北京地铁4号线车辆电气系统的冗余设计

2012-01-17尤维秀刘玉文

城市轨道交通研究 2012年11期

尤维秀刘玉文

（1.南车四方车辆公司，266111，青岛；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛∥第一作者，工程师）

对于地铁列车，可靠性和可用性是两个非常重要的指标。为了满足车辆的这些指标要求，在提高列车各系统绝对可靠性的基础上，系统或结构上采取一些冗余设计也是提高车辆整体可靠性和可用性的重要措施。在北京地铁4号线地铁车辆电气系统的设计中，就充分体现了这个理念。

1 列车的编组形式

北京地铁4号线每列车由6节车编组而成：＋Tc1－M1－M3－T3－M2－Tc2＋（＋表示半自动车钩，－表示半永久棒式车钩，M1、M2、M3为无司机室的动车，T3为无司机室的拖车；Tc1、Tc2为带司机室的拖车）。

从列车编组可以看出，列车由3个基本相同的小单元组成：（Tc1－M1），（M3－T3），（M2－Tc2）。这3个小单元分别为一动一拖配置。

2 冗余设计

列车电气系统主要由牵引系统、控制部分和辅助供电系统等几大系统构成。这些系统的设计中，均采取了不同方式的冗余设计。

2.1 牵引力的冗余

牵引力的冗余设计是北京地铁4号线车辆的最大特色。

2.1.1 正常的牵引力冗余

全列车共有3个动车，其动力冗余较大（见图1列车牵引力曲线）。该列车的牵引力除让列车具备基本牵引性能外，还具有以下冗余能力：

图1 列车牵引力曲线

（1）6辆编组列车在超员状态下，当损失1／3动力时，列车仍然可以在30‰的坡道上起动，并能以正常运行方式完成一次单程运行；

（2）6辆编组列车在空车状态下，当损失1／3动力时，列车仍然可以在34.37‰的坡道上起动，并返回车辆基地；

（3）一列6辆编组的空车能将另一列停在30‰坡道上的6辆编组超员故障列车移至最近的车站（上坡）；

（4）一列6辆编组的空车能将另一列停在34.37‰坡道上的6辆编组故障空车救援到车辆基地（上坡）。

这样的动力冗余性能，大大提高了列车的可用性和可靠性指标，即：一个动车故障的情况下，不影响列车的运营。

2.1.2 蓄电池牵引能力

蓄电池牵引运行模式是北京地铁4号线列车的另一个显著特点。列车正常运行时，是由第三轨外部电源供电牵引运行的。当外部电源由于某种原因不能供电时，其他线路的列车就需要救援，但4号线地铁车辆可转换到蓄电池供电牵引模式，实现短时牵引。所以北京地铁4号线列车可以减少车辆被救援的概率，提高了车辆的可用性。另外，在车辆段没有三轨电源供电的情况下，列车可通过采用蓄电池牵引模式，实现段内列车的移动，从而减少了车辆段调车用机车的数量。存车库内可以不设三轨，进一步保证了维护人员和司乘人员的安全。

通过试验验证，蓄电池牵引工况下，列车可运行2km以上。蓄电池牵引试验分空载（AW0）和超载（AW3）两种工况进行：

（1）空载试验（AW0）在南车四方试验线进行，列车静止工况下，将列车牵引模式转换为蓄电池牵引模式后，启动列车前进，列车以蓄电池牵引模式运行2km。

（2）超载（AW3）工况在业主线路正线进行，列车装载AW3负载，静止工况时将牵引模式转换为蓄电池牵引模式后，启动列车前进，列车以蓄电池牵引模式运行一个区间（大于2km）。

列车蓄电池牵引模式实现原理如下：动车的牵引逆变器由两路供电：列车正常供电由受流器从线路上的三轨获得后经高速断路器后送到牵引逆变器，另一路供电来自列车的蓄电池组。两路供电由列车网络控制实现互锁，每种牵引工况下只允许有一路电送到牵引逆变器。司机操纵台上设有一个列车牵引模式选择开关，在列车静止工况下，司机可以通过这个牵引模式选择开关选择采用正常牵引模式还是蓄电池牵引模式。

蓄电池牵引模式实现的关键有两个：一是牵引逆变器具有低压逆变牵引控制能力；二是蓄电池具有足够的供电容量。

2.2 控制系统的冗余设计

控制系统的冗余设计包括网络系统本身的冗余和硬线控制的冗余两个方面的内容。

2.2.1 网络系统的冗余设计

北京地铁4号线地铁车辆列车采用的MitracⓇTCMS（列车控制和管理系统）优于一般列车采用的网络控制系统。MitracⓇTCMS系统及其部件无论是硬件本身还是软件功能都具有高的可靠性和耐用性。在此基础上，列车设计增加了冗余考虑。见图2网络冗余拓扑图。

参见本文“列车编组形式”一节中的相关描述，4号线地铁列车由3个小单元构成，列车级的MVB（多功能车辆总线）网络中，每个小单元设有网络主控制单元（VCU）。VCU按备份设置，即网络的每个主节点上，均布置有两个VCU控制器。正常情况时，其中一个VCU担任主机功能，另一个处于热备状态（仅接受数据不参与控制）；当担任主机功能的VCU控制器发生故障时，另一个处于热备状态的VCU接受到主机故障信息后立即接管主机功能，实现网络的不间断控制。网络主控制器热备的冗余设计，大大提高了网络控制系统的可用性和可靠性指标。

列车信息存储的冗余。TCMS系统中集成了列车诊断系统。每单元的网络主控制单元VCU检测、存储车辆状态信息和车辆的故障、事件等信息，故障信息可即时显示在司机台的显示器上，并可指导司机采取适当的措施。列车在M3车上增设了2个数据记录器，同步记录列车行车信息。冗余的信息存储设计进一步保证了行车数据的安全。行车数据可以被下载下来即时分析或长期存储在服务系统中供研究之用。

2.2.2 硬线控制的冗余

列车的牵引及制动指令，是列车控制系统中最重要的数据之一。为确保列车的可用性，这两个数据除通过MVB网络传输之外，在列车控制电路中，还设计了牵引和制动指令的硬线传输模式。即通过电流环传输模式进行数据传输，作为备份传输通路。当激活端司机室（司机发出指令的司机室）中的两个VCU均发生故障的情况下，司机通过转换开关转换到备用工作模式（硬线控制模式），通过电流环可以把牵引、制动指令传递给列车其他两个单元的牵引逆变器，使这些车的牵引单元继续完成牵引功能，确保列车发挥三分之二的牵引能力，从而使列车得以正常的运营速度完成运送乘客的任务。空调的控制数据除通过网络传输外，也具备通过硬线控制模式传输的能力。

2.3 辅助供电系统的冗余设计

4号线车辆辅助供电系统的冗余，包括容量上冗余和外部供电方面的冗余两个方面的内容。

2.3.1 容量冗余及扩展供电

4号线地铁列车设有2个辅助电源，分别设置在M1和M2车上，每个辅助电源的容量为160kVA。参见图3扩展供电电路，每个辅助电源为三辆车的辅助系统供电：M1车上的辅助电源对Tc1、M1和M3这3个车上的负载供电，M2车上的辅助电源对T3、M2和Tc2这3个车上的负载供电。每个辅助电源的正常最大负载为150kVA，每个辅助电源160kVA的容量即为满足冗余设计而准备。

图3为扩展供电电路，在M3车高压箱中设有扩展供电装置。在列车两个辅助电源均工作正常的情况下，扩展供电接触器处于断开状态，两个辅助电源分别对各自的负载供电。为了保证列车的正常可靠运行，列车上所有关系到行车安全的重要设备均设有故障供电措施，即冗余供电设计。例如，假定辅助电源1发生故障时，TCMS根据其发出的故障信号，将通过MVB网络通知列车上的所有空调暂停运行后，再通过网络控制设在M3车高压箱中的扩展供电接触器闭合，辅助电源2开始对列车上所有空调进行供电，这时，TCMS将通过网络通知列车上的所有空调按扩展供电模式（减载运行模式）再次启动运行，这样，辅助电源2实现为减载后的整列车的重要负载供电，以确保列车的正常运行。

图3 扩展供电电路

2.3.2不间断供电技术辅助电源外部供电的冗余

北京地铁4号线列车采用先进的不间断供电技术。地铁列车的正常供电来自地面线路，即在地面轨道旁铺设一条称为第三轨的供电轨道来为列车供电，但由于施工条件限制，在道岔等处，不能铺设这样的供电轨，即线路上会有部分供电间断的区域，若列车上没有采取适当的不间断供电措施，列车经过这些区域时，会出现灯光熄灭、空调停止工作的情形。为保证列车通过断电区时车辆的正常供电，传统的做法是在列车上布置一条贯通全列车的母线，这样当列车通过断电区时，处于断电区的车辆可以通过母线接受其它不在断电区车辆的供电，从而保证全列车供电系统的正常供电。北京地铁4号线车辆电气系统采用先进的技术，当通过断电区时，若检测到无外部电源供电，列车智能管理系统会通知车辆牵引系统进入轻微制动模式，通过制动将列车的部分动能转化为电能，这些电能为列车供电系统提供电力供应。此方案摒弃了传统的母线重联供电模式，在减少了母线配线和控制设备的同时，增加了列车可以承受的断电区长度。

2.4 直流供电的冗余

4号线车辆低压直流电源系统的冗余，包括直流供电装置本身容量上冗余和蓄电池容量的冗余两个方面的内容。

2.4.1 直流供电装置本身容量上冗余

4号线列车上设有2个直流供电装置，每个直流供电装置的容量为22kW；2个直流供电装置的输出端带有输出接触器和二极管，通过二极管后接到同一条直流母线上（见图4）。

图4 蓄电池输出电路

整列车的直流负载为为20kW左右，而列车上两个直流供电装置每个的容量即为22kW，这样的容量配置，可保证当一个直流供电装置故障的情况下，可以通过输出接触器切除故障的直流供电装置，而保证整列车的直流负载供电不受任何影响。

2.4.2 蓄电池容量的冗余

北京地铁4号线列车还设置蓄电池组作为直流供电系统的备用电源，在直流供电装置正常运行时，蓄电池处于浮充电状态，而在直流供电装置未启动或故障时则担负直流电源系统的供电责任。北京地铁4号线列车蓄电池容量为180Ah，确保列车所有负载在只有蓄电池供电的情况下，列车可以在正线上正常运营一个往返。紧急情况下（外部无高压电源时），可以保证列车紧急和重要负载连续供电45 min，45min后，若列车外部电源供电恢复，蓄电池组尚具备正常启动列车的能力。