基于GO法的CRH3型動車組輔助供電系統可靠性分析

蘇麗娟，王遠宏 ，王金圓 ，金霞 ，丁磊

(1.朝陽師范高等專科學校,遼寧 朝陽 122000；2.朝陽市雙塔區經濟技術開發區服務中心,遼寧 朝陽 122000)*

CRH3型動車組是中國引進改造的客運列車種類之一，主要服務于國干鐵路和區際鐵路.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方式，有2個牽引單元組成，每個牽引單元按兩動一托構成，最高運營時速為350 km/h.

輔助供電系統是動車組的重要組成部分，擔負著為車載設備(冷卻設備、空調機組、通氣設備、加熱設備、照明設備、監測與控制電路、通訊設備等)提供交流或直流電源的重要任務，其穩定可靠的工作是確保動車組長時間安全運行和擁有優質服務環境的關鍵.學者們在評估和提高動車組輔助供電系統可靠性和安全性方面做了大量研究.文獻[1]提出了CRH3型動車組輔助供電系統可靠性框圖模型，基于最小路集不交化算法評估了其可靠性，提出了動車組輔助供電系統可靠性優化方案；文獻[2]基于合作博弈和云模型理論的健康狀態評估方法，結合輔助供電系統的分層分析模型，完成了CRH3型動車組輔助供電系統的健康狀態評估；文獻[3]建立了CRH3型動車組輔助供電系統的S-T終端對網絡圖可靠性模型，并分別用蒙特卡羅-元胞自動機算法和融入最小二乘支持向量機的改進算法分析了不同工作模式下的該系統可靠度；文獻[4]分析了動車組高壓電氣系統各主要部件的典型故障，完成了不同車型動車組高壓電氣系統可靠度建模及相關計算，闡述了動車組高壓電氣設備預防性試驗的相關理論及實驗情況；文獻[5]以動車組非正常停車故障作為可靠性考核指標，對CRH2型動車組整車及各子系統進行可靠性建模和分配研究.學者們多方面多方式地進行動車組輔助供電系統可靠性研究，為提高動車組輔助供電系統的維修維護和健康管理水平提供了理論依據.

20世紀60年代，由美國Kaman科學公司提出的GO(GO Methodology)法，是一種有效的系統可靠性分析方法，也是一種以成功為導向的系統概率分析技術，被美國軍方用于分析武器系統安全性和可靠性.GO法的分析過程是從輸入事件開始，經過一個GO模型的計算，確定系統的最終概率.它在多狀態、有時序的系統，尤其是有實際物流(如氣流、液流、電流)產生的系統的安全性和可靠性分析中有著其他方法不可代替的優點[6].GO法自誕生以來，在多國的航空航天、國防工業、化工石油、核工業等領域的實際工程系統可靠性分析中得到了廣泛應用[7-12]，但是對于一些可用度要求較高的新型工程系統，GO模型的建立和運算還需要進一步的研究和驗證，以期能夠在工程實踐中發揮出更好的準確度和實用性.

本文研究了應用GO法定量分析CRH3型動車組輔助供電系統可靠性的方法；根據CRH3型動車組輔助供電系統中各部件的功能和邏輯關系確定了操作符數據，提出了該系統的GO模型；推導了信號流的計算公式，根據文獻[14]中提供的武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動車組輔助供電系統部件可靠性數據，完成了GO運算，得到了基于GO法的CRH3型動車組輔助供電系統的可靠性分析結果；將本文計算結果與文獻[14]中計算結果進行了對比，得到相關結論，也驗證了GO法在CRH3型動車組輔助供電系統可靠性分析中的有效性和正確性，為CRH3型動車組輔助供電系統可靠性分析提供一種新途徑，也為其它類型動車組供電系統可靠性分析提供借鑒和參考.

1 CRH3型動車組輔助供電系統分析

1.1 結構分析

每輛CRH3型動車組由8節車廂組成，其輔助供電系統結構如圖1所示(方框中的多個元件是串聯關系).它可分為2個子系統，子系統1(位于EC01、TC02、IC03、BC04四節車廂中)與子系統2(位于FC05、IC06、TC07、EC08四節車廂中)呈軸對稱結構.TC02和TC07中，受電弓負責從接觸網獲取電能；兩個避雷器(一個位于受電弓后部，另一個位于主變壓器的初級側)和主斷路器一起，在接觸網導入過壓時，實現對列車的保護；接觸網電壓互感器用于檢測接觸網網壓；帶有接地隔離開關的主斷路器用來控制每個牽引單元的交流25kV電路，也用于短路和過流保護；接觸網電流互感器用于檢測動車組交流總電流；主變壓器額定電壓為 AC 25 kV/50 Hz，次級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；變壓器冷卻系統用于對主變壓器的檢測和保護；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節獲取部分電能，逆變出440 V/60Hz的交流電輸送到供電母線[4-5,14].

圖1 CRH3型動車組輔助供電系統結構圖

CRH3型動車組共有4個輔助變流器：兩個單輔助變流器，功率為160 kVA，分別位于TC02和TC07；還有兩個雙輔助變流器，每個雙輔助變流器是由兩個單輔助變流器并聯而成，分別位于BC04和FC05車.車頂電纜隔離開關用于在車頂高壓線路故障時分離線路，從而實現當一個牽引單元的主電路故障時，另一個牽引單元的主電路還可以繼續工作.

1.2 工作原理分析

動車組正常運行時，一只受電弓升弓，從接觸網取得AC 25 kV交流電，經過主斷路器進入主變壓器降壓為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，該系統的功能是為整列動車組的輔助負載提供合適電能；系統的輸入是接觸網AC 25 kV/50 Hz電能；系統的輸出是交流供電母線上的交流電；系統成功的準則是交流供電母線上交流電能夠滿足整列動車組上所有輔助負載的供電需求，即列車運行期間，任何時候至少有五個處在正常工作狀態(當一個單輔助變流器出現故障時，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載的供電需求，以保證動車組的安全運行和優質服務環境).

2 建立系統的GO圖

將CRH3型動車組輔助供電系統中元器件等效為20個單元，如圖1中的A, B, … , T.A～I子單元的可靠度根據串聯系統可靠度模型計算規則得到，其它子單元的可靠度即為相應元件的可靠度.

根據系統中各單元的功能及各單元輸入輸出信號之間的邏輯關系，對應GO法中17種操作符的定義，確立圖1中各子單元對應的操作符類型并統一編號，再對每一操作符的輸出信號進行編號，建立圖1對應的CRH3型動車組輔助供電系統的GO圖如圖2所示.其中三角形或圓形內數字為“操作符類型-操作符編號”，三角形或圓形外數字為信號流編號.

圖2 CRH3型動車組輔助供電系統GO圖

圖2中的操作符與系統中子單元的對應關系列于表1.表1中列出了兩組操作符數據，分別對應武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動車組相關單元，其中PCi(1)表示編號為i的操作符的成功狀態概率，其數值取自文獻[14].圖2中：3號操作符為限值概率門；4號操作符為有信號而導通的元件；6、7、18、19和33號操作符均為或門；26～32號操作符均為與門，這14個操作符是因信號流邏輯關系而選定的，并無實際元部件與其對應，故定量計算時可視其成功概率為1.

3 系統可靠性計算

3.1 計算公式推導

GO法中不同類型操作符有不同的運算規則，本文相關類型操作符的GO計算規則列于表2.其中，AR(i)表示輸出信號在狀態值為i時的累積狀態概率；AS(i)表示輸入信號在狀態值為i時的累積狀態概率；N為信號狀態最大值；M為或門輸入信號個數；PR(i)表示輸出信號在狀態值為i時的狀態概率；VSj表示輸入信號流j的狀態值，狀

態值為1表示其處于成功狀態，狀態值為2表示其處于故障狀態.

表1 CRH3型動車組輔助供電系統操作符數據

表2 相關類型操作符GO運算規則

根據圖2中信號流的流通順序和表2中不同類型操作符的運算規則，可推導出圖2中各信號流的累積狀態概率計算公式，部分結果列于表3.值得注意的是，表1中操作符數據說明本系統是2狀態系統，即所有信號均只有成功和故障兩種狀態，對應的狀態值分別為1和2，所以表2中N=2且Ai(0)=0.表3中Ai表示信號流i在狀態值為1時的累積狀態概率，此處等于信號流i的成功狀態概率，PCi表示編號為i的操作符的成功狀態概率.

表3 各信號流計算公式

3.2 共有信號修正

需要說明的是，圖2中信號流6、7、18、19、26，…，33等12個信號流中均含有共有信號，在進行GO運算時，可采用如下方法進行共有信號修正：首先將它們的累積狀態概率按照信號流狀態概率進行展開，然后將表達式中所有共有信號狀態概率的高次項用一次項替換.如信號流6的累積狀態概率修正過程如下：

首先，將信號流6的累積狀態概率表達式按照信號流狀態概率展開可得

(1)

然后，將式(1)整理可得

(2)

A6=PC1+PC2PC5-PC1PC5PC2

(3)

其它11個信號累積狀態概率的修正過程與上述過程類似.表3中各信號流計算公式經過數值代入、整理、共有信號修正后可得到整理后各信號流概率計算公式，部分結果如下：

3.3 GO定量計算結果

將表1中操作符成功概率代入整理后各信號流概率計算公式，可分別計算出對應于武廣高鐵和京津城際鐵路中CRH3型動車組輔助供電系統各信號流的成功狀態概率，部分計算結果列于表4.

表4 信號流成功概率計算結果

4 計算結果對比

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

5 結論

對CRH3型動車組輔助供電系統進行了原理和結構分析，研究了應用GO法分析動車組輔助供電系統可靠性的方法和過程，得到了與其它文獻一致的結論，驗證了GO法在動車組輔助供電系統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型動車組輔助供電系統GO模型和相關公式的正確性，它們均可直接應用于工程實踐.

GO圖由系統結構圖可視化映射得到，這降低了系統可靠性分析的難度，本研究為動車組輔助供電系統可靠性分析提供一個便捷的新方法，可為動車組輔助供電系統的可靠性優化及安全評估提供理論依據.