高速動車組新型高壓信號采集裝置的開發(fā)

劉金柱，張亞偉，蔣濤，張言偉

(1.中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心，吉林 長春 130062;2.中國北車集團(tuán) 青島四方車輛研究所有限公司 電氣事業(yè)部，山東 青島 266031;3.濟(jì)南鐵路局 供電段，山東 濟(jì)南 250001)*

0 引言

隨著近年來國人對出行需求的不斷提高，高速電動車組這一節(jié)能、快捷、舒適的交通運(yùn)輸工具越來越受到人們的青睞.每一列高速動車組的投入運(yùn)營，不但輸送了大量的客流，同時(shí)也拉動了高鐵沿線省市地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展.從運(yùn)營時(shí)速200 km的動車組到時(shí)速300 km的動車組，再到我國新研制的運(yùn)營時(shí)速達(dá)到350 km等級的動車組，我國高速電動車組的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)得到了迅猛發(fā)展.為保障高速動車組運(yùn)營的安全，必須對列車高電壓、高電流等信號進(jìn)行采集，通過對這些信號的監(jiān)視來保證動車組高壓系統(tǒng)部件處于正常工作狀態(tài)，使列車安全和旅客人身安全得到保護(hù).對于高速動車組上的高壓電壓電流信號采集技術(shù)來說，實(shí)現(xiàn)采集的方法有多種，國際知名的軌道交通領(lǐng)頭企業(yè)諸如阿爾斯通、西門子、龐巴迪、川崎重工等所采用的方法也不盡相同，并都已形成了自己特有的高壓信號采集技術(shù).隨著我國動車組技術(shù)革新的深入，技術(shù)引進(jìn)帶來的技術(shù)不兼容限制對技術(shù)革新的阻礙影響也越來越大，目前國內(nèi)尚未形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的動車組高壓信號采集技術(shù)及統(tǒng)一的信號采集接口標(biāo)準(zhǔn)，因而對國外設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的高壓信號采集設(shè)備還有很強(qiáng)的依賴性，限制了我國動車組的技術(shù)升級速度.本文通過對國內(nèi)現(xiàn)有動車組的高壓信號采集技術(shù)進(jìn)行對比分析，研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)特點(diǎn)的新型動車組高壓信號采集技術(shù).

1 高壓信號采集技術(shù)引進(jìn)現(xiàn)狀

圖1 動車組高壓信號采集示意圖

為進(jìn)行列車保護(hù)控制及列車狀態(tài)顯示，高速電動車組一般采集如下幾種高壓信號:①接觸網(wǎng)電壓信號HPT;②接觸網(wǎng)電流信號CT1;③變壓器原邊輸入電流信號CT2;④變壓器原邊接地回流電流信號CT3;⑤動車組高壓信號采集的基本方式見圖1.

目前國內(nèi)技術(shù)引進(jìn)的動車組使用的高壓信號采集技術(shù)各不相同，因此通過對高壓信號采集而實(shí)施的列車高壓部件的保護(hù)方式也不盡相同，各型動車組高壓信號采集的具體對比情況見附表［1］.

附表 各型動車組高壓信號采集對比

2 新型高壓信號采集裝置的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 新型高壓信號采集裝置的結(jié)構(gòu)

由于技術(shù)引進(jìn)的動車組使用的高壓信號采集技術(shù)各有不同且無法互相兼容，因此開發(fā)一種新型的、具有通用性的高壓信號采集裝置已成為必要，此新型裝置既可以對列車需要的高壓信號進(jìn)行采集，又可與任意一種列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行接口匹配.對于目前現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，可采集0～15 VDC模擬量信號的模塊基本上都是具備的.因此新型高壓信號采集裝置應(yīng)具有將高壓交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為低壓直流0～15 V信號的功能.

根據(jù)上述開發(fā)目的，開發(fā)出了新型高壓信號采集裝置，即高壓信號適配器單元(HVAU)，如圖2所示，此裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，由不同的板卡模塊組成.

圖2 動車組新型高壓信號適配器單元(HVAU)實(shí)物圖

2.2 新型高壓信號采集裝置的功能

新型高壓信號適配器單元(HVAU)分為如下模塊:

電源模塊(POWER):此模塊為主機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)對高壓信號進(jìn)行采集模塊的供電功能.

接觸網(wǎng)電壓采集輸入模塊(CVSM)及電壓信號處理輸出模塊(CVPM):此兩個(gè)模塊可將輸入的電壓模擬量(數(shù)值為0～150 Vac)轉(zhuǎn)換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

接觸網(wǎng)電流采集輸入模塊(CCSM)及電流信號處理輸出模塊(CCPM):此兩個(gè)模塊可將輸入的電流值模擬量(數(shù)值為0～10 Aac)轉(zhuǎn)換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

變壓器原邊輸入電流采集輸入模塊(TICSM)及電流信號處理輸出模塊(TICPM):此兩模塊可將輸入的電流值模擬量(數(shù)值為0～10 Aac)轉(zhuǎn)換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

變壓器原邊回流電流采集輸入模塊(TOCSM)和電流信號處理輸入模塊(TOCPM):此兩模塊可將輸入的電流值模擬量(數(shù)值為0～10 Aac)轉(zhuǎn)換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

高壓信號適配器單元(HVAU)同時(shí)還具有對接觸網(wǎng)電流和主變壓器輸入/輸出電流進(jìn)行過流保護(hù)的功能.為了保證電氣控制電路工作的可靠性，過流保護(hù)功能采用由HVAU和外部硬件過流繼電器并行驅(qū)動方式進(jìn)行，見圖3，從而可提高系統(tǒng)的可靠性.

圖3 HVAU過流保護(hù)功能示意圖

3 新型高壓信號采集裝置的原理

新型高壓信號適配器單元(HVAU)對電壓型/電流型信號采集處理的原理如圖4所示.

由于列車對新型高壓信號適配器單元(HVAU)的安全等級要求較高，所以在設(shè)計(jì)中采用了多路采集、相互冗余的設(shè)計(jì)思路;同時(shí)，考慮到設(shè)備高可靠性的要求，增加了在線診斷功能.整個(gè)設(shè)計(jì)主要電路包括:雙路信號采集、采樣電路在線診斷、故障輸出、狀態(tài)顯示四個(gè)部分.

雙路信號采集:將電流型/電壓型信號采集電路進(jìn)行簡統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需要更改信號輸入端口的采樣電阻就可以實(shí)現(xiàn)電壓型和電流型的轉(zhuǎn)換;由于被采樣信號由高壓電壓/電流轉(zhuǎn)換而來，其信號品質(zhì)差，一般都帶有諧波分量;因此采樣電路前級必須進(jìn)行濾波處理;處理后的信號進(jìn)入差分運(yùn)算放大電路，通過運(yùn)放電路對信號進(jìn)行必要的調(diào)理，使得信號達(dá)到可采樣的閾值;有效值分析電路主要包括信號的整流電路和積分電路，經(jīng)過此電路可以實(shí)現(xiàn)交流信號到直流信號的轉(zhuǎn)換;通過輸出電路將最終的電壓信號輸出，其輸出幅值可以按照信號需求進(jìn)行配置，為了保證輸出端口的可靠性，進(jìn)行了輸出短路和過流保護(hù);通過兩路ADC采集電路，對兩路轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)控制輸出選擇器切換輸出［2］.

采樣電路在線診斷:系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)PGA通過雙路ADC電路對兩路采集信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，在斷開高壓的情況下，可以通過系統(tǒng)自檢請求按鍵，進(jìn)行系統(tǒng)自診斷.自診斷原理為:FPGA通過DAC轉(zhuǎn)換，給定一個(gè)參考信號，經(jīng)過差分放大電路、有效值分析電路、ADC采樣電路，再將此給定進(jìn)行采樣，通過比較給定值與采樣值來判定系統(tǒng)雙路采集電路能否正常工作.

圖4 電壓型/電流型高壓信號采集處理原理框圖

過流檢查:該系統(tǒng)可以通過上位機(jī)設(shè)置過流檢測值，設(shè)定后的過流檢測值通過DAC轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)比較閾值，當(dāng)輸入信號超過此閾值時(shí)，F(xiàn)PGA進(jìn)行邏輯判斷，為了防止系統(tǒng)誤動作，需要在硬件電路和軟件中增加延時(shí)判斷功能，故障確認(rèn)后切除輸出通道，同時(shí)將該過流故障通過繼電器輸出.

故障輸出:系統(tǒng)發(fā)生故障后，通過FPGA控制故障繼電器吸合，給出故障信號.

狀態(tài)顯示:系統(tǒng)面板中設(shè)置有系統(tǒng)狀態(tài)顯示燈，可以顯示電源、自診斷、采集通道狀態(tài).

采用上述設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)擁有如下優(yōu)點(diǎn):①系統(tǒng)響應(yīng)速度快，信號的采集及有效值運(yùn)算都由高精度的硬件電路實(shí)時(shí)完成，保證了系統(tǒng)的高速相應(yīng);②系統(tǒng)的可靠性，對于信號采樣電路通過FPGA實(shí)時(shí)地在線診斷，確保采樣及運(yùn)算電路的正確可靠運(yùn)行;③系統(tǒng)具有很大的靈活性，可以容易地?cái)U(kuò)展功能.可以在一定程度上方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的邏輯控制功能和信號處理功能;④系統(tǒng)維護(hù)方便，系統(tǒng)通過軟件設(shè)計(jì)可以在線進(jìn)行自診斷，并且定位故障位置.診斷結(jié)果可以通過LED狀態(tài)顯示;⑤系統(tǒng)設(shè)計(jì)更改容易，對于接口及保護(hù)值在一定范圍內(nèi)的改動，該系統(tǒng)可以在硬件不做任何修改的情況下通過軟件升級完成系統(tǒng)的更改要求.

3 結(jié)論

新型高壓信號適配器單元(HVAU)經(jīng)過部件型式試驗(yàn)驗(yàn)證后，安裝在新一代高速動車組CRH380CL上應(yīng)用.經(jīng)過設(shè)備裝車、功能調(diào)試及整車試驗(yàn)的驗(yàn)證，新型高壓信號適配器單元達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)及實(shí)際項(xiàng)目需求，并實(shí)現(xiàn)了與日立公司列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口.

高速動車組高壓信號采集技術(shù)只是高鐵技術(shù)的一小部分，隨著我國技術(shù)創(chuàng)新的不斷深入，高鐵技術(shù)的方方面面都會進(jìn)行技術(shù)革新，我國將創(chuàng)造出源于自身的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，使我國向高鐵技術(shù)強(qiáng)國不斷邁進(jìn).

［1］張曙光.中國高速鐵路技術(shù)叢書 和諧號CRH動車組技術(shù)系列［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.2版，北京:高等教育出版社，1988.