HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)特點(diǎn)

翟啟斌

摘要

通過HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)與交直傳動客運(yùn)機(jī)車的列車供電控制系統(tǒng)分析比較，詳細(xì)闡述了HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的技術(shù)特點(diǎn)。HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)已裝車六百多臺，其性能不斷完善并充分得到了現(xiàn)場驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車 列車供電控制系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn)

長期以來，我國客運(yùn)電力機(jī)車發(fā)展停滯不前，160km/h級別的主要車型仍以2000年前后研制的SS8、SS9G、SS7E等交直傳動機(jī)車為主，其牽引功率受到了一定限制，列車供電系統(tǒng)存在功能簡陋、信息化程度低、器件停產(chǎn)采購困難等缺點(diǎn)，且車型開始老化，需要逐步退役。為了填補(bǔ)機(jī)車空缺以及適應(yīng)客運(yùn)市場的發(fā)展，2011年開始，我國主要機(jī)車制造企業(yè)開始著手研制新型時速160-200km/h級別的客運(yùn)交流傳動電力機(jī)車。新型客運(yùn)電力機(jī)車的要求是運(yùn)行速度在160km/h，整車功率7200kW，軸式為Co-Co。

對此，由中車株洲電力機(jī)車有限公司根據(jù)HXD1C平臺研發(fā)出了HXD1D型準(zhǔn)高速交流傳動電力機(jī)車。為保證HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行質(zhì)量，因此對列車供電控制系統(tǒng)進(jìn)行多項(xiàng)優(yōu)化改進(jìn)，以滿足機(jī)車技術(shù)進(jìn)步及可靠性的需要。

1 總體思路

HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)充分吸收了交直傳動客運(yùn)機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，此次一并在新開發(fā)的列車供電控制系統(tǒng)中統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一解決。

HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用了先進(jìn)的晶閘管整流器微機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)，采用了新型微機(jī)控制芯片，充分貫徹了模塊化的設(shè)計(jì)思想，提高了產(chǎn)品的可靠性和技術(shù)含量。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)中，對系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)由供電控制插件、脈沖分配插件、網(wǎng)卡板插件、數(shù)字入出插件、開關(guān)電源插件、轉(zhuǎn)換控制插件、背板等7個基本通用模塊組成，并采用冷備冗余設(shè)計(jì)方式提高系統(tǒng)可靠性，可實(shí)現(xiàn)列車供電系統(tǒng)的晶閘管整流器控制、系統(tǒng)級故障保護(hù)、輸出側(cè)客車接地保護(hù)、對外通訊等功能。如圖1所示。

列車供電系統(tǒng)的數(shù)字量邏輯信號從數(shù)字入出插件輸入，經(jīng)數(shù)字入出插件的電平轉(zhuǎn)換后送入插件內(nèi)的微機(jī)控制芯片，然后再通過并行數(shù)據(jù)總線傳送給供電控制插件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的邏輯控制。

供電控制插件的微機(jī)控制系統(tǒng)采用了DSP+PowerPC+FPGA的多重CPU架構(gòu)：DSP采用了全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司TI的數(shù)字信號處理芯片，它主要完成并行數(shù)據(jù)總線管理、總線上各插件的數(shù)據(jù)交換以及特性、參數(shù)保護(hù)等控制功能，Power PC是一種RISC架構(gòu)的CPU芯片，它完成人機(jī)接口等功能;FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列芯片，它完成板內(nèi)邏輯及外圍信號的采集與預(yù)處理，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量、并從總線獲取其他數(shù)字量信息。

供電控制插件的對外控制數(shù)字開關(guān)量通過并行數(shù)據(jù)總線送至數(shù)字入出插件內(nèi)的微機(jī)控制芯片，并經(jīng)數(shù)字入出插件完成電平轉(zhuǎn)換后輸出驅(qū)動接觸器。

脈沖分配插件根據(jù)供電控制插件的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成晶閘管的觸發(fā)脈沖陣列信號，經(jīng)放大后驅(qū)動列車供電系統(tǒng)的晶閘管整流器。脈沖分配插件主要由兩部分組成：以FPGA為主的微機(jī)控制系統(tǒng)及其外圍電路、脈沖放大電路。FPGA及其外圍電路實(shí)現(xiàn)與總線的接口及對同步信號進(jìn)行濾波、形成與脈沖相關(guān)控制信號、同時用編程的方式實(shí)現(xiàn)脈沖陣列的形成與分配。

轉(zhuǎn)換控制插件是為完成系統(tǒng)冗余切換而設(shè)計(jì)的。在系統(tǒng)進(jìn)行冗余切換時，將外部傳感器的電源、脈沖輸出等進(jìn)行相應(yīng)切換。另外轉(zhuǎn)換控制還完成了部分模擬信號的轉(zhuǎn)換功能。

與交直傳動客運(yùn)機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)相比，HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)改進(jìn)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)如下：

（1）整個列車供電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化處理，無論是PI調(diào)節(jié)計(jì)算、特性控制、故障保護(hù)還是數(shù)字輸入輸出處理，并且通過總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，抗干擾性更好，控制精度更精確。

（2）系統(tǒng)采用了兩套完全相同的A/B兩組進(jìn)行冷備冗余，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（3）系統(tǒng)采用背板的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行各插件間的低壓信號和高壓信號傳遞，并且設(shè)置了有效的安全間距，屏蔽效果好、質(zhì)量更可靠。

2.2 A/B組冗余

HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)由7個基本通用模塊組成，按照功能劃分符合串聯(lián)系統(tǒng)的定義，其基本模型如下（圖2）。

根據(jù)基本可靠性框圖可得，與之對應(yīng)的HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)的基本可靠性數(shù)學(xué)模型為：

其中，t為系統(tǒng)工作時間，R_s（t）為系統(tǒng)可靠度，λ為系統(tǒng)的等效失效率，MTBF為系統(tǒng)平均故障間隔時間。

因此在串聯(lián)系統(tǒng)中提高各子系統(tǒng)中元器件、模塊的可靠度，即可有效提高系統(tǒng)可靠性。但是由于HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電系統(tǒng)關(guān)系到廣大旅客乘車的安全及舒適度，高可靠性己成為考核系統(tǒng)和設(shè)備的重要指標(biāo)。這種情況下，除了采取單個模塊的可靠性外，容錯技術(shù)成為了滿足連續(xù)性運(yùn)行要求，提高控制系統(tǒng)可靠性和可用性的首選手段。冗余就是容錯技術(shù)常見也是現(xiàn)行的最穩(wěn)定可靠的方式。如圖3。

根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)定義，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：Rs（t）——系統(tǒng)的可靠度;

Ri（t）——第i個單元的可靠度。

并聯(lián)系統(tǒng)中隨著冗余子系統(tǒng)數(shù)量的增加，其系統(tǒng)的可靠度越高，平均無故障時間（MTBF）也會增加。

HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)冷備份冗余設(shè)計(jì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）對影響系統(tǒng)可靠性指標(biāo)較大的所有控制插件進(jìn)行了冗余，基本避免了因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)問題而造成的機(jī)破。

（2）電源是整個控制系統(tǒng)得以正常工作的動力源泉，一旦電源單元發(fā)生故障，往往會使整個控制系統(tǒng)的工作中斷，造成嚴(yán)重后果，因此對電源系統(tǒng)進(jìn)行了冗余。

（3）由于需要通過網(wǎng)絡(luò)對外傳遞相關(guān)控制命令信號，同樣也采用了冗余網(wǎng)卡和冗余網(wǎng)絡(luò)接口。

（4）A/B組的所有插件實(shí)現(xiàn)完全的統(tǒng)一，插件的互換性非常強(qiáng)。

2.3 大數(shù)據(jù)

交直傳動客運(yùn)機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)對外提供的數(shù)據(jù)信息非常少，僅傳送了輸出電壓、輸出電流和三四個故障信息。而HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車為了提高列車供電系統(tǒng)的信息化能力，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)能力建設(shè)，目前把HXD1D列車供電系統(tǒng)內(nèi)所有信息都對外輸出：

（1）模擬信號：列車供電系統(tǒng)的交流輸入電壓/輸入電流、直流輸出電壓/輸出電流、接地電壓以及電度量信息。

（2）數(shù)字信號：列車供電柜內(nèi)真空接觸器、快熔、閘刀、繼電器等開關(guān)狀態(tài)信號。

（3）故障信息：列車供電柜發(fā)生的故障信息，包括直流過壓、直流過流、直流接地等。

同時在HXD1D機(jī)車上加裝了列供監(jiān)測子系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測、記錄列車供電系統(tǒng)的狀態(tài)。HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)對外輸出的信息量可靠而且完整，有利于促進(jìn)機(jī)車信息化，提高維護(hù)檢修的效率。

2.4 簡統(tǒng)化、模塊化

簡統(tǒng)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想貫穿于HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車冗余列車供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，在設(shè)計(jì)中充分吸收了韶山客運(yùn)機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并在功能模塊的合并簡化與通用的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大幅優(yōu)化。

HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)采取了統(tǒng)一的控制邏輯、統(tǒng)一完善的功能——在簡化了原先較為繁雜的控制系統(tǒng)的同時，將主電路接觸器和接地判斷的控制權(quán)統(tǒng)一收歸控制系統(tǒng)，并統(tǒng)一提供電度量顯示。

3 結(jié)束語

目前，HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)已累計(jì)裝車六百多臺，并在鐵路總公司下屬的武漢鐵路局、廣州鐵路局、上海鐵路局等路局投入運(yùn)用。我國京廣、滬昆等鐵路干線上的直達(dá)特快、部分特快和快速列車的列車供電均使用到了此套系統(tǒng)，其性能不斷完善并得到驗(yàn)證。

HXD1D客運(yùn)電力機(jī)車列車供電控制系統(tǒng)的推廣，將有助于提升我國機(jī)車裝備的技術(shù)水平，同時大大提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，減少維修工作量，大幅減少電氣系統(tǒng)維修成本，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文章

[1]吳強(qiáng).客運(yùn)列車供電系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動，2003，5：54-61.

[2]王小方.電力機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)的改進(jìn)[J].機(jī)車電傳動，2004（04）：41-44.

[3]蔡杰，林波.電力機(jī)車列車供電系統(tǒng)接地研究[J].電氣技術(shù)，2015，16（05）：78-81.