基于TCMS的列車輔助變流器啟動及復(fù)位方法研究

許 杰，楊 川，李 宇

（中國中車長春軌道客車股份有限公司 電氣研發(fā)部，長春 130062）

輔助供電系統(tǒng)是軌道交通車輛核心組成部分，承擔(dān)著除牽引系統(tǒng)動力供電（即牽引電機所需用電）外車輛交流負載的供電，如空氣壓縮機、列車空調(diào)、照明設(shè)備等部件，蓄電池浮充電、AC380 V負載分配等輔助設(shè)備均是通過輔助供電系統(tǒng)供電[1-2]。輔助供電系統(tǒng)包括輔助變流器（SIV）和充電機、蓄電池、應(yīng)急逆變器等[3]。其中，輔助變流器作為輔助供電系統(tǒng)的核心部件，將接觸網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)化為不同等級的電壓，通過列車貫穿線傳輸給各個用電設(shè)備，以保證列車各類用電設(shè)備正常運行。

然而在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會出現(xiàn)由于列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）邏輯控制部分的失誤判斷，導(dǎo)致正常的輔助變流器被從啟動序列中隔離，引起不必要的中壓減載情況的出現(xiàn)，影響輔助變流器啟動循環(huán)的流暢性。深入分析輔助供電系統(tǒng)的工作原理和網(wǎng)絡(luò)控制方法，找出輔助變流器邏輯啟動失效故障的根本原因，有針對性地設(shè)計有效的邏輯復(fù)位條件，對確保車輛的正常運營，保障旅客的乘車安全性和舒適度具有十分重要的意義。

1 輔助供電系統(tǒng)

1.1 輔助供電系統(tǒng)主電路

列車采用母線集中供電方式，由分散布置的輔助變流器通過供電總線排向整車同相位輸出380 V（50 Hz）的三相交流電源。每輛車配置有4臺輔助變流器（簡稱：SIV1～SIV4），均為電壓控制型（可實現(xiàn)并聯(lián)同步及反饋閉環(huán)控制[4]），硬件配置、控制方式一致并相互獨立，并網(wǎng)啟動時不區(qū)分主從設(shè)備，可隨機啟動，輸出功率均為200 kVA[5]。輔助交流供電系統(tǒng)主電路如圖1所示。其中，接觸器KMK用于中壓母線擴展供電的通斷控制，接觸器KMA用于對應(yīng)輔助變流器的輸出電壓控制[6]。

圖1 輔助交流供電系統(tǒng)主電路

1.2 輔助供電系統(tǒng)TCMS控制結(jié)構(gòu)

TCMS功能強大，對供電線路發(fā)生的過載、短路、瞬間大電流沖擊、過壓、欠壓、接地等現(xiàn)象均能夠及時加以保護。同時，供電負載具有自診斷的功能和故障保護措施，確保了旅客的乘車安全。

輔助控制模塊是進行輔助控制、調(diào)節(jié)的重要模塊，主要包括主控制器、模塊控制器，負責(zé)輔助電源系統(tǒng)的控制和與TCMS通信，也可以進行不同功率變流器的控制和調(diào)節(jié)[7-8]。

TCMS與輔助控制模塊采用多功能車輛總線（MVB）進行命令、狀態(tài)和診斷信息的交互，每個供電單元的中央控制單元（CCU）通過絞線式列車總線（WTB）與其他供電單元的CCU連接，進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)輔助電源系統(tǒng)的并網(wǎng)啟動控制和故障復(fù)位操作。CCU與顯示器（HMI）連接，可以實時顯示輔助系統(tǒng)狀態(tài)[9]。網(wǎng)絡(luò)控制器框圖如圖2所示。

圖2 輔助系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制器框圖

2 TCMS控制的輔助供電系統(tǒng)啟動過程

2.1 TCMS控制分時序啟動的必要性

多臺輔助變流器運行時，其車載空調(diào)、空壓機等交流設(shè)備仍需要380 V的三相交流中壓母線電源，通常，由車載SIV將DC1 500 V的直流高壓母線電源逆變而來。單臺輔助變流器的容量無法同時滿足整列車上全部中壓負載的供電需求，并且由于車輛的負載設(shè)備大部分是泵類，直接啟動負載，會導(dǎo)致啟動的沖擊電流過大，嚴重影響列車運行狀態(tài)，因此通常由TCMS控制多臺輔助變流器的分時序啟動，并進行啟動故障檢測和排除，使車載SIV并行運行、協(xié)同工作，以建立穩(wěn)定的中壓母線電源，提高輔助供電系統(tǒng)的可靠性及安全性，提高交流中壓母線的供電質(zhì)量。

2.2 輔助變流器的啟動

2.2.1 輔助變流器內(nèi)部啟動

輔助變流器的內(nèi)部啟動是并網(wǎng)啟動的準備階段，在此過程，需要滿足并網(wǎng)啟動流程的各種準備條件。列車激活，列車蓄電池打開，TCMS正常工作，輔助變流器與TCMS通信環(huán)境良好。并網(wǎng)啟動前，每臺SIV均有自檢過程，在最初啟動階段，所有的中壓母線接觸器均保持斷開狀態(tài)。當(dāng)SIV內(nèi)部控制模塊檢測到高壓DC1 500 V和110 V控制電壓正常時，4臺SIV自行啟動，同時三相輸出接觸器短暫閉合以檢測自身供電區(qū)段是否存在短路情況，此時，TCMS控制負載不啟動。所有中壓母線接觸器KMK閉合，TCMS檢測到所有中壓母線接觸器KMK閉合信號。內(nèi)部啟動成功后，SIV通過列車通信網(wǎng)絡(luò)反饋“輔助變流器內(nèi)部正?！毙盘柦oTCMS。

2.2.2 分時序的輔助變流器并網(wǎng)啟動

當(dāng)SIV通過自檢排除設(shè)備內(nèi)部故障和母線短路故障后，自行內(nèi)部啟動，當(dāng)TCMS收到至少一個輔助變流器反饋的輔助變流器內(nèi)部正常信號后，將開始整個并網(wǎng)啟動過程。

通過控制KMA閉合，使中壓母線得到380 V電壓。TCMS將綜合輔助變流器內(nèi)部正常、中壓母線接觸器KMK已閉合、輔助變流器并網(wǎng)成功等條件，來判斷主輔助變流器并網(wǎng)啟動命令的發(fā)送和復(fù)位，監(jiān)視和控制整個并網(wǎng)啟動過程。分時序并網(wǎng)啟動過程分為3個獨立的子流程。

（1）輔助變流器主、從設(shè)備選定。如果至少有一個輔助變流器反饋輔助變流器內(nèi)部正常信號，且其啟動失效邏輯位為0，TCMS將其設(shè)置為邏輯主機，并將作為邏輯主機輔助變流器（默認為Tc1車SIV1），TC MS將當(dāng)前SIV的主/從邏輯位，置為1，使其自動成為并網(wǎng)啟動的主機，它的輸出狀況決定了中壓母線網(wǎng)絡(luò)的電壓、相位與頻率。同時將主/從邏輯位依然為0的其余3個變流器均確定為從屬輔助變流器。輔助變流器主、從設(shè)備選定子流程如圖3所示。

圖3 輔助變流器主、從設(shè)備選定子流程

（2）主輔助變流器并網(wǎng)啟動。正常情況下，主輔助變流器接收到主輔助變流器并網(wǎng)啟動指令后，會閉合其所對應(yīng)的閉合母線接觸器KMA。而后主輔助變流器會反饋輔助變流器并網(wǎng)成功信號給TCMS。如果TCMS在發(fā)出主輔助變流器并網(wǎng)啟動指令后的7 s內(nèi)，收到相應(yīng)輔助變流器反饋的成功信號，則TCMS停止發(fā)送指令。此時，母線上存在電壓，其相位和頻率由首先并網(wǎng)啟動的主輔助變流器決定。

（3）從屬輔助變流器并網(wǎng)啟動。按照從左至右的邏輯順序，TCMS逐一發(fā)送“從輔助變流器并網(wǎng)啟動”給SIV2～SIV4，延時2 s，輔助變流器SIV2～SIV4接收到TCMS發(fā)送的信號后，通過檢測母線情況立即進行內(nèi)部同步，同步后三相輸出，閉合母線接觸器KMA2～4，完成并網(wǎng)啟動，TCMS控制從屬SIV并網(wǎng)啟動的流程如圖4所示。

圖4 從屬輔助變流器并網(wǎng)啟動流程圖

整個并網(wǎng)過程歷時約8 s[10]。同步并網(wǎng)啟動完成后，4臺SIV在中壓網(wǎng)絡(luò)中地位同等，相互獨立，TCMS將分別對SIV設(shè)備啟動過程和狀態(tài)進行監(jiān)視和診斷。并網(wǎng)啟動的過程如圖5所示。

圖5 正常并網(wǎng)啟動過程圖

如果TCMS在發(fā)出主輔助變流器并網(wǎng)啟動指令后的7 s內(nèi)，未收到相應(yīng)輔助變流器反饋的輔助變流器并網(wǎng)成功狀態(tài)，TCMS會重新進行流程1的循環(huán)，選定啟動信號的位置，按照由左到右的順序，重新選定主輔助變流器，并向其發(fā)送主輔助變流器并網(wǎng)啟動命令，如上循環(huán)，直至有輔助變流器反饋輔助變流器并網(wǎng)成功。

如果在首輪并網(wǎng)啟動過程中所有輔助變流器均未反饋輔助變流器并網(wǎng)成功狀態(tài)，則并網(wǎng)啟動失敗。對于未能夠正常啟動的輔助變流器，TCMS會將該變流器對應(yīng)寄存器中的啟動失效邏輯位從0置為1，記錄其為故障的輔助變流器，不再向該故障輔助變流器發(fā)送并網(wǎng)啟動命令并進行隔離。

輔助變流器并網(wǎng)啟動后：當(dāng)TCMS收到3臺輔助變流器反饋的輔助變流器并網(wǎng)成功信號時，列車無需減載；當(dāng)僅收到2個輔助變流器并網(wǎng)成功信號時，TCMS會控制空調(diào)系統(tǒng)切除一半的壓縮機；當(dāng)僅收到1個輔助變流器并網(wǎng)成功信號時，TCMS關(guān)閉所有空調(diào)壓縮機，僅保留通風(fēng)功能。

TCMS控制輔助變流器并網(wǎng)啟動的流程如圖6所示。

圖6 TCMS控制SIV并網(wǎng)啟動流程圖

2.3 現(xiàn)有SIV并網(wǎng)啟動的邏輯弊端分析

在上述TCMS控制輔助變流器并網(wǎng)的常規(guī)啟動過程中，往往由于列車前一次上電時輔助變流器啟動失效、輔助控制模塊異常，或者MVB線路干擾等原因，致使某些非故障的輔助變流器的寄存器中的“啟動失效邏輯位”發(fā)生預(yù)期之外的邏輯錯誤，而TCMS并沒有對邏輯誤判可能的檢測和相應(yīng)的故障排除方法，從而導(dǎo)致正常啟動的輔助變流器始終被TCMS誤判為故障的輔助變流器，被TCMS從下一輪的啟動序列中切除和隔離，始終無法參與復(fù)位啟動。這不但會影響列車中壓供電系統(tǒng)并網(wǎng)循環(huán)的流暢性，造成設(shè)備和資源的閑置浪費，而且，剩余的變流器容量不足也將導(dǎo)致列車中壓系統(tǒng)減載運行，將切除部分空調(diào)、電熱、空壓機等中壓負載設(shè)備，尤其是空調(diào)系統(tǒng)的損失比率會很高，降低了列車中壓供電系統(tǒng)安全可靠性及旅客乘車舒適度。

3 非故障SIV邏輯復(fù)位方法

3.1 邏輯復(fù)位時間點

輔助變流器邏輯復(fù)位共有3個復(fù)位時間點，可使在并網(wǎng)啟動中失效并被TCMS從啟動序列中隔離的SIV，重新加入啟動序列，使實際無故障，但啟動失效邏輯位為0的SIV快速復(fù)位，以完成輔助變流器并網(wǎng)順序啟動的全過程。

時間點1：列車上電后，DC1 500 V高壓電經(jīng)受電弓送入輔助電源箱，輔助變流器與受電弓接通。此時，將列車上次得電后，做為“主機”SIV啟動失效或系統(tǒng)誤報的“啟動失效邏輯位”全部清零。

時間點2：第1個輔助變流器作為“主機”設(shè)備啟動前，對其“啟動失效邏輯位”清零，將前次啟動失效或系統(tǒng)誤報的啟動失效信號清零。

時間點3：當(dāng)所有輔助變流器依次并網(wǎng)啟動，但是沒有任何一個SIV并網(wǎng)成功時，輔助變流器的啟動失效信號會置位為1，這時需要將“啟動失效邏輯位”全部清零，以便重新開始并網(wǎng)啟動，實現(xiàn)列車中壓輔助變流器正常循環(huán)啟動，使啟動失效被“隔離”的輔助變流器在此投入使用。

3個復(fù)位條件添加的時間點如圖7所示。

圖7 3個復(fù)位條件時間點示意圖

3.2 非故障SIV邏輯復(fù)位方法描述

為了能夠?qū)σ蜻壿嬚`判失誤而被TCMS系統(tǒng)從啟動序列中切除或隔離的非故障輔助變流器進行邏輯復(fù)位，本文設(shè)計了利用3個時間點的兩輪（先期前置和后期補救）輔助變流器復(fù)位操作的算法，能夠有效地避免邏輯誤判情況的發(fā)生，減少不必要的中壓減載，保證并網(wǎng)啟動循環(huán)的流暢性。

輔助變流器復(fù)位方法描述為主線流程和子流程兩部分。其主線流程結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 復(fù)位方法的框圖

3.2.1 先期前置—時間點1

在準備階段結(jié)束之后，4臺輔助變流器在自身得電后，均將自身的“重啟標志計數(shù)器”清零，然后再分別向TCMS發(fā)送輔助變流器內(nèi)部正常信號。

3.2.2 先期前置—時間點2

在主、從輔助變流器判定程序（流程1）后，對被選為主輔助變流器的設(shè)備進行一次無任何前置條件的啟動失效邏輯位清零操作，恢復(fù)到啟動序列中。

3.2.3 后期補救—時間點3

在整個并網(wǎng)啟動流程中，添加布爾型變量“重啟標志計數(shù)器”條件，TCMS可通過啟動失效邏輯位和重啟標志計數(shù)器兩個變量，在時間節(jié)點3后，使得TCMS對所有SIV的啟動失效邏輯位進行新一輪復(fù)位程序。當(dāng)所有SIV的啟動失效邏輯位均置為1后，TCMS會再次依次判斷SIV的重啟標志計數(shù)器的數(shù)值：如果是0，則重新進行一次主從輔助變流器的選定程序，重新進行正常的并網(wǎng)啟動；如果是1，說明當(dāng)前輔助經(jīng)過兩輪的并網(wǎng)啟動均失敗，TCMS將聲光報警信號發(fā)送到顯示器，提示司機。主、從輔助變流器判斷程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，最大循環(huán)次數(shù)為3次。子流程如圖9所示，具體流程描述如下。

4臺輔助變流器在自身得電后，均將重啟標志計數(shù)器清零，并向TCMS發(fā)送“輔助變流器內(nèi)部正?！毙盘枺桓鶕?jù)收到的信號情況，有以下兩種情況：

（1）TCMS收到至少一個SIV發(fā)送的“輔助變流器內(nèi)部正?！毙盘?。

按照從左到右的順序，TCMS默認Tc1車的SIV1為首選的默認“主機”輔助變流器，TCMS依次判斷輔助變流器SIV1～SIV4是否發(fā)輔助變流器內(nèi)部正常信號，且輔助變流器SIV1～SIV4的重啟標志計數(shù)器依然為0，如果同時滿足上述兩個條件，則把當(dāng)前設(shè)備作為“主機”SIV，主從判斷邏輯位標定為1，同時標定剩下的SIV為從屬設(shè)備，主從判斷邏輯位標定為0。

（2）如果TCMS均沒有收到SIV1～SIV4的輔助變流器內(nèi)部正常信號，由TCMS的人機交互界面發(fā)出故障報警的聲光信號并終止整個啟動流程。

通過3個時間點的邏輯處理和兩輪啟動操作流程，可以看出當(dāng)4臺輔助變流器依次啟動失敗的情況首輪發(fā)生時，通過增設(shè)重啟標志計數(shù)器的計數(shù)邏輯，可以使得TCMS對所有啟動失效的輔助變流器再進行新一輪復(fù)位操作，通過此方法，TCMS無需上電重啟，僅在本次上電周期中就能繼續(xù)新一輪的并網(wǎng)啟動，避免了列車停車、重啟上電等一系列不必要的操作，有效地保障了輔助變流器并網(wǎng)啟動循環(huán)的流暢性。

圖9 子流程圖

4 結(jié)束語

通過分析列車并網(wǎng)供電的原理和常規(guī)并網(wǎng)啟動的TCMS時序，發(fā)現(xiàn)常規(guī)啟動中存在因邏輯誤判而出現(xiàn)的啟動失效、正常設(shè)備被隔離的問題，在可進行復(fù)位邏輯處理的3個時間點有針對性地設(shè)計和確定了合適的復(fù)位條件。該方法能及時對因邏輯誤判而被TCMS從啟動序列中切除和隔離的正常輔助變流器進行復(fù)位，杜絕不必要的中壓減載情況，顯著提高列車中壓供電系統(tǒng)平穩(wěn)運行的安全可靠性及旅客乘車舒適度。該方法經(jīng)動車組列車地面聯(lián)調(diào)平臺仿真驗證和車輛試驗現(xiàn)場驗證，效果良好。

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