基于GO法的CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性分析

蘇麗娟，王遠(yuǎn)宏 ，王金圓 ，金霞 ，丁磊

(1.朝陽師范高等專科學(xué)校,遼寧 朝陽 122000；2.朝陽市雙塔區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)服務(wù)中心,遼寧 朝陽 122000)*

CRH3型動(dòng)車組是中國引進(jìn)改造的客運(yùn)列車種類之一，主要服務(wù)于國干鐵路和區(qū)際鐵路.它的原型為德國鐵路的IEC-3列車(西門子Velaro)，采用電力牽引交流傳動(dòng)方式，有2個(gè)牽引單元組成，每個(gè)牽引單元按兩動(dòng)一托構(gòu)成，最高運(yùn)營時(shí)速為350 km/h.

輔助供電系統(tǒng)是動(dòng)車組的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著為車載設(shè)備(冷卻設(shè)備、空調(diào)機(jī)組、通氣設(shè)備、加熱設(shè)備、照明設(shè)備、監(jiān)測與控制電路、通訊設(shè)備等)提供交流或直流電源的重要任務(wù)，其穩(wěn)定可靠的工作是確保動(dòng)車組長時(shí)間安全運(yùn)行和擁有優(yōu)質(zhì)服務(wù)環(huán)境的關(guān)鍵.學(xué)者們在評(píng)估和提高動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性和安全性方面做了大量研究.文獻(xiàn)[1]提出了CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性框圖模型，基于最小路集不交化算法評(píng)估了其可靠性，提出了動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[2]基于合作博弈和云模型理論的健康狀態(tài)評(píng)估方法，結(jié)合輔助供電系統(tǒng)的分層分析模型，完成了CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估；文獻(xiàn)[3]建立了CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的S-T終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖可靠性模型，并分別用蒙特卡羅-元胞自動(dòng)機(jī)算法和融入最小二乘支持向量機(jī)的改進(jìn)算法分析了不同工作模式下的該系統(tǒng)可靠度；文獻(xiàn)[4]分析了動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)各主要部件的典型故障，完成了不同車型動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)可靠度建模及相關(guān)計(jì)算，闡述了動(dòng)車組高壓電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)的相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)情況；文獻(xiàn)[5]以動(dòng)車組非正常停車故障作為可靠性考核指標(biāo)，對(duì)CRH2型動(dòng)車組整車及各子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模和分配研究.學(xué)者們多方面多方式地進(jìn)行動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性研究，為提高動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的維修維護(hù)和健康管理水平提供了理論依據(jù).

20世紀(jì)60年代，由美國Kaman科學(xué)公司提出的GO(GO Methodology)法，是一種有效的系統(tǒng)可靠性分析方法，也是一種以成功為導(dǎo)向的系統(tǒng)概率分析技術(shù)，被美國軍方用于分析武器系統(tǒng)安全性和可靠性.GO法的分析過程是從輸入事件開始，經(jīng)過一個(gè)GO模型的計(jì)算，確定系統(tǒng)的最終概率.它在多狀態(tài)、有時(shí)序的系統(tǒng)，尤其是有實(shí)際物流(如氣流、液流、電流)產(chǎn)生的系統(tǒng)的安全性和可靠性分析中有著其他方法不可代替的優(yōu)點(diǎn)[6].GO法自誕生以來，在多國的航空航天、國防工業(yè)、化工石油、核工業(yè)等領(lǐng)域的實(shí)際工程系統(tǒng)可靠性分析中得到了廣泛應(yīng)用[7-12]，但是對(duì)于一些可用度要求較高的新型工程系統(tǒng)，GO模型的建立和運(yùn)算還需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證，以期能夠在工程實(shí)踐中發(fā)揮出更好的準(zhǔn)確度和實(shí)用性.

本文研究了應(yīng)用GO法定量分析CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性的方法；根據(jù)CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)中各部件的功能和邏輯關(guān)系確定了操作符數(shù)據(jù)，提出了該系統(tǒng)的GO模型；推導(dǎo)了信號(hào)流的計(jì)算公式，根據(jù)文獻(xiàn)[14]中提供的武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)部件可靠性數(shù)據(jù)，完成了GO運(yùn)算，得到了基于GO法的CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的可靠性分析結(jié)果；將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到相關(guān)結(jié)論，也驗(yàn)證了GO法在CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性分析中的有效性和正確性，為CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性分析提供一種新途徑，也為其它類型動(dòng)車組供電系統(tǒng)可靠性分析提供借鑒和參考.

1 CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

每輛CRH3型動(dòng)車組由8節(jié)車廂組成，其輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示(方框中的多個(gè)元件是串聯(lián)關(guān)系).它可分為2個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)1(位于EC01、TC02、IC03、BC04四節(jié)車廂中)與子系統(tǒng)2(位于FC05、IC06、TC07、EC08四節(jié)車廂中)呈軸對(duì)稱結(jié)構(gòu).TC02和TC07中，受電弓負(fù)責(zé)從接觸網(wǎng)獲取電能；兩個(gè)避雷器(一個(gè)位于受電弓后部，另一個(gè)位于主變壓器的初級(jí)側(cè))和主斷路器一起，在接觸網(wǎng)導(dǎo)入過壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的保護(hù)；接觸網(wǎng)電壓互感器用于檢測接觸網(wǎng)網(wǎng)壓；帶有接地隔離開關(guān)的主斷路器用來控制每個(gè)牽引單元的交流25kV電路，也用于短路和過流保護(hù)；接觸網(wǎng)電流互感器用于檢測動(dòng)車組交流總電流；主變壓器額定電壓為 AC 25 kV/50 Hz，次級(jí)繞組通過跨接電纜為牽引變流器(分別安裝在EC01、IC03、IC06、EC08中)提供電能；變壓器冷卻系統(tǒng)用于對(duì)主變壓器的檢測和保護(hù)；輔助變流器通過車間跨接電纜從鄰車的牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)獲取部分電能，逆變出440 V/60Hz的交流電輸送到供電母線[4-5,14].

圖1 CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CRH3型動(dòng)車組共有4個(gè)輔助變流器：兩個(gè)單輔助變流器，功率為160 kVA，分別位于TC02和TC07；還有兩個(gè)雙輔助變流器，每個(gè)雙輔助變流器是由兩個(gè)單輔助變流器并聯(lián)而成，分別位于BC04和FC05車.車頂電纜隔離開關(guān)用于在車頂高壓線路故障時(shí)分離線路，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)牽引單元的主電路故障時(shí)，另一個(gè)牽引單元的主電路還可以繼續(xù)工作.

1.2 工作原理分析

動(dòng)車組正常運(yùn)行時(shí)，一只受電弓升弓，從接觸網(wǎng)取得AC 25 kV交流電，經(jīng)過主斷路器進(jìn)入主變壓器降壓為1 550 V后，輸入牽引變流器，牽引變流器的中間直流電壓(DC 3 000 V)經(jīng)過輔助變流器后，輸出440 V/60 Hz/3AC交流電到貫通整列車的供電母線.

以上分析表明，該系統(tǒng)的功能是為整列動(dòng)車組的輔助負(fù)載提供合適電能；系統(tǒng)的輸入是接觸網(wǎng)AC 25 kV/50 Hz電能；系統(tǒng)的輸出是交流供電母線上的交流電；系統(tǒng)成功的準(zhǔn)則是交流供電母線上交流電能夠滿足整列動(dòng)車組上所有輔助負(fù)載的供電需求，即列車運(yùn)行期間，任何時(shí)候至少有五個(gè)處在正常工作狀態(tài)(當(dāng)一個(gè)單輔助變流器出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過增大其它輔助變流器容量的方法來滿足列車組上所有輔助負(fù)載的供電需求，以保證動(dòng)車組的安全運(yùn)行和優(yōu)質(zhì)服務(wù)環(huán)境).

2 建立系統(tǒng)的GO圖

將CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)中元器件等效為20個(gè)單元，如圖1中的A, B, … , T.A～I(xiàn)子單元的可靠度根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠度模型計(jì)算規(guī)則得到，其它子單元的可靠度即為相應(yīng)元件的可靠度.

根據(jù)系統(tǒng)中各單元的功能及各單元輸入輸出信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，對(duì)應(yīng)GO法中17種操作符的定義，確立圖1中各子單元對(duì)應(yīng)的操作符類型并統(tǒng)一編號(hào)，再對(duì)每一操作符的輸出信號(hào)進(jìn)行編號(hào)，建立圖1對(duì)應(yīng)的CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的GO圖如圖2所示.其中三角形或圓形內(nèi)數(shù)字為“操作符類型-操作符編號(hào)”，三角形或圓形外數(shù)字為信號(hào)流編號(hào).

圖2 CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)GO圖

圖2中的操作符與系統(tǒng)中子單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系列于表1.表1中列出了兩組操作符數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動(dòng)車組相關(guān)單元，其中PCi(1)表示編號(hào)為i的操作符的成功狀態(tài)概率，其數(shù)值取自文獻(xiàn)[14].圖2中：3號(hào)操作符為限值概率門；4號(hào)操作符為有信號(hào)而導(dǎo)通的元件；6、7、18、19和33號(hào)操作符均為或門；26～32號(hào)操作符均為與門，這14個(gè)操作符是因信號(hào)流邏輯關(guān)系而選定的，并無實(shí)際元部件與其對(duì)應(yīng)，故定量計(jì)算時(shí)可視其成功概率為1.

3 系統(tǒng)可靠性計(jì)算

3.1 計(jì)算公式推導(dǎo)

GO法中不同類型操作符有不同的運(yùn)算規(guī)則，本文相關(guān)類型操作符的GO計(jì)算規(guī)則列于表2.其中，AR(i)表示輸出信號(hào)在狀態(tài)值為i時(shí)的累積狀態(tài)概率；AS(i)表示輸入信號(hào)在狀態(tài)值為i時(shí)的累積狀態(tài)概率；N為信號(hào)狀態(tài)最大值；M為或門輸入信號(hào)個(gè)數(shù)；PR(i)表示輸出信號(hào)在狀態(tài)值為i時(shí)的狀態(tài)概率；VSj表示輸入信號(hào)流j的狀態(tài)值，狀

態(tài)值為1表示其處于成功狀態(tài)，狀態(tài)值為2表示其處于故障狀態(tài).

表1 CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)操作符數(shù)據(jù)

表2 相關(guān)類型操作符GO運(yùn)算規(guī)則

根據(jù)圖2中信號(hào)流的流通順序和表2中不同類型操作符的運(yùn)算規(guī)則，可推導(dǎo)出圖2中各信號(hào)流的累積狀態(tài)概率計(jì)算公式，部分結(jié)果列于表3.值得注意的是，表1中操作符數(shù)據(jù)說明本系統(tǒng)是2狀態(tài)系統(tǒng)，即所有信號(hào)均只有成功和故障兩種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)值分別為1和2，所以表2中N=2且Ai(0)=0.表3中Ai表示信號(hào)流i在狀態(tài)值為1時(shí)的累積狀態(tài)概率，此處等于信號(hào)流i的成功狀態(tài)概率，PCi表示編號(hào)為i的操作符的成功狀態(tài)概率.

表3 各信號(hào)流計(jì)算公式

3.2 共有信號(hào)修正

需要說明的是，圖2中信號(hào)流6、7、18、19、26，…，33等12個(gè)信號(hào)流中均含有共有信號(hào)，在進(jìn)行GO運(yùn)算時(shí)，可采用如下方法進(jìn)行共有信號(hào)修正：首先將它們的累積狀態(tài)概率按照信號(hào)流狀態(tài)概率進(jìn)行展開，然后將表達(dá)式中所有共有信號(hào)狀態(tài)概率的高次項(xiàng)用一次項(xiàng)替換.如信號(hào)流6的累積狀態(tài)概率修正過程如下：

首先，將信號(hào)流6的累積狀態(tài)概率表達(dá)式按照信號(hào)流狀態(tài)概率展開可得

(1)

然后，將式(1)整理可得

(2)

A6=PC1+PC2PC5-PC1PC5PC2

(3)

其它11個(gè)信號(hào)累積狀態(tài)概率的修正過程與上述過程類似.表3中各信號(hào)流計(jì)算公式經(jīng)過數(shù)值代入、整理、共有信號(hào)修正后可得到整理后各信號(hào)流概率計(jì)算公式，部分結(jié)果如下：

3.3 GO定量計(jì)算結(jié)果

將表1中操作符成功概率代入整理后各信號(hào)流概率計(jì)算公式，可分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)于武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)各信號(hào)流的成功狀態(tài)概率，部分計(jì)算結(jié)果列于表4.

表4 信號(hào)流成功概率計(jì)算結(jié)果

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表4可知，本文計(jì)算得到武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的可靠度分別為0.972 654 07和0.986 579 15；文獻(xiàn)[9]計(jì)算得到武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的可靠度分別為0.972 654 85和0.986 579 49.對(duì)比以上結(jié)果可知：雖然兩種方法分析思路和計(jì)算過程是不同的，但計(jì)算結(jié)果是一致的.無論對(duì)于武廣高鐵，還是京津城際鐵路，兩種計(jì)算結(jié)果差異均非常小.

5 結(jié)論

對(duì)CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行了原理和結(jié)構(gòu)分析，研究了應(yīng)用GO法分析動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性的方法和過程，得到了與其它文獻(xiàn)一致的結(jié)論，驗(yàn)證了GO法在動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性分析中的可行性和有效性，也證明了本文所提出的CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)GO模型和相關(guān)公式的正確性，它們均可直接應(yīng)用于工程實(shí)踐.

GO圖由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可視化映射得到，這降低了系統(tǒng)可靠性分析的難度，本研究為動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性分析提供一個(gè)便捷的新方法，可為動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的可靠性優(yōu)化及安全評(píng)估提供理論依據(jù).