CR400BF型动车组中央控制单元停机故障与改进措施探讨

刘国梁

摘 要：以CR400BF型动车组中央控制单元为例，介绍了其主从切换原理，针对运用过程中中央控制单元停机故障，从保护高压系统和提高故障应急处理效率的角度出发，介绍了主断路器分断机理，提出了中央控制单元和主断路器控制电路的改进措施。

关键词：中央控制单元;主从切换;主断路器

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.14.099

1 前言

中央控制单元（以下简称“CCU”）是高速动车组网络控制系统核心部件之一。CRH5型动车组具有中央控制单元冗余切换不降弓功能。CR400BF型动车组在京沪线、沪昆线等高铁繁忙线路运行良好，但偶发主CCU停机故障，根据当前保护策略，会引发主断路器自动断开，从而影响高速列车运营秩序。

2 主从CCU切换原理

CR400BF型动车组网络控制系统遵循IEC61375标准，列车总线为WTB总线，车辆总线为MVB总线。一个动力单元设置两个热备冗余的中央控制单元，一个为主CCU，另一为从CCU。主CCU管理本动力单元网络，当检测出列车总线、车辆总线或网络子设备通信故障时提示故障信息，采取必要的措施使动车组运行不受影响或进入降级模式导向安全。CCU由网关模块、CPU模块、MVB调度卡，MVB通讯卡、IOM板卡等组成。主CCU的CPU板卡与MVB总线管理器之间存在周期性刷新的监视信号。当主CCU正常工作时，总线管理器检测到CPU板卡的监视信号定期更新，总线管理器处于激活状态，实现总线调度功能，如图1所示;当主CCU转为从CCU或主CCU发生故障时，总线管理器检测到CPU板卡的监视信号不再更新，停止总线管理功能。此时，从CCU检测到主CCU发生故障，则转换为主CCU并开始接管主CCU工作，CPU板卡刷新监视信号，总线管理器功能激活，启动总线调度功能，此过程波形如图2所示，T为主从CCU切换时间，大约为2秒。

3 主断路器分断机理

CR400BF型动车组的高压单元由两个动力单元组成，两个动力单元通过一组受电弓、主断路器、高压隔离开关受流。高压控制单元采集接触网电压、网流、主变压器原边电流和接地回流，通过MVB总线传输给CCU，CCU根据控制逻辑保护高压系统。主断路器通过主断控制继电器得电和失电情况来闭合、分断的。本动力单元的主断控制继电器串联了本单元级升弓继电器、列车级紧急断电环路、列车级主断释放环路、列车级网络DO触点、本单元级高压控制单元DO触点等，如图3所示。

主断路器分断的途径大致为以下两种：

（1）硬线类：通过升弓继电器、紧急断电环路状态继电器、列车主断释放环路状态继电器来分断主断。

（2）网络类：受CCU控制的网络DO触点（负责保护受电弓、高压隔离开关、主变压器等过压、过流、差动保护、设备内部严重故障保护）、高压控制单元自身DO触点（负责保护受电弓、主变压器等瞬时过压、过流快速保护）。

正常情况下，硬线类的继电器失电后，可通过以上两种途径分断主断，实现了网络和硬线双重保护。高压系统过压、过流、主要设备请求分断时，当前大部分保护功能通过受CCU控制的网络DO触点来实现，而高压控制单元自身DO触点仅负责分断本动力单元的主断路器并且仅考虑了过压、过流工况。三种途径对比分析，见表1。

4 故障分析

4.1 故障种类及影响

CR400BF型动车组主CCU停机故障大致归为两种情况。

一种情况是网关模块或者MVB板卡故障，但CPU板卡能够启动正常，CPU板卡通过总线或者硬线能够监听到这两种板卡无生命信号，会通过硬线或内部总线启动主从CCU自动切换程序。在CCU切换时间内CCU无法对本高压系统的保护。根据当前设计理念，此时会通过第3章节的途径②分断主断路器，但势必影响高速列车的运营秩序。若CCU切换时间内不断主断，考虑到高压控制单元仅保护范围相当较小、受保护功能较少，CCU自动切换时不分断主断路器存在一定风险。

另一种是，CCU中的CPU板卡故障，无法启动主从CCU自动切换程序。此类故障发生时，通过第3章节的途径②分断主断路器，但故障动力单元的各设备不在线，严重影响了高速列车运营秩序。

4.2 故障应急处理方法

（1）第一种情况发生时，CCU主从切换完成后，网络显示屏会允许主断闭合标识，可指导司机手动闭合主断路器，减少故障应急处理环节。

（2）另一种情况发生时，需人为复位故障CCU供电空开来复位停机的CCU，对操作人员的应急处理能力要求较高，因此，比第一种情况的故障应急处理时间更长。

5 改进措施

为减少途中故障对高速列车运营秩序的影响，需提升中央控制单元自适应能力，若中央控制单元故障时，应从无需采取故障应急处理措施或者减少故障处理环节，也是智能化技术提升一种表现。

（1）针对第一种CCU停机故障情况，主、从CCU切换时建议按不分断主断路器处理，仅故障提示，无需人员参与，不会影响运营秩序。

1）高压控制单元写入相应的高压保护逻辑，同时将高压控制单元自身DO触点可串联到列车级主断释放环路中，分断主断路器范围由本动力单元扩大到列车级，后续新造动车组及运营动车组结合高级修项目中陆续实施该措施。

2）优化CCU的总线调度功能，将主、从CCU的切换时间控制在1秒之内，该措施已通过地面试验台及实车静态、动态试验验证，切换期间对动车组运行无影响。

（2）针对另一种CCU停机故障情况，CCU的其他板卡（如IOM板卡）能够识别到CPU板卡故障情况，已增加看门狗监控程序，若出现停机，会复位故障CCU或者请求从CCU作主CCU，由人为处理转为CCU智能处理，减少应急故障处理时间，同时减轻对高速列车运营秩序的影响，该措施已在CR400BF型动车组批量车实现，故障发生后CCU能够自动切换，效果显著。

参考文献

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