HXD1D客運電力機車列車供電控制系統特點

翟啟斌

摘要

通過HXD1D客運電力機車列車供電控制系統與交直傳動客運機車的列車供電控制系統分析比較，詳細闡述了HXD1D客運電力機車列車供電控制系統設計開發的技術特點。HXD1D客運電力機車列車供電控制系統已裝車六百多臺，其性能不斷完善并充分得到了現場驗證。

【關鍵詞】HXD1D客運電力機車 列車供電控制系統 系統特點

長期以來，我國客運電力機車發展停滯不前，160km/h級別的主要車型仍以2000年前后研制的SS8、SS9G、SS7E等交直傳動機車為主，其牽引功率受到了一定限制，列車供電系統存在功能簡陋、信息化程度低、器件停產采購困難等缺點，且車型開始老化，需要逐步退役。為了填補機車空缺以及適應客運市場的發展，2011年開始，我國主要機車制造企業開始著手研制新型時速160-200km/h級別的客運交流傳動電力機車。新型客運電力機車的要求是運行速度在160km/h，整車功率7200kW，軸式為Co-Co。

對此，由中車株洲電力機車有限公司根據HXD1C平臺研發出了HXD1D型準高速交流傳動電力機車。為保證HXD1D客運電力機車列車供電系統的可靠運行質量，因此對列車供電控制系統進行多項優化改進，以滿足機車技術進步及可靠性的需要。

1 總體思路

HXD1D客運電力機車列車供電控制系統充分吸收了交直傳動客運機車列車供電控制系統的優點和成功運用經驗，此次一并在新開發的列車供電控制系統中統一規劃、統一解決。

HXD1D客運電力機車列車供電控制系統設計中利用了先進的晶閘管整流器微機控制系統技術，采用了新型微機控制芯片，充分貫徹了模塊化的設計思想，提高了產品的可靠性和技術含量。

2 技術特點

2.1 系統架構優化

HXD1D客運電力機車列車供電控制系統的開發設計中，對系統架構和功能模塊進行了優化和改進。HXD1D客運電力機車列車供電控制系統由供電控制插件、脈沖分配插件、網卡板插件、數字入出插件、開關電源插件、轉換控制插件、背板等7個基本通用模塊組成，并采用冷備冗余設計方式提高系統可靠性，可實現列車供電系統的晶閘管整流器控制、系統級故障保護、輸出側客車接地保護、對外通訊等功能。如圖1所示。

列車供電系統的數字量邏輯信號從數字入出插件輸入，經數字入出插件的電平轉換后送入插件內的微機控制芯片，然后再通過并行數據總線傳送給供電控制插件實現相關的邏輯控制。

供電控制插件的微機控制系統采用了DSP+PowerPC+FPGA的多重CPU架構：DSP采用了全球領先的半導體公司TI的數字信號處理芯片，它主要完成并行數據總線管理、總線上各插件的數據交換以及特性、參數保護等控制功能，Power PC是一種RISC架構的CPU芯片，它完成人機接口等功能;FPGA是現場可編程門陣列芯片，它完成板內邏輯及外圍信號的采集與預處理，將模擬量轉換為數字量、并從總線獲取其他數字量信息。

供電控制插件的對外控制數字開關量通過并行數據總線送至數字入出插件內的微機控制芯片，并經數字入出插件完成電平轉換后輸出驅動接觸器。

脈沖分配插件根據供電控制插件的計算結果轉換成晶閘管的觸發脈沖陣列信號，經放大后驅動列車供電系統的晶閘管整流器。脈沖分配插件主要由兩部分組成：以FPGA為主的微機控制系統及其外圍電路、脈沖放大電路。FPGA及其外圍電路實現與總線的接口及對同步信號進行濾波、形成與脈沖相關控制信號、同時用編程的方式實現脈沖陣列的形成與分配。

轉換控制插件是為完成系統冗余切換而設計的。在系統進行冗余切換時，將外部傳感器的電源、脈沖輸出等進行相應切換。另外轉換控制還完成了部分模擬信號的轉換功能。

與交直傳動客運機車列車供電控制系統相比，HXD1D客運電力機車列車供電控制系統改進的優越性主要表現如下：

（1）整個列車供電控制系統實現了全數字化處理，無論是PI調節計算、特性控制、故障保護還是數字輸入輸出處理，并且通過總線技術進行數據交換，抗干擾性更好，控制精度更精確。

（2）系統采用了兩套完全相同的A/B兩組進行冷備冗余，大大提高了系統的可靠性。

（3）系統采用背板的設計方法進行各插件間的低壓信號和高壓信號傳遞，并且設置了有效的安全間距，屏蔽效果好、質量更可靠。

2.2 A/B組冗余

HXD1D客運電力機車列車供電控制系統由7個基本通用模塊組成，按照功能劃分符合串聯系統的定義，其基本模型如下（圖2）。

根據基本可靠性框圖可得，與之對應的HXD1D客運電力機車列車供電控制系統的基本可靠性數學模型為：

其中，t為系統工作時間，R_s（t）為系統可靠度，λ為系統的等效失效率，MTBF為系統平均故障間隔時間。

因此在串聯系統中提高各子系統中元器件、模塊的可靠度，即可有效提高系統可靠性。但是由于HXD1D客運電力機車列車供電系統關系到廣大旅客乘車的安全及舒適度，高可靠性己成為考核系統和設備的重要指標。這種情況下，除了采取單個模塊的可靠性外，容錯技術成為了滿足連續性運行要求，提高控制系統可靠性和可用性的首選手段。冗余就是容錯技術常見也是現行的最穩定可靠的方式。如圖3。

根據并聯系統定義，其數學模型為：

式中：Rs（t）——系統的可靠度;

Ri（t）——第i個單元的可靠度。

并聯系統中隨著冗余子系統數量的增加，其系統的可靠度越高，平均無故障時間（MTBF）也會增加。

HXD1D客運電力機車列車供電控制系統冷備份冗余設計體現在以下幾點：

（1）對影響系統可靠性指標較大的所有控制插件進行了冗余，基本避免了因為控制系統問題而造成的機破。

（2）電源是整個控制系統得以正常工作的動力源泉，一旦電源單元發生故障，往往會使整個控制系統的工作中斷，造成嚴重后果，因此對電源系統進行了冗余。

（3）由于需要通過網絡對外傳遞相關控制命令信號，同樣也采用了冗余網卡和冗余網絡接口。

（4）A/B組的所有插件實現完全的統一，插件的互換性非常強。

2.3 大數據

交直傳動客運機車列車供電控制系統對外提供的數據信息非常少，僅傳送了輸出電壓、輸出電流和三四個故障信息。而HXD1D客運電力機車為了提高列車供電系統的信息化能力，加強大數據能力建設，目前把HXD1D列車供電系統內所有信息都對外輸出：

（1）模擬信號：列車供電系統的交流輸入電壓/輸入電流、直流輸出電壓/輸出電流、接地電壓以及電度量信息。

（2）數字信號：列車供電柜內真空接觸器、快熔、閘刀、繼電器等開關狀態信號。

（3）故障信息：列車供電柜發生的故障信息，包括直流過壓、直流過流、直流接地等。

同時在HXD1D機車上加裝了列供監測子系統，實時監測、記錄列車供電系統的狀態。HXD1D客運電力機車列車供電控制系統對外輸出的信息量可靠而且完整，有利于促進機車信息化，提高維護檢修的效率。

2.4 簡統化、模塊化

簡統化、模塊化的設計思想貫穿于HXD1D客運電力機車冗余列車供電控制系統設計之中，在設計中充分吸收了韶山客運機車列車供電控制系統的優點，并在功能模塊的合并簡化與通用的基礎上進行了大幅優化。

HXD1D客運電力機車列車供電控制系統采取了統一的控制邏輯、統一完善的功能——在簡化了原先較為繁雜的控制系統的同時，將主電路接觸器和接地判斷的控制權統一收歸控制系統，并統一提供電度量顯示。

3 結束語

目前，HXD1D客運電力機車列車供電控制系統已累計裝車六百多臺，并在鐵路總公司下屬的武漢鐵路局、廣州鐵路局、上海鐵路局等路局投入運用。我國京廣、滬昆等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，其性能不斷完善并得到驗證。

HXD1D客運電力機車列車供電控制系統的推廣，將有助于提升我國機車裝備的技術水平，同時大大提高產品質量的可靠性，減少維修工作量，大幅減少電氣系統維修成本，實現良好的經濟效益和社會效益。

參考文章

[1]吳強.客運列車供電系統[J].機車電傳動，2003，5：54-61.

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

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