CRH380CL型高速列車車載自動過分相控制策略

沈迪，田永洙，常振臣

(中國北車集團 長春軌道交通股份有限公司，吉林 長春 130062)*

0 引言

電氣化鐵道采用單相工頻交流供電方式，為使電力系統的三相供電負荷平衡并提高電網利用率，供電接觸網均采用分相段供電形式.為防止相間短路，在不同相供電臂之間的連接處用空氣或者絕緣裝置分割，形成了兩個供電臂之間絕緣分割區域，稱為分相區.

在時速200 km/h及以上電氣化鐵路中，列車每隔幾分鐘就要過1次分相區，司乘人員必須在不到1 min的時間內手動操縱機車安全通過分相區.如此頻繁和緊張的操作，不僅使司乘人員勞動強度和精神負擔加大，而且稍有不慎就可能引起相間短路，燒壞接觸網.因此，在我國準高速或高速鐵路上，為了有效緩解司乘人員工作壓力，列車都相應地采用了車載自動過分相裝置.目前CRH380CL型高速列車上搭載兩套車載過分相裝置:GFX-3A自動過分相系統和ATP系統.本文主要研究GFX-3A自動過分相系統的控制策略與應用.

1 系統結構和工作原理

1.1 系統結構

GFX-3A自動過分相系統包括車載GFX-3A自動過分相控制主機、感應接收器和地面應答器.

頭尾兩車車下各裝有四個感應接收器(T1、T2、T3和T4)，其中T2與T4安裝在車下右側，T1與T3安裝在車下左側.感應接收器T2與T4、T1與T3互為冗余.

如圖1所示，在分相區前后各設有兩個地面應答器，G1為分相預告點，G2為強斷點，G3/G4為分相恢復點，S1=170 m，S2=35 m.在列車通過分相區時，使用車下感應接收器T2、T4來感應G1和G3，T1、T3來感應G2和G4.

圖1 GFX-3A裝置地面應答器布置圖

1.2 工作原理

頭車通過G1點時，車載GFX-3A控制主機向高速列車中央控制單元(簡稱CCU)發送“分相預告”脈沖信號(1 s，110 V)，CCU收到此信號后，立刻通知牽引變流器控制單元(簡稱C/I).C/I根據CCU指令封鎖四象限整流器，進入中壓保持狀態，并控制牽引電機進入再生制動工況，其產生的能量用于維持車輛輔助供電系統，此后CCU命令斷開主斷路器(簡稱VCB)，列車將在無牽引、無高壓狀態下通過分相區.

頭車通過G2點時，控制主機向CCU發送“強迫斷VCB”脈沖信號(1 s，110 V)，CCU不考慮C/I是否進入中壓保持狀態，隨即斷開VCB.“強迫斷VCB”信號優先級高于“分相預告”信號.

頭車通過G3點時，控制主機通過“分相預告”信號通道向CCU發出合VCB指令，控制VCB重新閉合.在控制主機正常接收到G3信號時，G4信號不起作用.

2 高速列車過分相速度損失分析

為了保證高速列車進入分相區前維持輔助供電系統繼續工作(CRH380CL高速列車速度高于70 km/h時C/I才能夠進入中壓保持狀態)，高速列車必須在G2信號點前斷開VCB.設車載GFX-3A控制主機發出“分相預告”信號到VCB實際斷開時間為to(to應為常數).設G1與G2信號點間高速列車運行時間為t，高速列車在G1信號點的速度為Vo，那么

注:由于C/I進入中壓保持狀態過程中，高速列車速度不斷下降，但下降有限，所以按最不利情況考慮，采用最初的速度Vo.

設G2信號點前VCB斷開的持續時間為T，那么

高速列車在不同速度級別下進入G1點時，Vo越低，t越大，T越大，即意味著在高速列車通過G2點前VCB斷開時間越長.考慮到高速列車過分相時產生的再生制動力、高速列車阻力和線路狀況等因素，時間T越長，那么高速列車速度損失也就越大.速度損失雖然不會影響高速列車安全過分相，但是對鐵路線路高密度化運營，節約全線運行時間都極為不利.為了將CRH380CL型高速列車在過分相前的速度損失減至最低，提高線路運營效率，必須將T縮短.

3 CRH380CL型高速列車過分相控制策略研究

3.1 控制時序

在收到“分相預告”信號后，如果CCU延時處理過分相控制邏輯，那么VCB斷開時機便向后順延，T即為CCU需要的延時時間.根據理論計算分析，CRH380CL高速列車C/I的控制時序如圖2所示:

圖2 牽引變流器再生制動控制時序

3.2 延時時間計算

C/I從收到“分相預告”信號到牽引電機進入弱再生控制的時間為(600+1 000+850)ms/1 000=2.45 s.車載GFX-3A控制主機發出“分相預告”指令給CCU，CCU經邏輯判斷再輸出給C/I，整個分相預告信號的傳輸過程最長大約需要50 ms.VCB從收到斷開信號到實際斷開需要的最長時間約為60 ms.為了盡量減少VCB斷開時間，假定牽引電機剛剛進入弱再生控制時，CCU就立刻發出斷開VCB指令，那么，上述信號處理時間總共為2.56 s.如果以10%安全余量計算，那么計算結果為2.85 s.考慮到信號處理、傳輸延遲和其他不利因素，最終取值to=3 s，富余0.44 s，余量占比為14.6%，大于安全余量10%的要求.經上述分析，得到公式:

3.3 延時時間優化

在最不利情況下(即列車在10級牽引工況下運行至分相區)，CCU經延時T s后向C/I發出“分相預告”信號的實際車速Vo'＞Vo，所以T'＜T.如果仍然按照T進行延時處理，勢必會造成高速列車駛入G2信號點前C/I無法完全進入中壓保持狀態.因此，需要對公式“T=170/Vo-3”的參數“170”進行調整，用于抵消速度增加值(Vo'-Vo).根據CRH380CL型高速列車10級“牽引-速度”曲線，經計算得到如表1所示.

經比較，最終將參數“170”修訂為“150”，計算公式優化為:

高速列車在過分相過程中列車速度隨時間不斷變化，準確的變量T應根據列車實時位置距G2點的距離與實際車速進行積分得出，但是考慮到CCU運算處理能力有限，以及信號傳輸時延等因素，為了保證控制方式可靠，不得不犧牲變量T的準確性而采用上述線性計算公式.

表1 延時時間T計算分析表

3.4 控制邏輯關系

根據上述車載自動過分相控制策略分析，CRH380CL高速列車控制邏輯采用優化后的延時控制方案，如圖3所示:

圖3 應用控制邏輯簡圖

CCU收到過分相預告信號后經延時T向全列各車CI發出預告信號“a_TCUC_SO03_7”，再經過2.45 s向各車VCB發出斷主斷路器2 s脈沖信號“b_FTR_DO00_0”，高速列車牽引輔助及制動系統進入過分相工況.

4 試驗驗證

在CRH380CL高速列車型式試驗期間，對車載過分相控制部分進行了一系列驗證，下面列舉了部分數據，如表2、表3所示(注:軟件采樣周期為200 ms，中間信號略去相同部分).

表2、表3分別記錄了50 km/h和200 km/h速度級別下CRH380CL型高速列車通過分相區的實測結果，可以清楚的看到在網壓歸零前，VCB已成功斷開.

表2 列車速度50 km/h時監測數據

表3 列車速度200 km/h時監測數據

5 結論

經分析及試驗驗證，本文論述的GFX-3A自動過分相系統控制策略和控制邏輯關系，能夠滿足CRH380CL型高速列車自動過分相控制要求，在實際運用過程中沒有出現分相區前VCB斷開不及時的情況，極大的縮短了列車在通過分相區前VCB斷開時間，完全可以保證CRH380CL高速列車安全、可靠、高效運行.

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