一种电力机车快速辨识交、直流供电制式的方法

邹东海，甘韦韦，郭 维，林珍君，黄 浩，周 杨，陈 科

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

目前，交流供电制式和直流供电制式在许多国家和地区的铁路牵引供电系统中同时存在。如南非铁路牵引供电系统同时采用AC 25 kV/50 Hz和DC 3 kV两种供电制式[1]；欧洲铁路牵引供电系统更是多样化，意大利和比利时的铁路牵引供电制式为DC 3 kV，法国和德国的铁路牵引供电制式为AC 25 kV/50 Hz，等等。运行在交、直流供电制式同存的地区时，电力机车能正确辨识线路供电制式、控制牵引系统工作模式切换是其安全稳定工作的前提。目前，电力机车交、直流供电制式辨识控制系统主要有两种：

（1）网压检测装置辨识控制系统[2-4]。其通过交、直流检测装置对线路供电制式进行辨识，然后将辨识结果传输给机车牵引系统，进而控制工作模式切换。该系统的交直流检测装置成本和后期维护费用都相对较高，且存在信号延时、中断的风险。

（2）人工辨识控制系统[5-7]。该方法通过人工辨识线路供电模式后手动控制机车牵引系统工作模式切换，存在容易出现人为失误且耗时比较长的缺点。

因此，针对AC 25 kV和DC 3 kV两种供电制式，本文提出一种电力机车快速辨识供电制式的控制方法。该方法利用交流网压互感器和电压传感器构建双传感器网压信号采集拓扑结构，其在交、直流供电制式下均能采集网压信号，并通过辨识算法对网压信号数据进行处理，再根据交、直流供电制式的信号特征快速辨识出当前电网供电制式，从而控制牵引系统工作模式切换。

1 供电制式快速辨识系统总体设计方案

电力机车供电制式快速辨识系统由信号采集模块、辨识控制模块和系统显示模块组成（图1）。

图1 交、直流供电制式快速辨识控制总体方案Fig. 1 Overall scheme of the quick identi fication and control system for AC and DC power supply system

信号采集模块用于采集线路网压信号并将之传送给辨识控制模块进行处理。它是由交流网压互感器和电压传感器共同构建而成，其中R是电压传感器一次侧线圈接地电阻，r是交流网压互感器内阻。在交流供电制式时，该拓扑结构的交流网压互感器和电压传感器均能采集到网压信号；但在直流供电制式时，仅电压传感器能采集到直流网压信号。

辨识控制模块被集成在机车牵引系统的牵引变流器内，主要包括牵引控制单元(traction control unit，TCU)和交直流模式切换开关。其功能是通过辨识算法对网压数据进行处理，从而得到供电制式辨识结果，并控制交直流模式切换开关切换到正确的工作模式。

系统显示模块即为机车网络控制系统（TCMS）。

交、直流供电制式辨识控制方案工作流程如图2所示。其工作步骤如下：

图2 交、直流供电制式快速辨识控制方法的总体工作流程Fig. 2 Overall work process of the quick identi fication and control method for AC and DC power supply system

（1） 信号采集。交流网压互感器和电压传感器采集当前线路网压信号并传输给牵引变流器内的TCU。

（2） 数据处理。TCU通过辨识算法对网压信号数据进行处理，即对网压信号的平均值和有效值进行计算。

（3）数据有效性判断。根据检测网压有效值与供电稳定时最低网压有效值的比值来判断网压信号数据的有效性。在判断网压信号有效后才进行网压信号特征比对，否则重新进行数据处理。

（4）交流网压特征比对。首先判断网压特征是否符合交流供电制式网压特征，符合，则认为当前供电制式为交流供电制式，并控制交直流切换开关切换至交流工作模式，完成牵引系统工作模式切换过程；不符合，则转步骤（5）。

（5）直流网压特征比对。当检测网压特征符合直流供电制式网压特征时，则认为当前供电制式为直流供电制式，并控制交直流切换开关切换至直流工作模式，完成牵引系统工作模式切换过程；否则，返回步骤（3）。

（6）数据显示。将辨识后的供电制式信息和牵引系统工作模式送至TCMS显示，完成人机信息交互。

2 供电制式辨识算法

供电制式辨识控制算法被集成在机车TCU中。其针对交流网压互感器只能检测交流网压信号（无法检测直流网压信号）、而电压传感器对交流、直流网压信号均可检测的特点，结合交流网压、直流网压的不同特征进行辨识算计。该辨识算法分为3个部分：网压信号数据处理、网压信号数据有效性判断、网压信号特征比对。

2.1 网压信号数据处理

通过式(1)计算交流网压互感器采集的网压信号的平均值Uave1和有效值Urms1：

式中：u——交流网压互感器检测的网压信号；n——采样周期个数。

通过式(2)计算电压传感器采集的网压信号的平均值Uave2、有效值Urms2以及特征值λ：

式中：V——电压传感器检测的网压信号。

2.2 网压信号检测数据有效性判断

为了排除外部干扰或者传感器零漂的影响，需要对检测的网压信号进行数据有效性判断。实际工况下，交、直流供电制式下网压有效值均大于最低电压值，因此可利用这一特征来判断检测数据的有效性。

交流供电制式下，交流网压互感器检测的网压信号有效值Urms1具有以下特征：

式中：Uacmin——交流供电制式下稳态时最低交流网压信号有效值。

直流供电制式下，电压传感器检测的网压信号有效值Urms2具有以下特征：

式中：Udcmin——直流供电制式下稳态时最低直流网压信号有效值。

因此，辨识算法中数据有效性判断方法为：式(3)或者式(4)成立，则认为检测网压信号数据有效；式(3)和式(4)均不成立，则认为当前检测信号受到外部干扰或零漂影响，数据无效。

2.3 网压信号特征比对

交流供电制式下，网压的数学表达式为

式中：uac——交流网压单相实时电压；Uac——交流网压单相电压幅值；Uacave——交流网压周期平均值；Uacrms——交流网压单相电压有效值；ω,φ——交流网压角频率、相位。

直流供电制式下，网压的数学表达式为

式中：udc——直流网压实时电压；Udc——直流网压电压幅值；Udcave——直流网压周期平均值；Udcrms——直流网压电压有效值。

通过式(5)，得到交流供电制式下网压平均值与有效值的比值为

通过式(6)，得到直流供电制式下网压平均值与有效值的比值为

依据式(7)、式(8)可以得出结论：交流供电制式下，网压信号特征是λac=0；直流供电制式下，网压信号特征是λdc=1。考虑到工程应用误差，可认为交流供电制式下网压信号特征是λac在[0，0.5)范围内；直流供电制式下网压信号特征是λdc在(0.5，1]范围内。

因此，若Urms1大于交流供电制式下稳态最低交流网压信号有效值Uacmin或者Urms2大于直流供电制式下稳态时最低直流网压信号有效值Udcmin，则认为当前检测到的网压信号数据有效，继续进行信号特征比对。当Urms1大于交流供电制式下稳态时最低交流网压信号有效值Uacmin且λ在[0，0.5)区间内，则认为当前弓网供电制式为交流制式；当Urms2大于直流供电制式稳定时最低直流网压信号有效值Udcmin且λ在(0.5，1]区间内，则认为当前弓网供电制式为直流制式。在辨识算法中设计为：λ在[0，0.5)区间内且式(3)成立，则判断当前弓网供电制式为交流制式；λ在(0.5，1]区间内且式(4)成立，则判断当前弓网供电制式为直流制式。

3 现场验证

为验证上述供电制式辨识控制方法的有效性，将其应用在某双流制电力机车上进行了现场验证。

（1）当弓网提供AC 25 kV的交流网压时，交流网压互感器检测的网压信号如图3所示。在72 ms时刻检测到网压信号，其为标准的正弦波，最大幅值为35 070 V，频率为50 Hz。

图3 AC 25 kV交流网压信号Fig. 3 Voltage signal of AC 25 kV grid

TCU对网压信号检测数据进行处理，计算出Urms1=24 900 V，λ=0.05。辨识控制过程如图4所示，从图中可看出，从检测到网压信号到辨识出交流供电模式的整个辨识过程在100 ms内完成。TCU依据辨识结果控制交直流模式切换开关切换至交流工作位，完成牵引系统工作模式切换。最后TCU将信息发送TCMS进行显示，完成人机信息交互。

图4 交流供电制式辨识控制过程Fig. 4 Identi fication control process of AC power supply system

（2）当弓网提供DC 3 kV的直流网压时，交流网压互感器检测的网压信号为0，电压传感器检测的网压信号如图5所示，在40 ms时刻检测到网压信号，且网压信号为标准的直流电压，幅值为3 100 V。

图5 DC 3 kV直流网压信号Fig. 5 Voltage signal of DC 3 kV grid

TCU对网压检测数据进行处理，计算出Urms2=3 100 V，λ=0.97。直流供电制式辨识控制过程如图6所示， 可以看出，从检测到网压信号至辨识出直流供电模式信号的整个辨识过程在100 ms内完成。TCU依据辨识结果将交直流模式切换开关切换至直流工作位，完成牵引系统工作模式的切换。最后TCU将信息发送TCMS进行显示，完成人机信息交互。

图6 直流供电制式辨识控制过程Fig. 6 Identi fication control process of DC power supply system

4 结语

本文利用交流网压互感器和电压传感器来构建双传感器网压信号采集拓扑结构（该拓扑结构在交、直流供电制式下均能采集网压信号），并通过辨识算法对网压信号数据进行处理，再根据交、直流供电制式的信号特征快速辨识出当前电网供电制式，从而控制牵引系统工作模式切换。试验结果表明，使用本文控制方法能够有效保证电力机车在100 ms内准确辨识线路供电制式并完成牵引系统工作模式自动切换，大大减轻了工作人员工作压力，提高了工作效率，理想情况下可做到电力机车不停车通过供电制式变换路段。

目前，该方法还无法满足3种及3种以上供电制式的快速辨识，因此还有待后续优化研究。