CRH380CL型高速列车车载自动过分相控制策略

沈迪，田永洙，常振臣

(中国北车集团 长春轨道交通股份有限公司，吉林 长春 130062)*

0 引言

电气化铁道采用单相工频交流供电方式，为使电力系统的三相供电负荷平衡并提高电网利用率，供电接触网均采用分相段供电形式.为防止相间短路，在不同相供电臂之间的连接处用空气或者绝缘装置分割，形成了两个供电臂之间绝缘分割区域，称为分相区.

在时速200 km/h及以上电气化铁路中，列车每隔几分钟就要过1次分相区，司乘人员必须在不到1 min的时间内手动操纵机车安全通过分相区.如此频繁和紧张的操作，不仅使司乘人员劳动强度和精神负担加大，而且稍有不慎就可能引起相间短路，烧坏接触网.因此，在我国准高速或高速铁路上，为了有效缓解司乘人员工作压力，列车都相应地采用了车载自动过分相装置.目前CRH380CL型高速列车上搭载两套车载过分相装置:GFX-3A自动过分相系统和ATP系统.本文主要研究GFX-3A自动过分相系统的控制策略与应用.

1 系统结构和工作原理

1.1 系统结构

GFX-3A自动过分相系统包括车载GFX-3A自动过分相控制主机、感应接收器和地面应答器.

头尾两车车下各装有四个感应接收器(T1、T2、T3和T4)，其中T2与T4安装在车下右侧，T1与T3安装在车下左侧.感应接收器T2与T4、T1与T3互为冗余.

如图1所示，在分相区前后各设有两个地面应答器，G1为分相预告点，G2为强断点，G3/G4为分相恢复点，S1=170 m，S2=35 m.在列车通过分相区时，使用车下感应接收器T2、T4来感应G1和G3，T1、T3来感应G2和G4.

图1 GFX-3A装置地面应答器布置图

1.2 工作原理

头车通过G1点时，车载GFX-3A控制主机向高速列车中央控制单元(简称CCU)发送“分相预告”脉冲信号(1 s，110 V)，CCU收到此信号后，立刻通知牵引变流器控制单元(简称C/I).C/I根据CCU指令封锁四象限整流器，进入中压保持状态，并控制牵引电机进入再生制动工况，其产生的能量用于维持车辆辅助供电系统，此后CCU命令断开主断路器(简称VCB)，列车将在无牵引、无高压状态下通过分相区.

头车通过G2点时，控制主机向CCU发送“强迫断VCB”脉冲信号(1 s，110 V)，CCU不考虑C/I是否进入中压保持状态，随即断开VCB.“强迫断VCB”信号优先级高于“分相预告”信号.

头车通过G3点时，控制主机通过“分相预告”信号通道向CCU发出合VCB指令，控制VCB重新闭合.在控制主机正常接收到G3信号时，G4信号不起作用.

2 高速列车过分相速度损失分析

为了保证高速列车进入分相区前维持辅助供电系统继续工作(CRH380CL高速列车速度高于70 km/h时C/I才能够进入中压保持状态)，高速列车必须在G2信号点前断开VCB.设车载GFX-3A控制主机发出“分相预告”信号到VCB实际断开时间为to(to应为常数).设G1与G2信号点间高速列车运行时间为t，高速列车在G1信号点的速度为Vo，那么

注:由于C/I进入中压保持状态过程中，高速列车速度不断下降，但下降有限，所以按最不利情况考虑，采用最初的速度Vo.

设G2信号点前VCB断开的持续时间为T，那么

高速列车在不同速度级别下进入G1点时，Vo越低，t越大，T越大，即意味着在高速列车通过G2点前VCB断开时间越长.考虑到高速列车过分相时产生的再生制动力、高速列车阻力和线路状况等因素，时间T越长，那么高速列车速度损失也就越大.速度损失虽然不会影响高速列车安全过分相，但是对铁路线路高密度化运营，节约全线运行时间都极为不利.为了将CRH380CL型高速列车在过分相前的速度损失减至最低，提高线路运营效率，必须将T缩短.

3 CRH380CL型高速列车过分相控制策略研究

3.1 控制时序

在收到“分相预告”信号后，如果CCU延时处理过分相控制逻辑，那么VCB断开时机便向后顺延，T即为CCU需要的延时时间.根据理论计算分析，CRH380CL高速列车C/I的控制时序如图2所示:

图2 牵引变流器再生制动控制时序

3.2 延时时间计算

C/I从收到“分相预告”信号到牵引电机进入弱再生控制的时间为(600+1 000+850)ms/1 000=2.45 s.车载GFX-3A控制主机发出“分相预告”指令给CCU，CCU经逻辑判断再输出给C/I，整个分相预告信号的传输过程最长大约需要50 ms.VCB从收到断开信号到实际断开需要的最长时间约为60 ms.为了尽量减少VCB断开时间，假定牵引电机刚刚进入弱再生控制时，CCU就立刻发出断开VCB指令，那么，上述信号处理时间总共为2.56 s.如果以10%安全余量计算，那么计算结果为2.85 s.考虑到信号处理、传输延迟和其他不利因素，最终取值to=3 s，富余0.44 s，余量占比为14.6%，大于安全余量10%的要求.经上述分析，得到公式:

3.3 延时时间优化

在最不利情况下(即列车在10级牵引工况下运行至分相区)，CCU经延时T s后向C/I发出“分相预告”信号的实际车速Vo'＞Vo，所以T'＜T.如果仍然按照T进行延时处理，势必会造成高速列车驶入G2信号点前C/I无法完全进入中压保持状态.因此，需要对公式“T=170/Vo-3”的参数“170”进行调整，用于抵消速度增加值(Vo'-Vo).根据CRH380CL型高速列车10级“牵引-速度”曲线，经计算得到如表1所示.

经比较，最终将参数“170”修订为“150”，计算公式优化为:

高速列车在过分相过程中列车速度随时间不断变化，准确的变量T应根据列车实时位置距G2点的距离与实际车速进行积分得出，但是考虑到CCU运算处理能力有限，以及信号传输时延等因素，为了保证控制方式可靠，不得不牺牲变量T的准确性而采用上述线性计算公式.

表1 延时时间T计算分析表

3.4 控制逻辑关系

根据上述车载自动过分相控制策略分析，CRH380CL高速列车控制逻辑采用优化后的延时控制方案，如图3所示:

图3 应用控制逻辑简图

CCU收到过分相预告信号后经延时T向全列各车CI发出预告信号“a_TCUC_SO03_7”，再经过2.45 s向各车VCB发出断主断路器2 s脉冲信号“b_FTR_DO00_0”，高速列车牵引辅助及制动系统进入过分相工况.

4 试验验证

在CRH380CL高速列车型式试验期间，对车载过分相控制部分进行了一系列验证，下面列举了部分数据，如表2、表3所示(注:软件采样周期为200 ms，中间信号略去相同部分).

表2、表3分别记录了50 km/h和200 km/h速度级别下CRH380CL型高速列车通过分相区的实测结果，可以清楚的看到在网压归零前，VCB已成功断开.

表2 列车速度50 km/h时监测数据

表3 列车速度200 km/h时监测数据

5 结论

经分析及试验验证，本文论述的GFX-3A自动过分相系统控制策略和控制逻辑关系，能够满足CRH380CL型高速列车自动过分相控制要求，在实际运用过程中没有出现分相区前VCB断开不及时的情况，极大的缩短了列车在通过分相区前VCB断开时间，完全可以保证CRH380CL高速列车安全、可靠、高效运行.

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