一種電力機(jī)車快速辨識(shí)交、直流供電制式的方法

鄒東海，甘韋韋，郭 維，林珍君，黃 浩，周 楊，陳 科

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

目前，交流供電制式和直流供電制式在許多國家和地區(qū)的鐵路牽引供電系統(tǒng)中同時(shí)存在。如南非鐵路牽引供電系統(tǒng)同時(shí)采用AC 25 kV/50 Hz和DC 3 kV兩種供電制式[1]；歐洲鐵路牽引供電系統(tǒng)更是多樣化，意大利和比利時(shí)的鐵路牽引供電制式為DC 3 kV，法國和德國的鐵路牽引供電制式為AC 25 kV/50 Hz，等等。運(yùn)行在交、直流供電制式同存的地區(qū)時(shí)，電力機(jī)車能正確辨識(shí)線路供電制式、控制牽引系統(tǒng)工作模式切換是其安全穩(wěn)定工作的前提。目前，電力機(jī)車交、直流供電制式辨識(shí)控制系統(tǒng)主要有兩種：

（1）網(wǎng)壓檢測裝置辨識(shí)控制系統(tǒng)[2-4]。其通過交、直流檢測裝置對線路供電制式進(jìn)行辨識(shí)，然后將辨識(shí)結(jié)果傳輸給機(jī)車牽引系統(tǒng)，進(jìn)而控制工作模式切換。該系統(tǒng)的交直流檢測裝置成本和后期維護(hù)費(fèi)用都相對較高，且存在信號延時(shí)、中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）人工辨識(shí)控制系統(tǒng)[5-7]。該方法通過人工辨識(shí)線路供電模式后手動(dòng)控制機(jī)車牽引系統(tǒng)工作模式切換，存在容易出現(xiàn)人為失誤且耗時(shí)比較長的缺點(diǎn)。

因此，針對AC 25 kV和DC 3 kV兩種供電制式，本文提出一種電力機(jī)車快速辨識(shí)供電制式的控制方法。該方法利用交流網(wǎng)壓互感器和電壓傳感器構(gòu)建雙傳感器網(wǎng)壓信號采集拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其在交、直流供電制式下均能采集網(wǎng)壓信號，并通過辨識(shí)算法對網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再根據(jù)交、直流供電制式的信號特征快速辨識(shí)出當(dāng)前電網(wǎng)供電制式，從而控制牽引系統(tǒng)工作模式切換。

1 供電制式快速辨識(shí)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

電力機(jī)車供電制式快速辨識(shí)系統(tǒng)由信號采集模塊、辨識(shí)控制模塊和系統(tǒng)顯示模塊組成（圖1）。

圖1 交、直流供電制式快速辨識(shí)控制總體方案Fig. 1 Overall scheme of the quick identi fication and control system for AC and DC power supply system

信號采集模塊用于采集線路網(wǎng)壓信號并將之傳送給辨識(shí)控制模塊進(jìn)行處理。它是由交流網(wǎng)壓互感器和電壓傳感器共同構(gòu)建而成，其中R是電壓傳感器一次側(cè)線圈接地電阻，r是交流網(wǎng)壓互感器內(nèi)阻。在交流供電制式時(shí)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交流網(wǎng)壓互感器和電壓傳感器均能采集到網(wǎng)壓信號；但在直流供電制式時(shí)，僅電壓傳感器能采集到直流網(wǎng)壓信號。

辨識(shí)控制模塊被集成在機(jī)車牽引系統(tǒng)的牽引變流器內(nèi)，主要包括牽引控制單元(traction control unit，TCU)和交直流模式切換開關(guān)。其功能是通過辨識(shí)算法對網(wǎng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到供電制式辨識(shí)結(jié)果，并控制交直流模式切換開關(guān)切換到正確的工作模式。

系統(tǒng)顯示模塊即為機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）。

交、直流供電制式辨識(shí)控制方案工作流程如圖2所示。其工作步驟如下：

圖2 交、直流供電制式快速辨識(shí)控制方法的總體工作流程Fig. 2 Overall work process of the quick identi fication and control method for AC and DC power supply system

（1） 信號采集。交流網(wǎng)壓互感器和電壓傳感器采集當(dāng)前線路網(wǎng)壓信號并傳輸給牽引變流器內(nèi)的TCU。

（2） 數(shù)據(jù)處理。TCU通過辨識(shí)算法對網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即對網(wǎng)壓信號的平均值和有效值進(jìn)行計(jì)算。

（3）數(shù)據(jù)有效性判斷。根據(jù)檢測網(wǎng)壓有效值與供電穩(wěn)定時(shí)最低網(wǎng)壓有效值的比值來判斷網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)的有效性。在判斷網(wǎng)壓信號有效后才進(jìn)行網(wǎng)壓信號特征比對，否則重新進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（4）交流網(wǎng)壓特征比對。首先判斷網(wǎng)壓特征是否符合交流供電制式網(wǎng)壓特征，符合，則認(rèn)為當(dāng)前供電制式為交流供電制式，并控制交直流切換開關(guān)切換至交流工作模式，完成牽引系統(tǒng)工作模式切換過程；不符合，則轉(zhuǎn)步驟（5）。

（5）直流網(wǎng)壓特征比對。當(dāng)檢測網(wǎng)壓特征符合直流供電制式網(wǎng)壓特征時(shí)，則認(rèn)為當(dāng)前供電制式為直流供電制式，并控制交直流切換開關(guān)切換至直流工作模式，完成牽引系統(tǒng)工作模式切換過程；否則，返回步驟（3）。

（6）數(shù)據(jù)顯示。將辨識(shí)后的供電制式信息和牽引系統(tǒng)工作模式送至TCMS顯示，完成人機(jī)信息交互。

2 供電制式辨識(shí)算法

供電制式辨識(shí)控制算法被集成在機(jī)車TCU中。其針對交流網(wǎng)壓互感器只能檢測交流網(wǎng)壓信號（無法檢測直流網(wǎng)壓信號）、而電壓傳感器對交流、直流網(wǎng)壓信號均可檢測的特點(diǎn)，結(jié)合交流網(wǎng)壓、直流網(wǎng)壓的不同特征進(jìn)行辨識(shí)算計(jì)。該辨識(shí)算法分為3個(gè)部分：網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)有效性判斷、網(wǎng)壓信號特征比對。

2.1 網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)處理

通過式(1)計(jì)算交流網(wǎng)壓互感器采集的網(wǎng)壓信號的平均值Uave1和有效值Urms1：

式中：u——交流網(wǎng)壓互感器檢測的網(wǎng)壓信號；n——采樣周期個(gè)數(shù)。

通過式(2)計(jì)算電壓傳感器采集的網(wǎng)壓信號的平均值Uave2、有效值Urms2以及特征值λ：

式中：V——電壓傳感器檢測的網(wǎng)壓信號。

2.2 網(wǎng)壓信號檢測數(shù)據(jù)有效性判斷

為了排除外部干擾或者傳感器零漂的影響，需要對檢測的網(wǎng)壓信號進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷。實(shí)際工況下，交、直流供電制式下網(wǎng)壓有效值均大于最低電壓值，因此可利用這一特征來判斷檢測數(shù)據(jù)的有效性。

交流供電制式下，交流網(wǎng)壓互感器檢測的網(wǎng)壓信號有效值Urms1具有以下特征：

式中：Uacmin——交流供電制式下穩(wěn)態(tài)時(shí)最低交流網(wǎng)壓信號有效值。

直流供電制式下，電壓傳感器檢測的網(wǎng)壓信號有效值Urms2具有以下特征：

式中：Udcmin——直流供電制式下穩(wěn)態(tài)時(shí)最低直流網(wǎng)壓信號有效值。

因此，辨識(shí)算法中數(shù)據(jù)有效性判斷方法為：式(3)或者式(4)成立，則認(rèn)為檢測網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)有效；式(3)和式(4)均不成立，則認(rèn)為當(dāng)前檢測信號受到外部干擾或零漂影響，數(shù)據(jù)無效。

2.3 網(wǎng)壓信號特征比對

交流供電制式下，網(wǎng)壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：uac——交流網(wǎng)壓單相實(shí)時(shí)電壓；Uac——交流網(wǎng)壓單相電壓幅值；Uacave——交流網(wǎng)壓周期平均值；Uacrms——交流網(wǎng)壓單相電壓有效值；ω,φ——交流網(wǎng)壓角頻率、相位。

直流供電制式下，網(wǎng)壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：udc——直流網(wǎng)壓實(shí)時(shí)電壓；Udc——直流網(wǎng)壓電壓幅值；Udcave——直流網(wǎng)壓周期平均值；Udcrms——直流網(wǎng)壓電壓有效值。

通過式(5)，得到交流供電制式下網(wǎng)壓平均值與有效值的比值為

通過式(6)，得到直流供電制式下網(wǎng)壓平均值與有效值的比值為

依據(jù)式(7)、式(8)可以得出結(jié)論：交流供電制式下，網(wǎng)壓信號特征是λac=0；直流供電制式下，網(wǎng)壓信號特征是λdc=1。考慮到工程應(yīng)用誤差，可認(rèn)為交流供電制式下網(wǎng)壓信號特征是λac在[0，0.5)范圍內(nèi)；直流供電制式下網(wǎng)壓信號特征是λdc在(0.5，1]范圍內(nèi)。

因此，若Urms1大于交流供電制式下穩(wěn)態(tài)最低交流網(wǎng)壓信號有效值Uacmin或者Urms2大于直流供電制式下穩(wěn)態(tài)時(shí)最低直流網(wǎng)壓信號有效值Udcmin，則認(rèn)為當(dāng)前檢測到的網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)有效，繼續(xù)進(jìn)行信號特征比對。當(dāng)Urms1大于交流供電制式下穩(wěn)態(tài)時(shí)最低交流網(wǎng)壓信號有效值Uacmin且λ在[0，0.5)區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為當(dāng)前弓網(wǎng)供電制式為交流制式；當(dāng)Urms2大于直流供電制式穩(wěn)定時(shí)最低直流網(wǎng)壓信號有效值Udcmin且λ在(0.5，1]區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為當(dāng)前弓網(wǎng)供電制式為直流制式。在辨識(shí)算法中設(shè)計(jì)為：λ在[0，0.5)區(qū)間內(nèi)且式(3)成立，則判斷當(dāng)前弓網(wǎng)供電制式為交流制式；λ在(0.5，1]區(qū)間內(nèi)且式(4)成立，則判斷當(dāng)前弓網(wǎng)供電制式為直流制式。

3 現(xiàn)場驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述供電制式辨識(shí)控制方法的有效性，將其應(yīng)用在某雙流制電力機(jī)車上進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證。

（1）當(dāng)弓網(wǎng)提供AC 25 kV的交流網(wǎng)壓時(shí)，交流網(wǎng)壓互感器檢測的網(wǎng)壓信號如圖3所示。在72 ms時(shí)刻檢測到網(wǎng)壓信號，其為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，最大幅值為35 070 V，頻率為50 Hz。

圖3 AC 25 kV交流網(wǎng)壓信號Fig. 3 Voltage signal of AC 25 kV grid

TCU對網(wǎng)壓信號檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出Urms1=24 900 V，λ=0.05。辨識(shí)控制過程如圖4所示，從圖中可看出，從檢測到網(wǎng)壓信號到辨識(shí)出交流供電模式的整個(gè)辨識(shí)過程在100 ms內(nèi)完成。TCU依據(jù)辨識(shí)結(jié)果控制交直流模式切換開關(guān)切換至交流工作位，完成牽引系統(tǒng)工作模式切換。最后TCU將信息發(fā)送TCMS進(jìn)行顯示，完成人機(jī)信息交互。

圖4 交流供電制式辨識(shí)控制過程Fig. 4 Identi fication control process of AC power supply system

（2）當(dāng)弓網(wǎng)提供DC 3 kV的直流網(wǎng)壓時(shí)，交流網(wǎng)壓互感器檢測的網(wǎng)壓信號為0，電壓傳感器檢測的網(wǎng)壓信號如圖5所示，在40 ms時(shí)刻檢測到網(wǎng)壓信號，且網(wǎng)壓信號為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓，幅值為3 100 V。

圖5 DC 3 kV直流網(wǎng)壓信號Fig. 5 Voltage signal of DC 3 kV grid

TCU對網(wǎng)壓檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出Urms2=3 100 V，λ=0.97。直流供電制式辨識(shí)控制過程如圖6所示， 可以看出，從檢測到網(wǎng)壓信號至辨識(shí)出直流供電模式信號的整個(gè)辨識(shí)過程在100 ms內(nèi)完成。TCU依據(jù)辨識(shí)結(jié)果將交直流模式切換開關(guān)切換至直流工作位，完成牽引系統(tǒng)工作模式的切換。最后TCU將信息發(fā)送TCMS進(jìn)行顯示，完成人機(jī)信息交互。

圖6 直流供電制式辨識(shí)控制過程Fig. 6 Identi fication control process of DC power supply system

4 結(jié)語

本文利用交流網(wǎng)壓互感器和電壓傳感器來構(gòu)建雙傳感器網(wǎng)壓信號采集拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在交、直流供電制式下均能采集網(wǎng)壓信號），并通過辨識(shí)算法對網(wǎng)壓信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再根據(jù)交、直流供電制式的信號特征快速辨識(shí)出當(dāng)前電網(wǎng)供電制式，從而控制牽引系統(tǒng)工作模式切換。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文控制方法能夠有效保證電力機(jī)車在100 ms內(nèi)準(zhǔn)確辨識(shí)線路供電制式并完成牽引系統(tǒng)工作模式自動(dòng)切換，大大減輕了工作人員工作壓力，提高了工作效率，理想情況下可做到電力機(jī)車不停車通過供電制式變換路段。

目前，該方法還無法滿足3種及3種以上供電制式的快速辨識(shí)，因此還有待后續(xù)優(yōu)化研究。