一种全自动驾驶列车供电回路远程诊断及复位电路设计

刘江涛, 张 宝, 杨 峰, 侯小强

(1 中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111;2 北京市轨道交通建设管理有限公司, 北京 100068；3 北京市轨道交通运营管理有限公司， 北京100068)

传统的轨道列车一般采用断路器对各供电回路进行防护，一旦发生跳闸则需要人工复位并盯控，以免故障进一步扩大。这种事后防护、人工判断的方法不仅对于值守人员的专业水平有着较高的要求，而且有着很大的局限性：对于漏电流较小的情况起不到保护作用；而对于负载特性不稳定的回路(尤其是启动电流很大、额定电流较小的回路)，断路器选型不当会造成过保护或欠保护的情况。

近年来，全自动驾驶列车普遍采用复位机构来模拟人工复位断路器的动作，以便在检测到断路器跳闸后能够尝试再次投入。此类机构一般应用在电站、移动基站等交通不便且无人值守的场所，主要是针对派人赴现场操作不便的需求而设计的，其普遍特点是通过小电流的脉冲信号驱动机械机构直接对断路器操作杆进行复位(如：电机旋转、电磁铁推杆等)，一是动作时工作电流比较大，二是控制脉冲幅值及脉宽均比较小，极易受到干扰，一旦控制脉冲紊乱导致长时间通电则会导致过流发热，存在一定的火灾隐患。

针对全自动驾驶列车的运营特点设计了一种新的供电回路，以每个车厢为整体设置电流检测回路以及并联供电通道，兼顾检测、判断、处理等各项需求。不仅能够掌握供电回路的电流变化趋势，为智能运维提供第一手原始数据，而且可以根据实际情况对电源进行复位。在确保行车安全的前提下避免偶发电源故障对无人值守列车运营秩序产生影响。

1 需求分析

全自动驾驶列车的运营模式虽然也是无人值守，但是与电站、移动基站等交通不便场所有着本质的区别，主要有以下3点：

1.1 强大的运营保障体系

轨道列车的运营特点是每天运行固定时间后返回检修库，需要解决的重点及难点是运营途中尽量避免因列车故障导致线路占用。而列车的检修维护、故障处理等工作均可在检修库内完成。

全自动驾驶列车无法依靠司机或机械师的现场排查来定位故障点，而且运营方也不允许长时间停车，这就要求列车具备自我诊断及自复位功能。其中：自我诊断主要是通过预判趋势来避免故障的发生，自复位功能则主要是指采取临时措施令列车能够继续运行。

1.2 电磁环境复杂

轨道列车采用动态受流方式，并且高低压设备均集成在同一车厢，空间辐射、线路串扰等耦合关系错综复杂，低压脉冲式的控制方式极易导致误触发，因此必须选用可靠性高、且失效后不会导致严重后果的器件控制各供电回路。

供电回路出现短路、接地等极端工况的概率较低，传统的断路器防护模式可最大限度的保护行车安全。为全自动驾驶列车设置的断路器远程复位机构一般处于待命状态，这就要求此类装置必须具备强大的抗干扰能力，确保正常情况下可靠关断避免误动作、收到指令后马上动作。

1.3 负载特性多样

鉴于交流负载功率较大，且列车设置了完善的冗余措施，因此此处仅讨论低压直流回路的供电。轨道列车直流负载主要包括控制主机、线圈两大类，其中：前者内部的电源模块多种多样，部分设备的启动电流很大；后者主要指继电器、接触器等逻辑电路，虽然电流稳定且较小，但是相互之间的联系比较复杂，线路连接遍布整列车。

综上所述，根据上述特点，针对低压直流回路的供电设计了电流检测及自复位电路：通过判断正线与负线之间的电流差值、电流变化趋势判断当前回路是否存在异常；一旦发生断路器跳闸，在初步判断的基础上通过并联供电维持列车运行，直到入库后交由人工处理。

2 电路设计方案

设计电路的主要目的是避免过流导致火灾隐患，针对线圈、电源模块等不同负载，从电流检测、电源复位两方面分别制定了设计方案。从故障概率以及失效模式等方面考虑，检测回路主要用来判断供电回路中开关、触点、线圈、电缆等部位是否存在破损、绝缘不良等异常，而电源复位电路则主要是因偶发因素导致控制主机电源跳闸后尝试再投入。

2.1 检测电路设计方案

司机室及客室配电柜内集中放置了各直流负载的断路器，考虑到安装空间、安装方式、检测精度等一系列因素，每个配电柜配置两个电流传感器即可，分别检测所有回路的正、负极电流，图1所示为电流检测回路原理图。

图1 检测回路原理图

CT1采集正线总电流、CT2采集负线总电流，当TCMS检测到二者差值较大、或者波动较大时，及时报警提醒人工处理。库内排查时，通过逐一合分断路器即可快速定位故障回路。

2.2 复位电路设计方案

考虑到断路器跳闸属于低概率事件，而且一旦发生应立刻回库处理，因此电源复位电路设计仅考虑短时供电工况(即：不超过24 h)。图2所示为电源远程复位电路原理图。

图2 复位电路原理图

正常情况下电源复位接触器处于断开状态，确保复位电路与各负载供电回路可靠隔离。当某个断路器跳闸时，由TCMS驱动接触器闭合，复位电路电源断路器经稳压二极管代替原断路器向负载供电。除跳闸回路的稳压二极管两端存在电压差能够导通外，其他正常回路仍由原断路器供电，避免了电源并联带来的隐患，并且能够令列车维持运行至回库检修。

另外，由于控制主机类负载由软件实现各项功能，存在一定的断电重启需求，因此在断路器上附加一个跳闸励磁线圈，结合复位电路即可实现电源级重启，避免通信中断或者指令紊乱导致的功能失效，从而提高列车可用性。

3 仿真示例

对上述方案的漏电检测、电源复位电路进行了仿真验证。图3所示为simulink仿真框图。

图3中CB1、R1、GR组成了漏电流检测回路，通过判断正极电流(I_P)与负极电流(I_N)之间的差值来判断是否存在漏电流(即：GR模拟电缆破损或回路中触点接地)。仿真结果如图4所示。

仿真结果表明，正极电流3.47 A(图4中虚线)，负极单流3.25 A(图4中点画线),存在0.22 A的电流差，即设计的电路检测到电路中存在漏电流。

图3 漏电检测及电源复位仿真框图

图4 漏电流检测电路仿真结果

图3中CB2、R2组成故障回路，CB3、R3组成正常供电回路，与Diode2和Diode1分别组成两个复位电路，仿真结果如图5所示。

图5自上而下4条曲线分别表示：CB3电流、CB2电流、二极管1电流、二极管2电流。仿真结果表明，CB2电流为零(图5中虚线)，稳压二极管2电流1.05 A(图5中点画线)，即CB2、R2组成的回路中，R2由导通的Diode2(压降设k置为5 V)供电；CB3电流1.1 A(图5中实线)，稳压二极管1电流为零(图5中点线)，即稳压二极管Diode1因两端电压相同而不导通，流经R3的电流全部由CB3驱动。

图5 电源复位电路仿真结果

4 结束语

为了适应全自动无人驾驶等轨道交通智能化运营模式的飞速发展，轨道车辆各系统必须具备自检测、自控制等功能，如何保证车辆状态的快速、准确判断是其中的难点和关键点。文中提出的漏电流检测及电源复位电路，可用于车辆状态检测及特定回路的电源复位，不仅能够提高状态检测的可靠性以及列车可用性，而且能够提前诊断实现智能运维。在提升运营效率，降低故障率方面均能产生良好的社会效益和经济效益。