動(dòng)力集中動(dòng)車組動(dòng)力車電氣系統(tǒng)冗余方案研究

陶紅杰, 王 威, 王賢哲

(中車大連機(jī)車車輛有限公司, 遼寧大連 116021)

CR200J-3型機(jī)車是為提升我國(guó)普速旅客舒適度及客運(yùn)專線運(yùn)輸能力而研制的動(dòng)車組動(dòng)力車。動(dòng)力集中動(dòng)車組根據(jù)運(yùn)輸需要可采用固定長(zhǎng)編、固定短編以及靈活編組等多種運(yùn)營(yíng)模式，對(duì)動(dòng)力車的可靠性提出了更高的要求。為了保證動(dòng)力車電氣系統(tǒng)在故障模式下仍能維持整列編組的運(yùn)行需求，對(duì)動(dòng)力車網(wǎng)側(cè)回路、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、控制電源系統(tǒng)、列車供電系統(tǒng)等進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

1 網(wǎng)側(cè)回路冗余

動(dòng)力車網(wǎng)側(cè)回路設(shè)有2個(gè)受電弓、2個(gè)車頂避雷器、2個(gè)主斷路器、2個(gè)高壓電壓互感器以及2個(gè)電流互感器等部件，兩套回路從硬件上完全獨(dú)立。如圖1所示，每個(gè)受電弓均獨(dú)立對(duì)應(yīng)一個(gè)主斷路器，主斷路器的上端及中部的接地觸頭與高壓接地開關(guān)相連，當(dāng)某一受電弓或主斷故障時(shí)，可通過隔離該高壓回路，操作接地開關(guān)轉(zhuǎn)由另一高壓網(wǎng)側(cè)回路維持整車供電需求。

圖1 動(dòng)力車網(wǎng)側(cè)回路

2 微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)冗余

CR200J-3型動(dòng)力車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61375的ECN、ETB以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)引入TCN網(wǎng)絡(luò)，在車輛級(jí)實(shí)現(xiàn)了多功能車輛總線(MVB)與ECN以太編組網(wǎng)互為冗余的雙網(wǎng)熱備設(shè)計(jì)。動(dòng)力車之間(或動(dòng)力車與控制車之間)通過絞線式列車總線WTB進(jìn)行信息傳輸,實(shí)現(xiàn)列車重聯(lián)控制。每節(jié)動(dòng)力車內(nèi)部采用雙網(wǎng)冗余通信方式，以MVB+ECN以太網(wǎng)為傳輸指令、信息的載體，與各控制裝置進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力車設(shè)備的順序邏輯控制、牽引/再生制動(dòng)控制、動(dòng)力車運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障信息記錄以及動(dòng)態(tài)冗余等功能。

動(dòng)力車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為分布式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，按功能可劃分為列車控制級(jí)和車輛控制級(jí)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

CR200J-3型動(dòng)力車微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包含2個(gè)WTB網(wǎng)關(guān)、2個(gè)中央控制單元CCU、1個(gè)事件記錄單元EDRM、4個(gè)遠(yuǎn)程輸入輸出單元RIOM、1個(gè)多功能網(wǎng)關(guān)、4個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)、2個(gè)司機(jī)室顯示單元DDU，1個(gè)用戶服務(wù)端口USP。MVB總線和ECN以太網(wǎng)互為冗余，均用于完成動(dòng)力車的控制與維護(hù)。

2.1 列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)

列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用WTB總線貫穿所有拖車與其他動(dòng)力車(或控制車)相連，數(shù)據(jù)傳輸波特率為1 Mb/s。WTB總線接口的物理特性，數(shù)據(jù)幀傳輸格式等符合GB/T 28029.1-2011的規(guī)定。系統(tǒng)WTB總線采用A、B線路冗余，當(dāng)正在工作的一組列車總線出現(xiàn)問題時(shí)，網(wǎng)關(guān)能自動(dòng)控制切換到另一組工作。

ACU-輔助控制單元；CCU-中央控制單元；CS-車輛以太網(wǎng)交換機(jī)；DDU-司機(jī)顯示單元；ECN-以太編組網(wǎng)； EDRM-事件記錄單元；FSJ-風(fēng)速監(jiān)測(cè)；LDP-機(jī)車車載綜合信息監(jiān)測(cè)裝置； LGDU-列車供電配電單元；LGU-列車控制單元；LLJ-流量監(jiān)測(cè)；LON-LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線；PSU-蓄電池充電器；RIOM-遠(yuǎn)程輸入輸出單元；TCU-牽引控制單元；USP-用戶服務(wù)端口；MVB-多功能車輛總線；WTB-絞線式列車總線；WTB-GW:網(wǎng)關(guān)；6A-機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)。圖2 動(dòng)力車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)

車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用MVB+ECN以太網(wǎng)模式，兩種網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作，互為冗余。中央控制單元、司機(jī)室顯示單元、牽引變流器控制單元、輔助變流器控制單元等各重要設(shè)備同時(shí)連接在MVB總線和ECN以太網(wǎng)上。

2.2.1MVB總線

MVB總線用于連接各車輛內(nèi)的電子部件和控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸波特率為1.5 Mb/s，如圖3所示。數(shù)據(jù)通過A、B兩個(gè)通道傳遞，即使一個(gè)通道出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)仍可通過另一個(gè)通道傳遞。

圖3 MVB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2.2ECN以太網(wǎng)

動(dòng)力車ECN以太網(wǎng)采用雙回歸環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，通信速率為100 Mb/s，為全雙工通信模式。如圖4所示，終端設(shè)備通過以太網(wǎng)線連接到4個(gè)CS交換機(jī)，互為冗余的兩個(gè)ED連接到不同的交換機(jī)；4個(gè)交換機(jī)之間組成環(huán)網(wǎng)。CS為網(wǎng)管型交換機(jī)，每個(gè)交換機(jī)具有12個(gè)以上以太網(wǎng)接口。交換機(jī)和終端設(shè)備均符合IEC 61375-2-3標(biāo)準(zhǔn)的TRDP以太網(wǎng)通信協(xié)議。ECN以太網(wǎng)接口的物理特性、數(shù)據(jù)幀傳輸格式等符合IEC 61375-3-4的規(guī)定。

動(dòng)力車冗余控制包含了CCU、WTB網(wǎng)關(guān)、RIOM、DDU等設(shè)備級(jí)冗余，TCU、ACU、LGU等設(shè)備的以太網(wǎng)接口冗余，WTB線路冗余，MVB與ECN以太網(wǎng)的車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信冗余等方面，在很大程度上保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能實(shí)施及動(dòng)力車的安全運(yùn)行。

3 列車供電系統(tǒng)冗余

每臺(tái)動(dòng)力車設(shè)有兩組獨(dú)立的200 kW列車供電功率單元(LGU),兩組供電功率單元輸出在列供配電柜內(nèi)并聯(lián)后向乘客車廂提供DC 600 V電源。當(dāng)一組供電回路故障時(shí)，可自動(dòng)切除該回路，由剩余回路向列車供電。列供配電柜控制LGU啟停，同時(shí)管理和監(jiān)視列供供電功率單元的輸出電壓、電流、電能等工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全車列供系統(tǒng)電能進(jìn)行管理并與機(jī)車通訊，系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖4 ECN以太網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖5 列車供電系統(tǒng)原理圖

每個(gè)列車供電功率單元(LGU)額定輸出200 kW，兩個(gè)供電單元并聯(lián)輸出達(dá)到400 kW，當(dāng)任意一路列供發(fā)生故障時(shí)，列車供電功率單元輸出功率自動(dòng)升至300 kW，以最大能力確保旅客列車用電。動(dòng)力車設(shè)置有一個(gè)列供配電柜(LGM)，用于管理和監(jiān)視機(jī)車兩路列供系統(tǒng)。列供配電柜對(duì)列供單元輸出電壓、電流、電能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下發(fā)的編組模式配置列供輸出接觸器，并對(duì)動(dòng)力車列車供電系統(tǒng)進(jìn)行啟?？刂?。

主要技術(shù)參數(shù)

額定輸入電壓/V AC 307

額定輸入電流/A 707

額定輸出電壓/V DC 600

額定輸出電流/A 334

最大輸出電流/A 500

冷卻方式 強(qiáng)迫水循環(huán)風(fēng)冷

4 輔助電源系統(tǒng)冗余

輔助系統(tǒng)主要由輔助變流器、輔助濾波裝置、輔助接觸器及輔助用電設(shè)備等組成。輔助變流器由牽引變壓器的輔助繞組供電，其輸出經(jīng)集成在牽引變流柜內(nèi)的輔助濾波裝置后向3AC 380 V輔助用電設(shè)備供電，輔機(jī)包括冷卻風(fēng)機(jī)組、空氣壓縮機(jī)組、油泵、水泵、空調(diào)、蓄電池充電器等。

動(dòng)力車向蓄電池充電器PSU提供3 AC 380 V交流電源。如圖6所示，當(dāng)輸入電源達(dá)到輸入電壓范圍時(shí)，蓄電池充電器自動(dòng)啟動(dòng)，將三相交流輸入轉(zhuǎn)換為直流輸出，既為蓄電池充電也為機(jī)車控制負(fù)載供電；當(dāng)輸入電源中斷再啟動(dòng)時(shí)，裝置應(yīng)能自動(dòng)正常再啟動(dòng)。蓄電池充電器PSU電源裝置采用冗余設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)電源模塊，每個(gè)電源模塊容量4.4 kW，總?cè)萘坎坏陀?7.6 kW，當(dāng)一電源模塊發(fā)生故障時(shí)，其余3個(gè)電源模塊容量不小于13.2 kW,仍可長(zhǎng)時(shí)間維持動(dòng)力車低壓用電。

圖6 蓄電池充電器電氣原理圖

每臺(tái)動(dòng)力車包含兩套輔助電源設(shè)備(輔助變流器和輔助濾波裝置)，分別位于兩個(gè)牽引變流柜內(nèi)。一組工作在變壓變頻(VVVF)模式，另一組工作在恒壓恒頻(CVCF)模式。兩組輔助變流器互為備份，當(dāng)某一組發(fā)生故障時(shí)，不需要切除任何輔助負(fù)載，另一組可以承擔(dān)機(jī)車全部的輔助負(fù)載，此時(shí)輔助變流器工作在CVCF模式。輔助變流器的故障轉(zhuǎn)換控制由機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)(TCMS)自動(dòng)完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

CR200J-3型動(dòng)車組編組靈活，舒適度好，既適用于既有線提速，又可跨線運(yùn)行，特別適合于我國(guó)鐵路跨地域、長(zhǎng)交路的運(yùn)營(yíng)模式。動(dòng)力車采用系統(tǒng)級(jí)冗余、線路級(jí)冗余及設(shè)備級(jí)冗余，極大的提高了整車的容錯(cuò)率及可用性，提高了整列編組的運(yùn)行能力，降低了運(yùn)營(yíng)及售后成本。突破性的采用了雙主斷冗余及雙網(wǎng)冗余方案，代表了當(dāng)前動(dòng)車組動(dòng)力車電氣冗余設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)機(jī)車相關(guān)設(shè)計(jì)提供了借鑒。