一種全自動駕駛列車供電回路遠程診斷及復位電路設計

劉江濤, 張 寶, 楊 峰, 侯小強

(1 中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111;2 北京市軌道交通建設管理有限公司, 北京 100068；3 北京市軌道交通運營管理有限公司， 北京100068)

傳統的軌道列車一般采用斷路器對各供電回路進行防護，一旦發生跳閘則需要人工復位并盯控，以免故障進一步擴大。這種事后防護、人工判斷的方法不僅對于值守人員的專業水平有著較高的要求，而且有著很大的局限性：對于漏電流較小的情況起不到保護作用；而對于負載特性不穩定的回路(尤其是啟動電流很大、額定電流較小的回路)，斷路器選型不當會造成過保護或欠保護的情況。

近年來，全自動駕駛列車普遍采用復位機構來模擬人工復位斷路器的動作，以便在檢測到斷路器跳閘后能夠嘗試再次投入。此類機構一般應用在電站、移動基站等交通不便且無人值守的場所，主要是針對派人赴現場操作不便的需求而設計的，其普遍特點是通過小電流的脈沖信號驅動機械機構直接對斷路器操作桿進行復位(如：電機旋轉、電磁鐵推桿等)，一是動作時工作電流比較大，二是控制脈沖幅值及脈寬均比較小，極易受到干擾，一旦控制脈沖紊亂導致長時間通電則會導致過流發熱，存在一定的火災隱患。

針對全自動駕駛列車的運營特點設計了一種新的供電回路，以每個車廂為整體設置電流檢測回路以及并聯供電通道，兼顧檢測、判斷、處理等各項需求。不僅能夠掌握供電回路的電流變化趨勢，為智能運維提供第一手原始數據，而且可以根據實際情況對電源進行復位。在確保行車安全的前提下避免偶發電源故障對無人值守列車運營秩序產生影響。

1 需求分析

全自動駕駛列車的運營模式雖然也是無人值守，但是與電站、移動基站等交通不便場所有著本質的區別，主要有以下3點：

1.1 強大的運營保障體系

軌道列車的運營特點是每天運行固定時間后返回檢修庫，需要解決的重點及難點是運營途中盡量避免因列車故障導致線路占用。而列車的檢修維護、故障處理等工作均可在檢修庫內完成。

全自動駕駛列車無法依靠司機或機械師的現場排查來定位故障點，而且運營方也不允許長時間停車，這就要求列車具備自我診斷及自復位功能。其中：自我診斷主要是通過預判趨勢來避免故障的發生，自復位功能則主要是指采取臨時措施令列車能夠繼續運行。

1.2 電磁環境復雜

軌道列車采用動態受流方式，并且高低壓設備均集成在同一車廂，空間輻射、線路串擾等耦合關系錯綜復雜，低壓脈沖式的控制方式極易導致誤觸發，因此必須選用可靠性高、且失效后不會導致嚴重后果的器件控制各供電回路。

供電回路出現短路、接地等極端工況的概率較低，傳統的斷路器防護模式可最大限度的保護行車安全。為全自動駕駛列車設置的斷路器遠程復位機構一般處于待命狀態，這就要求此類裝置必須具備強大的抗干擾能力，確保正常情況下可靠關斷避免誤動作、收到指令后馬上動作。

1.3 負載特性多樣

鑒于交流負載功率較大，且列車設置了完善的冗余措施，因此此處僅討論低壓直流回路的供電。軌道列車直流負載主要包括控制主機、線圈兩大類，其中：前者內部的電源模塊多種多樣，部分設備的啟動電流很大；后者主要指繼電器、接觸器等邏輯電路，雖然電流穩定且較小，但是相互之間的聯系比較復雜，線路連接遍布整列車。

綜上所述，根據上述特點，針對低壓直流回路的供電設計了電流檢測及自復位電路：通過判斷正線與負線之間的電流差值、電流變化趨勢判斷當前回路是否存在異常；一旦發生斷路器跳閘，在初步判斷的基礎上通過并聯供電維持列車運行，直到入庫后交由人工處理。

2 電路設計方案

設計電路的主要目的是避免過流導致火災隱患，針對線圈、電源模塊等不同負載，從電流檢測、電源復位兩方面分別制定了設計方案。從故障概率以及失效模式等方面考慮，檢測回路主要用來判斷供電回路中開關、觸點、線圈、電纜等部位是否存在破損、絕緣不良等異常，而電源復位電路則主要是因偶發因素導致控制主機電源跳閘后嘗試再投入。

2.1 檢測電路設計方案

司機室及客室配電柜內集中放置了各直流負載的斷路器，考慮到安裝空間、安裝方式、檢測精度等一系列因素，每個配電柜配置兩個電流傳感器即可，分別檢測所有回路的正、負極電流，圖1所示為電流檢測回路原理圖。

圖1 檢測回路原理圖

CT1采集正線總電流、CT2采集負線總電流，當TCMS檢測到二者差值較大、或者波動較大時，及時報警提醒人工處理。庫內排查時，通過逐一合分斷路器即可快速定位故障回路。

2.2 復位電路設計方案

考慮到斷路器跳閘屬于低概率事件，而且一旦發生應立刻回庫處理，因此電源復位電路設計僅考慮短時供電工況(即：不超過24 h)。圖2所示為電源遠程復位電路原理圖。

圖2 復位電路原理圖

正常情況下電源復位接觸器處于斷開狀態，確保復位電路與各負載供電回路可靠隔離。當某個斷路器跳閘時，由TCMS驅動接觸器閉合，復位電路電源斷路器經穩壓二極管代替原斷路器向負載供電。除跳閘回路的穩壓二極管兩端存在電壓差能夠導通外，其他正常回路仍由原斷路器供電，避免了電源并聯帶來的隱患，并且能夠令列車維持運行至回庫檢修。

另外，由于控制主機類負載由軟件實現各項功能，存在一定的斷電重啟需求，因此在斷路器上附加一個跳閘勵磁線圈，結合復位電路即可實現電源級重啟，避免通信中斷或者指令紊亂導致的功能失效，從而提高列車可用性。

3 仿真示例

對上述方案的漏電檢測、電源復位電路進行了仿真驗證。圖3所示為simulink仿真框圖。

圖3中CB1、R1、GR組成了漏電流檢測回路，通過判斷正極電流(I_P)與負極電流(I_N)之間的差值來判斷是否存在漏電流(即：GR模擬電纜破損或回路中觸點接地)。仿真結果如圖4所示。

仿真結果表明，正極電流3.47 A(圖4中虛線)，負極單流3.25 A(圖4中點畫線),存在0.22 A的電流差，即設計的電路檢測到電路中存在漏電流。

圖3 漏電檢測及電源復位仿真框圖

圖4 漏電流檢測電路仿真結果

圖3中CB2、R2組成故障回路，CB3、R3組成正常供電回路，與Diode2和Diode1分別組成兩個復位電路，仿真結果如圖5所示。

圖5自上而下4條曲線分別表示：CB3電流、CB2電流、二極管1電流、二極管2電流。仿真結果表明，CB2電流為零(圖5中虛線)，穩壓二極管2電流1.05 A(圖5中點畫線)，即CB2、R2組成的回路中，R2由導通的Diode2(壓降設k置為5 V)供電；CB3電流1.1 A(圖5中實線)，穩壓二極管1電流為零(圖5中點線)，即穩壓二極管Diode1因兩端電壓相同而不導通，流經R3的電流全部由CB3驅動。

圖5 電源復位電路仿真結果

4 結束語

為了適應全自動無人駕駛等軌道交通智能化運營模式的飛速發展，軌道車輛各系統必須具備自檢測、自控制等功能，如何保證車輛狀態的快速、準確判斷是其中的難點和關鍵點。文中提出的漏電流檢測及電源復位電路，可用于車輛狀態檢測及特定回路的電源復位，不僅能夠提高狀態檢測的可靠性以及列車可用性，而且能夠提前診斷實現智能運維。在提升運營效率，降低故障率方面均能產生良好的社會效益和經濟效益。