和諧客運機車供電控制系統(tǒng)的技術(shù)特點

從和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)與韶山客運機車的列車供電控制系統(tǒng)比較出發(fā)，介紹了和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的技術(shù)特點以及為貫徹簡統(tǒng)化、模塊化所采取的措施。和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)已在HXD3C、HXD1D等多種和諧客運機車上裝車兩千多臺，其性能日臻完善并得到驗證。

【關(guān)鍵詞】和諧客運機車 列車供電控制系統(tǒng) 技術(shù)特點 簡統(tǒng)化 模塊化

從2004年4月鐵路第五次大提速開始，機車列車供電系統(tǒng)向旅客列車進行直供電的運用越來越廣泛。盡管韶山客運機車列車供電控制系統(tǒng)已在SS9、SS8、SS7E等機車上大規(guī)模推廣使用多年，現(xiàn)場運用成熟、可靠，但是受制于當時技術(shù)條件和工藝水平的限制，存在功能簡單、信息化程度不高、部分器件采購困難等缺點，已不適應(yīng)目前形勢的發(fā)展需要。

為保證和諧客運機車列車供電系統(tǒng)的可靠運行質(zhì)量，保證旅客列車的運行安全、舒適，因此在和諧客運機車上對列車供電控制系統(tǒng)進行變革改進符合機車技術(shù)進步及現(xiàn)實的需要。

1 總體思路

作為列車供電控制系統(tǒng)的改進升級產(chǎn)品，和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)充分吸收了韶山客運機車列車供電控制系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)點和成功運用經(jīng)驗，并考慮以往運行中出現(xiàn)的問題以及后續(xù)采取的完善措施，一并在新設(shè)計的列車供電控制系統(tǒng)中加以解決。

為滿足和諧客運機車技術(shù)進步及改進的需要，整個列車供電控制系統(tǒng)設(shè)計中充分利用了當今先進的計算機控制技術(shù)，采用了新的電子元器件及新工藝，貫徹簡統(tǒng)化、模塊化、系列化的設(shè)計思想，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)含量。

2 技術(shù)特點

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

在和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計中，借鑒了韶山客運機車列車供電控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，并對系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊進行了優(yōu)化和改進。和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)一般包含了開關(guān)電源、供電控制、數(shù)字入出、脈沖分配、轉(zhuǎn)換控制等5個基本通用模塊， 采用A/B兩組冷備冗余設(shè)計方式，可實現(xiàn)DC600V列車供電系統(tǒng)的特性控制、整流控制、故障保護、接地保護、通訊等功能。

列車供電系統(tǒng)的DC110V數(shù)字量信號從數(shù)字入出插件輸入，經(jīng)數(shù)字入出插件的110V/5V電平轉(zhuǎn)換后送入可編程邏輯器件CPLD，然后再通過背板AMS總線傳送給供電控制插件實現(xiàn)相關(guān)的邏輯控制。

供電控制插件采用了DSP+ARM雙CPU架構(gòu)，DSP完成AMS總線管理、AMS總線上各插件的數(shù)據(jù)交換以及特性、參數(shù)保護等控制功能，ARM完成人機接口等功能；板內(nèi)配置高精度、高速率AD芯片；板內(nèi)邏輯及外圍信號的采集與預(yù)處理由FPGA控制管理，將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、從總線獲取其他數(shù)字量信息給控制軟件，然后由控制軟件完成控制功能。

供電控制插件的對外控制數(shù)字開關(guān)量通過背板AMS總線送至數(shù)字入出插件的可編程邏輯器件CPLD輸出，并經(jīng)數(shù)字入出插件完成5V/110V電平轉(zhuǎn)換后輸出驅(qū)動相關(guān)的繼電器。

脈沖分配插件根據(jù)供電控制插件的計算結(jié)果等形成的移相電平轉(zhuǎn)換成晶閘管的順序觸發(fā)脈沖信號，經(jīng)脈沖放大后驅(qū)動供電系統(tǒng)的單相半控整流橋。脈沖分配插件主要由兩部分組成：可編程的邏輯器件FPGA及其外圍電路、脈沖放大電路。FPGA及其外圍電路實現(xiàn)與AMS總線的接口及對同步信號進行濾波、形成與脈沖相關(guān)控制信號、同時用編程的方式實現(xiàn)脈沖的形成與分配。驅(qū)動級脈沖放大電路也在原有基礎(chǔ)上做出了改進設(shè)計，高壓隔離、抗干擾性更好。

轉(zhuǎn)換控制插件是為完成系統(tǒng)冷備份冗余而專門設(shè)計的。在系統(tǒng)進行冗余切換時，將外部傳感器的電源、脈沖輸出等進行相應(yīng)切換。另外轉(zhuǎn)換控制還完成了部分模擬信號（傳感器類）的I/U轉(zhuǎn)換等功能。

與韶山客運機車列車供電控制系統(tǒng)相比，和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)改進的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾點：

（1）系統(tǒng)延用了完全相同的A/B兩組進行冷備份冗余，提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

（2）系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計的思想，功能規(guī)劃清晰，且有利于供電控制系統(tǒng)后期的升級和擴展。

（3）系統(tǒng)采用背板進行各插件間的模擬信號和數(shù)字信號傳遞，屏蔽效果好、質(zhì)量更可靠。

（4）數(shù)字入出插件、供電控制插件和脈沖分配插件間采用了AMS總線技術(shù)進行數(shù)據(jù)交換，響應(yīng)速度快，且不易受到外部干擾。

2.2 A/B組冗余

和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)由5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，其基本模型如圖2：

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。但是由于和諧客運機車列車供電系統(tǒng)關(guān)系到廣大旅客乘車的安全及舒適度，高可靠性已成為考核系統(tǒng)和設(shè)備的重要指標。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。

冗余系統(tǒng)（redundant system）是指為增加系統(tǒng)的可靠性，而采取兩套或兩套以上相同、相對獨立配置的設(shè)計連接組成的系統(tǒng)。通過提供系統(tǒng)運行所需的所有關(guān)鍵組件的冗余的方法，達到容錯能力的系統(tǒng)或者系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時間。

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。

和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)對影響系統(tǒng)可靠性指標較大的控制插件進行了冗余，基本避免了因為控制系統(tǒng)問題而造成的機破。同時A/B組插件實現(xiàn)完全的統(tǒng)一，插件的互換性更強。

2.3 信息化

韶山客運機車列車供電控制系統(tǒng)對外通訊信息僅傳送了輸出電壓、輸出電流和一些簡單的故障信息，總體來說對外輸出的信息量比較少。而和諧客運機車加強了列車供電系統(tǒng)的信息化能力，對外輸出的信息包含以下幾個方面：

2.3.1 模擬量信息

列車供電柜交流輸入電壓、交流輸入電流、直流輸出電壓、直流輸出電流、對地半電壓以及列車供電柜電度量信息。

2.3.2 數(shù)字量信息

列車供電柜內(nèi)交流接觸器、快速熔斷器、隔離閘刀等開關(guān)狀態(tài)信號和客車集控信號。

2.3.3 故障信息

列車供電柜發(fā)生異常情況時對外輸出的故障信息，包括直流過壓、直流過流、直流接地等。

和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)對外輸出的信息量大大增加，這樣可以有利于促進機車信息化，提高維護檢修的效率，極大地方便了司機和檢修人員。

2.4 簡統(tǒng)化、模塊化

簡統(tǒng)化、模塊化的設(shè)計思想貫穿于和諧客運機車冗余列車供電控制系統(tǒng)設(shè)計之中，在設(shè)計中充分吸收了韶山客運機車列車供電控制系統(tǒng)的優(yōu)點，并在功能模塊的合并簡化與通用的基礎(chǔ)上進行了重新規(guī)劃。

和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)采取了統(tǒng)一的對外接口、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)一對外提供電度量顯示，有利于機車電量考核。

3 結(jié)束語

截止到現(xiàn)在，和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)的機車已有2000多臺在現(xiàn)場投入運用，我國六大鐵路干線上的直達特快、部分特快和快速列車的列車供電均使用到了此套系統(tǒng)，其性能日臻完善并得到驗證。在實際運用中出現(xiàn)的一些小問題也及時得到了完善與處理。

和諧客運機車列車供電控制系統(tǒng)的推廣，將有助于提升我國客車電氣系統(tǒng)和車輛裝備的技術(shù)水平，而且可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，減少維修工作量，節(jié)約維修成本，提高了鐵路局的運輸效益，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文章

[1]徐林云.DC600V列車供電系統(tǒng)[J].鐵道車輛，2001，39（03）：13-16.

[2]吳強.客運列車供電系統(tǒng)[J].機車電傳動，2003（05）：54-61.

[3]王小方.電力機車DC600V供電系統(tǒng)的改進[J].機車電傳動2004（04）：41-44.

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

作者簡介

王高波（1980-），男，江蘇省沛縣人。大學本科學歷?，F(xiàn)為上海鐵路局機務(wù)處高級工程師。研究方向為機車檢修。

作者單位

上海鐵路局機務(wù)處 上海市 200070