劉 超 張紅星 高興華 王景波

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，063035，唐山∥第一作者，高級工程師)

輔助供電系統(tǒng)是城市軌道交通車輛控制中低壓用電設(shè)備供電的重要組成部分。目前，德國西門子股份公司、阿爾斯通公司和龐巴迪公司等供應(yīng)商主要采用中壓并網(wǎng)供電技術(shù)。其配合列車控制與管理系統(tǒng)(TCMS)的管理實(shí)現(xiàn)了負(fù)載利用率最大化；在某些輔助逆變器故障情況下可通過其余輔助逆變器確?？照{(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，保障了乘客舒適性。但列車受實(shí)際運(yùn)營環(huán)境的干擾，并網(wǎng)供電控制過程也可能受到影響[1-3]。本文主要針對廈門地鐵1號線(以下簡稱“1號線”)列車發(fā)生的輔助供電系統(tǒng)相電流不平衡故障進(jìn)行分析，并重點(diǎn)闡述故障改進(jìn)方案，從而保障列車安全有效地運(yùn)營。

1 輔助供電系統(tǒng)簡介

輔助供電系統(tǒng)對于列車功能至關(guān)重要，它給其他重要的設(shè)備和系統(tǒng)，如空氣壓縮機(jī)、牽引設(shè)備風(fēng)機(jī)以及空調(diào)系統(tǒng)供電。為保證輔助供電系統(tǒng)的最大可用性，6節(jié)編組列車一般配備4臺輔助逆變器和2臺低壓電源兼作蓄電池充電機(jī)。輔助逆變器采用三相AC 380 V、 50 Hz電源滿足空調(diào)和空氣壓縮機(jī)等設(shè)備用電需求；低壓電源兼作蓄電池充電機(jī)為蓄電池和所有的控制電路及TCMS等提供DC 110 V電源[4-5]。4臺輔助逆變器采用先進(jìn)的并網(wǎng)供電技術(shù)，這保證了即使在某臺逆變器故障時，整列車的輔助負(fù)載不需要任何降級。輔助供電系統(tǒng)在列車中控制分布如圖1所示。

圖1 輔助供電系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Block diagram of auxiliary power supply system control

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

2018年4月5日，1號線輔助供電系統(tǒng)報出相電流不平衡故障而導(dǎo)致車輛下線。故障當(dāng)天下載的列車數(shù)據(jù)記錄儀中的記錄數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2可知，在10:57:01:521時，列車中DCUA診斷出“1車相電流平衡故障保護(hù)性封鎖請求”，隨后其他車也上報了該故障。在10:57:07:281時，TCMS也診斷出“1車DCUA作為主啟動失敗故障”。

圖2 列車故障記錄截圖Fig.2 Screenshot of train fault record

2.2 控制原理

1號線列車輔助供電系統(tǒng)采用的是并網(wǎng)供電控制方式。其通過TCMS控制并網(wǎng)供電的DCUA實(shí)現(xiàn)輔助逆變器的并網(wǎng)啟動。TCMS控制DCUA啟動的輸出信號主要有“禁止空閑啟動指令”及“禁止啟動指令”兩個。其中，“禁止空閑啟動指令”用于主輔助逆變器的選定，“禁止啟動指令”用于主/從輔助逆變器的啟動控制。針對DCUA的并網(wǎng)啟動控制，在軟件設(shè)計中考慮了DCUA切除控制、DCUA復(fù)位控制、DCUA主控制、DCUA從控制、DCUA封鎖控制及DCUA故障下的減載控制等，從而確保列車交流負(fù)載和直流負(fù)載的正常供電，保障列車安全舒適的運(yùn)行。

在存在多個DCUA并網(wǎng)供電的情況下，TCMS通過DCUA控制輔助逆變器并網(wǎng)啟動，其主要控制邏輯如下：

1) 在啟動之前，TCMS通過向所有的DCUA發(fā)送“‘禁止空閑啟動指令’為1” 以及“‘禁止啟動指令’為1”禁止它們的啟動。

2) TCMS指定某DCUA為主DCUA，向其發(fā)送“‘禁止空閑啟動指令’為0” 及“‘禁止啟動指令’為0”來啟動該DCUA。該DCUA將嘗試在母線空閑的情況下啟動，如果啟動不成功，則TCMS將指定另一臺DCUA為主DCUA。

3) 當(dāng)三相中壓母線達(dá)到標(biāo)稱電壓之后，主DCUA向TCMS反饋“‘ACM(交流電源模塊)母線激活’為1”。之后TCMS向其他DCUA依次發(fā)送“‘禁止啟動指令’為0”來實(shí)現(xiàn)同步啟動。

4) 當(dāng)任一個DCUA已經(jīng)處于工作狀態(tài)，和三相母線完成同步，并閉合負(fù)載接觸器之后，向TCMS發(fā)送“‘普通母線上ACM激活’為1”。

在緊急牽引模式下，輔助逆變器的并網(wǎng)控制通過硬線實(shí)現(xiàn)，TCMS不參與控制。

2.3 原因分析

根據(jù)故障現(xiàn)象，本文主要從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制并網(wǎng)供電邏輯、輔助供電系統(tǒng)診斷功能角度分析故障原因。

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)角度分析

根據(jù)上述控制原理，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制并網(wǎng)供電時，與DCUA相關(guān)的列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)記錄儀中的記錄狀態(tài)如圖3所示。

圖3 列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)截圖Fig.3 Screenshot of train operation status data

列車發(fā)生故障前，輔助供電系統(tǒng)的各DCUA均工作正常， TCMS正常發(fā)送“‘禁止空閑啟動指令’為0”及“‘禁止啟動指令’為0”的信號狀態(tài)給1車DCUA。當(dāng)故障發(fā)生時，結(jié)合圖2中列車故障數(shù)據(jù)和圖3中列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，故障產(chǎn)生過程分析如圖4所示。

圖4 故障產(chǎn)生過程分析Fig.4 Analysis of fault occurrence process

綜上分析，在列車發(fā)生“相電流平衡故障保護(hù)性封鎖請求”故障時，TCMS按照正常并網(wǎng)供電控制啟動時序迅速將主啟動指令轉(zhuǎn)移到下一個DCUA，實(shí)現(xiàn)了TCMS對DCUA的正常啟動控制；在輔助供電系統(tǒng)反饋故障信息時，TCMS快速診斷并在司機(jī)顯示屏上正常提示了“x車DCUA作為主啟動失敗故障”。

2.3.2 輔助供電系統(tǒng)角度分析

為了防止輔助逆變器損壞，輔助供電系統(tǒng)會根據(jù)發(fā)生故障的等級進(jìn)行自身保護(hù)。如發(fā)生相電流不平衡的故障時，輔助供電系統(tǒng)會進(jìn)行保護(hù)性封鎖即封鎖變流器。根據(jù)司機(jī)指南和維修操作指南，初步分析DCUA可能存在如下故障原因：① 輔助變頻器外負(fù)載不平衡，如過高的單相負(fù)載；② U相電流測量故障；③ V相電流測量故障；④ 輔助變頻器內(nèi)三相系統(tǒng)電纜故障等。

故障發(fā)生當(dāng)日列車回庫后上車檢查車輛，通過檢查連接器及負(fù)載設(shè)備狀態(tài)、電流傳感器狀態(tài)、每個輔助負(fù)載接觸器及內(nèi)部線纜狀態(tài)等均未發(fā)現(xiàn)異常。隨后對故障列車跟蹤檢查，通過反復(fù)故障模擬實(shí)現(xiàn)了相電流不平衡故障的復(fù)現(xiàn)。故障復(fù)現(xiàn)后，在檢查連接器及負(fù)載設(shè)備狀態(tài)過程中，發(fā)現(xiàn)2車與3車間高壓分線箱AC 380 V母線連接器存在W相縮針，進(jìn)而導(dǎo)致連接器燒損現(xiàn)象。

輔助供電系統(tǒng)設(shè)計中利用電流傳輸器測量U相和V相的電流，根據(jù)三相電流相加為0的算法，DCUA持續(xù)計算W相的電流。U相和V相電流的準(zhǔn)確監(jiān)測是保護(hù)逆變器的基礎(chǔ)，保護(hù)功能在DCUA控制單元內(nèi)執(zhí)行，如果相電流之間差值超過了限額且持續(xù)時間超過了監(jiān)控時間，則會觸發(fā)三相不平衡或負(fù)載不平衡故障，DCUA則開始對逆變器執(zhí)行保護(hù)性封鎖并發(fā)送診斷信息。

可見，高壓分線箱AC 380 V母線連接器中W相縮針導(dǎo)致連接處的中壓母線缺相，進(jìn)而使得相電流之間差值超過了限額，造成輔助變頻器外負(fù)載不平衡，從而導(dǎo)致DCUA診斷出相電流平衡故障保護(hù)性請求封鎖，輔助供電系統(tǒng)封鎖輔助逆變器，進(jìn)而影響列車的正常運(yùn)營。

3 改進(jìn)方案

3.1 硬線控制改進(jìn)

考慮對箱體施工的影響以及改進(jìn)周期，本項(xiàng)目改進(jìn)方案是將貫穿整車的AC 380 V中壓母線分為兩個車輛單元，改進(jìn)后的輔助供電系統(tǒng)控制如圖5所示。在圖5中，3車與4車之間高壓分線箱處用于車端連接的線纜被拆除，列車中壓母線被分成1～3車和4～6車2個單元，每個單元包含2臺輔助逆變器，為本單元交流負(fù)載供電。當(dāng)中壓母線上單點(diǎn)出現(xiàn)故障時，對應(yīng)單元的輔助逆變器會封鎖輸出，整列車將損失2臺輔助逆變器，但不會導(dǎo)致整列車輔助電源停止工作。這既可以避免列車三相不平衡造成的列車無法運(yùn)營，又降低了改造箱體的難度和安全隱患。

圖5 改進(jìn)后的輔助供電系統(tǒng)控制框圖Fig.5 Block diagram of improved auxiliary power supply system control

3.2 網(wǎng)絡(luò)控制改進(jìn)

3.2.1 并網(wǎng)供電控制邏輯優(yōu)化

目前并網(wǎng)供電控制邏輯為網(wǎng)絡(luò)TCMS控制4臺輔助逆變器依次并網(wǎng)。根據(jù)改進(jìn)方案，網(wǎng)絡(luò)TCMS需分別控制每個車輛單元內(nèi)的2臺輔助逆變器并網(wǎng)啟動，即在單元內(nèi)TCMS先指定一臺輔助逆變器為主輔助逆變器并向其發(fā)送禁止空閑啟動指令和禁止啟動指令，然后向本單元內(nèi)另一臺輔助逆變器發(fā)送禁止啟動指令。兩個單元分別并網(wǎng)供電控制程序如圖6所示。

圖6 兩個單元分別并網(wǎng)供電控制程序Fig.6 Grid connected power supply control of two units respectively

針對圖6中兩個單元分別并網(wǎng)供電控制時，每個單元內(nèi)的DCUA是否滿足主啟動的判斷過程如圖7所示。其中：

1) 高壓輸入正常的判斷條件是：輔助供電系統(tǒng)任一控制單元反饋網(wǎng)壓成功。

2) 封鎖所有DCUA的判斷條件是：隔離接地開關(guān)在受電弓位且受電弓在降弓位。

3) 本DCA工作正常的判斷條件是：輔助供電系統(tǒng)反饋設(shè)備工作正常。

4) 本DCUA啟動使能的判斷條件是：非緊急牽引模式且無蓄電池低壓啟動且本DCUA無內(nèi)部或外部短路故障。

5) 本DCUA作為主啟動故障的判斷條件是：TCMS發(fā)送禁止空閑啟動指令和禁止啟動指令后6 s內(nèi)未收到本DCUA反饋的母線激活。

針對圖6中2個單元分別并網(wǎng)供電控制時，每個單元內(nèi)的DCUA作為從啟動需同時滿足以下判斷條件：① 高壓輸入正常為真；② 封鎖所有DCUA為假；③ 本DCUA工作正常為真；④ 本DCUA啟動使能為真；⑤ 本DCUA作為主啟動故障為假；⑥ 其他任一DCUA為主啟動成功為真；⑦ 本DCUA反饋母線激活為假。

3.2.2 負(fù)載管理優(yōu)化

整車AC 380 V中壓母線被分為2個車輛單元，其輔助逆變器的冗余性減弱。網(wǎng)絡(luò)軟件中，空壓機(jī)打風(fēng)邏輯和空調(diào)減載控制邏輯需根據(jù)列車中壓母線供電狀態(tài)進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。列車中負(fù)載能耗需求如表1所示。

圖7 DCUA滿足主啟動的判斷流程Fig.7 Flow chart of DCUA satisfying main initiation judgement

本項(xiàng)目輔助供電系統(tǒng)設(shè)計為單臺輔助逆變器在風(fēng)機(jī)半速時容量為117 kVA，即列車總?cè)萘繛?17 kVA×4=468 kVA；單臺輔助逆變器在風(fēng)機(jī)全速時容量為150 kVA，即列車總?cè)萘繛?50 kVA×4=600 kVA。根據(jù)表1中整車負(fù)載能耗需求以及改進(jìn)后的并網(wǎng)供電控制方案，遇到輔助逆變器故障時，每個車輛單元內(nèi)的負(fù)載管理方案優(yōu)化如下：

表1 列車負(fù)載能耗需求Tab.1 Requirements of train load energy consumption

3.2.2.1 夏季遇到輔助逆變器故障

夏季每個車輛單元內(nèi)，列車AC 380 V/220 V交流負(fù)載容量需達(dá)190.125 kVA，輔助逆變器才正常運(yùn)行。風(fēng)機(jī)半速情況下，列車可提供234.000 kVA的容量，完全可滿足列車190.125 kVA的交流負(fù)載需要。

1) 一臺輔助逆變器發(fā)生故障。故障輔助逆變器所在車輛單元內(nèi)另一臺輔助逆變器容量可以提升到150.000 kVA，但仍無法滿足一個車輛單元內(nèi)190.125 kVA的輔助負(fù)載需求，因此優(yōu)化方案中需網(wǎng)絡(luò)給故障輔助逆變器所在車輛單元內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)發(fā)送減載指令，使空調(diào)系統(tǒng)減載50%運(yùn)行?？照{(diào)減載后該單元內(nèi)的交流負(fù)載為126.825 kVA，單臺輔助逆變器容量滿足此功率要求。無故障車輛單元內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)保持正常工作。

2) 兩臺輔助逆變器發(fā)生故障。當(dāng)兩臺故障輔助逆變器在同一個車輛單元內(nèi)，則本單元交流負(fù)載將停止工作，網(wǎng)絡(luò)給該車輛單元內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)送緊急通風(fēng)指令；同時如果該車輛單元內(nèi)的空氣壓縮機(jī)為主空氣壓縮機(jī)，TCMS將變更主、從空氣壓縮機(jī)指定邏輯，即指定另一車輛單元內(nèi)的空氣壓縮機(jī)為主空氣壓縮機(jī)；當(dāng)兩個故障輔助逆變器分別在兩個車輛單元內(nèi)，此時TCMS給全列空調(diào)系統(tǒng)發(fā)送減載指令，使空調(diào)系統(tǒng)減載50%運(yùn)行。

3) 三臺輔助逆變器發(fā)生故障。優(yōu)先考慮空壓機(jī)打風(fēng)需求，TCMS給全列空調(diào)發(fā)送緊急通風(fēng)指令。

4) 四臺輔助逆變器故障，列車請求救援。

3.2.2.2 冬季遇到輔助逆變器故障

冬季每個車輛單元內(nèi)，列車AC 380 V/220 V的交流負(fù)載容量需達(dá)52.775 kVA。

1) 一臺輔助逆變器發(fā)生故障。故障輔助逆變器所在車輛單元另一臺輔助逆變器容量為117.000 kVA，滿足負(fù)載需求，空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)不受影響。

2) 兩臺輔助逆變器發(fā)生故障。當(dāng)兩臺故障輔助逆變器處在同一個車輛單元內(nèi)，負(fù)載管理策略與夏季時一致；當(dāng)兩個故障輔助逆變器分別在兩個車輛單元內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)不受影響。

3) 三臺或四臺輔助逆變器故障，負(fù)載管理策略與夏季時一致。

4 結(jié)語

通過對廈門地鐵1號線輔助供電系統(tǒng)相電流不平衡故障的分析，得出中壓母線車端連接器縮針是導(dǎo)致該故障的根本原因。為盡可能減少線路造成的輔助逆變器封鎖，針對列車輔助供電系統(tǒng)分為兩個車輛單元分別控制并網(wǎng)的改進(jìn)方案，進(jìn)一步優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并網(wǎng)供電控制邏輯和負(fù)載管理邏輯，從而解決了中壓母線故障情況下列車無法運(yùn)營的問題。此改進(jìn)方案已裝車驗(yàn)證，目前列車運(yùn)行狀況良好。對于今后的項(xiàng)目，可基于本文所提改進(jìn)方案，在設(shè)計之初考慮中間車增加一個中壓母線接觸器，使整車AC 380 V中壓母線經(jīng)此接觸器后貫穿全列。當(dāng)中壓母線出現(xiàn)相電流不平衡故障時，斷開該接觸器，從而將中壓母線一分為二，這樣既可提高輔助逆變器的冗余性，又可避免中壓母線故障而造成的列車無法運(yùn)營的情況。