高速動車組新型高壓信號采集裝置的開發

劉金柱，張亞偉，蔣濤，張言偉

(1.中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司 技術中心，吉林 長春 130062;2.中國北車集團 青島四方車輛研究所有限公司 電氣事業部，山東 青島 266031;3.濟南鐵路局 供電段，山東 濟南 250001)*

0 引言

隨著近年來國人對出行需求的不斷提高，高速電動車組這一節能、快捷、舒適的交通運輸工具越來越受到人們的青睞.每一列高速動車組的投入運營，不但輸送了大量的客流，同時也拉動了高鐵沿線省市地區的經濟發展.從運營時速200 km的動車組到時速300 km的動車組，再到我國新研制的運營時速達到350 km等級的動車組，我國高速電動車組的設計、制造技術得到了迅猛發展.為保障高速動車組運營的安全，必須對列車高電壓、高電流等信號進行采集，通過對這些信號的監視來保證動車組高壓系統部件處于正常工作狀態，使列車安全和旅客人身安全得到保護.對于高速動車組上的高壓電壓電流信號采集技術來說，實現采集的方法有多種，國際知名的軌道交通領頭企業諸如阿爾斯通、西門子、龐巴迪、川崎重工等所采用的方法也不盡相同，并都已形成了自己特有的高壓信號采集技術.隨著我國動車組技術革新的深入，技術引進帶來的技術不兼容限制對技術革新的阻礙影響也越來越大，目前國內尚未形成具有自主知識產權的動車組高壓信號采集技術及統一的信號采集接口標準，因而對國外設計、生產的高壓信號采集設備還有很強的依賴性，限制了我國動車組的技術升級速度.本文通過對國內現有動車組的高壓信號采集技術進行對比分析，研究開發具有自主知識產權和技術特點的新型動車組高壓信號采集技術.

1 高壓信號采集技術引進現狀

圖1 動車組高壓信號采集示意圖

為進行列車保護控制及列車狀態顯示，高速電動車組一般采集如下幾種高壓信號:①接觸網電壓信號HPT;②接觸網電流信號CT1;③變壓器原邊輸入電流信號CT2;④變壓器原邊接地回流電流信號CT3;⑤動車組高壓信號采集的基本方式見圖1.

目前國內技術引進的動車組使用的高壓信號采集技術各不相同，因此通過對高壓信號采集而實施的列車高壓部件的保護方式也不盡相同，各型動車組高壓信號采集的具體對比情況見附表［1］.

附表 各型動車組高壓信號采集對比

2 新型高壓信號采集裝置的結構與功能

2.1 新型高壓信號采集裝置的結構

由于技術引進的動車組使用的高壓信號采集技術各有不同且無法互相兼容，因此開發一種新型的、具有通用性的高壓信號采集裝置已成為必要，此新型裝置既可以對列車需要的高壓信號進行采集，又可與任意一種列車網絡設備進行接口匹配.對于目前現有網絡設備來說，可采集0～15 VDC模擬量信號的模塊基本上都是具備的.因此新型高壓信號采集裝置應具有將高壓交流電壓、電流信號轉換為低壓直流0～15 V信號的功能.

根據上述開發目的，開發出了新型高壓信號采集裝置，即高壓信號適配器單元(HVAU)，如圖2所示，此裝置采用模塊化設計，由不同的板卡模塊組成.

圖2 動車組新型高壓信號適配器單元(HVAU)實物圖

2.2 新型高壓信號采集裝置的功能

新型高壓信號適配器單元(HVAU)分為如下模塊:

電源模塊(POWER):此模塊為主機電源，實現對高壓信號進行采集模塊的供電功能.

接觸網電壓采集輸入模塊(CVSM)及電壓信號處理輸出模塊(CVPM):此兩個模塊可將輸入的電壓模擬量(數值為0～150 Vac)轉換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

接觸網電流采集輸入模塊(CCSM)及電流信號處理輸出模塊(CCPM):此兩個模塊可將輸入的電流值模擬量(數值為0～10 Aac)轉換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

變壓器原邊輸入電流采集輸入模塊(TICSM)及電流信號處理輸出模塊(TICPM):此兩模塊可將輸入的電流值模擬量(數值為0～10 Aac)轉換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

變壓器原邊回流電流采集輸入模塊(TOCSM)和電流信號處理輸入模塊(TOCPM):此兩模塊可將輸入的電流值模擬量(數值為0～10 Aac)轉換為0～15 Vdc的電壓模擬量并冗余輸出.

高壓信號適配器單元(HVAU)同時還具有對接觸網電流和主變壓器輸入/輸出電流進行過流保護的功能.為了保證電氣控制電路工作的可靠性，過流保護功能采用由HVAU和外部硬件過流繼電器并行驅動方式進行，見圖3，從而可提高系統的可靠性.

圖3 HVAU過流保護功能示意圖

3 新型高壓信號采集裝置的原理

新型高壓信號適配器單元(HVAU)對電壓型/電流型信號采集處理的原理如圖4所示.

由于列車對新型高壓信號適配器單元(HVAU)的安全等級要求較高，所以在設計中采用了多路采集、相互冗余的設計思路;同時，考慮到設備高可靠性的要求，增加了在線診斷功能.整個設計主要電路包括:雙路信號采集、采樣電路在線診斷、故障輸出、狀態顯示四個部分.

雙路信號采集:將電流型/電壓型信號采集電路進行簡統設計，只需要更改信號輸入端口的采樣電阻就可以實現電壓型和電流型的轉換;由于被采樣信號由高壓電壓/電流轉換而來，其信號品質差，一般都帶有諧波分量;因此采樣電路前級必須進行濾波處理;處理后的信號進入差分運算放大電路，通過運放電路對信號進行必要的調理，使得信號達到可采樣的閾值;有效值分析電路主要包括信號的整流電路和積分電路，經過此電路可以實現交流信號到直流信號的轉換;通過輸出電路將最終的電壓信號輸出，其輸出幅值可以按照信號需求進行配置，為了保證輸出端口的可靠性，進行了輸出短路和過流保護;通過兩路ADC采集電路，對兩路轉換后的信號進行實時監控，同時控制輸出選擇器切換輸出［2］.

采樣電路在線診斷:系統正常運行時，FPGA通過雙路ADC電路對兩路采集信號進行實時監控;當系統發生故障時，在斷開高壓的情況下，可以通過系統自檢請求按鍵，進行系統自診斷.自診斷原理為:FPGA通過DAC轉換，給定一個參考信號，經過差分放大電路、有效值分析電路、ADC采樣電路，再將此給定進行采樣，通過比較給定值與采樣值來判定系統雙路采集電路能否正常工作.

圖4 電壓型/電流型高壓信號采集處理原理框圖

過流檢查:該系統可以通過上位機設置過流檢測值，設定后的過流檢測值通過DAC轉換，輸出一個比較閾值，當輸入信號超過此閾值時，FPGA進行邏輯判斷，為了防止系統誤動作，需要在硬件電路和軟件中增加延時判斷功能，故障確認后切除輸出通道，同時將該過流故障通過繼電器輸出.

故障輸出:系統發生故障后，通過FPGA控制故障繼電器吸合，給出故障信號.

狀態顯示:系統面板中設置有系統狀態顯示燈，可以顯示電源、自診斷、采集通道狀態.

采用上述設計方案的系統擁有如下優點:①系統響應速度快，信號的采集及有效值運算都由高精度的硬件電路實時完成，保證了系統的高速相應;②系統的可靠性，對于信號采樣電路通過FPGA實時地在線診斷，確保采樣及運算電路的正確可靠運行;③系統具有很大的靈活性，可以容易地擴展功能.可以在一定程度上方便地擴展系統的邏輯控制功能和信號處理功能;④系統維護方便，系統通過軟件設計可以在線進行自診斷，并且定位故障位置.診斷結果可以通過LED狀態顯示;⑤系統設計更改容易，對于接口及保護值在一定范圍內的改動，該系統可以在硬件不做任何修改的情況下通過軟件升級完成系統的更改要求.

3 結論

新型高壓信號適配器單元(HVAU)經過部件型式試驗驗證后，安裝在新一代高速動車組CRH380CL上應用.經過設備裝車、功能調試及整車試驗的驗證，新型高壓信號適配器單元達到了設計目標及實際項目需求，并實現了與日立公司列車網絡設備的接口.

高速動車組高壓信號采集技術只是高鐵技術的一小部分，隨著我國技術創新的不斷深入，高鐵技術的方方面面都會進行技術革新，我國將創造出源于自身的設計理念和設計方法，使我國向高鐵技術強國不斷邁進.

［1］張曙光.中國高速鐵路技術叢書 和諧號CRH動車組技術系列［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］童詩白.模擬電子技術基礎［M］.2版，北京:高等教育出版社，1988.