摘要：随着超级电容储能供电的有轨电车应用，以及有轨电车车辆运维管理水平的要求不断提高，原场/段采用人工手动操作对有轨电车进行补/充电人方式，已不能满足有轨电车车辆在日间客运发车高峰期或车辆夜间回场/段后，需要在极短时间内对多列有轨电车进行快速补/充电的工作。
本文提出一种可无人值守，更安全可靠，效率更高的全新智能控制的循环充电系统解决方案，来解决场段多列车短时快速挪车并补/充电的需求。
在硬件配置上，场段安装两座以上的大电流充电装置，通过多个接触器、双极隔离开关的组合，形成一个充电电源互为备用，每一轨道又相互独立的充电网。
在软件方面，结合原有电力监控的体系，集成“实时在线监测”、“实时车辆行驶安全预警图像处理”模块，软、硬件进行完美融合。
通过“软硬结合”的系统方案，整合在线设备监控功能、视频在线安全预警功能、远程操作、远程控制、电力能管（共享于电力监控）功能，借助交换机的实时数据交换，工控机实时数据分析，进行总体场/段补/充电的协调管理控制工作，可以有效解决城市有轨电车线路运营网络覆盖化后，多线共用的场/段实行无人值守的超级电容补/充电需求。且系统通过多重安全判断的机制，使运营更安全可靠，通过共享电力监控数据分折功能，使能源使用效率进行可视化监控，完全能达到场/段多列车短时快速挪车并安全稳定补/充电的运营需求。
关键词：超级电容储能，有轨电车，车辆段，停车场，智能，循环充电，系统方案
一、绪论
现代有轨电车，是一种采用大容量低地板车辆、集成先进电力牵引、车辆制动、通信信号及空调等系统，运量适中、环境友好、资源节约的绿色交通工具。
基于超级电容能量密度不高的特性，因此有轨电车车辆在日间客运发车高峰期或车辆夜间回场/段后，需要在极短时间内对多列车辆进行快速补/充电。目前对车辆超级电容的补/充电，一般采用人工手动切换的方式，需要检修中心、调度中心多人、长时间的协调工作，人力成本高。另一方面，车辆超级电容的补/充电工作，对操作人员的操作技术要求高，特别是在夜间车辆检修时，可能需要在检修车间、车库进行多列车辆的多次挪车，耗电量大需要多次对不同车辆进行连续补/充电工作，工作强度相当大。
随着有轨电车运营管理的水平要求不断提高，本文提出一种可无人值守，更安全可靠，效率更高的全新智能控制的循环充电系统解决方案，来解决场段多列车短时快速挪车并补/充电的需求。
二、文章主体
以一个形成有轨电车运营网络覆盖化规划的城市而言，通常会在有轨电车的两至三条线路的交叉位置设置车辆段。因此当一个停车场的轨道数目大于8条或以上时，为了确保运营的安全性，达到充电不间断的目的，需要在场段安装两座以上的大电流充电装置，通过多个接触器、双极隔离开关的组合，形成一个充电电源互为备用，又每一轨道相互独立的充电网。同时为了远程安全操作，需要同时集成后台设备在线监控、远程轨道与车辆在线视频监控。
2.1：主要电气硬件组成说明
如下图1所示，有轨电车场/段循环充电智能控制系统设备主要由如下几个部分组成：
1）整流变压器；
含1台或2台容量为1250Kva的干式整流变压器，用于把从馈线柜过来的10kv电源，转换成双抽头输出的三相690伏交流电源；
2）PWM整流斩波快充柜；
含两台最大电流可达到1800A，最高电压达到900伏的PWM整流斩波快充柜，本文为了降低谐波，保证功率因数，选用可控IGBT AC/DC模块整流，把三相690伏的交流电源整流成大于1000伏的直流电，然后通过DC/DC模块，对充电电流、电压进行控制，对车载超级电容进行充电；
3）互为备用隔离开关柜；
含3个双极隔离直流开关，采用互锁逻辑“两通一断”，实现平时两个PWM整流斩波快充充相互独立工作，在紧急时候又能相互备用的功能；
4）智能循环充电控制柜；
内含PLC、触摸屏、操作面板、控制单元，以及依轨道数量的多少而配置对应数量的直流接解器、直流隔离开关。首先在每一个正极采用快速切换的直流接触器，实现快速把从PWM整流斩波快充柜过来的电能在每一个轨道中快速切换，但每一个轨道的充电电流又互相隔离的功能。
5）远程设备在线监控；
内含数据交换服务器与工控机，实时获取电力监控数据，并在远程监控屏幕实时显视，通过数据分析，来确保车辆安全、设备安全。
6）远程轨道与车辆在线视频监控
内含与车道对应数量的长焦距监控摄像头，通过画面警戒线的“红线预警”，可与设备在线监控进行数据匹配，对车道车辆行驶安全状态的评估与预警。
图1 有轨电车场/段循环充电智能控制系统设备构成图
2.2：主要控制与执行硬件系统组成说明：
系统设备组成如下：
1）带弯头充电轨；
最大可持续载荷直流2000A，电压1000V的两边带弯头充电轨一套，中间平直，两端带弯头，总长25~30米。用于向车辆的受电弓传导电能，并承受车辆行驶过来时的横向与纵向的冲击力。
2）旋转臂；
依充电轨长度，配置有2~3个主动臂（带减速电机，1R/60S），5~6个从动臂。旋转臂长度依场/段的安装条件，控制在3米左右，为了降低悬臂重量，选用铝合金材质。
3）主动旋转臂位置传感器
在主动旋转臂设置2~3个位置传感器，用于检测旋转臂是否打开到位，以及是否收起到位。
4）列车到位传感器
本文采用多个地感传感的方式检测方式，用于检测列车是否已停在准准位置，以确保充电时的安全可靠；
5）来车/去车传感器
来车信号传感器，至少安装两套以上，安装在离充电轨约50米的来车位置，用于检测车辆的到位，并向旋转臂发出“开臂”信号；
去车信号车信号传感器，至少安装两套以上，安装在离充电轨约5米的出车位置，用于检测车辆的离开，并在总控服务器确认半小时之内无下一列进入到此轨道充电的条件下，向旋转臂发出“收臂”信号；
6）避雷器与悬臂接地装置
用于避雷，以及充电轨收起时，保证充电轨处于接地状态，确保运维的安全。
2.3：控制逻辑流程说明
本文的控制逻辑设定三层监控与操控机制，底层设备由PLC直接进行控制，中间通过工控机进行进行网络通讯，实时设备状态上传监控与操作中心，并接收操作指令。
1）每条充电停车道设定四种状态，分别为：
车到位，待充；
正在充电；
充满；
车离开；
2）控制柜设置手动充电和自动充电模式，手动充电模式下，根据实际的充电需求，闭合相应停车道电动隔离开关，进行充电。自动模式下，在判断车辆到位后，控制柜按照预先设定的顺序，对各停车道车辆储能系统进行轮流充电。
3）在充电轨道上安装车辆到位位置传感器，传感器信号送控制柜内PLC进行处理，用以判断车辆到位。充电装置将有轨电车车载储能系统充电到预先设定电压3秒后，停止输出，并发送该车道充电完成信号到控制柜，由控制柜断开刚充电完成停车道对应隔离开关，然后闭合下一待充停车道对应隔离开关，充电装置给下一停车道有轨电车储能系统充电。当有轨电车驶出轨道后，对应轨道车辆位置传感器发送信号到控制柜PLC，将对应轨道的充电使能信号置零。
2.4：控制逻辑流程与视频监控图：
如上控制逻辑流程与视频监控，当某一列车进入相应轨道时：
1）对应轨道的来车信号激活，上传至对应的底层PLC；
2）PLC给视频监控发出“切换画面”到相应轨道界面；
3）PLC给旋转充电轨系统下达“充电臂打开”指令；
4）PLC给对应电动隔离开关下达“闭合”指令；
5）列车到位，待充，由列车底的“地感传感器”向PLC发送“列车到位”信号；
6）通过采集视频界面“列车到位”“帧”，进行“图像匹配运算”，判断列车是否处于“安全充电区域”；
7）PLC接收到“充电臂已完全打开”的信号后，同时与 “列车到位”信号、列车到达“安全充电区域”信号进行互锁确认；
8）当三者信号都确认后，PLC向对应轨道的双极隔离开关下达“闭合”指令；
9）同时，PLC向“PWM整流斩波快充柜”发出“充电使能”信号；
10）“PWM整流斩波快充柜”接收到“充电使能”信号，并确认由充电轨检测到的“车辆原有电量/电压信号”；
11）“PWM整流斩波快充柜”依“车辆原有电量/电压信号”进行充电电流、电压的调整；
12）依调整好的充电电流大小、电压大小，实时监控的状态下，对车载超级电容进行充电；
图3 控制逻辑流程与视频监控图
13）车载超级电容充满电后，电压到目标值，电流自动调整为“零”；
14）同时，PLC向对应接触器下达“打开”指令，断开连接；
15）接触器打开后，PLC再向隔离开关发出“打开”指令，断开连接；
16）最后，PLC向上位工控机上报充满电的信号，由工控机根据各个轨道PLC上传来的状态信号，统一协调下一轮该向那一轨道充电；
17）当工控机机接收到上位远程操控的信号时，下一轮的充电将“将强制优先对相应的轨道列车进行充电”；
18）如两台PWM整流斩波充电柜的其中一台出现紧急情况，且相应的轨道又有列车处于“车到位，待充”状态时，将由上位工控机进行“备用切换”进行相应充电；
三、结论
如本文提出通过“软硬结合”的系统方案：
1）整合在线设备监控功能、视频在线安全预警功能、远程操作、远程控制、电力能管（共享于电力监控）功能，借助工控机实时控制，进行总体场/段补/充电的协调管理控制工作；
2）在硬件配置上，场段安装两座以上的大电流充电装置，通过多个接触器、双极隔离开关的组合，形成一个充电电源互为备用，每一轨道又相互独立的充电网。
3）在软件方面，结合电力监控，集成“实时在线监测”、“实时车辆行驶安全预警图像处理”模块，软、硬件进行完美融合。
4）系统完全可做到现场无人值守，远程通过多重安全判断的机制，进行远程操作；
如上，本文创新提出的全新智能控制的循环充电系统解决方案，不但适合于现有项目的场/段的升级改造，也同样适合于在建新线项目。可以有效解决城市有轨电车线路运营网络覆盖化后，多条线路共用的场/段所带来的多列车辆在短时超级电容快速补/充电需求，以及解决场/段多列车频繁快速挪车带来的补/充电需求。
论文作者:郭铭峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/11
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