段上，各相之间的绝缘交点称为分相点，机车在通过分相点时，需断开主断路器，避免过分相时电源相位突变造成的冲击。机车过分相时的司机的操作过程如下：离分相点较远时，机车正常行驶，级位(对应于一定的机车电流)手柄处于正常位置；在接近分相点时，司机需要退级位，以保证机车到达断电标之前，级位能降到零并断开主断路器，然后使机车在不取电流的情况下通过分相点；通过分相点之后，在合电标处闭合主断路器，等机车状态恢复后升级位。所谓断电标指在此之前应当断开主断路器处的公里标(即位置数据)，而合电标指应此后可闭合主断路器处的公里标，断电标和合电标原来是靠标识加以指示的。实际操作中是用断电标和合电标来约束过分相操作的动作位置的。

这种完全依靠人工的操作容易因种种人为因素而发生操作失误，同时，在司机的过分相操作中，若开始降级位的位置离分相点较近或机车速度较快时，需要快速降级位，但如果降级位速度过快，机车电流的快速变化会引起机车速度突变，可能损坏机车设备，也容易造成人员的伤害事故。若离分相点较远或机车速度较慢时，司机有较充裕的时间来完成退级位操作，但退级位操作时间过长对机车的运行速度有不利影响。以上过程司机完全靠自己的经验来操作，难以达到最优的控制过程。因此自动过分相的技术得到了发展和应用。

目前，国内外电气化铁路机车自动过分相主要有3种方式：地面开关自动切换方式，由绝缘锚段关节、无绝缘轨道电路、真空负荷开关互感器、避雷器、电源配电盘等设备组成，具有机车断电时间短，能适应多种速度要求的优点，但系统非常复杂、造价高，设备维护费用高；柱上开关自动断电方式，由分享绝缘器、真空开关等设备组成，机车断电时间短，但机车过分相时产生过压、过流，设备结构也较为复杂；机车自动控制过分相方式，与前二种不同，这种方式是通过在分相点前断开机车主断路器，以不取电流的方式通过分相点，其中常用的一种方法是地面埋点，系统由绝缘锚段关节、地面磁铁、机车接受控制装置等设备组成，系统较简单，但是为了给机车提供控制信息，需要在铁路现场的每一个分相点两侧事先埋下磁铁，这无疑是一项巨大工程，此外，埋点方式虽经改进，但对机车的运行速度有限制，仍无法满足机车在不同速度下过分相的要求，而且地面感应器维护不易，维护费用较高。

以上三种方式应有地面或杆上设备，在机车上无法对这些设备进行实时监测，当地面或杆上设备故障时，装置将无法自动过分相，再由司机手动时已来不及，易造成带电过分相的严重后果，因此可靠性较差。

现有的电力机车安装的机车安全信息综合监测装置TAX箱(以下简称TAX箱)，可以实时获取并记录机车的当前速度、当前位置(也是用公里标来表示的，可精确到米)、当前站号等信息，其中当前位置是由起始位置加上运行距离得到，在机车通过铁路沿线的信号机时，位置数据得到自动修正；各分相点对应的断电标和合电标可以检测出并存储在计算机中；手柄的极位信号可以通过模数转换模块来采集，这些在司机进行过分相操作时需要的数据都可以由计算机实时获得，机车级位、主断路器的开合也可以由计算机输出信号来控制。因此，采用包含计算机的自动过分相装置来实现仿人自动过分相控制是解决电力机车自动过分相问题的新途径。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种电力机车的自动过分相控制方法，只需利用车载设备，即能模拟司机操作，可靠地完成自动过分相的过程。为此，本发明要解决的另一技术问题是提供一种实现该方法的自动过分相装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电力机车的自动过分相控制方法，由车载的自动过分相装置来实现仿人自动过分相的控制，包括以下步骤：

(a)根据实时获取的机车当前位置、当前速度及当前手柄级位，结合下一断电标，判断机车是否进入自动过分相的有效操作距离，若否，则再循环判断；若是，则进行步骤(b)；

(b)自动过分相装置获取级位控制权，将级位降到零；然后在到达断电标之前断开主断路器；

(c)判断机车是否通过合电标，若否，则再循环判断；若是，闭合主断路器，并进行步骤(d)；

(d)延时一段时间等机车状态恢复后，将机车级位恢复到当前手柄级位，然后将级位控制权交还给操纵手柄，完成一次自动过分相过程。

为了提高过分相的可靠性，在进行机车是否进入有效操作距离的判断前，增加一个向司机室发出分相预示信号的步骤。

为了在保持机车平稳的同时加快过分相过程，在自动过分相过程中降级位可采用以下方法：机车当前级位大于机车当前速度对应级位的上一级级位时，先输出当前级位，然后每延时一段时间后降一级级位，直到机车当前级位等于机车当前速度对应级位的上一级级位，再经一个延时将级位直接降到零；若机车当前级位小于等于机车当前速度对应级位的上一级级位，则直接将级位降到零。

为了实现本发明自动过分相控制方法，本发明提供了一种电力机车的自动过分相控制装置，包括主控制器以及与主控制器连接的级位控制模块、通讯接口、主断路器控制模块及显示盒，所述级位控制模块用于采集操纵手柄级位并输入主控制器，将主控制器发出的级位控制信号转换后输出至机车级位控制电路，并可根据主控制器的级位转换控制信号将级位控制权在操纵手柄和主控制器之间切换，所述通讯接口与机车安全信息综合监测装置(TAX箱)相连，可实现主控制器与TAX箱之间的实时通讯，所述主断路器控制模块可根据主控制器的指令控制主断路器的闭合或断开，并将主断路器的状态反馈至主控制器，所述显示盒设置在司机室内，可显示自动过分相的工作状态，由可编程的主控制器来实现上述过分相控制方法。

为了实现机车两端控制的要求，本发明自动过分相控制装置的级位控制模块包括：由机车工作端位决定其得电或失电的端位信号继电器及该继电器的一至四号触点、级位控制转换开关，以及与主控制器连接的A/D转换电路和D/A转换电路，所述一号触点为一端与机车两端中第一端的操纵手柄相连的常闭触点，二号触点为一端与机车两端中第二端的操纵手柄相连的常开触点，三号触点为一端与机车第一端的机车级位控制电路连接的常闭触点，四号触点为一端与机车第二端的机车级位控制电路连接的常开触点，所述级位控制转换开关具有手动输入端、自动输入端和一个输出端，其中手动输入端与A/D转换电路以及一号、二号触点的另一端相连，自动输入端与D/A转换电路相连，输出端与三号、四号触点的另一端相连，所述主控制器可控制该级位控制转换开关的输出端与手动输入端或者与自动输入端接通，使操纵手柄或者主控制器获得级位控制权。

为了在完成自动过分相控制的同时，使装置具有采集分相点公里标数据和实现机车电量计量转储的功能，本发明自动过分相控制装置还包括由主控制器控制切换的通讯转换开关，以及与主控制器连接的IC卡接口电路和/或数据无线收发模块，所述通讯转换开关具有与TAX箱相连的第一输入端、与机车智能电表相连的第二输入端，以及一个和所述通讯接口相连的输出端，所述主控制器按以下方法实现电量的计量转储：主控制器每隔一段时间将通讯转换开关切换一次，通过通讯接口交替式地与智能电表和TAX箱通讯；当TAX箱内的时间、位置、速度等信息满足设定的记录条件时，或者智能电表的电量信息满足设定的记录条件时，向主控制器发出中断信号，主控制器判断出中断信号源后从中读取相应数据并加以存储，然后通过所述IC卡接口电路转储到地面计算机系统，及/或通过数据无线收发模块在机车回库时用无线方式将数据传送至地面计算机系统。

由上可知，本发明的自动过分相控制方法和装置，在自动过分相时用计算机模拟了司机整个的安全操作规程，在司机手动优先的情况下，根据当前的运行信息实时调整控制变量的值，可以确保机车在“断标”之前准确地完成降级位和断主断路器的操作，保证自动过分相的安全，有效地降低了司机的劳动强度，减少了机车和供电设备发生故障的可能性。本发明完全利用车载既有设备，无需埋设传感器，或对铁路线路或接触网进行任何改造，即可实现自动控制过分相过程，节省了附加设备和费用，又提高了机车过分相的自动化程度。此外，利用本发明的自动过分相控制装置可控制机车级位的上升和下降速率，对机车不造成冲动，适用于低速、常速及中高速机车牵引的要求。因无地面或杆上设备，司机可实时对装置的全部状态进行实时监测，并对司机进行实时报警提示，提高了机车自动过分相的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例自动过分相过程的示意图；

图2是本发明实施例自动过分相过程的控制流程图；

图3是本发明实施例自动过分相装置的结构示意图；

图4是本发明实施例自动过分相装置主控制器的最小系统结构示意图；

图5是本发明实施例自动过分相及电量转储装置结构示意图；

具体实施方式

本发明实施例的自动过分相控制的示意图如图1所示，是一种由车载的自动过分相装置来实现的仿人自动过分相控制方式。其流程图如图2所示，包括以下步骤：

计算机车当前位置l是否进入分相预示距离，步骤100；若否，再循环判断；若是，开始自动过分相过程，进行下一步骤；

判断当前车站号是否下一断电标l0对应的车站号，步骤110；若否，结束自动过分相过程；若是，向司机室发出分相预示信号，步骤120；并进行下一步骤；

根据实时获取的机车当前位置l、当前速度v及当前手柄级位n，结合下一断电标l0，判断机车是否进入自动过分相的有效操作距离，步骤130；若否，则再循环判断；若是，则进行下一步骤；

自动过分相装置获取级位控制权，将级位降到零，步骤140；然后在到达断电标l0之前断开主断路器，步骤150；

判断机车是否通过合电标，步骤160；若否，则再循环判断；若是，闭合主断路器，步骤170；并进行下一步骤；

延时一段时间等机车状态恢复后，步骤180；将级位恢复到当前手柄级位n’；然后将级位控制权交还给操纵手柄，步骤190，完成一次自动过分相的控制过程。

需要说明的是，上述流程图表示的是按单线程的方式来完成自动过分相的控制，在步骤100、130和160的判断结果是否时，主控制器循环执行该步骤。

在实际运行中，上述流程一般是作为自动过分相子过程，在步骤100的判断结果为否时，主控制器先退出该子过程，当主流程再执行该子过程时，再进行新的判断；在步骤130的判断结果为否时，主控制器置一标记表示机车已进入预示距离，退出该子过程，当主流程再执行该子过程时，读取到该标记后，直接执行步骤130；当步骤160的判断结果为否时，主控制器置一标记表示机车已进入自动过分相的有效操作距离，再退出该子过程，当主流程再执行该子过程时，先读取到机车已进入预示距离的标记，再读取到机车已进入有效操作距离的标记，就直接执行步骤160，当步骤160的判断结果为是时，将上述两个标记均清空，再执行下一步骤。这样来实现上述步骤的循环判断过程。

断电标和合电标的数据在自动过分相控制中是十分关键的，而现有的公里标数据由于计算方法的不统一，与TAX箱记录的公里标之间存在误差。本发明采取了在实际运行中采集数据的方式来获取以上公里标。其方法是，在电力机车运行时，用计算机实时采集机车电度表的弓网电压数据和TAX箱中的公里标，记录下所有弓网电压为零时，也就是机车所通过的分相点对应的公里标，由于不同路段上断电标和合电标与分相点之间的距离要求有所不同，本发明根据每一分相点断合电标与分相点之间要求的距离计算出对应的断电标和合电标并存储在装置中。这种方法十分简单，采集的数据也十分准确，误差很小。

在以上的步骤中，分相预示并非完成过分相过程必须进行的操作，但是，在自动过分相的过程中，自动过分相装置可能出现判断失误，未能进行正常的自动过分相操作。这时就需要司机手动进行应急操作，但如果司机发现该问题时机车离分相点太近，就会来不及处理而难以避免事故发生。因此，在本实施例中，包括了一个在离断电标一定距离时进行分相预示的步骤，本实施例判断机车是否进入分相预示距离的方法是：计算机车当前位置与下一断电标l₀间的距离是否小于等于分相预示距离Δl₁，在机车距离断电标的距离小于Δl₁时，发出预示信号通知司机。Δl₁值由系统设定，它应大于有效操作距离，保证司机发现自动过分相装置工作不正常时，有充裕的时间手动完成过分相操作，防止事故发生。当然也可以在装置中存储每一分相点对应预示点的公里标，直接用机车当前位置和该公里标进行比较。

但是，不同的机车交路有时可能在不同路段上出现相同的公里标，即自动过分相装置会采集到相同的当前位置，并与下一断电标的相关位置进行比较计算，而实际上只有一个路段上存在分相点，这样就会产生误动作。本发明为了适用于各种情况，预先将每一断电标对应的站号存储在系统中，在机车当前位置与断电标之间的距离已小于等于分相预示距离后，将从TAX箱获取的当前车站号与该断电标对应的车站号比较，如果两者相同，才发出预示信号，否则结束自动过分相过程。即只有距离和车站号两个因素同时满足时，才进行分相预示。

所谓有效操作距离，指在该距离处开始操作时，能确保在当前速度下机车可以平稳地从初始级位降到零，并在下一断电标前断开主断路器。在此前提下，降一级级位的延时时间也不能过大，以免机车运行速度受到不利影响，本发明所提的有效操作距离并不是固定数值，而是跟机车运行的速度及当前级位有关。

要保证机车运行平稳，可以将机车从当前级位n逐级延时下降，直到级位为零。另外，为了提供一定的保险系数，要求机车在距断电标之间还有一保险距离Δl₂时，级位就下降到零并且断开主断路器，如Δl₂可取50米。当采用这种降级位方式时，按以下方式计算有效操作距离：

先设定一个能保证机车平稳逐级降级位的最大延时时间Δt_max。根据当前位置l(通过与TAX箱实时通讯获得机车实时位置处的公里标)、当前速度v(通过与TAX箱的实时通讯获得)、当前级位n(通过实时采集获得)及断电标l₀(预先存储在系统中)，计算以当前速度运行到达断电标时级位为零的降一级级位时间Δt。具体的计算公式如下：

$\mathrm{\Δt}=\frac{|l-l_0|-\mathrm{\Δ}{l}_2}{\mathrm{nv}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

然后将Δt和Δt_max进行比较。若Δt＞Δt_max，则机车没有进入有效操作距离；若Δt≤Δt_max，则机车已进入有效操作距离，我们将此时得到的Δt记为Δt₀。

但是，当所下降到的级位比机车当前速度对应的级位只大一级时，即等于当前速度对应级位的上一级级位n₁时，经一个延时后直接将机车级位下降至零(见图1中级位曲线的垂直下降段)，和逐级降级位直到零相比，并不会对机车运行产生额外的冲击。因为当机车级位小于机车当前速度所对应的级位后，机车并不依靠牵引力而是依靠惯性前进。举例来说，假设机车分为1-15个级位，各对应于10-150km/h的运行速度，每升一级对应速度增加10km/h，机车当前速度为108km/h，用108除以10向下取整得到对应的级位为10级，机车当前级位是15级，则在自动过分相的过程中，只需将机车级位逐级降低到11级，此后再经一个延时就可以直接将机车级位降低到零，再断开主断路器。通过合电标后的升级位过程中，也可以将级位直接升至机车当前速度所对应的级位n₁’，还以上面的例子为例，假设通过分相点后机车的速度是98km/h，对应的级位是9级，就可以直接将机车级位从零上升至10级，然后再逐级地上升至当前手柄级位，这样就可以缩短机车自动过分相过程的时间，从而提高机车的运行速度，本发明实施例采取的就是这种升降级位的方法。

采取这种方式时，在判断是否进入有效操作距离时，首先判断当前级位n是否小于或等于当前速度对应级位的上一级级位n₁。

如果n≤n₁，则比较当前位置l和断电标l₀之间的距离是否小于等于保险距离Δl₂，如果是，则机车进入有效操作距离；如果不是，则机车未进入有效操作距离。

如果n＞n₁，则按下述公式判断机车是否进入有效操作距离：

$\mathrm{\Δt}-\frac{|l-l_0|-{\mathrm{\Δl}}_2}{(n-n_1)v}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

Δt仍代表以当前速度v运行，在距离断电标一设定的保险距离Δl₂时级位为零的降一级级位时间Δt，n₁代表当前速度对应级位的上一级级位，其它参数含义同公式(1)。然后将Δt和Δt_max进行比较。若Δt＞Δt_max，机车未进入有效操作距离；若Δt≤Δt_max，机车已进入有效操作距离。我们将此时的Δt记为Δt₀。

如果过分相控制中没有采取分相预示的步骤，则当前车站号和下一分相点对应车站号的比较可以在机车进入有效操作距离后再进行，如果两者相同，再进行后续的过分相控制，如果不同，则退出过分相自动过程。

当机车进入有效操作距离后，过分相装置获取级位控制权，当n＞n₁时，先输出当前级位n，延时Δt₀后将当前级位n降至n-1，然后逐级降到n₁，再经一个延时将级位降到零；当n≤n₁时，则将级位直接降到零。当n＞n₁时的降一级级位延时时间Δt可以根据公式(2)进行计算，其中的l，v值从TAX箱中实时获取，即可得到对应的Δt，经过该Δt时间后再降一级级位即可，这样可以达到在断电标前将级位下降到零并断开主断路器的控制目标。

也可以直接采用有效操作距离计算中得到的Δt₀值，作为固定的降一级级位延时时间，如图1所示的是这种方法。因为过分相过程较短(一般不超过一分钟)，机车速度变化不大，每个级位处实时计算得到的Δt值与Δt₀值差别很小。用Δt₀值作为固定的降一级级位延时时间，也能够可靠保证控制目标的实现，同时简化了算法。

机车通过分相点后，过分相控制装置比较当前位置和合电标，若通过合电标处，则控制主断路器闭合，延时一段时间，待机车状态恢复可以输出功率后，将机车级位从零级位直接升至当前速度对应的上一级级位n₁’，然后再逐级上升到当前手柄级位n’，由于没有降级位时的强制性控制目标，升级位的延时时间无严格时间要求，只要保持机车平稳，每延迟一段时间升一级级位即可。在自动过分相装置获取级位控制权的过程中，操纵手柄的操作无效，但司机仍能调节手柄位置，因此过分相前后的手柄级位n和n’并不一定相同。

本发明的自动过分相控制装置如图3所示。主要包括主控制器11，以及与主控制器11连接的级位控制模块13、通讯接口15、主断路器控制模块17、A端显示盒19、B端显示盒21等。图2所示的自动过分相控制流程是通过对主控制器11编程来实现的。

图4是主控制器11的最小系统结构示意图，包括CPU 111、地址锁存器112、程序存储器113、数据存储器114、数据记录存储器115、晶振时钟电路116、电源监控和复位电路117、地址译码器118。本实施例的主CPU 111采用16位单片机TN80C196KB。地址锁存器112采用74LS573。程序存储器113使用27256。数据存储器114采用6264。数据记录存储器115采用FLASHRAM。各分相点相关的断电标、合电标和车站号存储在程序存储器113中；数据记录存储器则记录下车次、司机、机车运行时的位置、速度、级位变化等数据。需要说明的是，上述电路只是一个具体的实施例，也可以用其它电路来实现本发明的控制功能。

图4中的电源监控和复位电路117采用DS1232芯片，其VCC脚接电源，RESET-脚接CPU 111的RESET脚，STROBE接CPU 111的P2.5脚。DS1232的VCC脚是电源的输入脚，同时也是电源检测脚，当VCC≤4.75V时，DS1232将通过RESET-脚，不断将CPU 111复位，从而起到电源检测的作用。在正常工作时，CPU 111每隔固定的时间(最大为1.6s)，要将DS1232的STROBE脚跳变一次，相当于给监视定时器不断清“0”，以通知DS1232主机的工作状态正常，如果在规定的时间无跳变，则DS1232就会发出RESET-脉冲，将CPU 111复位，直至其正常工作。这样，如果主机一旦死机，DS1232就会让其热复位，使其恢复正常工作状态。从而提高系统工作的可靠性。

电力机车的两端(以下称为A端和B端)都可能有司机室，司机可能在其中的任何一端操作，本发明的自动过分相装置为了满足这一要求，其级位控制模块13由端位信号继电器J1及其常闭触点J1-1和J1-3、常开触点J1-2和J1-4，级位控制转换开关K1，A/D转换电路，以及D/A转换电路组成。触点J1-1至J1-4的一端分别与A端操纵手柄、B端操纵手柄、A端机车级位控制电路、B端机车级位控制电路连接；级位控制转换开关K1具有手动、自动输入端和一个输出端，手动输入端与A/D转换电路以及触点J1-1、J1-2的另一端相连，自动输入端与D/A转换电路相连，输出端与触点J1-3、J1-4的另一端相连。其中的级位控制转换开关K1可以通过继电器的常开常闭触点的组合来实现，主控制器11通过控制该继电器即可实现级位控制权的切换。如果机车只需在单端控制，只要去掉端位信号继电器J1及其触点，将级位控制转换开关K1的手动输入端和输出端直接与操纵手柄和机车级位控制电路相连就可以了。

机车正常运行时，级位控制转换开关K1的输出端与手动输入端接通。如果司机在A端操作，使端位信号继电器J1不得电(可以通过按键开关来控制)，触点J1-1和J1-3闭合，J1-2和J1-4断开，A/D转换电路实时采集A端操纵手柄级位值，转换为数字信号后输入主控制器11，由A端操纵手柄向A端机车级位控制电路输出级位控制信号；如果司机在B端操作，使端位信号继电器J1得电，触点J1-1和J1-3断开，J1-2和J1-4闭合，A/D转换电路实时采集B端操纵手柄级位值，由B端操纵手柄向B端机车级位控制电路输出级位控制信号。

过分相时，主控制器11输出的级位转换控制信号，使控制该开关K1的输出端与自动输入端接通，此时主控制器11获取级位控制权。A/D转换电路仍可实时采集A端或B端操纵手柄级位值，而主控制器输出的级位控制信号经D/A转换电路变换为数字信号后，输出至A端机车级位控制电路(当司机在A端操作时)，或B端机车级位控制电路(当司机在B端操作时)。

机车通过合电标并且机车级位已恢复到当然手柄级位后，主控制器11再输出级位转换控制信号，使控制该开关K1的输出端与手动输入端接通，将级位控制权交还给司机。

当装置工作不正常时，可以通过一解锁开关，禁止装置对过分相进行自动控制，由司机手动进行操作，此时级位控制转换开关K1的输出端与手动输入端接通。

本实施例中的A/D转换电路采用同时具有隔离和放大作用的AD202芯片，D/A转换电路由AD558和AD620组成，AD558在0～1.5V范围内线性度最佳，因此主控制器11输出的级位控制信号先由AD558在此范围内D/A变换，再由AD620放大10倍后输出至机车级位控制电路，提高级位控制精度。

通讯接口15采用具有长距离驱动和防干扰能力强的隔离485串行通讯接口，CPU11可通过该接口实时接收TAX箱的当前速度、时间、位置，以及车次、司机号等信息。

由于主断路器中为强电流，主控制器11和主断路器之间的采用两级继电器来控制，其中一级继电器的控制电压为5V，二级继电器的控制电压为110V。如图3所示，主断路器控制模块17由二组二级继电器组成。第一组继电器的一级继电器J11接受主控制器11输出的主断路器断开控制信号，二级继电器J12受一级继电器J11的输出信号控制，其输出信号至主断路器跳闸控制电路；第二组继电器的一级继电器J21接受主控制器11输出的主断路器闭合控制信号，二级继电器受J22一级继电器J21的输出信号控制，其输出信号至主断路器合闸控制电路；主控制器11以此来断开或闭合主断路器。同时将从主断路器辅助触点上采集到的闭合或开断状态信号反馈至主控制器11。

A端显示盒19和B端显示盒21分别设置在机车两端的司机室内，通过屏蔽电缆与主控制器11相连，盒的面板上设有六个状态指示灯，分别用于指示装置正常、装置故障、过分相预示、级位控制(指级位是由CPU还是操纵手柄控制)、主断路器断开、主断路器闭合等状态。此外，显示盒内还装有故障报警用的发声器，使本装置具有声光报警功能。通过显示盒的设置，司机可以及时了解装置及机车自动过分相的状况，保证过分相控制的顺利完成。譬如，当CPU 111检测到故障时，司机室内的显示盒会发出声光报警，司机可以将装置解锁，改由司机进行手动的过分相操作，如果司机发现过分相装置没有正常地进行分相预示，也可及时进行应急的过分相操作，使得本装置具备故障预示功能。

以上详细说明了本发明实施例的自动过分相装置，为了程序工作更为合理，具体算法中，考虑到司机可能手动参与，在步骤100之间可增加一判断装置是否解锁的步骤，若是，退出自动过分相过程，若否，进行下一步；此处，还可在步骤130和步骤150之前分别增加一个判断主断路器是否已断开的步骤，若是，则直接跳到步骤160，若否，则顺序执行后续步骤。

图5所示自动过分相及电量转储装置可以实现本发明控制方法中所述的采集分相点公里标的功能。除于上述自动过分相装置的模块外，该装置还包括由主控制器11控制切换的通讯转换开关K2，及与主控制器11连接的IC卡接口电路41和数据无线收发模块43，其中通讯转换开关K2具有与TAX箱相连的第一输入端、与机车智能电表连接的第二输入端，以及一个和通讯接口15连接的输出端。主控制器与TAX箱、智能电度表以及与地面的无线通讯接收的均为数字信号。

机车智能电表可准确计量机车的电量信息。主控制器11通过与该智能电表通讯，可实时读取并记录弓网电压。装置在机车实际运行采集分相点公里标时，自动过分相控制不工作，在快经过分相点时主控制器11通过控制通讯转换开关K2，与智能电表通讯实时读取弓网电压值，当读取的弓网电压为零时，主控制器11马上切换通讯转换开关K2，从TAX箱读取的公里标就是该分相点处的公里标数值。

智能电表除了弓网电压外，还可以记录频率、电流、正向有功、正向无功、反向有功、反向无功等等电量信息，但是独立电表不能结合时间、位置信息来记录机车的弓网电压变化曲线，频率变化曲线，机车用电电流变化曲线，也不能实现电力机车能耗的分时、分段计量与结算。而本发明的自动过分相及电量转储装置则可实现这些功能。该装置的主控制器11每隔一段时间(如1s)将通讯转换开关K2切换一次，通过通讯接口15交替式地与智能电表和TAX箱通讯，当TAX箱内的时间、位置、速度等信息满足设定的记录条件时，或者智能电表的电量信息满足设定的记录条件时，向主控制器11发出中断信号，主控制器11判断出中断信号发出处后从其中读取相应数据并存储到数据记录存储器115中。记录条件可以根据需要设定，如公里标可以每变化1公里记录一次，正向有功、正向无功、反向有功、反向无功可以按达到规定的时间、速度为零、换站等条件记录。将电量数据通过时间、公里标加以关联，就可以实现电能分时、分段计量的要求。

当然，在机车正常运行过程中，如果已进入自动过分相过程，就须一直与TAX箱保持通讯，在完成过分相过程后，再恢复轮流通讯的方式。

这些数据可以通过IC卡接口电路41转储到地面计算机系统，将IC卡插入装置面板上的转储插口下载数据，利用相应的处理软件对记录的数据进行分析，就可得到能耗随时间或位置的变化曲线，实现电能的分段计量与结算。为了更方便地与地面进行交换，装置上还增设了一个数据无线收发模块43，在机车回库时用无线方式将数据传送至地面计算机系统。

通过结合TAX箱、智能电表和操纵手柄级位的信息，还可以得到弓网电压变化曲线、频率变化曲线、电流变化曲线、级位变化曲线等。除此之外，将电量信息与装置中存储的司机号、车次、机车号等信息关联，可以方便地实现对电量的分人、分车、分时的统计。

如果将图5中的通讯转换开关K2取消，而改用两个通讯接口分别与智能电表和TAX箱连接，就可以不再靠转换开关的切换来轮流通讯，只须依靠程序循环访问智能电表和TAX箱，接受中断信号，并在自动过分相过程中拒绝响应其它请求，同样可以实现本发明实施例中自动过分相及电量计量转储装置的功能。

如果单纯为了实现电量的分时分段计量和转储功能，使用主控制器11、通讯接口15、通讯转换开关K2、IC卡接口电路41或/及数据无线收发模块43组成的装置，或者使用主控制器，两个通讯接口、IC卡接口电路或/及数据无线收发模块组成的装置即可。

因此，本发明的保护范围应当以权利要求为准，对本发明技术方案所作的等同变化应当属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种电力机车的自动过分相控制方法，由车载的自动过分相装置来实现仿人自动过分相的控制，包括以下步骤：

(c)根据实时获取的机车当前位置、当前速度及当前手柄级位，结合下一断电标，判断机车是否进入自动过分相的有效操作距离，若否，再循环判断；若是，则进行步骤(d)；

(d)自动过分相装置获取级位控制权，将级位降到零；然后在到达断电标之前断开主断路器；

(e)判断机车是否通过合电标，若否，再循环判断；若是，闭合主断路器，并进行步骤(f)；

(f)延时一段时间等机车状态恢复后，将机车级位恢复到当前手柄级位，然后将级位控制权交还给操纵手柄，完成一次自动过分相过程。

2、如权利要求1所述的自动过分相控制方法，其特征在于，在所述步骤(c)进行机车是否进入有效操作距离的判断前，先执行以下步骤：

(a)计算机车当前位置是否进入分相预示距离，若否，再循环判断；若是，开始自动过分相过程，进行步骤(b)；

(b)判断当前车站号是否下一断电标对应的车站号，若否，结束自动过分相过程；若是，向司机室发出分相预示信号，并进行判断机车是否进入自动过分相的有效操作距离的步骤(c)。

3、如权利要求1或2所述的自动过分相控制方法，其特征在于，在自动过分相过程中降级位的方法是：机车当前级位大于机车当前速度对应级位的上一级级位时，先输出当前级位，然后每延时一段时间后降一级级位，直到机车当前级位等于机车当前速度对应级位的上一级级位，再经一个延时将级位直接降到零；若机车当前级位小于等于机车当前速度对应级位的上一级级位，则直接将级位降到零。

4、如权利要求3所述的自动过分相控制方法，其特征在于，判断机车是否进入有效操作距离的方法是：

判断机车当前级位是否小于或等于机车当前速度对应级位的上一级级位；

若是，再计算机车当前位置和断电标之间的距离，若该距离小于等于设定的保险距离，则机车进入有效操作距离；若该距离大于保险距离，机车未进入有效操作距离；

若否，再计算以当前速度运行，在距离断电标一设定的保险距离时级位为零的降一级级位时间Δt：

$\mathrm{\Δt}=\frac{|l-l_0|-\mathrm{\Δ}{l}_2}{(n-n_1)v}$

其中，n₁为机车当前速度对应级位的上一级级位，n为机车当前级位，v为机车当前速度，Δl₂为设定的保险距离，l为机车当前位置，l₀为断电标，该断电标是根据每一分相点与断电标之间距离要求计算出来并存储在装置中，而分相点的公里标是在机车实际运行中测量弓网电压为零处的公里标得到的；

再将Δt与设定的降一级级位最大延时时间Δt_max比较，若Δt＞Δt_max，机车未进入有效操作距离；若Δt≤Δt_max，机车已进入有效操作距离。

5、一种电力机车的自动过分相控制装置，包括主控制器以及与主控制器连接的级位控制模块、通讯接口、主断路器控制模块及显示盒，所述级位控制模块用于采集操纵手柄级位并输入主控制器，将主控制器发出的级位控制信号转换后输出至机车级位控制电路，并可根据主控制器的级位转换控制信号将级位控制权在操纵手柄和主控制器之间切换，所述通讯接口与机车安全信息综合监测装置相连，可实现主控制器与机车安全信息综合监测装置之间的实时通讯，所述主断路器控制模块可根据主控制器的指令控制主断路器的闭合或断开，并将主断路器的状态反馈至主控制器，所述显示盒设置在司机室内，可显示自动过分相的工作状态，所述主控制器按如下步骤实现机车过分相的自动控制：

根据实时获取的机车当前位置、当前速度及当前手柄级位，结合下一断电标，判断机车是否进入自动过分相的有效操作距离，若否，则再循环判断；若是，则进行下一步骤；

自动过分相装置获取级位控制权，将级位降到零；然后在到达断电标之前断开主断路器；

判断机车是否通过合电标，若否，则再循环判断；若是，闭合主断路器，并进行下一步骤；

延时一段时间等机车状态恢复后，将机车级位恢复到当前手柄级位，然后将级位控制权交还给操纵手柄，完成一次自动过分相过程。

6、如权利要求5所述的自动过分相控制装置，其特征在于，所述级位控制模块包括：由机车工作端位决定其得电或失电的端位信号继电器及该继电器的一至四号触点、级位控制转换开关，以及与主控制器连接的A/D转换电路和D/A转换电路，所述一号触点为一端与机车两端中第一端的操纵手柄相连的常闭触点，二号触点为一端与机车两端中第二端的操纵手柄相连的常开触点，三号触点为一端与机车第一端的机车级位控制电路连接的常闭触点，四号触点为一端与机车第二端的机车级位控制电路连接的常开触点，所述级位控制转换开关具有手动输入端、自动输入端和一个输出端，其中手动输入端与A/D转换电路以及一号、二号触点的另一端相连，自动输入端与D/A转换电路相连，输出端与三号、四号触点的另一端相连，所述主控制器可控制该级位控制转换开关的输出端与手动输入端或者与自动输入端接通，使操纵手柄或者主控制器获得级位控制权。

7、如权利要求5或6所述的自动过分相控制装置，其特征在于，所述主控制器包括CPU及与CPU连接的地址锁存器、程序存储器、数据存储器、数据记录存储器、晶振时钟电路、电源监控和复位电路、地址译码器，所述电源监控和复位电路检测到电源电压低于正常值时，发出复位信号将CPU复位；正常工作时，所述CPU每隔固定的时间将该电源监控和复位电路的一管脚跳变一次，如果在规定的时间无跳变，该电源监控和复位电路发出复位信号将CPU复位，直到其正常工作。

8、如权利要求5或6所述的自动过分相控制装置，其特征在于，所述显示盒有两个，分别设置在机车的两端司机室内，通过电缆与主控制器相连，所述两个显示盒上设有指示装置正常、装置故障、过分相预示、级位控制、主断路器断开、主断路器闭合等状态的指示灯。

9、如权利要求5或6所述的自动过分相控制装置，其特征在于还包括由主控制器控制切换的通讯转换开关，以及与主控制器连接的IC卡接口电路和/或数据无线收发模块，所述通讯转换开关具有与机车安全信息综合监测装置相连的第一输入端、与机车智能电表相连的第二输入端，以及一个和所述通讯接口相连的输出端，所述主控制器按以下方法实现电量的计量转储：主控制器每隔一段时间将通讯转换开关切换一次，通过通讯接口交替式地与智能电表和机车安全信息综合监测装置通讯；当机车安全信息综合监测装置内的时间、位置、速度等信息满足设定的记录条件时，或者智能电表的电量信息满足设定的记录条件时，向主控制器发出中断信号，主控制器判断出中断信号源后从中读取相应数据并加以存储，然后通过所述IC卡接口电路转储到地面计算机系统，及/或通过数据无线收发模块在机车回库时用无线方式将数据传送至地面计算机系统。

10、如权利要求5或6所述的自动过分相控制装置，其特征在于还包括由第二通讯接口以及与主控制器连接的IC卡接口电路和/或数据无线收发模块，所述第二通讯接口两端分别与机车智能电表和主控制器连接，所述主控制器按以下方法实现电量的计量转储：当机车安全信息综合监测装置内的时间、位置、速度等信息满足设定的记录条件时，或者智能电表的电量信息满足设定的记录条件时，向主控制器发出中断信号，主控制器读取相应数据并加以存储，然后通过所述IC卡接口电路及/或通过数据无线收发模块转储到地面计算机系统。

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