动力集中动车组动力车电气系统冗余方案研究

陶红杰, 王 威, 王贤哲

(中车大连机车车辆有限公司, 辽宁大连 116021)

CR200J-3型机车是为提升我国普速旅客舒适度及客运专线运输能力而研制的动车组动力车。动力集中动车组根据运输需要可采用固定长编、固定短编以及灵活编组等多种运营模式，对动力车的可靠性提出了更高的要求。为了保证动力车电气系统在故障模式下仍能维持整列编组的运行需求，对动力车网侧回路、微机网络系统、辅助电源系统、控制电源系统、列车供电系统等进行冗余设计。

1 网侧回路冗余

动力车网侧回路设有2个受电弓、2个车顶避雷器、2个主断路器、2个高压电压互感器以及2个电流互感器等部件，两套回路从硬件上完全独立。如图1所示，每个受电弓均独立对应一个主断路器，主断路器的上端及中部的接地触头与高压接地开关相连，当某一受电弓或主断故障时，可通过隔离该高压回路，操作接地开关转由另一高压网侧回路维持整车供电需求。

图1 动力车网侧回路

2 微机网络系统冗余

CR200J-3型动力车微机网络系统以符合国际标准IEC 61375的ECN、ETB以太网技术为基础引入TCN网络，在车辆级实现了多功能车辆总线(MVB)与ECN以太编组网互为冗余的双网热备设计。动力车之间(或动力车与控制车之间)通过绞线式列车总线WTB进行信息传输,实现列车重联控制。每节动力车内部采用双网冗余通信方式，以MVB+ECN以太网为传输指令、信息的载体，与各控制装置进行通信，实现动力车设备的顺序逻辑控制、牵引/再生制动控制、动力车运行状态显示、故障信息记录以及动态冗余等功能。

动力车网络控制系统为分布式计算机体系结构，按功能可划分为列车控制级和车辆控制级。网络控制系统拓扑结构如图2所示。

CR200J-3型动力车微机网络控制系统包含2个WTB网关、2个中央控制单元CCU、1个事件记录单元EDRM、4个远程输入输出单元RIOM、1个多功能网关、4个以太网交换机、2个司机室显示单元DDU，1个用户服务端口USP。MVB总线和ECN以太网互为冗余，均用于完成动力车的控制与维护。

2.1 列车级网络

列车级网络采用WTB总线贯穿所有拖车与其他动力车(或控制车)相连，数据传输波特率为1 Mb/s。WTB总线接口的物理特性，数据帧传输格式等符合GB/T 28029.1-2011的规定。系统WTB总线采用A、B线路冗余，当正在工作的一组列车总线出现问题时，网关能自动控制切换到另一组工作。

ACU-辅助控制单元；CCU-中央控制单元；CS-车辆以太网交换机；DDU-司机显示单元；ECN-以太编组网； EDRM-事件记录单元；FSJ-风速监测；LDP-机车车载综合信息监测装置； LGDU-列车供电配电单元；LGU-列车控制单元；LLJ-流量监测；LON-LonWorks现场总线；PSU-蓄电池充电器；RIOM-远程输入输出单元；TCU-牵引控制单元；USP-用户服务端口；MVB-多功能车辆总线；WTB-绞线式列车总线；WTB-GW:网关；6A-机车车载安全防护系统。图2 动力车网络控制系统拓扑结构

2.2 车辆级网络

车辆级网络采用MVB+ECN以太网模式，两种网络同时工作，互为冗余。中央控制单元、司机室显示单元、牵引变流器控制单元、辅助变流器控制单元等各重要设备同时连接在MVB总线和ECN以太网上。

2.2.1MVB总线

MVB总线用于连接各车辆内的电子部件和控制系统，数据传输波特率为1.5 Mb/s，如图3所示。数据通过A、B两个通道传递，即使一个通道出现故障，数据仍可通过另一个通道传递。

图3 MVB网络拓扑

2.2.2ECN以太网

动力车ECN以太网采用双回归环形网络，通信速率为100 Mb/s，为全双工通信模式。如图4所示，终端设备通过以太网线连接到4个CS交换机，互为冗余的两个ED连接到不同的交换机；4个交换机之间组成环网。CS为网管型交换机，每个交换机具有12个以上以太网接口。交换机和终端设备均符合IEC 61375-2-3标准的TRDP以太网通信协议。ECN以太网接口的物理特性、数据帧传输格式等符合IEC 61375-3-4的规定。

动力车冗余控制包含了CCU、WTB网关、RIOM、DDU等设备级冗余，TCU、ACU、LGU等设备的以太网接口冗余，WTB线路冗余，MVB与ECN以太网的车辆级网络通信冗余等方面，在很大程度上保证了网络系统的功能实施及动力车的安全运行。

3 列车供电系统冗余

每台动力车设有两组独立的200 kW列车供电功率单元(LGU),两组供电功率单元输出在列供配电柜内并联后向乘客车厢提供DC 600 V电源。当一组供电回路故障时，可自动切除该回路，由剩余回路向列车供电。列供配电柜控制LGU启停，同时管理和监视列供供电功率单元的输出电压、电流、电能等工作状态，实现对全车列供系统电能进行管理并与机车通讯，系统原理图如图5所示。

图4 ECN以太网拓扑

图5 列车供电系统原理图

每个列车供电功率单元(LGU)额定输出200 kW，两个供电单元并联输出达到400 kW，当任意一路列供发生故障时，列车供电功率单元输出功率自动升至300 kW，以最大能力确保旅客列车用电。动力车设置有一个列供配电柜(LGM)，用于管理和监视机车两路列供系统。列供配电柜对列供单元输出电压、电流、电能进行实时监测，根据网络系统下发的编组模式配置列供输出接触器，并对动力车列车供电系统进行启停控制。

主要技术参数

额定输入电压/V AC 307

额定输入电流/A 707

额定输出电压/V DC 600

额定输出电流/A 334

最大输出电流/A 500

冷却方式 强迫水循环风冷

4 辅助电源系统冗余

辅助系统主要由辅助变流器、辅助滤波装置、辅助接触器及辅助用电设备等组成。辅助变流器由牵引变压器的辅助绕组供电，其输出经集成在牵引变流柜内的辅助滤波装置后向3AC 380 V辅助用电设备供电，辅机包括冷却风机组、空气压缩机组、油泵、水泵、空调、蓄电池充电器等。

动力车向蓄电池充电器PSU提供3 AC 380 V交流电源。如图6所示，当输入电源达到输入电压范围时，蓄电池充电器自动启动，将三相交流输入转换为直流输出，既为蓄电池充电也为机车控制负载供电；当输入电源中断再启动时，装置应能自动正常再启动。蓄电池充电器PSU电源装置采用冗余设计，设置4个电源模块，每个电源模块容量4.4 kW，总容量不低于17.6 kW，当一电源模块发生故障时，其余3个电源模块容量不小于13.2 kW,仍可长时间维持动力车低压用电。

图6 蓄电池充电器电气原理图

每台动力车包含两套辅助电源设备(辅助变流器和辅助滤波装置)，分别位于两个牵引变流柜内。一组工作在变压变频(VVVF)模式，另一组工作在恒压恒频(CVCF)模式。两组辅助变流器互为备份，当某一组发生故障时，不需要切除任何辅助负载，另一组可以承担机车全部的辅助负载，此时辅助变流器工作在CVCF模式。辅助变流器的故障转换控制由机车微机控制系统(TCMS)自动完成。

5 结束语

CR200J-3型动车组编组灵活，舒适度好，既适用于既有线提速，又可跨线运行，特别适合于我国铁路跨地域、长交路的运营模式。动力车采用系统级冗余、线路级冗余及设备级冗余，极大的提高了整车的容错率及可用性，提高了整列编组的运行能力，降低了运营及售后成本。突破性的采用了双主断冗余及双网冗余方案，代表了当前动车组动力车电气冗余设计的发展趋势，为后续机车相关设计提供了借鉴。