和谐客运机车供电控制系统的技术特点

从和谐客运机车列车供电控制系统与韶山客运机车的列车供电控制系统比较出发，介绍了和谐客运机车列车供电控制系统设计开发的技术特点以及为贯彻简统化、模块化所采取的措施。和谐客运机车列车供电控制系统已在HXD3C、HXD1D等多种和谐客运机车上装车两千多台，其性能日臻完善并得到验证。

【关键词】和谐客运机车 列车供电控制系统 技术特点 简统化 模块化

从2004年4月铁路第五次大提速开始，机车列车供电系统向旅客列车进行直供电的运用越来越广泛。尽管韶山客运机车列车供电控制系统已在SS9、SS8、SS7E等机车上大规模推广使用多年，现场运用成熟、可靠，但是受制于当时技术条件和工艺水平的限制，存在功能简单、信息化程度不高、部分器件采购困难等缺点，已不适应目前形势的发展需要。

为保证和谐客运机车列车供电系统的可靠运行质量，保证旅客列车的运行安全、舒适，因此在和谐客运机车上对列车供电控制系统进行变革改进符合机车技术进步及现实的需要。

1 总体思路

作为列车供电控制系统的改进升级产品，和谐客运机车列车供电控制系统充分吸收了韶山客运机车列车供电控制系统的设计优点和成功运用经验，并考虑以往运行中出现的问题以及后续采取的完善措施，一并在新设计的列车供电控制系统中加以解决。

为满足和谐客运机车技术进步及改进的需要，整个列车供电控制系统设计中充分利用了当今先进的计算机控制技术，采用了新的电子元器件及新工艺，贯彻简统化、模块化、系列化的设计思想，提高产品的质量和技术含量。

2 技术特点

2.1 系统架构优化

在和谐客运机车列车供电控制系统的开发设计中，借鉴了韶山客运机车列车供电控制系统的设计思想，并对系统架构和功能模块进行了优化和改进。和谐客运机车列车供电控制系统一般包含了开关电源、供电控制、数字入出、脉冲分配、转换控制等5个基本通用模块， 采用A/B两组冷备冗余设计方式，可实现DC600V列车供电系统的特性控制、整流控制、故障保护、接地保护、通讯等功能。

列车供电系统的DC110V数字量信号从数字入出插件输入，经数字入出插件的110V/5V电平转换后送入可编程逻辑器件CPLD，然后再通过背板AMS总线传送给供电控制插件实现相关的逻辑控制。

供电控制插件采用了DSP+ARM双CPU架构，DSP完成AMS总线管理、AMS总线上各插件的数据交换以及特性、参数保护等控制功能，ARM完成人机接口等功能；板内配置高精度、高速率AD芯片；板内逻辑及外围信号的采集与预处理由FPGA控制管理，将模拟量信号转换为数字信号、从总线获取其他数字量信息给控制软件，然后由控制软件完成控制功能。

供电控制插件的对外控制数字开关量通过背板AMS总线送至数字入出插件的可编程逻辑器件CPLD输出，并经数字入出插件完成5V/110V电平转换后输出驱动相关的继电器。

脉冲分配插件根据供电控制插件的计算结果等形成的移相电平转换成晶闸管的顺序触发脉冲信号，经脉冲放大后驱动供电系统的单相半控整流桥。脉冲分配插件主要由两部分组成：可编程的逻辑器件FPGA及其外围电路、脉冲放大电路。FPGA及其外围电路实现与AMS总线的接口及对同步信号进行濾波、形成与脉冲相关控制信号、同时用编程的方式实现脉冲的形成与分配。驱动级脉冲放大电路也在原有基础上做出了改进设计，高压隔离、抗干扰性更好。

转换控制插件是为完成系统冷备份冗余而专门设计的。在系统进行冗余切换时，将外部传感器的电源、脉冲输出等进行相应切换。另外转换控制还完成了部分模拟信号（传感器类）的I/U转换等功能。

与韶山客运机车列车供电控制系统相比，和谐客运机车列车供电控制系统改进的优越性体现在以下几点：

（1）系统延用了完全相同的A/B两组进行冷备份冗余，提高了整体系统的可靠性。

（2）系统采用了模块化设计的思想，功能规划清晰，且有利于供电控制系统后期的升级和扩展。

（3）系统采用背板进行各插件间的模拟信号和数字信号传递，屏蔽效果好、质量更可靠。

（4）数字入出插件、供电控制插件和脉冲分配插件间采用了AMS总线技术进行数据交换，响应速度快，且不易受到外部干扰。

2.2 A/B组冗余

和谐客运机车列车供电控制系统由5个基本通用模块组成，按照功能划分符合串联系统的定义，其基本模型如图2：

因此在串联系统中提高各子系统中元器件、模块的可靠度，即可有效提高系统可靠性。但是由于和谐客运机车列车供电系统关系到广大旅客乘车的安全及舒适度，高可靠性已成为考核系统和设备的重要指标。这种情况下，除了采取单个模块的可靠性外，容错技术成为了满足连续性运行要求，提高控制系统可靠性和可用性的首选手段。冗余就是容错技术常见也是现行的最稳定可靠的方式。

冗余系统（redundant system）是指为增加系统的可靠性，而采取两套或两套以上相同、相对独立配置的设计连接组成的系统。通过提供系统运行所需的所有关键组件的冗余的方法，达到容错能力的系统或者系统的结构，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。

并联系统中随着冗余子系统数量的增加，其系统的可靠度越高，平均无故障时间（MTBF）也会增加。

和谐客运机车列车供电控制系统对影响系统可靠性指标较大的控制插件进行了冗余，基本避免了因为控制系统问题而造成的机破。同时A/B组插件实现完全的统一，插件的互换性更强。

2.3 信息化

韶山客运机车列车供电控制系统对外通讯信息仅传送了输出电压、输出电流和一些简单的故障信息，总体来说对外输出的信息量比较少。而和谐客运机车加强了列车供电系统的信息化能力，对外输出的信息包含以下几个方面：

2.3.1 模拟量信息

列车供电柜交流输入电压、交流输入电流、直流输出电压、直流输出电流、对地半电压以及列车供电柜电度量信息。

2.3.2 数字量信息

列车供电柜内交流接触器、快速熔断器、隔离闸刀等开关状态信号和客车集控信号。

2.3.3 故障信息

列车供电柜发生异常情况时对外输出的故障信息，包括直流过压、直流过流、直流接地等。

和谐客运机車列车供电控制系统对外输出的信息量大大增加，这样可以有利于促进机车信息化，提高维护检修的效率，极大地方便了司机和检修人员。

2.4 简统化、模块化

简统化、模块化的设计思想贯穿于和谐客运机车冗余列车供电控制系统设计之中，在设计中充分吸收了韶山客运机车列车供电控制系统的优点，并在功能模块的合并简化与通用的基础上进行了重新规划。

和谐客运机车列车供电控制系统采取了统一的对外接口、统一的控制逻辑、统一完善的功能——在简化了原先较为繁杂的控制系统的同时，将主电路接触器和接地判断的控制权统一收归控制系统，并统一对外提供电度量显示，有利于机车电量考核。

3 结束语

截止到现在，和谐客运机车列车供电控制系统的机车已有2000多台在现场投入运用，我国六大铁路干线上的直达特快、部分特快和快速列车的列车供电均使用到了此套系统，其性能日臻完善并得到验证。在实际运用中出现的一些小问题也及时得到了完善与处理。

和谐客运机车列车供电控制系统的推广，将有助于提升我国客车电气系统和车辆装备的技术水平，而且可以大大提高产品质量的可靠性，减少维修工作量，节约维修成本，提高了铁路局的运输效益，实现良好的经济效益和社会效益。

参考文章

[1]徐林云.DC600V列车供电系统[J].铁道车辆，2001，39（03）：13-16.

[2]吴强.客运列车供电系统[J].机车电传动，2003（05）：54-61.

[3]王小方.电力机车DC600V供电系统的改进[J].机车电传动2004（04）：41-44.

[4]蔡杰，林波.电力机车列车供电系统接地研究[J].电气技术，2015，16（05）：78-81.

作者简介

王高波（1980-），男，江苏省沛县人。大学本科学历。现为上海铁路局机务处高级工程师。研究方向为机车检修。

作者单位

上海铁路局机务处 上海市 200070