一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法和系统与流程

1.本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法和系统。


背景技术：

2.制动电阻器是轨道车辆牵引变流系统的重要组成部分，主要功能是释放直流环节的电能量和避免直流环节电压过高。动车组牵引变流器通常为交直交拓扑结构，中间直流环节挂有制动电阻器；城轨车辆牵引变流器通常为直交拓扑结构，在直流环节挂有制动电阻器；制动电阻器的挂接方式，通常都是在直流环节斩波支路的功率开关器件一侧与接地点之间进行电阻挂接。制动电阻器的作用原理是把直流环节多余的电能消耗在制动电阻上，转换为热能。然而制动电阻器过度使用会导致其温度升高，严重情况会导致其损坏甚至烧损融化。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法和系统，通过此方案，基于较易获取的实时直流母线瞬时电压、斩波支路瞬时电流和斩波支路控制脉冲的实时占空比，对制动电阻器的实时温度进行估算，并在估算出的实时温度超出设定阈值之后控制牵引变流器进行对应的保护操作，从而达到对制动电阻器稳定工作进行有效保障的目的。
4.有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法，所述方法包括：
5.在当前采集周期内，对制动电阻器所在牵引变流器的直流母线瞬时电压、斩波支路瞬时电流和斩波支路控制脉冲的实时占空比进行持续采集得到第一采集数据集合；
6.根据所述第一采集数据集合进行估算参数准备处理，生成对应的第一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1；
7.根据所述第一电压参数u1、所述第一电流参数i1和所述第一占空比电压参数du1，进行本周期制动电阻器实时功率估算生成对应的第一功率p1；
8.根据所述第一功率p1，进行本周期制动电阻器升温估算生成对应的第一升温数据
△
t；
9.根据所述第一升温数据
△
t，进行本周期制动电阻器温度估算生成对应的第一电阻温度t；
10.对所述第一电阻温度t是否超出预设的温度阈值进行判断，若超出所述温度阈值则向所述牵引变流器发送保护指令，控制所述牵引变流器进行对应的保护操作。
11.优选的，所述第一采集数据集包括多个第一数据组；所述第一数据组包括第一瞬时电压u
meas
、第一瞬时电流i
meas
和第一实时占空比d
meas
。
12.优选的，所述根据所述第一采集数据集合进行估算参数准备处理，生成对应的第
一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1，具体包括：
13.对所述第一采集数据集合的所有所述第一瞬时电压u
meas
进行均值计算生成所述第一电压参数u1；
14.对所述第一采集数据集合的所有所述第一瞬时电流i
meas
进行均值计算生成所述第一电流参数i1；
15.根据各个所述第一数据组的所述第一瞬时电压u
meas
和所述第一实时占空比d
meas
计算生成对应的第一结果s，s＝d
meas
*(u
meas
)2；并对得到的所有所述第一结果s进行均值计算生成所述第一占空比电压参数du1。
16.优选的，所述根据所述第一电压参数u1、所述第一电流参数i1和所述第一占空比电压参数du1，进行本周期制动电阻器实时功率估算生成对应的第一功率p1，具体包括：
17.获取前一个采集周期的制动电阻器温度估算结果，生成对应的前一电阻温度t’；
18.根据所述前一电阻温度t’，查询反映电阻温度与电阻值、热阻值和热容值对应关系的第一对应关系表，获得对应的第一电阻值r
’1；
19.根据所述第一电压参数u1、所述第一占空比电压参数du1和所述第一电阻值r1’
，计算生成第二电流参数i2，
20.计算所述第一电流参数i1和所述第二电流参数i2的差值生成对应的第一电流差，若所述第一电流差处于预设的合理差分范围之内则将所述第一电流参数i1作为优选电流参数ig，若所述第一电流差处于所述合理差分范围之外则将所述第二电流参数i2作为所述优选电流参数ig；
21.根据所述第一电压参数u1和所述优选电流参数ig，对本周期制动电阻器实时功率进行估算生成所述第一功率p1，p1＝ig×
u1。
22.进一步的，所述方法还包括：
23.若所述第一电流差处于所述合理差分范围之外，则对所述制动电阻器对应的斩波支路故障进行预警。
24.优选的，所述根据所述第一功率p1，进行本周期制动电阻器升温估算生成对应的第一升温数据
△
t，具体包括：
25.获取前一个采集周期的制动电阻器升温估算结果，生成对应的前一升温数据
△
t’；并获取当前轨道车辆的实时车速生成对应的第一车速v；
26.根据所述前一电阻温度t’查询所述第一对应关系表，获得对应的第一热阻值r
’2和第一热容值c
’1；
27.根据所述第一车速v，查询反映实时车速与车速系数对应关系的第二对应关系表，获得对应的第一车速系数k；并根据所述第一车速系数k和所述第一热阻值r
’2计算得到第二热阻值r
’3，r
’3＝k*r
’2；
28.根据所述第一功率p1、所述前一升温数据
△
t’、所述第二热阻值r
’3和所述第一热容值c
’1，对本周期制动电阻器的升温数据进行估算生成所述第一升温数据
△
t，ts为预设的单个采集周期的时长。
29.优选的，所述根据所述第一升温数据
△
t，进行本周期制动电阻器温度估算生成对应的第一电阻温度t，具体包括：
30.获取实时环境温度生成对应的第一环境温度数据t
env
；并根据所述第一升温数据
△
t和所述第一环境温度数据t
env
，对本周期制动电阻器的温度进行估算生成所述第一电阻温度t，t＝t
env

△
t。
31.优选的，所述牵引变流器对所述保护指令进行识别，当所述保护指令为封锁脉冲指令时，对所述制动电阻器对应的斩波支路的控制脉冲进行封锁。
32.本发明实施例第二方面提供了一种用于实现上述第一方面提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法的系统，所述系统包括：牵引变流器、快速运算单元、慢速运算单元和网络接口；
33.所述牵引变流器包括制动电阻器；
34.所述快速运算单元用于在当前采集周期内，通过所述牵引变流器对与所述制动电阻器对应的直流母线瞬时电压、斩波支路瞬时电流和斩波支路控制脉冲的实时占空比进行持续采集得到第一采集数据集合；并根据所述第一采集数据集合进行估算参数准备处理，生成对应的第一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1；并将所述第一电压参数u1、所述第一电流参数i1和所述第一占空比电压参数du1向所述慢速运算单元发送；
35.所述慢速运算单元用于根据所述第一电压参数u1、所述第一电流参数i 1
和所述第一占空比电压参数du1，进行本周期制动电阻器实时功率估算生成对应的第一功率p1；并根据所述第一功率p1，进行本周期制动电阻器升温估算生成对应的第一升温数据
△
t；并根据所述第一升温数据
△
t，进行本周期制动电阻器温度估算生成对应的第一电阻温度t；并对所述第一电阻温度t是否超出预设的温度阈值进行判断，若超出所述温度阈值则向所述牵引变流器发送保护指令，控制所述牵引变流器进行对应的保护操作；
36.所述牵引变流器用于对所述保护指令进行识别，并根据识别结果执行对应的保护操作流程；
37.所述慢速运算单元还用于通过所述网络接口从所述轨道车辆的控制系统对实时环境温度和轨道车辆的实时车速进行获取；所述网络接口通过多功能车辆总线通信或以太网通信方式与所述慢速运算单元连接。
38.优选的，所述制动电阻器具体为所述牵引变流器的内部制动电阻组件，或所述牵引变流器的外部制动电阻组件；
39.所述快速运算单元的工作周期时长为tf，所述慢速运算单元的工作周期时长为ts，ts与tf成整数倍关系，ts＝n*tf，n为正整数；所述采集周期的时长与所述慢速运算单元的工作周期时长一致均为ts。
40.本发明实施提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法和系统，采用持续迭代的方式对制动电阻器温度进行估算，首先基于实时直流母线瞬时电压、斩波支路瞬时电流和斩波支路控制脉冲的实时占空比获得制动电阻器的实时功率，然后基于功率估算结果以及前次估算的升温信息对当次升温数据进行估算，然后基于实时环境温度与当次升温估算结果进一步得到当次制动电阻器的实时温度估算结果；并在得到实时温度估算结果之后，对其是否超出设定阈值进行判断，若超出阈值则进一步控制牵引变流器进行对应的保护操作。通过本发明，在不额外增设其他测量设备的前提下，就能得到制动电阻器的实时温
度信息，对制动电阻器稳定工作起到了有效的保障作用。
附图说明
41.图1为本发明实施例一提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法示意图；
42.图2为本发明实施例一提供的直流环节拓扑结构图；
43.图3为本发明实施例二提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护系统的结构示意图。
具体实施方式
44.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
45.图1为本发明实施例一提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法示意图，如图1所示，本方法包括以下步骤：
46.步骤1，在当前采集周期内，对制动电阻器所在牵引变流器的直流母线瞬时电压、斩波支路瞬时电流和斩波支路控制脉冲的实时占空比进行持续采集得到第一采集数据集合；
47.其中，第一采集数据集包括多个第一数据组；第一数据组包括第一瞬时电压u
meas
、第一瞬时电流i
meas
和第一实时占空比d
meas
。
48.这里，制动电阻器与所在牵引变流器的斩波支路的挂接关系如图2为本发明实施例一提供的直流环节拓扑结构图所示，制动电阻器(制动电阻器1、2)在直流环节斩波支路(斩波管1、2所在支路)的功率开关器件(斩波管1、2)一侧与接地点之间进行电阻挂接；直流母线瞬时电压也就是图中的第一瞬时电压u
meas
，斩波支路瞬时电流也就是图中的第一瞬时电流i
meas
，斩波支路控制脉冲的实时占空比可由车辆控制系统处获得。
49.步骤2，根据第一采集数据集合进行估算参数准备处理，生成对应的第一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1；
50.具体包括：步骤21，对第一采集数据集合的所有第一瞬时电压u
meas
进行均值计算生成第一电压参数u1；
51.这里，实际就是对由多个第一瞬时电压u
meas
构成的单周期电压变化信号进行一次均值滤波；
52.步骤22，对第一采集数据集合的所有第一瞬时电流i
meas
进行均值计算生成第一电流参数i1；
53.这里，实际就是对由多个第一瞬时电流i
meas
构成的单周期电流变化信号进行一次均值滤波；
54.步骤23，根据各个第一数据组的第一瞬时电压u
meas
和第一实时占空比d
meas
计算生成对应的第一结果s，s＝d
meas
*(u
meas
)2；并对得到的所有第一结果s进行均值计算生成第一占空比电压参数du1。
55.这里，第一占空比电压参数du1将用于后续步骤计算比较电流。
56.步骤3，根据第一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1，进行本周期制动电阻器实时功率估算生成对应的第一功率p1；
57.具体包括：步骤31，获取前一个采集周期的制动电阻器温度估算结果，生成对应的前一电阻温度t’；
58.这里，因为本发明采用持续迭代的方式对制动电阻器温度进行估算，每一个采集周期对应一次迭代过程，每次迭代过程会输出两个结算结果：当次升温估算结果和当次的电阻温度估算结果；对应的，前一电阻温度t’就是前一次迭代产生的电阻温度估算结果；需要说明的是，若本次采集周期为第一个采集周期，也就是说本次迭代为第一个迭代过程，那么为避免迭代过程过长，可默认将前一电阻温度t’设为一个未超出指定温控阈值范围的较大值；
59.步骤32，根据前一电阻温度t’，查询反映电阻温度与电阻值、热阻值和热容值对应关系的第一对应关系表，获得对应的第一电阻值r1’
；
60.其中，所述第一对应关系表包括多个第一对应关系记录；第一对应关系记录包括第一电阻温度字段、第一电阻值字段、第一热阻值字段和第一热容值字段；第一电阻温度字段中的温度信息为一个温度范围信息；
61.根据前一电阻温度t’，查询反映电阻温度与电阻值、热阻值和热容值对应关系的第一对应关系表时，对第一对应关系表的所有第一对应关系记录进行轮询，并将当前被轮询的第一对应关系记录记为当前记录；若前一电阻温度t’满足当前记录的第一电阻温度字段的温度范围，则将当前记录的第一电阻值字段提取出来作为对应的第一电阻值r
’1，并结束所有轮询；若前一电阻温度t’不满足当前记录的第一电阻温度字段的温度范围，则转至下一条第一对应关系记录继续轮询；
62.步骤33，根据第一电压参数u1、第一占空比电压参数du1和第一电阻值r
’1，计算生成第二电流参数i2，
63.这里，第二电流参数i2是基于斩波支路控制脉冲的占空比推算出的电流信息；
64.步骤34，计算第一电流参数i1和第二电流参数i2的差值生成对应的第一电流差，若第一电流差处于预设的合理差分范围之内则将第一电流参数i1作为优选电流参数ig，若第一电流差处于合理差分范围之外则将第二电流参数i2作为优选电流参数ig；
65.需要说明的是，若第一电流差处于合理差分范围之外，本发明实施还会对制动电阻器对应的斩波支路故障进行预警；
66.这里，在与制动电阻器对应的斩波支路未发生故障或制动电阻器未发生故障时理论电流也就是第二电流参数i2应与实际电流也就是第一电流参数i1应非常接近，二者的差值也就是第一电流差应处于预设的合理差分范围之内，此时为后续步骤的温度估算更接近真实值，优选实际电流也就是第一电流参数i1作为优选电流参数ig参与后续步骤的温度估算；但在斩波支路发生故障或制动电阻器发生故障时，理论电流也就是第二电流参数i2与实际电流也就是第一电流参数i1的电流差势必会超出合理差分范围之外，此时，为不中断整体的迭代过程，本发明实施例采用理论电流也就是第二电流参数i2作为优选电流参数ig参与后续步骤的温度估算，与此同时，本发明实施例会立即对制动电阻器对应的斩波支路故障进行预警；
67.步骤35，根据第一电压参数u1和优选电流参数ig，对本周期制动电阻器实时功率进行估算生成第一功率p1，p1＝ig×
u1。
68.步骤4，根据第一功率p1，进行本周期制动电阻器升温估算生成对应的第一升温数据
△
t；
69.具体包括：步骤41，获取前一个采集周期的制动电阻器升温估算结果，生成对应的前一升温数据
△
t’；并获取当前轨道车辆的实时车速生成对应的第一车速v；
70.这里，如前文所述，每次迭代过程会输出两个结算结果：当次升温估算结果和当次的电阻温度估算结果；对应的，前一升温数据
△
t’就是前一次迭代产生的升温估算结果；需要说明的是，若本次采集周期为第一个采集周期，前一升温数据
△
t’可设为0或一个预设的正常升温数据范围内的较高值，默认会设为正常升温数据范围内的较高值，这样默认设定方式是为了在初始上电或者初始运算就有问题的情况下可以尽快报出故障预警信息；
71.步骤42，根据前一电阻温度t’查询第一对应关系表，获得对应的第一热阻值r
’2和第一热容值c
’1；
72.这里，在根据前一电阻温度t’查询第一对应关系表，获得对应的第一热阻值r
’2和第一热容值c
’1时，对第一对应关系表的所有第一对应关系记录进行轮询，并将当前被轮询的第一对应关系记录记为当前记录；若前一电阻温度t’满足当前记录的第一电阻温度字段的温度范围，则将当前记录的第一热阻值字段和第一热容值字段提取出来作为对应的第一热阻值r
’2和第一热容值c
’1，并结束所有轮询；若前一电阻温度t’不满足当前记录的第一电阻温度字段的温度范围，则转至下一条第一对应关系记录继续轮询；
73.步骤43，根据第一车速v，查询反映实时车速与车速系数对应关系的第二对应关系表，获得对应的第一车速系数k；并根据第一车速系数k和第一热阻值r
’2计算得到第二热阻值r
’3，r
’3＝k*r
’2；
74.其中，第二对应关系表包括多个第二对应关系记录；第二对应关系记录包括第一车速字段和第一车速系数字段；第一车速字段中的车速信息为一个车速范围信息，并带有正向行驶和反向行驶的方向性，具体为正向行驶则车速为正值、反向行驶则车速为负值；
75.这里，在根据第一车速v，查询反映实时车速与车速系数对应关系的第二对应关系表，获得对应的第一车速系数k时，对第二对应关系表的所有第二对应关系记录进行轮询，并将当前被轮询的第二对应关系记录记为当前记录；若第一车速v满足当前记录的第一车速字段的车速范围，则将当前记录的第一车速系数字段提取出来作为对应的第一车速系数k，并结束所有轮询；若第一车速v不满足当前记录的第一车速字段的车速范围，则转至下一条第二对应关系记录继续轮询；
76.第一热阻值r
’2为制动电阻器的标定热阻，第二热阻值r
’3为本发明实施例基于实时车速、行驶方向对标定热阻进行增、减微调生成的更接近真实的实时热阻；
77.步骤44，根据第一功率p1、前一升温数据
△
t’、第二热阻值r
’3和第一热容值c
’1，对本周期制动电阻器的升温数据进行估算生成第一升温数据
△
t，ts为预设的单个采集周期的时长。
78.这里，制动电阻器发热功率也就是第一功率p1，减去热平衡功率也即是的功率差值也就是导致制动电阻器继续升温的加热功率，以该加热功率乘以单次迭代周期时长ts就可以得到导致制动电阻器升温的能量损耗，以该能量损耗除以制动电阻热容也就是第一热容值c
’1就可以得到当次迭代周期升温数据与前次迭代周期升温数据差值也就是δt-δt
′
，基于上述推论，则可以得到并由此计算出本次迭代过程的升温数据也就是第一升温数据
△
t。
79.步骤5，根据第一升温数据
△
t，进行本周期制动电阻器温度估算生成对应的第一电阻温度t；
80.具体包括：获取实时环境温度生成对应的第一环境温度数据t
env
；并根据第一升温数据
△
t和第一环境温度数据t
env
，对本周期制动电阻器的温度进行估算生成第一电阻温度t，t＝t
env

△
t。
81.步骤6，对第一电阻温度t是否超出预设的温度阈值进行判断，若超出温度阈值则向牵引变流器发送保护指令，控制牵引变流器进行对应的保护操作。
82.这里，在每个采集周期对应的迭代过程中，都要对得到的制动电阻器的电阻温度估算结果也就是第一电阻温度t进行判断，并基于判断结果对制动电阻器以及与制动电阻器关联的斩波支路进行保护，如此就能达到对制动电阻器进行实时监督与保护的目的。
83.需要说明的是，牵引变流器会对保护指令进行识别并根据识别结果执行对应的保护流程；保护指令可以由多种指令类型，在保护指令具体为其中一种指令类型即封锁脉冲指令时牵引变流器的处理过程如下所示：牵引变流器对保护指令进行识别，当保护指令为封锁脉冲指令时，对制动电阻器对应的斩波支路的控制脉冲进行封锁。
84.图3为本发明实施例二提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护系统的结构示意图，如图3所示，该系统包括：牵引变流器101、快速运算单元102、慢速运算单元103和网络接口104。
85.牵引变流器101包括制动电阻器。
86.这里，制动电阻器具体为牵引变流器101的内部制动电阻组件，也可为牵引变流器101的外部制动电阻组件。
87.快速运算单元102用于在当前采集周期内，通过牵引变流器101对与制动电阻器对应的直流母线瞬时电压、斩波支路瞬时电流和斩波支路控制脉冲的实时占空比进行持续采集得到第一采集数据集合；并根据第一采集数据集合进行估算参数准备处理，生成对应的第一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1；并将第一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1向慢速运算单元103发送。
88.慢速运算单元103用于根据第一电压参数u1、第一电流参数i1和第一占空比电压参数du1，进行本周期制动电阻器实时功率估算生成对应的第一功率p1；并根据第一功率p1，进行本周期制动电阻器升温估算生成对应的第一升温数据
△
t；并根据第一升温数据
△
t，进行本周期制动电阻器温度估算生成对应的第一电阻温度t；并对第一电阻温度t是否超出预设的温度阈值进行判断，若超出温度阈值则向牵引变流器101发送保护指令，控制牵引变流
器101进行对应的保护操作。
89.需要说明的是，快速运算单元102的工作周期时长为tf，慢速运算单元103的工作周期时长为ts，ts与tf成整数倍关系，ts＝n*tf，n为正整数；采集周期的时长与慢速运算单元103的工作周期时长一致均为ts。
90.牵引变流器101用于对保护指令进行识别，并根据识别结果执行对应的保护操作流程。
91.慢速运算单元103还用于通过网络接口104从轨道车辆的控制系统对实时环境温度和轨道车辆的实时车速进行获取；网络接口104通过多功能车辆总线通信或以太网通信方式与慢速运算单元103连接。
92.本发明实施例二提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护系统，可以执行上述方法实施例中的方法步骤，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
93.综上所述，本发明实施例中提供的一种轨道车辆制动电阻器温度估算保护方法和系统的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：1、本发明构建制动电阻器的温升计算实时迭代模型，模型根据电阻器的功率损耗、热阻、热容实时计算电阻器温升，结合环境温度计算出制动电阻器的实时温度，该方法实时性强，准确度较高；2、本发明的电阻器功率损耗的计算根据牵引变流器的斩波环节电压和电流信息，且对于斩波电流信息又从两种计算方案产生的结果(第一电流参数i1和第二电流参数i2)中进行比对优选，若比对发现错误说明斩波和制动电阻器支路上有传感器或者线路损坏，提高了对制动电阻器的保护力度；3、本发明提出的温度估算迭代模型中，电阻器的电阻值、电阻器的热容值和电阻器的热阻值均考虑器件自身的温度系数(即温度影响效应)，并且电阻器热阻值在其自身特性参数的基础上还考虑了反映不同列车方向和不同列车运行速度(第一车速系数k)对电阻器热阻的影响。相较于常规使用外设温测设备的测量方法，本发明一不用增设设备，二不受外部测量环境的影响，三通过循环迭代能够持续获得实时的估算信息，从而能够更好的实现对制动电阻器温度的持续监控与保护作用。
94.专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
95.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
96.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。