AC 25 kV供電市域動(dòng)車組控制策略研究

何丹爐，侯小強(qiáng)

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

市域鐵路在“四網(wǎng)融合”中處于城際鐵路和城市軌道交通之間，起“承上啟下”、駁接分流作用，服務(wù)范圍為50～100 km[1]，設(shè)計(jì)列車速度為100～160 km/h，滿足1 h通勤圈快速通達(dá)出行需求[2]。因此市域動(dòng)車組最高運(yùn)行速度高于城軌車輛，載客能力、牽引制動(dòng)性能與城軌車輛相當(dāng)，舒適度遠(yuǎn)優(yōu)于城軌車輛[3]。市域動(dòng)車組優(yōu)良的運(yùn)行性能可有力地為城市中心城區(qū)連接周邊城鎮(zhèn)組團(tuán)及其城鎮(zhèn)組團(tuán)之間提供公交化、大運(yùn)量、快速便捷的通勤服務(wù)[2]，并與高速動(dòng)車組、城際動(dòng)車組、城軌車輛等一道，構(gòu)建了我國(guó)完整的鋼輪鋼軌車輛型譜，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了市域動(dòng)車組不同速度等級(jí)、不同編組形式的系列化、譜系化，有效促進(jìn)“四網(wǎng)融合”。

本文在分析城際動(dòng)車組、城軌車輛運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)和控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出AC 25 kV供電的市域A、B、C、D型市域動(dòng)車組[2](以下簡(jiǎn)稱“市域動(dòng)車組”)的控制策略，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供頂層技術(shù)支撐。

1 運(yùn)營(yíng)工況分析

市域動(dòng)車組的高速段(120～160 km/h，近期也有200 km/h的速度等級(jí)需求)與城際動(dòng)車組的中低速段重合；市域動(dòng)車組的低速段(100～120 km/h)與城軌車輛的高速段重合，頻繁啟停、大載客量與潮汐客流、救援要求等與城軌車輛相同。因此市域動(dòng)車組設(shè)計(jì)需綜合上述特殊需求進(jìn)行對(duì)比分析、統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

1.1 供電制式及系統(tǒng)配置

市域鐵路線路較長(zhǎng)(50～100 km)、最高運(yùn)行速度達(dá)140～160 km/h(甚至達(dá)200 km/h)，此時(shí)市域動(dòng)車組需采用AC 25 kV接觸網(wǎng)供電[2]，地面線路、高架橋、車輛段宜采用柔性接觸網(wǎng)，隧道內(nèi)可采用剛性接觸網(wǎng)(也有部分采用柔性接觸網(wǎng))，因此受電弓選型需同時(shí)滿足柔性、剛性、高低速受流等不同工況要求。

AC 25 kV供電市域動(dòng)車組需配置受電弓、真空斷路器、避雷器、接地保護(hù)開(kāi)關(guān)及牽引變壓器、牽引變流器，動(dòng)拖比宜采用1∶1、2∶1或3∶1[2]。2∶1或3∶1的動(dòng)拖比適用于行車密度大、跟蹤時(shí)間短的運(yùn)營(yíng)線路，此時(shí)市域動(dòng)車組具有與城軌車輛同樣的加減速性能[1]。

1.2 負(fù)載補(bǔ)償

市域鐵路以服務(wù)通勤客流為主，因此市域動(dòng)車組不但載客量大、載重大，而且客流呈現(xiàn)潮汐式特征，載荷變化率大，因此牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)載荷工況自動(dòng)調(diào)節(jié)性能，滿足不同載客量下的加減速要求。

1.3 頻繁啟停與精準(zhǔn)停車

針對(duì)市域鐵路站點(diǎn)較多、站間距多樣(平均站間距3 km左右，長(zhǎng)的達(dá)6～10 km)以及站臺(tái)設(shè)置屏蔽門等情況，市域動(dòng)車組既要頻繁啟停，又要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車。

1.4 應(yīng)急處理

城際動(dòng)車組具有運(yùn)行速度高、站間距較大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、車站容量大且人員流動(dòng)性較小、AC 25 kV供電故障后安全隱患大等特點(diǎn)，途中故障處置原則是就地排查，避免故障擴(kuò)大化，因此配有專門的機(jī)械師，通過(guò)人工復(fù)位、切除、下車檢查、滾動(dòng)試驗(yàn)等手段確保后續(xù)運(yùn)行安全可靠，對(duì)線路積壓的敏感度相對(duì)較低。

城軌車輛具有運(yùn)行速度低、運(yùn)行距離短、發(fā)車密度大、車站容量小且人員流動(dòng)大、DC 1 500 V供電安全系數(shù)較高等特點(diǎn)，采用單司機(jī)值乘且不能隨便離開(kāi)司機(jī)室，途中發(fā)生重大故障的處置原則是列車盡快行駛到下一站清客，避免因線路停運(yùn)而導(dǎo)致旅客積壓車站。

市域動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)模式與城軌車輛一致，包括單司機(jī)值乘、公交化運(yùn)營(yíng)，但市域動(dòng)車組運(yùn)行速度高，發(fā)車密度偏小，運(yùn)行距離長(zhǎng)；高壓系統(tǒng)配置則與城際動(dòng)車組相同，包括AC 25 kV高壓供電、安全防護(hù)措施等。因此，市域動(dòng)車組的應(yīng)急處理需滿足2個(gè)條件：一是確保故障發(fā)生后能夠可靠切除；二是避免單點(diǎn)故障影響運(yùn)營(yíng)秩序。同時(shí)需進(jìn)一步提高智能化水平，通過(guò)自復(fù)位、趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)判等保證行車安全，減少人工參與，提高效率，盡量避免影響行車秩序。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)控制策略

2.1 高壓系統(tǒng)控制

高壓系統(tǒng)控制的基本原則是確保列車AC 25 kV供電安全，并具備故障運(yùn)行能力。

2.1.1 系統(tǒng)配置

受電弓、真空斷路器、接地保護(hù)開(kāi)關(guān)等實(shí)施冗余設(shè)計(jì)(圖1)，這樣如果一條高壓回路上的高壓設(shè)備發(fā)生故障，則可以可靠隔離該回路，同時(shí)立即啟用另一條供電回路；如果是高壓電纜組件發(fā)生局部故障，則可通過(guò)高壓隔離開(kāi)關(guān)及時(shí)切除該段線路，保證另一段高壓電纜組件正常輸送AC 25 kV電能，滿足故障運(yùn)行需要。

2.1.2 故障定位

高壓系統(tǒng)需重點(diǎn)關(guān)注接地、短路等導(dǎo)致的過(guò)流隱患故障，通過(guò)圖1中的電流互感器CT3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)車頂高壓貫穿母線及電纜終端的故障精準(zhǔn)定位，有效避免因高壓系統(tǒng)的單點(diǎn)故障導(dǎo)致全列喪失牽引。

圖1 市域動(dòng)車組高壓系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 牽引系統(tǒng)控制

牽引系統(tǒng)控制的基本原則是確保牽引指令及牽引能力按照設(shè)定模式可靠實(shí)施。

2.2.1 指令冗余

牽引系統(tǒng)相關(guān)控制指令包括使能、方向、指令、級(jí)位，通過(guò)軟硬件同時(shí)發(fā)送給牽引變流器。其中，使能、方向信號(hào)涉及行車安全，在一個(gè)交路的全過(guò)程一直有效，因此采用硬線信號(hào)控車、軟件校驗(yàn)報(bào)警為宜；指令、級(jí)位信號(hào)主要目的是調(diào)整車速，需根據(jù)行車需求頻繁切換，因此可執(zhí)行軟件指令。

2.2.2 牽引封鎖及旁路

在列車運(yùn)行中發(fā)生異常情況時(shí)，應(yīng)立刻封鎖牽引，以防擦輪、冒進(jìn)等現(xiàn)象發(fā)生。異常情況主要包括：制動(dòng)指令有效，單車制動(dòng)未緩解；超速；門狀態(tài)信號(hào)丟失；緊急制動(dòng)等。需特殊說(shuō)明的是：考慮到隧道內(nèi)停車不利于疏散旅客且易引發(fā)恐慌，可結(jié)合運(yùn)營(yíng)需求適當(dāng)修改控制策略，例如：“門關(guān)閉且鎖閉”信號(hào)丟失時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)降速等措施來(lái)降低其危害程度。

旁路的目的是：在發(fā)生某種影響列車運(yùn)營(yíng)的故障時(shí)(如車門故障、司機(jī)警惕裝置故障等)，在保證安全的前提下，通過(guò)旁路操作，使列車可以轉(zhuǎn)為降級(jí)模式繼續(xù)運(yùn)行，或運(yùn)行至下一站清客。旁路設(shè)計(jì)不僅應(yīng)使旁路控制精準(zhǔn)有效，還要避免誤操作導(dǎo)致的控制功能喪失、丟失，因此嚴(yán)禁隨意旁路，以防導(dǎo)致?tīng)恳芈肥Э亍９试试S旁路的條件必須清晰、精準(zhǔn)，符合場(chǎng)景工況?？紤]到市域動(dòng)車組沒(méi)有配置隨車機(jī)械師，司機(jī)室允許旁路的條件僅2個(gè)：一是指令旁路，僅限于門狀態(tài)信號(hào)丟失；二是狀態(tài)旁路，僅限于制動(dòng)不緩解。在第一條情形下為防止人員跌落，需人工隔離故障門，或者通過(guò)視頻等方式查看車門關(guān)閉狀態(tài)；在第二條情形下，為避免抱閘行車，要求司機(jī)持續(xù)按壓強(qiáng)迫緩解按鈕，或者人工隔離故障車廂截?cái)嗳T。

2.2.3 故障運(yùn)行和救援能力

市域鐵路站點(diǎn)多、站間距差異大、線路條件不一，對(duì)應(yīng)要求市域動(dòng)車組啟動(dòng)頻繁、加速能力強(qiáng)，因此牽引電動(dòng)機(jī)除啟停頻繁、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩外，還應(yīng)具有長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能力，以及極端工況下短時(shí)過(guò)載能力和救援能力。

列車在超員載荷工況下的故障運(yùn)行和救援能力為：(1)當(dāng)列車損失1/4動(dòng)力時(shí)，能在正線最大坡道上啟動(dòng)并運(yùn)行至線路終點(diǎn)站；(2)當(dāng)列車損失1/2動(dòng)力時(shí)，應(yīng)能在正線最大坡道上啟動(dòng)并運(yùn)行至最近車站；(3)一列空載列車能在正線最大坡道上牽引另一列相同編組、超員載荷的無(wú)動(dòng)力列車運(yùn)行至下一車站。

綜合考慮速度等級(jí)和安裝空間等因素，目前速度等級(jí)小于160 km/h的市域動(dòng)車組多用自通風(fēng)型牽引電動(dòng)機(jī)，但該型電動(dòng)機(jī)面臨尺寸加大和功率提升受限、安裝困難等不利因素，因此應(yīng)大力推進(jìn)永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)在市域動(dòng)車組上的應(yīng)用。

2.3 制動(dòng)系統(tǒng)控制

制動(dòng)系統(tǒng)控制的基本原則是確保制動(dòng)指令可靠下發(fā)及執(zhí)行，實(shí)施故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)，允許有條件強(qiáng)制旁路，以便列車能夠在特定條件下維持運(yùn)行。

2.3.1 指令冗余

制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)控制包括緊急制動(dòng)、快速制動(dòng)、常用制動(dòng)、制動(dòng)指令及制動(dòng)級(jí)位等。其中，緊急制動(dòng)安全等級(jí)最高，必須由硬線指令直接驅(qū)動(dòng)緊急制動(dòng)電磁閥，不能通過(guò)軟件控制；快速制動(dòng)可由硬線指令驅(qū)動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)；常用制動(dòng)指令及制動(dòng)級(jí)位以軟件指令優(yōu)先，這是因?yàn)槌Ｓ弥苿?dòng)的施加頻次遠(yuǎn)高于緊急制動(dòng)和快速制動(dòng)，而且主要用于調(diào)速。

與城軌車輛相比，市域動(dòng)車組運(yùn)行速度較高、制動(dòng)距離較長(zhǎng)，為了防止檔位切換過(guò)程中出現(xiàn)盲區(qū)，所有制動(dòng)指令宜遵循向下兼容原則，即高級(jí)別指令有效時(shí)，應(yīng)同時(shí)觸發(fā)低級(jí)別的所有制動(dòng)指令，且制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行高級(jí)別指令。為避免硬件電路異常導(dǎo)致指令失效，宜采取互斥原則，即緊急制動(dòng)、常用制動(dòng)指令為失電觸發(fā)，快速制動(dòng)指令為得電觸發(fā)；當(dāng)常用制動(dòng)指令有效但制動(dòng)級(jí)位無(wú)效時(shí)，應(yīng)執(zhí)行100%常用制動(dòng)。另外，當(dāng)檢測(cè)到單車制動(dòng)不緩解時(shí)，為避免擦輪，此時(shí)應(yīng)觸發(fā)全列制動(dòng)確保列車停車。

2.3.2 旁路條件

制動(dòng)旁路是在制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法緩解空氣制動(dòng)壓力情況下的臨時(shí)措施。電路上除停放、緊急制動(dòng)外，不允許提供旁路功能。停放旁路是指單車停放功能失效時(shí)，采取人工隔離措施后單車操作隔離開(kāi)關(guān)；緊急旁路是指短時(shí)間內(nèi)無(wú)法排查故障原因而強(qiáng)制建立緊急制動(dòng)環(huán)路以便繼續(xù)運(yùn)行。需特殊強(qiáng)調(diào)的是：在任何情況下，緊急制動(dòng)按鈕都不允許被旁路，ATP緊急制動(dòng)指令只能通過(guò)ATP隔離開(kāi)關(guān)旁路。

2.3.3 觸發(fā)緊急制動(dòng)的條件

為兼顧安全和運(yùn)營(yíng)秩序，緊急制動(dòng)環(huán)路采取分級(jí)管理，分為禁止自動(dòng)緩解、允許自動(dòng)緩解兩類條件。禁止自動(dòng)緩解的條件為：列車發(fā)生了重大故障，需要人工排查及確認(rèn)，例如停放制動(dòng)異常施加、緊急制動(dòng)和警惕裝置觸發(fā)等。此類條件一旦觸發(fā)，除了必須停車外，還要求必須人工復(fù)位才允許緩解。允許自動(dòng)緩解的條件主要包括總風(fēng)壓力短時(shí)降低、方向手柄零位、ATP緊急制動(dòng)指令等，此類條件一旦恢復(fù)即允許緊急制動(dòng)環(huán)路自動(dòng)建立。

2.4 車門系統(tǒng)控制

車門系統(tǒng)控制的基本原則是確保任何情況下客室側(cè)門都能按指令可靠打開(kāi)、關(guān)閉。

2.4.1 指令冗余

車門系統(tǒng)相關(guān)控制指令主要包括零速防護(hù)、開(kāi)門使能、打開(kāi)指令、關(guān)閉指令、門壓緊等。為確保指令傳輸?shù)目煽啃约鞍踩?，采用貫穿指令線驅(qū)動(dòng)所有門控器，此時(shí)門控器執(zhí)行硬線指令，軟件指令僅用于校驗(yàn)及報(bào)警提示。另外，貫穿指令線的驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)考慮冗余驅(qū)動(dòng)，避免單點(diǎn)故障導(dǎo)致指令失效；布線路徑應(yīng)重點(diǎn)考慮火災(zāi)防護(hù)性能，確保極端工況下指令仍能有效傳輸。

2.4.2 安全防護(hù)及應(yīng)急疏散

對(duì)于車門系統(tǒng)而言，列車運(yùn)行時(shí)可靠關(guān)閉、列車靜止時(shí)允許打開(kāi)是必須滿足的2個(gè)基本要求。無(wú)論是電氣元件、電路控制，還是機(jī)械機(jī)構(gòu)，都需要考慮開(kāi)門、關(guān)門2個(gè)方向的失效模式。關(guān)門控制應(yīng)通過(guò)冗余設(shè)計(jì)來(lái)確保安全防護(hù)要求，例如零速時(shí)車門自動(dòng)關(guān)閉(并維持一定的保持力避免被推開(kāi))、速度高于10 km/h時(shí)自動(dòng)壓緊，即使其中一個(gè)功能失效也能確保車門關(guān)閉。開(kāi)門控制一是需要設(shè)置冗余電路確保指令可靠下發(fā)(例如多路斷路器供電、兩路速度信號(hào)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)指令線等)，二是應(yīng)預(yù)設(shè)簡(jiǎn)單易行的手動(dòng)操作措施(例如設(shè)置緊急解鎖手柄、門控器斷電即可撤銷壓緊等)，確保應(yīng)急疏散時(shí)能夠快速打開(kāi)車門。

2.5 狀態(tài)監(jiān)測(cè)及應(yīng)急牽引功能

市域動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)途中不允許因?yàn)榕挪楣收隙L(zhǎng)時(shí)間停車。為降低人工依賴度，提升故障處理水平，提高運(yùn)行安全性能，今后走行部及關(guān)鍵系統(tǒng)/設(shè)備應(yīng)通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、專家智庫(kù)等智能化手段對(duì)列車的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，增強(qiáng)列車的可用性和安全性。

2.5.1 故障智能定位及自動(dòng)處置

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電氣回路狀態(tài)，提供故障發(fā)生位置。然后通過(guò)TCMS遠(yuǎn)程控制功能對(duì)不同的故障采取復(fù)位、隔離、切除等相應(yīng)措施，避免故障擴(kuò)大化。

2.5.2 狀態(tài)預(yù)判、提前整修

采集各電氣回路、電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)化算法、趨勢(shì)判斷等方式逐步完善電氣系統(tǒng)模型，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，立即采取對(duì)應(yīng)措施，減少因行車故障造成的影響。

2.5.3 應(yīng)急牽引

列車的硬件配置須保證單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致列車無(wú)法運(yùn)行，但針對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴等極端工況，應(yīng)分級(jí)管理。第一，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)/設(shè)備設(shè)置遠(yuǎn)程斷電復(fù)位功能，通過(guò)重啟設(shè)備的方式最大限度消除軟件故障；第二，設(shè)置備用指令硬線及限速要求，并由各子系統(tǒng)完善自身故障保護(hù)機(jī)制，從而保障列車安全可靠運(yùn)行至下一站。

3 結(jié)論及展望

本文提出的市域動(dòng)車組控制策略將有力地保障市域動(dòng)車組運(yùn)行安全，有效提高運(yùn)用效率，與此同時(shí)，下一步應(yīng)大力推進(jìn)永磁牽引、碳化硅變流器等技術(shù)在市域動(dòng)車組上的研究應(yīng)用，以期綠色智能型下一代市域動(dòng)車組早日投入運(yùn)用。