基于GO法的CRH3型动车组辅助供电系统可靠性分析

苏丽娟，王远宏 ，王金圆 ，金霞 ，丁磊

(1.朝阳师范高等专科学校,辽宁 朝阳 122000；2.朝阳市双塔区经济技术开发区服务中心,辽宁 朝阳 122000)*

CRH3型动车组是中国引进改造的客运列车种类之一，主要服务于国干铁路和区际铁路.它的原型为德国铁路的IEC-3列车(西门子Velaro)，采用电力牵引交流传动方式，有2个牵引单元组成，每个牵引单元按两动一托构成，最高运营时速为350 km/h.

辅助供电系统是动车组的重要组成部分，担负着为车载设备(冷却设备、空调机组、通气设备、加热设备、照明设备、监测与控制电路、通讯设备等)提供交流或直流电源的重要任务，其稳定可靠的工作是确保动车组长时间安全运行和拥有优质服务环境的关键.学者们在评估和提高动车组辅助供电系统可靠性和安全性方面做了大量研究.文献[1]提出了CRH3型动车组辅助供电系统可靠性框图模型，基于最小路集不交化算法评估了其可靠性，提出了动车组辅助供电系统可靠性优化方案；文献[2]基于合作博弈和云模型理论的健康状态评估方法，结合辅助供电系统的分层分析模型，完成了CRH3型动车组辅助供电系统的健康状态评估；文献[3]建立了CRH3型动车组辅助供电系统的S-T终端对网络图可靠性模型，并分别用蒙特卡罗-元胞自动机算法和融入最小二乘支持向量机的改进算法分析了不同工作模式下的该系统可靠度；文献[4]分析了动车组高压电气系统各主要部件的典型故障，完成了不同车型动车组高压电气系统可靠度建模及相关计算，阐述了动车组高压电气设备预防性试验的相关理论及实验情况；文献[5]以动车组非正常停车故障作为可靠性考核指标，对CRH2型动车组整车及各子系统进行可靠性建模和分配研究.学者们多方面多方式地进行动车组辅助供电系统可靠性研究，为提高动车组辅助供电系统的维修维护和健康管理水平提供了理论依据.

20世纪60年代，由美国Kaman科学公司提出的GO(GO Methodology)法，是一种有效的系统可靠性分析方法，也是一种以成功为导向的系统概率分析技术，被美国军方用于分析武器系统安全性和可靠性.GO法的分析过程是从输入事件开始，经过一个GO模型的计算，确定系统的最终概率.它在多状态、有时序的系统，尤其是有实际物流(如气流、液流、电流)产生的系统的安全性和可靠性分析中有着其他方法不可代替的优点[6].GO法自诞生以来，在多国的航空航天、国防工业、化工石油、核工业等领域的实际工程系统可靠性分析中得到了广泛应用[7-12]，但是对于一些可用度要求较高的新型工程系统，GO模型的建立和运算还需要进一步的研究和验证，以期能够在工程实践中发挥出更好的准确度和实用性.

本文研究了应用GO法定量分析CRH3型动车组辅助供电系统可靠性的方法；根据CRH3型动车组辅助供电系统中各部件的功能和逻辑关系确定了操作符数据，提出了该系统的GO模型；推导了信号流的计算公式，根据文献[14]中提供的武广高铁和京津城际铁路中CRH3型动车组辅助供电系统部件可靠性数据，完成了GO运算，得到了基于GO法的CRH3型动车组辅助供电系统的可靠性分析结果；将本文计算结果与文献[14]中计算结果进行了对比，得到相关结论，也验证了GO法在CRH3型动车组辅助供电系统可靠性分析中的有效性和正确性，为CRH3型动车组辅助供电系统可靠性分析提供一种新途径，也为其它类型动车组供电系统可靠性分析提供借鉴和参考.

1 CRH3型动车组辅助供电系统分析

1.1 结构分析

每辆CRH3型动车组由8节车厢组成，其辅助供电系统结构如图1所示(方框中的多个元件是串联关系).它可分为2个子系统，子系统1(位于EC01、TC02、IC03、BC04四节车厢中)与子系统2(位于FC05、IC06、TC07、EC08四节车厢中)呈轴对称结构.TC02和TC07中，受电弓负责从接触网获取电能；两个避雷器(一个位于受电弓后部，另一个位于主变压器的初级侧)和主断路器一起，在接触网导入过压时，实现对列车的保护；接触网电压互感器用于检测接触网网压；带有接地隔离开关的主断路器用来控制每个牵引单元的交流25kV电路，也用于短路和过流保护；接触网电流互感器用于检测动车组交流总电流；主变压器额定电压为 AC 25 kV/50 Hz，次级绕组通过跨接电缆为牵引变流器(分别安装在EC01、IC03、IC06、EC08中)提供电能；变压器冷却系统用于对主变压器的检测和保护；辅助变流器通过车间跨接电缆从邻车的牵引变流器中间直流环节获取部分电能，逆变出440 V/60Hz的交流电输送到供电母线[4-5,14].

图1 CRH3型动车组辅助供电系统结构图

CRH3型动车组共有4个辅助变流器：两个单辅助变流器，功率为160 kVA，分别位于TC02和TC07；还有两个双辅助变流器，每个双辅助变流器是由两个单辅助变流器并联而成，分别位于BC04和FC05车.车顶电缆隔离开关用于在车顶高压线路故障时分离线路，从而实现当一个牵引单元的主电路故障时，另一个牵引单元的主电路还可以继续工作.

1.2 工作原理分析

动车组正常运行时，一只受电弓升弓，从接触网取得AC 25 kV交流电，经过主断路器进入主变压器降压为1 550 V后，输入牵引变流器，牵引变流器的中间直流电压(DC 3 000 V)经过辅助变流器后，输出440 V/60 Hz/3AC交流电到贯通整列车的供电母线.

以上分析表明，该系统的功能是为整列动车组的辅助负载提供合适电能；系统的输入是接触网AC 25 kV/50 Hz电能；系统的输出是交流供电母线上的交流电；系统成功的准则是交流供电母线上交流电能够满足整列动车组上所有辅助负载的供电需求，即列车运行期间，任何时候至少有五个处在正常工作状态(当一个单辅助变流器出现故障时，可以通过增大其它辅助变流器容量的方法来满足列车组上所有辅助负载的供电需求，以保证动车组的安全运行和优质服务环境).

2 建立系统的GO图

将CRH3型动车组辅助供电系统中元器件等效为20个单元，如图1中的A, B, … , T.A～I子单元的可靠度根据串联系统可靠度模型计算规则得到，其它子单元的可靠度即为相应元件的可靠度.

根据系统中各单元的功能及各单元输入输出信号之间的逻辑关系，对应GO法中17种操作符的定义，确立图1中各子单元对应的操作符类型并统一编号，再对每一操作符的输出信号进行编号，建立图1对应的CRH3型动车组辅助供电系统的GO图如图2所示.其中三角形或圆形内数字为“操作符类型-操作符编号”，三角形或圆形外数字为信号流编号.

图2 CRH3型动车组辅助供电系统GO图

图2中的操作符与系统中子单元的对应关系列于表1.表1中列出了两组操作符数据，分别对应武广高铁和京津城际铁路中CRH3型动车组相关单元，其中PCi(1)表示编号为i的操作符的成功状态概率，其数值取自文献[14].图2中：3号操作符为限值概率门；4号操作符为有信号而导通的元件；6、7、18、19和33号操作符均为或门；26～32号操作符均为与门，这14个操作符是因信号流逻辑关系而选定的，并无实际元部件与其对应，故定量计算时可视其成功概率为1.

3 系统可靠性计算

3.1 计算公式推导

GO法中不同类型操作符有不同的运算规则，本文相关类型操作符的GO计算规则列于表2.其中，AR(i)表示输出信号在状态值为i时的累积状态概率；AS(i)表示输入信号在状态值为i时的累积状态概率；N为信号状态最大值；M为或门输入信号个数；PR(i)表示输出信号在状态值为i时的状态概率；VSj表示输入信号流j的状态值，状

态值为1表示其处于成功状态，状态值为2表示其处于故障状态.

表1 CRH3型动车组辅助供电系统操作符数据

表2 相关类型操作符GO运算规则

根据图2中信号流的流通顺序和表2中不同类型操作符的运算规则，可推导出图2中各信号流的累积状态概率计算公式，部分结果列于表3.值得注意的是，表1中操作符数据说明本系统是2状态系统，即所有信号均只有成功和故障两种状态，对应的状态值分别为1和2，所以表2中N=2且Ai(0)=0.表3中Ai表示信号流i在状态值为1时的累积状态概率，此处等于信号流i的成功状态概率，PCi表示编号为i的操作符的成功状态概率.

表3 各信号流计算公式

3.2 共有信号修正

需要说明的是，图2中信号流6、7、18、19、26，…，33等12个信号流中均含有共有信号，在进行GO运算时，可采用如下方法进行共有信号修正：首先将它们的累积状态概率按照信号流状态概率进行展开，然后将表达式中所有共有信号状态概率的高次项用一次项替换.如信号流6的累积状态概率修正过程如下：

首先，将信号流6的累积状态概率表达式按照信号流状态概率展开可得

(1)

然后，将式(1)整理可得

(2)

A6=PC1+PC2PC5-PC1PC5PC2

(3)

其它11个信号累积状态概率的修正过程与上述过程类似.表3中各信号流计算公式经过数值代入、整理、共有信号修正后可得到整理后各信号流概率计算公式，部分结果如下：

3.3 GO定量计算结果

将表1中操作符成功概率代入整理后各信号流概率计算公式，可分别计算出对应于武广高铁和京津城际铁路中CRH3型动车组辅助供电系统各信号流的成功状态概率，部分计算结果列于表4.

表4 信号流成功概率计算结果

4 计算结果对比

由表4可知，本文计算得到武广高铁和京津城际铁路中CRH3型动车组辅助供电系统的可靠度分别为0.972 654 07和0.986 579 15；文献[9]计算得到武广高铁和京津城际铁路中CRH3型动车组辅助供电系统的可靠度分别为0.972 654 85和0.986 579 49.对比以上结果可知：虽然两种方法分析思路和计算过程是不同的，但计算结果是一致的.无论对于武广高铁，还是京津城际铁路，两种计算结果差异均非常小.

5 结论

对CRH3型动车组辅助供电系统进行了原理和结构分析，研究了应用GO法分析动车组辅助供电系统可靠性的方法和过程，得到了与其它文献一致的结论，验证了GO法在动车组辅助供电系统可靠性分析中的可行性和有效性，也证明了本文所提出的CRH3型动车组辅助供电系统GO模型和相关公式的正确性，它们均可直接应用于工程实践.

GO图由系统结构图可视化映射得到，这降低了系统可靠性分析的难度，本研究为动车组辅助供电系统可靠性分析提供一个便捷的新方法，可为动车组辅助供电系统的可靠性优化及安全评估提供理论依据.