陶紅杰, 王 威, 王賢哲

(中車大連機車車輛有限公司, 遼寧大連 116021)

CR200J-3型機車是為提升我國普速旅客舒適度及客運專線運輸能力而研制的動車組動力車。動力集中動車組根據(jù)運輸需要可采用固定長編、固定短編以及靈活編組等多種運營模式，對動力車的可靠性提出了更高的要求。為了保證動力車電氣系統(tǒng)在故障模式下仍能維持整列編組的運行需求，對動力車網(wǎng)側回路、微機網(wǎng)絡系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、控制電源系統(tǒng)、列車供電系統(tǒng)等進行冗余設計。

1 網(wǎng)側回路冗余

動力車網(wǎng)側回路設有2個受電弓、2個車頂避雷器、2個主斷路器、2個高壓電壓互感器以及2個電流互感器等部件，兩套回路從硬件上完全獨立。如圖1所示，每個受電弓均獨立對應一個主斷路器，主斷路器的上端及中部的接地觸頭與高壓接地開關相連，當某一受電弓或主斷故障時，可通過隔離該高壓回路，操作接地開關轉由另一高壓網(wǎng)側回路維持整車供電需求。

圖1 動力車網(wǎng)側回路

2 微機網(wǎng)絡系統(tǒng)冗余

CR200J-3型動力車微機網(wǎng)絡系統(tǒng)以符合國際標準IEC 61375的ECN、ETB以太網(wǎng)技術為基礎引入TCN網(wǎng)絡，在車輛級實現(xiàn)了多功能車輛總線(MVB)與ECN以太編組網(wǎng)互為冗余的雙網(wǎng)熱備設計。動力車之間(或動力車與控制車之間)通過絞線式列車總線WTB進行信息傳輸,實現(xiàn)列車重聯(lián)控制。每節(jié)動力車內(nèi)部采用雙網(wǎng)冗余通信方式，以MVB+ECN以太網(wǎng)為傳輸指令、信息的載體，與各控制裝置進行通信，實現(xiàn)動力車設備的順序邏輯控制、牽引/再生制動控制、動力車運行狀態(tài)顯示、故障信息記錄以及動態(tài)冗余等功能。

動力車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)為分布式計算機體系結構，按功能可劃分為列車控制級和車輛控制級。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)拓撲結構如圖2所示。

CR200J-3型動力車微機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)包含2個WTB網(wǎng)關、2個中央控制單元CCU、1個事件記錄單元EDRM、4個遠程輸入輸出單元RIOM、1個多功能網(wǎng)關、4個以太網(wǎng)交換機、2個司機室顯示單元DDU，1個用戶服務端口USP。MVB總線和ECN以太網(wǎng)互為冗余，均用于完成動力車的控制與維護。

2.1 列車級網(wǎng)絡

列車級網(wǎng)絡采用WTB總線貫穿所有拖車與其他動力車(或控制車)相連，數(shù)據(jù)傳輸波特率為1 Mb/s。WTB總線接口的物理特性，數(shù)據(jù)幀傳輸格式等符合GB/T 28029.1-2011的規(guī)定。系統(tǒng)WTB總線采用A、B線路冗余，當正在工作的一組列車總線出現(xiàn)問題時，網(wǎng)關能自動控制切換到另一組工作。

ACU-輔助控制單元；CCU-中央控制單元；CS-車輛以太網(wǎng)交換機；DDU-司機顯示單元；ECN-以太編組網(wǎng)； EDRM-事件記錄單元；FSJ-風速監(jiān)測；LDP-機車車載綜合信息監(jiān)測裝置； LGDU-列車供電配電單元；LGU-列車控制單元；LLJ-流量監(jiān)測；LON-LonWorks現(xiàn)場總線；PSU-蓄電池充電器；RIOM-遠程輸入輸出單元；TCU-牽引控制單元；USP-用戶服務端口；MVB-多功能車輛總線；WTB-絞線式列車總線；WTB-GW:網(wǎng)關；6A-機車車載安全防護系統(tǒng)。圖2 動力車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)拓撲結構

2.2 車輛級網(wǎng)絡

車輛級網(wǎng)絡采用MVB+ECN以太網(wǎng)模式，兩種網(wǎng)絡同時工作，互為冗余。中央控制單元、司機室顯示單元、牽引變流器控制單元、輔助變流器控制單元等各重要設備同時連接在MVB總線和ECN以太網(wǎng)上。

2.2.1MVB總線

MVB總線用于連接各車輛內(nèi)的電子部件和控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸波特率為1.5 Mb/s，如圖3所示。數(shù)據(jù)通過A、B兩個通道傳遞，即使一個通道出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)仍可通過另一個通道傳遞。

圖3 MVB網(wǎng)絡拓撲

2.2.2ECN以太網(wǎng)

動力車ECN以太網(wǎng)采用雙回歸環(huán)形網(wǎng)絡，通信速率為100 Mb/s，為全雙工通信模式。如圖4所示，終端設備通過以太網(wǎng)線連接到4個CS交換機，互為冗余的兩個ED連接到不同的交換機；4個交換機之間組成環(huán)網(wǎng)。CS為網(wǎng)管型交換機，每個交換機具有12個以上以太網(wǎng)接口。交換機和終端設備均符合IEC 61375-2-3標準的TRDP以太網(wǎng)通信協(xié)議。ECN以太網(wǎng)接口的物理特性、數(shù)據(jù)幀傳輸格式等符合IEC 61375-3-4的規(guī)定。

動力車冗余控制包含了CCU、WTB網(wǎng)關、RIOM、DDU等設備級冗余，TCU、ACU、LGU等設備的以太網(wǎng)接口冗余，WTB線路冗余，MVB與ECN以太網(wǎng)的車輛級網(wǎng)絡通信冗余等方面，在很大程度上保證了網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能實施及動力車的安全運行。

3 列車供電系統(tǒng)冗余

每臺動力車設有兩組獨立的200 kW列車供電功率單元(LGU),兩組供電功率單元輸出在列供配電柜內(nèi)并聯(lián)后向乘客車廂提供DC 600 V電源。當一組供電回路故障時，可自動切除該回路，由剩余回路向列車供電。列供配電柜控制LGU啟停，同時管理和監(jiān)視列供供電功率單元的輸出電壓、電流、電能等工作狀態(tài)，實現(xiàn)對全車列供系統(tǒng)電能進行管理并與機車通訊，系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖4 ECN以太網(wǎng)拓撲

圖5 列車供電系統(tǒng)原理圖

每個列車供電功率單元(LGU)額定輸出200 kW，兩個供電單元并聯(lián)輸出達到400 kW，當任意一路列供發(fā)生故障時，列車供電功率單元輸出功率自動升至300 kW，以最大能力確保旅客列車用電。動力車設置有一個列供配電柜(LGM)，用于管理和監(jiān)視機車兩路列供系統(tǒng)。列供配電柜對列供單元輸出電壓、電流、電能進行實時監(jiān)測，根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)下發(fā)的編組模式配置列供輸出接觸器，并對動力車列車供電系統(tǒng)進行啟?？刂啤?/p>

主要技術參數(shù)

額定輸入電壓/V AC 307

額定輸入電流/A 707

額定輸出電壓/V DC 600

額定輸出電流/A 334

最大輸出電流/A 500

冷卻方式 強迫水循環(huán)風冷

4 輔助電源系統(tǒng)冗余

輔助系統(tǒng)主要由輔助變流器、輔助濾波裝置、輔助接觸器及輔助用電設備等組成。輔助變流器由牽引變壓器的輔助繞組供電，其輸出經(jīng)集成在牽引變流柜內(nèi)的輔助濾波裝置后向3AC 380 V輔助用電設備供電，輔機包括冷卻風機組、空氣壓縮機組、油泵、水泵、空調、蓄電池充電器等。

動力車向蓄電池充電器PSU提供3 AC 380 V交流電源。如圖6所示，當輸入電源達到輸入電壓范圍時，蓄電池充電器自動啟動，將三相交流輸入轉換為直流輸出，既為蓄電池充電也為機車控制負載供電；當輸入電源中斷再啟動時，裝置應能自動正常再啟動。蓄電池充電器PSU電源裝置采用冗余設計，設置4個電源模塊，每個電源模塊容量4.4 kW，總容量不低于17.6 kW，當一電源模塊發(fā)生故障時，其余3個電源模塊容量不小于13.2 kW,仍可長時間維持動力車低壓用電。

圖6 蓄電池充電器電氣原理圖

每臺動力車包含兩套輔助電源設備(輔助變流器和輔助濾波裝置)，分別位于兩個牽引變流柜內(nèi)。一組工作在變壓變頻(VVVF)模式，另一組工作在恒壓恒頻(CVCF)模式。兩組輔助變流器互為備份，當某一組發(fā)生故障時，不需要切除任何輔助負載，另一組可以承擔機車全部的輔助負載，此時輔助變流器工作在CVCF模式。輔助變流器的故障轉換控制由機車微機控制系統(tǒng)(TCMS)自動完成。

5 結束語

CR200J-3型動車組編組靈活，舒適度好，既適用于既有線提速，又可跨線運行，特別適合于我國鐵路跨地域、長交路的運營模式。動力車采用系統(tǒng)級冗余、線路級冗余及設備級冗余，極大的提高了整車的容錯率及可用性，提高了整列編組的運行能力，降低了運營及售后成本。突破性的采用了雙主斷冗余及雙網(wǎng)冗余方案，代表了當前動車組動力車電氣冗余設計的發(fā)展趨勢，為后續(xù)機車相關設計提供了借鑒。