福州地鐵1號線輔助供電系統(tǒng)擴展供電設(shè)計

胡正偉，董利芳，焦芳芳，高興華，馬子奕

（中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北唐山063035）

福州地鐵1號線輔助供電系統(tǒng)擴展供電設(shè)計

胡正偉，董利芳，焦芳芳，高興華，馬子奕

（中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北唐山063035）

簡要分析了地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的3種供電技術(shù)特點，介紹了應(yīng)用于福州地鐵1號線的擴展供電技術(shù)電氣設(shè)計、控制接口信號設(shè)計及TCMS實施擴展供電的邏輯設(shè)計。

福州地鐵1號線；擴展供電；電氣設(shè)計；控制邏輯

福州市軌道交通1號線一期工程（以下簡稱福州地鐵1號線）采用B2型電動客車，編組方式4動2拖：Tc1－Mp1－M1－M2－Mp2－Tc2。福州地鐵1號線車輛由中車唐山公司集成制造，牽引電氣及控制系統(tǒng)由株洲中車時代電氣提供。全線采用直流1 500 V接觸網(wǎng)供電方式，輔助供電系統(tǒng)采用擴展供電技術(shù)。于2016年5月在南段9站開通試運營以來，經(jīng)運營測試，輔助供電系統(tǒng)能充分滿足列車的正常運營需求。本文針對福州地鐵1號線擴展供電技術(shù)設(shè)計進行分析。

1 地鐵車輛3種輔助供電技術(shù)

地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)存在3種供電技術(shù)：交叉供電、并網(wǎng)供電和擴展供電［1］。正常情況下，3種供電技術(shù)的供電性能相同；降級模式下，存在一定的差異。降級模式分為3種情況：輔助供電單元（以下簡稱SIV）自身故障、母線局部短路故障和列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（以下簡稱TCMS）故障。

SIV自身故障時，并網(wǎng)供電和擴展供電在供電網(wǎng)絡(luò)上冗余設(shè)計，保證除空調(diào)等保證乘客舒適度的設(shè)備外，其余關(guān)鍵設(shè)備能正常工作。

母線局部短路故障時，對于交叉供電技術(shù)，兩路交流供電母線分別為列車兩組交流負載供電，相關(guān)供電線路的SIV故障時將被保護而處于封鎖狀態(tài)，則該供電線路上的交流負載將停止運行；對于并網(wǎng)供電技術(shù)，各SIV輸出至同一條貫穿全列的交流母線上，當交流母線上某一點發(fā)生短路故障時，則整列車的交流供電母線受到影響，則全列交流負載將停止運行，直至短路故障排除；對于擴展供電技術(shù)，由于兩個牽引單元的供電線路由擴展接觸器分斷，此時只需要斷開局部短路故障的母線，另一牽引單元的供電不受影響。

TCMS故障時，對于交叉供電技術(shù)，輔助供電系統(tǒng)可正常運行，僅有一些過程數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)無法被列車控制系統(tǒng)記錄；對于并網(wǎng)供電和擴展供電技術(shù)，TCMS故障將直接終止這兩種供電技術(shù)的實施，但由于TCMS采用冗余設(shè)計，完全失效的概率較低，而且本地控制模式也能保證列車設(shè)備的正常運營，只是不能進行優(yōu)化配置。

在方案設(shè)計階段，綜合3種供電技術(shù)的特點及牽引電氣供應(yīng)商的應(yīng)用業(yè)績，提報業(yè)主認可，福州地鐵1號線輔助供電系統(tǒng)最終選擇擴展供電技術(shù)。

2 電氣原理設(shè)計

擴展供電電氣原理圖如圖1所示。

圖1 擴展供電電氣原理圖

當Tc1車SIV和Tc2車SIV都正常工作時，一路交流母線貫穿整列車，但KMK處于斷開狀態(tài)，每個SIV為本單元的所有交流負載供電。當其中一個SIV故障時，TCMS控制KMK閉合，由正常工作的SIV為全列的交流負載供電，考慮到SIV的容量限制，此時對滿足乘客舒適性的空調(diào)設(shè)備進行部分減載運行，以保證空壓機、通風機、牽引及輔助系統(tǒng)的冷卻風機等重要設(shè)備正常運行［2］。

如圖1所示，在Tc1車SIV輸出側(cè)和Tc2車SIV輸出側(cè)各設(shè)計一個交流輸出檢測繼電器，即使由于某種原因誤動作引起導(dǎo)致K3吸合，只要繼電器K1、K2檢測到兩SIV裝置有交流輸出，K1、K2都吸合，此時KMK也不會吸合，各單元的交流負載分別由各自SIV供電，從而有效地保證了擴展供電電路的可靠性。

3 接口信號設(shè)計

一個SIV故障情況下，TCMS負責擴展供電功能的實施，TCMS與SIV之間的擴展供電相關(guān)接口信號通過車輛控制網(wǎng)絡(luò)傳輸或通過遠程輸入輸出模塊傳輸［］。

3.1 SIV正常信號

SIV通過車輛控制網(wǎng)絡(luò)給TCMS提供SIV正常工作信號；同時，SIV通過硬線輸出SIV正常信號，經(jīng)由遠程輸入輸出模塊提供給TCMS，以實現(xiàn)該信號的冗余輸出。當兩SIV中一個發(fā)生故障時，該SIV輸出的SIV正常信號保持低電平，TCMS通過對該SIV的通信狀態(tài)或遠程輸入輸出模塊的通信狀態(tài)進行判斷，當其他相關(guān)條件滿足時，控制擴展功能的實施。

3.2 減載信號

當一個SIV發(fā)生故障時，考慮一個SIV容量限制，為滿足重要交流負載正常工作，TCMS通過車輛控制網(wǎng)絡(luò)向空調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)送減載指令信號，空調(diào)控制系統(tǒng)收到減載指令后，控制空調(diào)壓縮機減載一半運行，并向TCMS反饋減載完成信號。

3.3 擴展指令信號

當且僅當一個SIV正常信號為高電平，且TCMS收到減載完成信號后，在其他相關(guān)條件滿足的情況下，TCMS發(fā)出減載指令信號，該信號經(jīng)由遠程輸入輸出模塊，通過硬線輸出至位于M2車的擴展供電箱，直接控制擴展供電接觸器KMK閉合，使正常SIV向列車交流母線供電。

3.4 擴展狀態(tài)反饋信號

擴展供電箱通過遠程輸入輸出模塊向TCMS反饋擴展接觸器KMK的狀態(tài)信號，即擴展狀態(tài)反饋信號，以實現(xiàn)TCMS對擴展供電相關(guān)功能的故障診斷。

4 擴展供電邏輯設(shè)計

TCMS控制擴展供電功能的實施，主要包括以下步驟：根據(jù)SIV提供的相關(guān)狀態(tài)及故障信息，負責一個SIV故障狀態(tài)下的減載操作；對擴展供電相關(guān)條件進行綜合判斷，并通過遠程輸入輸出模塊發(fā)出擴展指令；完成擴展供電功能的相關(guān)診斷。

4.1 減載控制

當一個SIV故障時，當以下相關(guān)條件均滿足時：

（1）當且僅當一個SIV工作正常（TCMS通過車輛控制網(wǎng)絡(luò)和遠程輸入輸出模塊收到的SIV正常信號為等效）。

（2）網(wǎng)壓高于DC 1 050 V并持續(xù)30 s以上。

（3）無SIV內(nèi)部短路或交流母線短路，即正常SIV未反饋過載或三相交流負載不平衡信號。

（4）TCMS與M2車遠程輸入輸出模塊（該模塊與擴展供電箱有硬線連接）通信正常。

（5）擴展供電接觸器無卡合故障。

TCMS置位空調(diào)減載指令信號為高電平，發(fā)出全列車空調(diào)負載減載指令。其控制邏輯圖如圖2所示。

TCMS發(fā)出減載指令后，空調(diào)系統(tǒng)需要在20 s內(nèi)完成減載，并通過車輛控制網(wǎng)絡(luò)向TCMS反饋減載完成信號。如果任一空調(diào)未能在20 s內(nèi)完成減載操作，則TCMS向空調(diào)發(fā)出2次減載通風指令，實施2次減載控制。

圖2 減載控制邏輯圖

4.2 擴展供電控制

TCMS發(fā)出減載指令，當空調(diào)減載完成后，即以下任一條件滿足時：

（1）TCMS發(fā)出減載指令，且收到所有空調(diào)反饋減載完成信號。

（2）TCMS發(fā)出減載指令和2次減載通風指令，且收到3個以上空調(diào)系統(tǒng)反饋處于通風狀態(tài)信號。

（3）TCMS發(fā)出減載指令和2次減載通風指令，且收到空調(diào)系統(tǒng)反饋最多12個空調(diào)壓縮機處于運行狀態(tài)。

TCMS置位擴展供電指令信號保持高電平，通過遠程輸入輸出模塊輸出至M2車擴展供電箱控制擴展供電接觸器閉合，完成擴展供電控制。其控制邏輯圖如圖3所示。

圖3 擴展供電控制邏輯圖

4.3 擴展供電診斷

擴展供電診斷為擴展供電的控制實施提供直接的輸入條件；同時，當擴展供電相關(guān)功能不能正常實施時，該診斷為相關(guān)技術(shù)人員排查故障提供很好的故障和環(huán)境數(shù)據(jù)。

擴展供電相關(guān)診斷主要包括擴展接觸器卡分故障、擴展接觸器卡合故障和空調(diào)減載故障。

（1）擴展接觸器卡分故障：當TCMS發(fā)出擴展供電指令時，擴展狀態(tài)反饋信號為低電平，且持續(xù)4 s以上，則TCMS報擴展接觸器卡分故障。

（2）擴展接觸器卡合故障：當TCMS未發(fā)出擴展供電指令時，擴展狀態(tài)反饋信號為高電平，且持續(xù)4 s以上，則TCMS報擴展接觸器卡合故障。

（3）空調(diào)減載故障：當TCMS發(fā)出空調(diào)減載指令，但空調(diào)系統(tǒng)未反饋減載完成信號，且持續(xù)20 s以上，則TCMS報該車空調(diào)減載故障。

5 結(jié)束語

福州地鐵1號線輔助供電系統(tǒng)采用擴展供電技術(shù)，與交叉供電技術(shù)相比，福州地鐵1號線車輛輔助供電系統(tǒng)具有布線簡便、施工方便和集成性高的優(yōu)點；與并網(wǎng)供電技術(shù)相比，當出現(xiàn)內(nèi)部或外部短路故障時，能使正常SIV立即對列車交流母線供電，保證列車重要負載正常工作，具有故障冗余能力強的特點。另外，由于該系統(tǒng)在正常工作時每個單元的供電是獨立的，因此負載波動只影響本單元而不會對另一單元有影響，系統(tǒng)具有抗負載電流沖擊能力強的優(yōu)點。福州地鐵1號線擴展供電電氣設(shè)計可靠性較高，TCMS控制邏輯設(shè)計清晰，從列車試驗數(shù)據(jù)和正線運營數(shù)據(jù)分析，擴展供電技術(shù)能充分滿足用戶需求。

［1］ 胡正偉，焦芳芳.淺析廣佛線地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)［J］.鐵道機車車輛，2014，34（4）：66-70.

［2］ 熊成林，馮曉云.不同結(jié)構(gòu)的列車輔助供電系統(tǒng)分析與比較［J］.機車電傳動，2008，（2）：15-19.

［3］ 中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會.城軌車輛車載控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送規(guī)范（第2版）［Z］.2012.

Design of Extended Power Supply for Auxiliary Power Supply System of Fuzhou Metro Line 1 Vehicles

HU Zhengwei，DONG Lifang，JIAO Fangfang，GAO Xinghua，MA Ziyi
（Product＆Technology Research Center，CRRC Tangshan Co.，Ltd，Tangshan 063035 Hebei，China）

Three kinds of auxiliary power supply technology for metro vehicles are presented.The electrical design，as well as the input and output control signals design，and TCMS control logic design for extended power supply of Fuzhou metro line 1 vehicles are expounded.

Fuzhou metro line 1；extended power supply；electrical design；control logic

U239.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.27

1008－7842（2016）06－0105－03

7—）男，助理工程師（

2016－07－16）