智轨电车低压配电与数据采集系统研究

陈超录，罗 煌，董其爱，谢 斌

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

智轨电车电气系统包括储能、牵引、辅助电源、网络控制、智能驾驶、无轨导向及制动等22个子系统，其中的电气元件被广泛分布在列车的不同位置。低压配电与数据采集系统负责对这些电气元件进行低压供电与数据采集，是影响产品最终质量和可靠性的关键系统。目前，绝大多数低压配电系统方案设计仍是基于继电器、断路器、空气开关等传统的电气元件，很难实现对负载电源状态信息的监测及管理。因此，研究基于网络化管理和智能化控制的低压配电与数据采集系统[1-2]，对实现配电状态的智能化管理和提升列车的可靠性具有十分重要的意义。

分布式配电系统[3]与功率型半导体模块[4-5]的相关研究为实现低压配电系统的网络化管理和智能控制提供了坚实的基础。分布式配电系统采用配电盒[6]设计方式来实现并控制电源分配，配电盒采用印制电路板进行电气元件间的硬线连接，继电器和熔断器等元件被集成在印制电路板上，与传统配电柜设计相比，这极大地提升了系统的集成度，减小了对安装空间的需求。配电盒可以依照不同车厢或不同位置的配电需求进行设计，从而达到分布式电源分配及控制目的，但配电盒设计仍是基于传统的继电器、熔断器等电气元件，依旧无法实现对各电气部件电源状态信息的监测及管理。一旦电气部件安装位置、数量发生变化或配电控制策略更改，就需要重新开发设计，降低了配电盒的通用性和复用性。功率型半导体模块不仅具有电流保护阈值、动作时间、输出逻辑均可编程控制[7-8]的特点，同时也具备互联通信功能，可将各类控制信号和运行信息上传给列车控制系统进行集中处理，很好地解决了传统电气元件难以实现的智能控制和信息管理问题。但智能型功率半导体模块目前主要集中应用在小电流 （小于10 A）领域，一般作为继电器输出控制，其直接驱动负载的能力较弱，因此还未被广泛应用于低压配电系统。

综上所述，研究基于大电流智能型功率半导体模块的分布式配电系统[9]是实现低压配电与数据采集系统智能控制和信息管理[10]的关键所在。本文介绍了低压配电与数据采集系统组成和基于以太网通信和CAN通信双网冗余的分布式配电与数据采集系统架构以及在该架构下的系统功能，最后介绍了该网络化配电与数据采集系统故障诊断与远程监控功能。

1 配电与数据采集系统组成

智轨电车低压配电与数据采集系统由CAN/ETH网关、配电与数据采集主模块、配电与数据采集从模块组成。

CAN/ETH网关是一种能将CAN总线数据与以太网（Ethernet）数据相互转换的中转模块，其实物如图1所示。该模块集成多路CAN总线和以太网通信接口，通过解包和重新打包数据，将有效的状态和诊断信息上传给列车上层网络，使其能够满足配电与数据采集系统和智轨电车主控网络进行数据交互和通信融合的需求。

图 1 CAN/ETH网关实物Fig.1 CAN/ETH gateway

配电与数据采集主模块集数据采集、大功率输出和逻辑控制等多种功能于一体，通过通信接口相互连接，可以实现实时数据采集、数据交互、数据处理、故障诊断及远程控制[11]等功能，其实物如图2所示。该模块主要负责为列车大功率负载供电，同时具备逻辑控制功能，在整车网络控制系统失效的情况下，能够接管相关控制功能，确保低压配电及数据采集系统仍能正常工作。配电与数据采集主模块的功率输出通道由多种高边开关组成，包括200 A，100 A，50 A和30 A这4种类型共计42路输出，其每一路输出通道的电流保护阈值、动作时间、输出逻辑均可编程控制，完全替代传统的保险丝与继电器组合，可以直接驱动各种类型负载；信号采集通道包含12路数字量输入。

配电与数据采集从模块具备同主模块完全相同的功能特性，其实物如图3所示。功率输出通道包括25 A和15 A两种类型，共计21路高边输出，主要为列车常规功率负载供电；信号采集通道包括电流型、电压型和数字量3种类型，共计32路输入采集。配电与数据采集从模块仅在输入与输出通道类型和数量上与主模块存在区别；其作为主模块的扩充单元，便于与主模块进行组网使用。

配电与数据采集主模块和从模块在开发设计前期综合考虑了智轨电车功率负载范围跨度大以及负载类型多样性的特点，同时也考虑了智轨电车各类信号的采集需求，是基于智轨电车产品特性而深度定制开发的智能配电模块。

图 2 配电与数据采集主模块实物Fig.2 Main module of power distribution and data acquisition

图 3 配电与数据采集从模块实物Fig.3 Slave module of power distribution and data acquisition

图 4低压配电与数据采集系统网络拓扑Fig.4 Network topology of the low-voltage power distribution and data acquisition system

2 配电与数据采集系统架构与功能

智轨电车低压配电与数据采集系统网络架构如图4所示，采用三编组结构形式，每节车由1个CAN/ETH网关、1个配电与数据采集主模块和若干个配电与数据采集从模块组成，从模块的数量可以根据每节车的配置情况进行相应增减。应用于各节车上的CAN/ETH网关和主、从模块具有相同属性，可以在同类之间进行互换，不需要特殊配置。系统网络结构分为两层：各配电与数据采集模块通过CAN总线连接，形成内网通信；各节车的CAN内网通过CAN/ETH网关连接智轨电车网络控制系统，形成外网通信，从而实现配电与数据采集系统与智轨电车主控网络之间的数据交互并满足通信融合需求。通过CAN内网与以太网外网冗余通信通道的设计，提升了系统通信的可靠性，确保低压配电与数据采集系统即便在列车网络控制系统失效的情况下仍能正常通信。

由所在车厢的配电与数据采集主模块实现负载电源的分配与数据采集控制；从模块作为执行单元，不参与运算控制，只作为输入采集和输出电源分配使用。同时，也可以通过列车网络控制系统实现对各模块的集中控制，在通信链路冗余的基础上做到控制功能的冗余设计，具体实现方案如下：

（1）单节车厢配电与数据采集控制。在该情况下，不涉及跨车厢间的数据交互，由该节车厢的主模块作为主控单元，通过该车厢的内网CAN总线控制和实现该车厢的从模块及其自身的工作。同时，所在车厢的主模块与各从模块间也可以通过CAN/ETH网关与列车控制系统进行数据交互，列车控制系统的相关指令可以直接控制相应的主模块与从模块。

（2）跨车厢配电与数据采集控制。在该情况下，涉及跨车厢间的数据交互，即某节车厢的输出控制受其他车厢模块采集的数据信息影响。此时，各车厢之间的主模块通过内网CAN总线或列车以太网进行数据交互，由需要执行相关指令车厢的主模块作为主控单元进行相关逻辑控制，并通过该车厢的内网CAN总线控制和实现该车厢的从模块及其自身的工作。同时，列车控制系统根据各节车厢模块上传的数据也可以作集中控制，并将相关控制指令发送到相应的主模块或从模块，实现列车控制系统对各模块的冗余控制。

低压配电与数据采集系统在智轨电车上的应用如图5所示。辅助DC/DC电源为列车低压负载设备供电并对蓄电池组充电，当辅助DC/DC电源未启动时，由蓄电池组临时为列车供电。列车DC 24 V母线连接蓄电池组、辅助DC/DC电源与主模块，并通过Mc1、Mc2与Tp车主模块实现主电源母线的均衡贯通，当任意一组低压蓄电池馈电或辅助DC/DC电源充电故障时，另一组低压蓄电池或辅助DC/DC电源还能给列车供电。主模块为所在车厢大功率负载及各从模块供电，作为一级配电单元，其实现了对该节车厢总电流的实时监测与管理。从模块依据电气设备的布局就近安装，降低了模块与电气设备之间连线的复杂程度。从模块依据安装位置可以分为顶模块（车顶区域配电与数据采集）、底模块（车底区域配电与数据采集）、司控台模块（司控台区域配电与数据采集）以及客室模块（客室内区域配电与数据采集）4种类型，每种类型模块数量根据所在区域位置的电气设备及所需要采集的相关数据可以进行灵活配置。该系统的其他配电控制功能及逻辑实现方案如下：

图 5 低压配电与数据采集系统原理拓扑Fig.5 Principle of low-voltage power distribution and data acquisition system

（1）低压激活与断电时序控制。为了减小列车上、下电过程对低压蓄电池的冲击，可以在模块中设置各电气部件负载上电与断电时序，间隔时间可在0～5 s范围内调节。

（2）配电与数据采集冗余功能。对重要系统设备电源采用热备冗余电源输出设计，在单一通道发生故障时，模块能自行关断故障通道并发出故障状态信息，冗余通道继续为设备供电；同时也对相关关键信号进行冗余采集，确保信号采集系统的完备性。

（3）延时断电功能。可根据各电气设备的需求配置延时断电功能，即在激活输入信号丢失后，配电系统仍然可以保持相关输出，延时时间0~200 s内可配置。

（4）故障导向功能。在极度恶劣的情况下，若通信突然中断，模块仍然能够保持之前的输出状态，保证负载设备电源不会被突然切断。

综上所述，在基于以太网通信和CAN通信双网冗余的分布式低压配电与数据采集系统网络架构下，各智能配电模块之间通过通信线以及少量的电源母线连接，减少了大量的中间继电器电源控制及二次接线；改变列车编组状态以及配置时，只需增减相关模块并配置相应的程序即可，便于后续功能的维护和拓展，真正做到低压配电与数据采集网络化、模块化和通用化的系统特性。同时，通信链路与控制系统的双冗余设计，也极大地提升了系统的可靠性。

3 故障诊断与远程监控

低压配电与数据采集系统作为智轨电车众多重要组成系统之一，其采用大电流智能型功率半导体模块，所有输出通道均可编程设置电流保护阈值，电流超限时保护速度更快；所有输出通道均有温度检测及过热、过流保护功能，任何一路通道过热或过流时均可单独断开，特有的电流测量及诊断功能可实时监测所有接入通道的工作状态及工作电流，并将各接口状态和诊断监测数据传递至智轨电车故障诊断系统进行分析[12]，同时也可通过车地无线通信系统将数据传递至运营中心进行远程管理。

低压配电与数据采集系统的状态信息及诊断数据被接入到车辆监控及交互系统，其网络结构如图6所示。监控及诊断网路结构分为3层，网络结构中包含CAN总线和以太网两种通信方式。其底层为主模块，将接收到的各从模块以及自身的状态数据和诊断信息通过重新编码后转发给与列车主控单元连接的中间层CAN/ETH网关。底层采用CAN总线通信方式，便于连接、组网，其数据量不大且不占用接口资源；中间层为CAN/ETH网关，实现底层CAN总线数据与上层以太网数据的相互转换；上层为列车主控单元及交互显示单元，列车主控单元接收底层智能配电模块的状态数据和诊断信息后，依据协议解码信息完成配电与数据采集系统状态数据和诊断信息的监视及管理，并依据诊断信息的严重程度触发不同的故障等级显示、预警提示和相关处理措施，以完成车辆对配电与数据采集系统状态信息的网络化和智能化管理。

图 6低压配电与数据采集系统监控及诊断网络结构Fig.6 Schematic diagram of the monitoring and diagnosis network structure for low-voltage power distribution and data acquisition system

配电与数据采集状态及诊断数据接入地面运营中心，如图7所示。智轨电车主控单元接收各模块的状态数据和诊断信息后，通过车地无线通信系统将相关信息发送到地面运营中心，以完成运营中心对车辆配电与数据采集系统的远程管理。运营中心通过对相关数据的分析，可以监测相关模块的运行状态，通过模块反馈的电流、电压以及采集的其他数据等相关信息，可以间接监测相关电气部件的工作状态。目前，该低压配电与数据采集系统已经应用在宜宾智轨电车上，售后维保人员对系统上传的数据进行分析后可以快速定位故障，解决相关问题，故障平均处理时间由之前人工排查、分析故障方式下的5.6 h降低至现在的2.3 h，故障处理效率提升了50%以上。随着运营过程中数据样本的积累，后续可结合大数据分析，对相关模块和电气部件的工作状态进行预测，实现智能运维的目的，进一步提升列车的智能化程度。

图 7 低压配电与数据采集系统远程管理示意Fig.7 Schematic diagram of the remote management for lowvoltage power distribution and data acquisition system

4 结语

传统低压配电与数据采集系统存在诸多不足，而工业以太网技术和具备通信及控制功能的智能模块的不断发展，为低压配电与数据采集系统的网络化管理和智能控制提供了坚实的基础。本文构建了一种基于以太网通信和CAN通信双网冗余的分布式低压配电与数据采集系统，其解决了配电保护、控制、检测以及监视缺失的问题；通过通信链路与控制系统的冗余设计以及关键负载供电通道和关键信号采集通道的冗余设计，极大提升了系统的可靠性和稳定性。配电与数据采集系统以单节车厢为单位进行模块化设计，各智能低压配电模块同类之间可以灵活替换和扩充，提升了部件的通用化和系统的可扩展性。该系统目前为三编组设计，后续也可以扩展为四编制和五编制等多编组形式。智轨电车低压配电与数据采集系统目前主要功能是实现集中配电控制与数据采集及智能监控，已经具备完备的逻辑控制功能。后续可将列车硬线逻辑控制功能融入该系统，完全实现“软逻辑”控制，从而大大降低车辆相关硬线控制逻辑的实现难度，减小继电器和硬线连接复杂程度，从而进一步提升车辆的智能化程度。