HXD1型8軸電力機車網絡控制邏輯初探

王正君

（太原鐵路局 湖東電力機務段技術科，山西大同037300）

HXD1型8軸電力機車網絡控制邏輯初探

王正君

（太原鐵路局 湖東電力機務段技術科，山西大同037300）

HXD1型8軸電力機車是我國采用當代先進技術精心打造的鐵路重載牽引平臺，其在機車控制中首次融入了先進的網絡技術，引入了現代控制論機車控制理念，實現了交流傳動技術的跨越發展。嘗試對HXD1型機車關鍵技術進行深入解讀，為我國電力牽引技術的發展作一些有益的探索。

HXD1型；8軸；電力機車；網絡控制；邏輯

HXD1型8軸電力機車是我國鐵路發展具有深刻變革的劃時代產品，它借助當代網絡技術、逆變技術、交流傳動及現代控制論等的技術優勢，在我國第一條重載鐵路大秦線運輸中日益發揮著越來越重要的作用。由于投入大秦線運輸近6年來機車所暴露出的深層次問題漸趨增多，客觀需要進行更為深入的維護才能確保機車質量，因此，有必要對HXD1型機車的技術特征進行一次全面、系統地梳理。

根據現場維護機車的實踐和多年來對HXD1型機車在實際應用中顯現的技術特性的揣摩，參照一些技術資料，嘗試對HXD1型機車內在控制要素和規律進行一些深入的解讀。力求在消化吸收的基礎上，盡快提升我國在電力牽引控制的認知水平，從而為我國鐵路技術的快速發展積累必不可少的經驗。

1 全域、精準、迅捷的控制關系使網絡化控制成為最優化的典范

1.1 涵蓋的控制部件區域

在HXD1型機車中，CCU作為網絡控制中心，是機車智能化的神經中樞，擔負著列車級控制、機車級控制，主要控制機車重聯控制；WTB、MVB總線管理；機車控制邏輯的實現；機車牽引、制動特性控制；軸重轉移補償控制；自動過分相控制；空電聯合制動控制；通風機轉速自動控制；無人警惕控制；自動輪徑校正等。

為了達到精細化及減輕主CCU負擔的目的，在控制系統內又設置了由TCU擔負傳動級控制功能，主要監視和控制、調節牽引變流器，同時也參與網壓檢測及防滑、防空轉控制。

進一步看，CCU控制各個部分涉及的控制要素十分豐富。僅受電弓升弓環節，如下達“升弓”命令后，CCU就需要對受電弓是否已升起，可能的升弓模式進行評估，還要驗證評估機車是否處于靜止狀態，風壓是否足夠等，否則需對輔助壓縮機技術狀態進行評估后再下達輔助壓縮機控制命令，同時，升弓時，涉及升弓環節的所有條件（多達20條）也需要一一經主CCU檢測通過后，升弓才可以完成。

而在主斷路器控制環節，為了確保主斷路器安全閉合和斷開，系統設置更為精細，主要含工作模式的選擇，功能塊檢測及配置，主斷路器閉合的實時監控，主斷路器解鎖的驗證，主斷路器回路的測試及主斷路器回路試驗6部分，每一部分又設置了相應的技術條件，諸如配置實現的前提，配置實現的邏輯關系，解鎖失敗的執行等。可以說，只要涉及與主斷路器動作有關的安全和技術要求，全部成為主斷路器控制的基本要素，從而確保了主斷路器動作的安全性和可靠性。

此外，參與機車牽引控制的重要部件如主輔變壓器、主輔變流器的技術狀態等眾多部件的技術狀態也納入了CCU的有效管控之下，而確保機車安全的CCBⅡ制動機、主壓縮機等也是CCU掌控的關鍵所在，其所涉及的支持這些部件正常運用的主要技術狀態控制節點均一一位列其中。可以說，除了走行部及車體部分，機車參與控制的幾乎所有部件的運用技術狀態均匯集成了CCU控制的基本要素，機車控制網絡化真正實現了全要素全過程控制的目的。

1.2 精確的全過程跟蹤監控

在HXD1型機車的控制體系中，對機車部件的控制和管理貫穿于控制全過程。為了有效控制每一個部件的運用，其所涉及的硬件控制回路以及其必須具備的其他技術條件，需要設置眾多能準確反映部件技術特征的關鍵節點，而機車部件投入運用前這些節點本身以及節點與節點之間的技術準備條件和技術運用狀態，由CCU依據經事先科學評估形成的邏輯關系，一一進行對比分析和邏輯判定，并快速作出相應的技術決策，從而實現了對機車控制全過程最為有效的精確控制。

1.3 強大的故障自診斷處置功能

關于HXD1型機車的網絡控制系統具有自診斷功能，已有大量的闡述，主要具有自診斷信息可在微機顯示器上進行顯示。CCU和TCU具有故障診斷和故障儲存功能。故障診斷分為司機屏提示、Monitor軟件實時診斷、Expert2軟件離線分析等方式。診斷數據分故障數據和日志數據，其中診斷數據附帶機車運行的環境參數。診斷數據包含代碼、發生時間、消失時間、事件簡單說明等信息。

HXD1型機車由CCU支撐下的網絡對機車控制全過程的監控，主要是服務于機車自診斷功能。適時監控的網絡系統，一旦發現非正常信息，就會立即響應，并依據這些信息由CCU（或TCU）進行必要的分析和判斷，并迅速給出相應的技術決策，具有十分優異的性能。主要表現①由于部件節點眾多，由CCU管理的自診斷系統十分龐大，其監控范圍基本與控制范圍相對應，機車部件的控制全程均在其監控之下；②診斷響應十分迅速，可在第一時間將診斷信息提供給操縱人員；③自診斷系統對自身也進行了必要的監控；④每一個故障診斷都針對性給出了最佳處理方案。

2 受電弓的邏輯控制關系和主斷路器的邏輯控制等

2.1 受電弓升弓環節的邏輯控制

為了確保機車升弓的順利完成，經專業評估后確定需要遵循的原則：①機車必須處于靜止狀態；②需要考慮先升非操縱節受電弓，降低由于受電弓刮弓對機車車頂設備損壞的風險，同時減少電磁干擾對操縱人員的影響；③升單節受電弓要求兩個高壓隔離開關提前處于閉合位（主斷路器必須處于“斷開位”），升兩節受電弓時要求高壓隔離開關提前處于斷開位（主斷路器必須處于“斷開位”），而且需要由CCU對高壓隔離開關的位置進行評估后符合要求。④如受電弓故障后，需要禁止升該故障受電弓，同時可允許升起另一架受電弓。⑤正常情況下可選擇升起操縱節受電弓。⑥發生其他故障后，需要升起兩節受電弓。

為了滿足上述要求，就需要將兩節高壓隔離開關位置，兩節主斷路器位置相互之間按一定的原則（高壓隔離開關必須在無電情況下才允許動作；正常情況下，受控主斷路器需與兩節機車高壓隔離開關的開閉位置一致）建立相應的邏輯關系。同時，為了保障受電弓能夠按要求升起，還需要對部分必要節點如風壓是否高于最低限度，輔助壓縮機是否故障等。由CCU按照上述6條基本原則進行關于節點技術狀態的評估，形成“或”邏輯關系參與受電弓升弓控制。

此外，如果上述評估中發現部件節點存在非正常情況，由CCU按設定的最優化邏輯關系自動采取進一步的措施。如下達升弓命令后（選擇開關在“自動位”），出現初始化錯誤；或者出現諸如輔助壓縮機故障，21－K06并且21－K07故障，21－K06或者21－K07觸電粘接（21－K08故障，另一節車主斷禁止，蓄電池電壓低于77 V超過2 min，另一節要求升雙弓，網壓低于15 k V以及非操縱節輔助壓縮機故障）等信息后，由CCU檢測并評估同時做出“升雙弓”的選擇。

同樣，受電弓選擇開關在“本務機車位”或“重聯位”升弓時，也采取了類似的原理，從而確保機車出現各種非正常情況后，可以由CCU作出判斷并進行最優選擇。

2.2 受電弓工作環節的邏輯控制

受電弓升起后，其技術狀態是否穩定以及對其工作狀態的監控，是確保受電弓正常工作的必要前題。為此，需要遵循以下原則：①涉及升弓模式的某一個條件如發生變化，受電弓工作模式必須進行相應的改變。②受電弓升起后20 s后，受電弓工作狀態的監控開啟；③受電弓如需要降下，必須在主斷路器斷開0.6 s之后；④升弓電磁閥如不再由SKS3控制，受電弓必須降下；⑤經CCU評估發現受電弓升弓條件（含電路硬件節點及風壓監控等相關信息）不滿足時，受電弓必須降下；⑥由CCU檢測發現網壓異常、高壓隔離開關卡位及變壓器溫度或油流異常等較為嚴重的故障等情況時，受電弓必須降下。

顯然，上述6種情況，有些關聯機車工作模式，有些關聯受電弓本身的質量，有些關聯受電弓的正常控制，有些關聯機車部件的運用安全，這些因素互為條件，存在直接或間接的關系，經專業評估后形成的邏輯關系，成為CCU“或”邏輯判斷的依據，它們都會造成受電弓降下。

2.3 主斷路器閉合環節的邏輯控制

由于主斷路器是機車的總開關，其閉合與斷開存在較大的安全風險，因此其控制邏輯關系更為復雜，主要遵循原則是必須確保引入高壓時，滿足禁止該主斷路器引入高壓的任何請求。

為了確保人員及部件的運用安全，在主斷路器控制環節，設置了6大控制部分，每一部分都有明確的分工負責范圍。關于邏輯關系，主要依據①受電弓選擇模式；②高壓隔離開關開閉狀態；③重聯車閉合主斷路器命令需延時5 s（延時會在WTB啟動時給出的UIC地址觸發）。其核心在功能塊的設置，在功能塊設置中，參與邏輯關系的有4種受電弓升弓模式，6個高壓隔離開關狀態信息，兩個主斷路器失效信號，還有兩個不允許接入高壓的條件，這些因素彼此互為條件，可以交叉延伸出8個輸出邏輯信號。

這些邏輯關系輸出，又受控于另外一個由“FRG”及“FR1”（FRG比FR1優先級高）相互交叉而成的四個邏輯控制關系，只有CCU判定“FRG＝1”及“FR1＝1”，機車才能夠完成配置并將配置檢測通過后給出相應的輸出。

2.4 “主從”CCU轉換環節的邏輯控制

CCU作為機車網絡控制的最為重要的樞紐，它工作的穩定性和可靠性是極其重要的，不允許出現系統任何的失誤。為了保障系統可靠工作，在HXD1型機車設置了兩個可用于控制的CCU。正常工作期間，一個作為“主”CCU處于工作狀態，另一個則作為“從”CCU監控“主”CCU的工作狀態。

在HXD1型機車中，設置了“主從”CCU轉換環節和“從”CCU監控功能，使網絡控制系統遵守正常情況下輪流工作或“主”CCU故障后“從”CCU立即接替的原則，從而達到延長系統的應用壽命和確保系統工作可靠性的目的。為實現這一要求，在CCU控制系統中，邏輯關系的設定顯示出了高超的技術水準。

2.4.1 “主從”邏輯轉換基本條件的選定

實現CCU的“主從”邏輯轉換，系統必須滿足邏輯判斷的基本條件，主要有：①CCU必須具備自身唯一的標志（插頭編碼），并具備相應的識別功能。②“主從”端口滿足雙向傳輸的MVB數據通訊。③“主從”端口的配置列表包括兩個“主從”端口，且CCU硬件列表包括每一個將傳輸的互為條件的輸入信號和輸出信號。④至少有一個總線管理器，且必須保證MVB的帶總線管理器功能的接通器，在CCU啟動后“主從”選擇啟動時準備運用。⑤設置3組在組內互為條件的6個邏輯信號。⑥“主從”端口設置監控（用下降時間）達到適時檢測“主從”信號的目的。⑦由“從”轉換為“主”之前，“主請求”滿足一個最小的時間間隔。“主請求延時”必須至少和其他CCU反應“主請求”所需的最長時間一樣長（設計間隔：約5 s，即“主從”端口→MVB循環時間＋中央處理器計算時間）。

2.4.2 “主從”邏輯正常轉換必須遵循的基本原則

為了確保“主從”CCU的順利轉換，為兩個CCU之間確立一個必要的由雙方必須遵守的基本原則是順利實現轉換的前提。①設定兩個CCU按順序輪流成為“主”。即前“從”CCU成為“主”CCU，而前“主”CCU成為“從”CCU。②在每一個CCU重新啟動后，必須對每個CCU存儲（在電池隨機存儲器）的自己狀態（“主”或“從”）進行評估。評估設定的條件是只有前“從”CCU可以發出一個“主請求”，前“主”CCU不允許發出“主請求”。③一旦前“從”CCU收到“主從”狀態“從”且沒有來自其他CCU的“主請求”，它發出“主從”狀態“主”，且隨后轉換到“主”配置列表NSDB（前“從”CCU成為“主”CCU）。④在閉合之后初始化的短時間內，即兩個CCU都處于“從”CCU期間，因為兩個CCU此時都使用相同的“從”配置列表，必須設定不允許任何一個在這段時間內由CCU開始傳送MVB處理數據，當兩個“從”CCU出現時（例外：“主從”信號數據），如果此時它們仍然提供“源”端口，此信號必須由主處理器取消（否則MVB可能出現沖突）。在“主從”創建完成，“主從”CCU關系確立后，“從”CCU才允許傳遞處理數據。

2.4.3 非正常情況下的“主從”邏輯轉換

為了確保“主從”CCU之間相互轉換所遵循基本原則執行的萬無一失，一些可能會影響“主從”邏輯轉換基本原則執行（故障或擦除電池隨機存取存儲器，新的中央處理器等）的非正常因素必須考慮在內，為此，系統對“主從”邏輯轉換可能出現的非正常情況科學地進行了提煉，并對這些非正常情況按照邏輯推理作了極為詳盡的描述。

（1）一些可能導致“主從”CCU轉換的故障

如果兩個CCU通過MVB連接，可能發生的故障有：①CCU內重要部件故障，如輸入、輸出接口，中央處理器，電源單元、電壓變壓器，串聯接口（RS232，MSIC，TMC）等。②所有CCU封鎖。③分配給CCU的一個重要部件故障（例如網關）。④MVB接通裝置故障（MVB32）或總線管理器故障。⑤在兩個CCU之間的MVB連接故障（例如插頭斷開，線斷開或短路，重復裝置故障等）。

（2）故障情況下“主從”CCU轉換的基本類型

由CCU（從CCU）監控的角度分析，所有不同的故障可以歸納為兩種情況：①“從”CCU由“主”CCU收到信息指示“主”CCU故障。②“從”CCU不再由“主”CCU接收“主從”信號。在第1種情況，“主從”轉換不可避免，條件是“從”CCU功能正常。在第2種情況下，“主”CCU故障的可能性較大而傳輸過程是否良好，“從”CCU無法做出準確判定。在這種情況下，“主從”轉換允許按相應的要求進行，但存在一些錯誤的或不明智的轉換。

（3）故障情況下“主從”CCU轉換的規定

第1如果兩個CCU可能都“確認”以前它們為“主”或“從”。①如果兩個CCU都認為它們以前為“從”，它們都發出“主請求”，當CCU2收到CCU1的“主請求”，它必須取消自己的“主請求”，CCU1因此成為“主”CCU。②如果兩個CCU都認為它們以前是“主”（例如MVB連接中斷），產生沖突，它們都不發出“主請求”。當CCU1接收到“主從”狀態“從”且沒有“主請求”后，它必須立即發出“主請求”，然后成為“主”CCU，CCU1因此成為“主”CCU，另一個CCU（系統設定為CCU2）必須馬上轉變為“從”CCU。

第2如果一個CCU故障（例如I/0部件故障）或如果CCU檢測到MVB接通裝置故障，它不能發送“主請求”，并因此不能成為“主”CCU。如果該CCU已經成為了“主”CCU，那它必須立即轉變成為“從”CCU。

第3如果CCU發現其他CCU已經是“主”，它必須保持為“從”并需取消“主請求”。

第4如果一個狀態為“從”的CCU短時間內連續多次發出“主請求”，該“從”CCU可允許在第一時間成為“主”CCU。而此時“主”CCU可檢測到另外一個CCU由“從”轉到“主”，這樣兩個CCU都會是“主”CCU，發生沖突。在這種情況下，前“主”CCU必須馬上變為“從”CCU（此“從”CCU由“從”到“主”的轉換可能僅意味著它沒有收到任何“主從”信號，類似于“從”CCU對“主”CCU狀態信號不明的情況）。

第5如果兩個CCU同時發出“主請求”（在“主請求延時”內），發生沖突。需要通過兩個CCU中的一個取消“主請求”來解決，系統設定其中一個（CCU2）CCU優先成為“主”。

第6如果一個CCU在啟動后沒有由其他CCU收到“主從”信號（在“主從”接收端口有下降時間監控），它可以在“啟動等待時間間隔”后成為“主”（其他CCU沒有完全啟動，因為不同的閉合時間或計算時間，或其他CCU的MVB接通裝置故障，或兩個CCU之間的MVB連接中斷，或其他CCU在再次初始化它的NSDB）。這個間隔必須最少和其他CCU在NSBD轉換后，重啟傳輸“主從”信號的最大時間相同（設定“啟動等待時間間隔”：約2～3秒）。

第7在CCU（例如CCU1）的“主從”轉換期間，系統禁止再發出“主從”信號（直到發生MVB接通裝置初始化）。此時其他CCU（CCU2）不允許再接收“主從”信號（“主從”接收端口的下降時間監控），而且CCU2也不允許再發出“主請求”或不能成為“主”。為達到此目的，確保“主從”轉換順利完成，系統設定在“轉換等待時間間隔”內，“主從”信號暫時禁止，必須在檢測到“主從”轉換完成后啟動（“主從”狀態由“主”改為“從”）。如果在“轉換等待時間間隔”后仍然沒有收到“主從”信號，應假設其他CCU處于故障狀態，“主請求”此時可以繼續發出。“轉換等待間隔”可以調整為和“啟動等待間隔”相同的值（約2～3 s）。

2.5 其他邏輯關系簡述

此外，還有上述類似的許多重要邏輯關系的實現，如主壓縮機的控制。為了閉合主壓縮機，輔助負載控制和制動控制之間的協作是必須的“與”邏輯關系，缺一不可。輔助負載負責管理接觸器和自動開關的狀態。如果經CCU確認兩個都無故障，且提供電源給輔助組超過10 s，壓縮機才具備了閉合的條件，同時，一個＂壓縮機控制解鎖＂信號發送到制動控制系統等。

3 部件運用安全考量下的控制理念

HXD1型機車控制安全保障的理念，集中表現在整車系統及單個控制環節運行安全，以及部件應用質量等3個方面。

3.1 整車系統安全控制

主要以網壓檢測、高壓電流及電壓檢測、原邊電流和回流電流的差值檢測等原邊高壓供電技術狀態檢測為主，此外，為了確保非正常情況禁止高壓接入機車的情況，也設定了一定的安全原則，如單節機車模式禁止閉合高壓隔離開關；還有如在WTB沒有通訊的情況下，高壓隔離開關位置狀態不明，設定在重聯節機車不允許任何電源操作等。

3.2 重要控制系統的安全控制

在這一環節，以牽引控制單元控制、主斷路器閉合安全、CCU及網關技術狀態以及機車過分制動限制等為主要內容。

（1）牽引控制單元的安全防護

①為了確保機車網壓安全接入機車，避免對主變流器、主逆變器等部件的沖擊，機車除設置了必要的硬件防護設施外，對網壓高低及網側參數（例如等效干擾電流、功率因數）等網壓品質設置了必要的監控并形成閉環控制。如果網壓低于15 k V超過1 s將檢測到低網壓，高于31 k V超過1 s將檢測到高網壓，或是主變流器切除后原邊無功電流偏大等由CCU檢測給出提示信息并斷開主斷路器。

②為了降低對直流環節的沖擊，只有當直流支撐電壓達到大于理論最終電壓值（牽引繞組的峰值電壓）的95%后，輸入斷路器（由TCU控制）才可以切換至閉合狀態；而為了確保牽引控制單元平穩退出工作，只有在無電流的狀態下（由TCU檢測），該斷路器才可以斷開。

③為了確保牽引控制單元正常工作，直流支撐回路輸入、輸出是否過電流；變流器控制單元入口處的水溫（TASG＞82℃）、水的儲存高度是否符合規定以及是否存在接地也是不可或缺的安全防護因素，否則主斷路器必須斷開，而受電弓也必須降下。

④為了確保直流支撐環節的安全，a設置了一個軟短路放電裝置。只要直流支撐環節出現過電壓，或單節機車兩個直流支撐環節電壓相差較大，或直流供電故障以及牽引單元重新啟動等，該裝置就會由TCU控制接通處于保護狀態；b設置了另一個硬電路放電裝置。其工作條件則是IGBT出現錯誤的觸發信號，直流支撐環節的DV/DT過高，直流供電故障以及4QC或牽引電機相電流值超出范圍等。

⑤為了確保在逆變器內有其他嚴重故障（如主變流器發生短路）情況下的安全防護，系統將會切除兩個轉向架的整個牽引力和電制動力（瞬間斷開主斷路器）。

（2）主斷路器動作的時機是系統安全的底線

①系統接入高壓電源的限制。HXD1型機車對關于禁止接入控制系統高壓可能的情況主要是主變流器冷卻故障（含主變流器水位）；無變壓器油流檢測（油流故障或測量互感器缺陷）；變流器關閉引起的原邊無功電流偏大；原邊電流與接地電流差大于30 A（多次出現）；產生機車保護動作；主斷路器回路自檢通道1故障；主斷路器回路自檢通道2故障；輔助回路輸出接觸器故障；與SKS3無通訊；高壓隔離開關斷開故障；受電弓截止塞門關閉；兩個TCU都切斷；冷卻塔故障；主變流器水泵故障；主變流器水壓力超出范圍（僅在主斷路器閉合和輔助逆變器可用之后）；網壓過高；布赫繼電器報警；系統沒有檢測到油流信號等。

②故障情況下需要切除高壓電源。不論出現多嚴重的故障，斷開主斷路器，迅速切斷機車供電電源都會成為最終的選擇。為了確保主斷路器可靠地工作，系統設置了每天至少對主斷路器控制環節進行一次檢測，從而確保主斷路器在發生需要斷開故障時，可靠地斷開。檢測分兩個方面，其1是繼電器和SKS3輸出由關閉TCU控制，如果所有執行主斷路器試驗的項目都滿足，相關的繼電器都閉合并驗證；其2是用于TCU的KLIP輸入的連接首先斷開，TCU閉合。此后，開關由CCU控制，進行主斷路器試驗并可能進行正常的運用。

（3）CCU及網關工作的安全防護

如果CCU或網關發生嚴重故障，例如顯示器不能再次點亮，機車司機必須斷開相關CCU的電源。

此外，關于CCU的運用安全，主要已前述CCU監控環節提到的3個主要方面發生非正常情況下自動轉入安全狀態（主斷路器斷開等）來進行保護。

（4）CCBⅡ制動機的安全

關于CCBⅡ制動機的安全應用，需要提到的幾點：①為了避免機車的過分制動，每當ED制動力被CCU鎖定，投入單獨制動。如果CCU檢測到制動缸壓力高于40 k Pa（若由單獨制動引起，單獨制動及電制動同時消除），電制動將立即切除直到制動缸壓力低于20 k Pa。②DP狀態牽引工況下，停放制動不明確或施行，均衡風缸、列車管不減壓。③停放制動投入或緩解狀態通過按鈕讀入控制系統，若斷開蓄電池，則停放制動將自動投入。

（5）其他系統的安全防護

在HXD1型機車中，每一個系統都設置了符合其技術特征的安全控制環節，如為保證庫內電源引入機車時相序正確，在每個輸入接觸器前設置了一個相序繼電器，只有當輸入的相序正確后輸入接觸器才能閉合；再如需要作輔助設備（壓縮機等）試驗或庫內動車時，只要兩個外部插座之一處于準備狀態（在輔助設備試驗“3”位），CCU即封鎖受電弓，防止受電弓升起危及機車及人員安全。

3.3 部件運用的安全防護

關于部件安全的運用，①對受電弓風壓的監控，確保不發生燒網事故。②高壓隔離開關設定無電動作，不僅符合其技術特征，避免了其因帶電轉換造成的燒損，而且確保機車禁止接入了不需要的高壓電源。③在某一節升弓并閉合主斷路器的情況下，如有新的司機室占用，CCU自動斷開主斷路器并降下受電弓。所有控制受電弓和主斷路器的扳鍵開關封鎖直到這個過程完成。④主壓縮機最小運行時間和每小時壓縮機啟動次數的管控，成為確保風源系統安全繼而確保行車安全的必要條件。⑤四象限變流器和脈寬調制（PWM）逆變器模塊的過壓和過流保護。在直流回路電壓大于整定值時，觸發軟短路器，斷開主斷路器；如發生短路和其它故障，在達到最大支路電流前自動封鎖相關的模塊觸發脈沖。⑥牽引電機的短路保護。當牽引電機端子或繞組內發生短路時，逆變器脈寬調制的觸發脈沖將被封鎖。⑦主變壓器的安全以監控線圈短路、氣體壓力、油溫及油循環是否正常，甚至單個線圈生命周期的消耗值，也成為考量變壓器全壽命周期的一個因素等。

4 精心設定的最優化選擇方案，提高機車操縱效率

4.1 一般情況下最優化的選擇

關于機車控制最優化的選擇，集中表現在以下幾個方面。

（1）受電弓工作模式的最優化選擇

需要升弓時，按照先自動選擇非操縱節受電弓→人為選擇非操縱節受電弓→自動選擇操縱節受電弓→自動選擇雙受電弓→自動選擇單節受電弓的順序進行。顯然，升弓的最優化控制首先滿足一旦發生受電弓刮弓故障容易造成車頂其他部件損壞及同時最大限度減少對人員電磁干擾的原則；其次出現自動選擇故障時，可采取人為選擇的方法；再次，出現高壓隔離開關卡位等可保留最大牽引力（雙節分別升弓）；此外，即使單節機車故障，也可以保留一節可以維持控制。

（2）輔助電機頻率變化的最優化選擇

為了滿足逆變器部件（水循環）的溫度、變壓器和牽引電機等部件的散熱需求，為這些部件散熱的通風機設置為變頻控制，由此根據季節要求或機車實際運行狀態對輸出頻率進行必要的調節。變頻控制分為牽引狀態和非牽引狀態，不同的電機工作頻率對照相應的溫度，頻率輸出與溫度各自呈線性增加的關系，即溫度增加控制頻率相應加快，反之相應下降，從而滿足了部件散熱的不同需求，使部件工作在一個相對較為理想的環境。

（3）接觸網供電技術狀態的最優化選擇

機車運行中，接觸網電的技術狀態是機車能否正常工作的前提，因此，對其技術狀態進行必要的監控并針對不同網壓采取相應的措施是十分必要的。例如對接觸網網壓的監控分幾個不同的步驟，首先，網壓偏高＞31.5 k V不超出40 s，系統產生禁止高壓的保護動作，主斷路器直接斷開，并可以重新閉合；其次，網壓偏高＞31.5 k V超過40 s，系統產生禁止高壓的保護動作，需等待20 s后主斷路器方可重新控制；再次，網壓偏高＞31.5 k V短時間內連續超過3次時，系統產生禁止高壓的保護動作，并維持60 min后，主斷路器才可以再次接入高壓。

（4）主變壓器技術狀態的最優化選擇

主變壓器是機車的核心部件，由于其工作在高壓狀態，對絕緣等級要求較高，而且其線圈浸在油脂中，也是火災甚至爆炸的重大質量隱患。因此，對主變壓器技術狀態的監控以及正確應對可能發生的多種非正常情況所采取的措施是必要的手段。對主變壓器的監管，主要是通過對油溫（冷卻泵）作為監控的主要的技術特征。為最大限度地發揮主變壓器的功能，實現最優化管理，在牽引控制單元內主要設置有3類應對措施，①80℃＜油溫＜85℃，牽引功率在0%～30%間線性降低；②85℃≤油溫＜95℃，為此變壓器供電的主逆變電路牽引封鎖；③油溫≤－40℃或油溫≥95℃，主斷路器必須斷開并鎖定，以此確保變壓器的安全。

其他類似如發生機車空轉后的軸重轉移，輔助逆變器由是否存在庫內電源、接觸器及逆變器狀態3個因素決定的配置等也是最優化控制的突出表現。

4.2 故障情況下機車的最優化選擇

（1）故障情況下受電弓升弓模式的最優化選擇

關于受電弓控制環節故障情況下最優化選擇，在升弓模式的4種選擇方式中，前面已提到按優先選擇的順序人為根據實際需要進行選擇，然而在故障情況下的選擇雖仍然是4種模式的選擇，但在這種情況下，則主要是根據機車實際存在的故障由CCU自動進行選擇，其選擇也不再局限于前述最優化順序，4種選擇模式沒有優劣之分，而是對故障情況經分析判斷后做出目前狀況下最佳的選擇。

（2）故障情況下主斷路器的最優化選擇

由于主斷路器的特殊性，它是機車系統安全的最后一道關口，出于這一要求，一方面，機車對主斷路器斷開故障和請求進行了分級，另一方面，則需要事先區分出故障是暫時的還是長期的（事先已按故障影響的范圍和可能的后果進行了分類）。

具體來看，按主斷路器斷開故障和請求的分級存在2種類型，即設置可能的故障為暫時的還是長期的。一是整臺車不允許有高壓，高壓隔離開關斷開（即HV SP對整臺車有效）；二是禁止本節車由受電弓、主斷路器提供高壓（只有受電弓或主斷路器故障，允許通過高壓隔離開關供電，即HVB SP對本節車有效）。

對于系統區分暫時的還是長期的情況，如發生的是一個暫時故障，不需要由功能塊進行新的配置評估，當故障消除時，司機可在無配置運行時閉合主斷路器（含過分相）；如發生的是一個長期故障，通常需要由功能塊進行新的評估并相應地進行配置，該評估需要新的升弓請求才能開始進行（受電弓應降下）。

（3）故障情況下蓄電池的最優化選擇

蓄電池的技術狀態是機車正常運行的重要條件，關于蓄電池故障的最優化選擇主要有4種情況，①如果蓄電池電壓下降到88 V，它將會被低電壓繼電器檢測到。輸入信號將給出信息通知機車司機蓄電池的狀態，這種情況下蓄電池電壓將失去控制作用。②如果檢測到低電壓，蓄電池耦合接觸器閉合，條件是相應的單節車的充電機無故障且主斷路器也閉合。對應輸入到診斷存儲器且產生顯示信息。③如果低電壓檢測到2 min，相應的單節車封鎖（主斷路器斷開，受電弓降下等），對應輸入到診斷存儲器且產生顯示信息。④如發生接地故障時，蓄電池回路接地故障單獨檢測且寫入到診斷存儲器，并將故障信息告知司機。

4.3 其他最優化選擇

在HXD1型的機車控制中，除了上述2種情況外，多種非正常情況交織在一起的最優化選擇也很普遍，其中以牽引控制最為典型。

（1）機車降低牽引功率的最優化選擇

如主變壓器油溫檢測回路故障，油溫在80℃～85℃，繞組溫度大于115℃，以及冷卻液過熱超出范圍等，機車就會降功率維持運行。

（2）部分失去牽引力的最優化選擇

此類情況以單個部件發生故障情況為主，如發生單個或幾個牽引電機過熱，TCU門單元電源故障，主逆變器1和2溫度過高或存在接地點，直流環節過壓和過流等，相應地切除故障部件或一個轉向架引起牽引封鎖。

（3）單節車失去牽引力的最優化選擇

如果變壓器油溫在85℃～95℃（含85℃），繞組溫度大于120℃，TCU及IGBT供電電源故障以及單個牽引控制單元無通訊或連接中斷，兩個轉向架都斷開連接，牽引力設定值出現后20 s無牽引力升高等都會造成單節機車牽引失效。

（4）整車失去牽引力的最優化選擇

造成此類選擇的情況多為牽引控制系統外部關聯的一些因素引起。如由無人警惕裝置產生牽引的封鎖，機車速度超過123 km/h，沒有選擇方向或選擇的方向不明確，在沒有設置設定值的情況下出現目前的牽引力，緊急制動等，由于此類因素可能的后果較為嚴重，系統設置立即取消牽引功能，以免造成更為難以控制的局面。

（5）主斷路器立即斷開的最優化選擇

為了減小最嚴重故障對機車控制系統的影響，系統設置了如主變流器發生短路，TCU檢測線電流瞬時值超600 A，油溫≤－40℃或油溫≥95℃，繞組溫度＞125℃，以及TCU故障及冷卻液泵或冷卻塔風機故障等，由TCU（CCU）控制主斷路器瞬間斷開的環節。

5 其他一些突出的特點

在HXD1型機車中，如“速度調節”的設置反映了HXD1型機車未來的一些發展趨向。

“速度調節”仍然由CCU控制，由CCU內獨自的軟件包來執行。速度調節的任務是維持由機車司機使用機車內可用的電子牽引、制動裝置設定的速度值。最小的調節速度為5 km/h。速度調節不是設計用來自動駕駛，但主要用來幫助司機。它設計為在任何時間都可以閉合和斷開速度調節，而且，司機手動制動優先于速度調節的設定。

6 結束語

本文對我國投入運用的重載HXD1型機車的主要控制規律進行了分析，HXD1型機車在大秦線運輸中所表現出的優異的技術特性，為我國鐵路重載運輸的發展所做出的貢獻是非常巨大的，機車控制在運用中所展示的現代控制理念，突出的技術水平所引發的技術革命，對我國機車控制技術發展的影響意義重大而且極為深遠。

［1］ 程 鵬，王艷東.現代控制理論基礎［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［2］ 李 宏.現代電力電子技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［3］ 馮曉云.電力牽引交流傳動及其控制系統［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］ 張曙光.HXD1型電力機車［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Glimpse on the Network Control Logic of Eight-axle HXD1 Electric Locomotive

WANG Zhengjun
（Technology Department of Hudong Electric Depot，Taiyuan Railway Brueau，Datong 037300 Shanxi，China）

The 8-axle HXD1 electric locomotive is China railway＇s heavy haul platform which incorporates the contemporary advanced technology.It adopts the advanced networking technology and the modern locomotive control concept in locomotive control area for the first time，which achieves a great development to the AC transmission technology.This article aims to interpret the in-depth know-how of the key sections of the HXD1 locomotive technology，in order to make a useful exploration for the development of China＇s electric traction technology.

HXD1；eight-axle；locomotive；network control；logic

U264.91＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.21

1008－7842（2014）02－0083－07

3—）男，工程師（

2013－10－16）