CN108574335A - 一种列车供电的控制系统冗余切换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种列车供电的控制系统冗余切换装置及方法，装置包括第一切换装置和第二切换装置，所述第一切换装置分别与110V电源、A组电源输入端和B组控制信号输出端电连接，所述第二切换装置分别与110V电源、B组电源输入端和A组控制信号输出端电连接；本发明实现列车供电的控制系统自动冗余切换，有效减少因人为因素没有及时切换导致列车供电系统停止工作，进一步提高整个控制系统的可靠性，提升旅客列车的舒适度；在原有控制系统原理上变化较小，方案比较可靠，且系统的成本和体积增加不大。

Description

一种列车供电的控制系统冗余切换装置及方法
技术领域
本发明涉及列车供电技术领域，更具体地，涉及一种列车供电的控制系统冗余切换装置及方法。
背景技术
目前，列车供电系统已在SS8、HXD3C、HXD1D、HXD3D等交直电力机车上大规模使用。以往列车供电供控制系统的切换都是手动切换，如果控制系统发生故障，需要通过司机显示屏提示来告知司机此时需要手动切换，如果司机未及时发现提示，可能会导致切换不及时而影响旅客客车正常供电。
列车供电控制系统半控桥整流调压技术主要以HXD1D、HXD3C、HXD3C等交直电力机车为代表，目前在线运行机车达1500多台。交直型电力机车列车供电控制装置在原理上大同小异，都是1个集中式供电控制系统控制。各种不同的供电控制装置差别仅在于结构、整流器件和接口方面不同。
以目前HXD3C电力机车使用的TPZ30型列车供电装置为例，描述以往交直型电力机车相控整流的列车供电装置的技术方案，其主控制电路原理介绍如下：
供电控制系统给定延时积分环节的预置值与电压反馈信号比较，进行调节器运算得出晶闸管的触发角，通过同步处理与功率放大环节控制晶闸管的触发脉冲模块，经隔离处理控制晶闸管的开通。为提高供电控制系统的可靠性，设置了A/B两组完全相同的控制子系统进行冷备份冗余，某一组故障时由机车司机通过外部转换开关切换到另外一组工作。
图1通过机械转换开关K1转换A/B组的电源，开关的互锁，只允许A/B组控制系统一个得电工作，实现了控制系统的冷备冗余。
以HXD3C电力机车列车供电控制装置为例：
HXD3C电力机车列车供电控制装置安装在HXD3C电力机车列车供电柜上部。机箱内主要安装各类控制插件，各插件间的信号传递采用背板连接。
如图2所示，供电控制装置采用5.08系列、高6U、长60R（R=5.08mm）的定制机箱，上部扩展对外连接插座、转换开关、隔离开关等。机箱内部安装6U标准结构插件，除开关电源插件面板宽度为12R（R=5.08mm）外，其余插件均为4R。
HXD3C电力机车列车供电控制装置采用冷备份冗余，由2组功能完全一致的控制系统组成，其系统结构框图如图3所示。
列车供电柜/客车的DC110V数字量信号从数字入出板输入,经数字入出板的110V/5V电平转换后送入可编程逻辑器件，其再通过背板AMS总线传送给供电控制板实现相关的逻辑控制；
供电控制板采用了DSP+ARM双CPU架构，DSP完成AMS总线管理、AMS总线上各插件的数据交换以及特性、参数保护等控制功能，ARM完成人机接口等功能；板内配置高精度、高速率AD芯片；板内逻辑及外围信号的采集与预处理由FPGA控制管理，将模拟量信号转换为数字信号、从总线获取其他数字量信息给控制软件，然后由控制软件完成控制功能。
供电控制板的对外控制数字开关量通过背板AMS总线送至数字入出板的可编程逻辑器件输出，并经数字入出板完成5V/110V电平转换后输出驱动相关的继电器和接触器。
脉冲分配板根据供电控制板的特性等形成的移相电平转换成晶闸管的顺序触发脉冲信号，经脉冲放大后驱动供电系统的单相半控整流桥。脉冲分配板主要由两部分组成：可编程的逻辑器件及其外围电路、脉冲放大电路。FPGA及其外围电路实现与AMS总线的接口及对同步信号进行滤波、形成与脉冲相关控制信号、同时用编程的方式实现脉冲的形成与分配。
转换控制板是为完成系统冷备份冗余而专门设计的。在系统进行冗余切换时，将外部传感器的电源、脉冲输出等进行相应切换。另外转换控制还完成了部分模拟信号（传感器类）的I/U转换等功能
通过研究HXD3C电力机车使用的TPZ30型列车供电装置的技术方案，可发现现有技术方案存在以下缺点：
（1）原控制装置如果出现故障并且显示屏上未提示故障信息，司机可能不会正常倒组，此时列供将因控制系统故障停止工作，影响了旅客列车的正常供电，严重时可能引起“路风事件”。
（2）由于控制系统是冷备冗余，可能导致会长期使用一组装置，导致A/B组电子元器件的老化不一，降低整个控制系统的可靠性。
（3）控制系统如果出现严重的故障，司机需要进到机械间对控制系统手动复位，如果机车为单司机操作，司机需脱离操作台，这将会严重影响机车运用安全。
（4）控制系统存在故障率，随时都可能因控制系统故障需要倒组切换，由于系统的启动时间，倒组切换之间可能会停止供电输出2-5分钟左右，这样也会影响旅客列车的供电效果。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
本发明的首要目的是提供一种列车供电的控制系统冗余切换装置，实现列供控制系统自动冗余切换，有效减少因人为因素没有及时切换导致列车供电控制系统停止工作，进一步提高整个控制系统的可靠性，提升旅客列车的舒适度。
本发明的进一步目的是供一种列车供电的控制系统冗余切换方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种列车供电的控制系统冗余切换装置，用于实现A组列供控制系统和B组列供控制系统的切换，A组列供控制系统和B组列供控制系统用于列车供电的主控系统，A组列供控制系统和B组列供控制系统不同时工作， A组列供控制系统包括A组电源输入端和A组控制信号输出端，B组列供控制系统包括A组电源输入端和B组控制信号输出端，所述冗余切换装置包括第一切换装置和第二切换装置，所述第一切换装置分别与110V电源、A组电源输入端和B组控制信号输出端电连接，所述第二切换装置分别与110V电源、B组电源输入端和A组控制信号输出端电连接；
当A组列供控制系统工作时，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开；
当B组列供控制系统工作时，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到第一切换装置，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端断开。
在一种优选的方案中，所述第一切换装置和第二切换装置为常闭触点的电力电子开关元器件。
在一种优选的方案中，所述第一切换装置和第二切换装置为常闭触点的继电器或接触器。
一种列车供电的控制系统冗余切换方法，基于所述的列车供电的控制系统冗余切换装置，包括以下步骤：
S1：当A组列供控制系统工作时，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开；
S2：从A组列供控制系统切换到B组列供控制系统时，A组控制信号输出端输出为0，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到第一切换装置，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端断开；
S3：从B组列供控制系统切换到A组列供控制系统时，B组控制信号输出端输出为0，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开。
在一种优选的方案中，所述方法还包括：当某组列供控制系统故障后，上报故障至司机显示屏，然后该组列供控制系统自动断电复位3次，如故障仍未消除，则自动将切换至另外一组列供控制系统，此时显示屏提示需要售后服务人员检修该列供控制系统。
在一种优选的方案中，所述方法包括手动切换和自动切换两种模式，司机通过显示屏选择手动切换模式或自动切换模式。列供控制系统可实现远程自动复位、自动切换A/B组等，实现了全自动化控制。
在一种优选的方案中，所述方法包括：在手动切换模式时，司机通过显示屏进行人工远程切换或复位。
在一种优选的方案中，所述方法包括：在自动切换模式时，A组列供控制系统和B组列供控制系统根据外部条件交替使用，实现A/B组平均工作，如根据日期奇偶数来决定使用A/B组，奇数日期使用A组，偶数日期使用B组，实现A/B组平均工作，从而达到延长列供控制系统插件使用寿命的目的，并尽量规避单一控制系统故障对整个系统造成的恶劣影响。
在一种优选的方案中，所述方法包括：在某些高可靠性特殊的场合，A组列供控制系统和B组列供控制系统采用热备冗余，A组列供控制系统先获得整个系统的控制权，B组列供控制系统监控，如果A组列供控制系统出现故障，B组列供控制系统接管控制权，对整个系统进行逻辑处理控制，实现自动切换，从而实现整个列供系统供电的无间断输出。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种列车供电的控制系统冗余切换装置，包括第一切换装置和第二切换装置，所述第一切换装置分别与110V电源、A组电源输入端和B组控制信号输出端电连接，所述第二切换装置分别与110V电源、B组电源输入端和A组控制信号输出端电连接；当A组列供控制系统工作时，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开；当B组列供控制系统工作时，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到第一切换装置，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端断开。
本发明实现列车供电的控制系统自动冗余切换，有效减少因人为因素没有及时切换导致列车供电系统停止工作，进一步提高整个控制系统的可靠性，提升旅客列车的舒适度；在原有控制系统原理上变化较小，方案比较可靠，且系统的成本和体积增加不大。
本发明还提供一种列车供电的控制系统冗余切换方法，利用上述装置实现列车供电的控制系统冗余切换。
附图说明
图1为现有控制系统冗余切换装置A/B组转换原理图。
图2为现有HXD3C电力机车列车供电控制装置结构图。
图3为现有HXD3C电力机车列车供电控制装置系统结构图。
图4为实施例1列车供电的控制系统冗余切换装置结构图。
图5为列车供电的控制系统冗余切换方法的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图4所示，一种列车供电的控制系统冗余切换装置，用于实现A组列供控制系统和B组列供控制系统的切换，A组列供控制系统和B组列供控制系统用于列车供电的主控系统，A组列供控制系统和B组列供控制系统不同时工作， A组列供控制系统包括A组电源输入端和A组控制信号输出端，B组列供控制系统包括A组电源输入端和B组控制信号输出端，所述冗余切换装置包括第一切换装置和第二切换装置，所述第一切换装置分别与110V电源、A组电源输入端和B组控制信号输出端电连接，所述第二切换装置分别与110V电源、B组电源输入端和A组控制信号输出端电连接；
当A组列供控制系统工作时，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开；
当B组列供控制系统工作时，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到第一切换装置，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端断开。
在具体实施过程中，所述第一切换装置和第二切换装置为常闭触点的继电器，分别记为KM1和KM2。当A组列供控制系统工作时，KM1通过常闭触点将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到KM2，KM2得电动作将110V电源与B组电源输入端断开；从A组列供控制系统切换到B组列供控制系统时，A组控制信号输出端输出为0，KM2失电并通过常闭触点将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到KM1，KM1得电动作将110V电源与A组电源输入端断开；从B组列供控制系统切换到A组列供控制系统时，B组控制信号输出端输出为0，KM1失电并通过常闭触点将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到KM2，KM2得电动作将110V电源与B组电源输入端断开。
本实施例提供一种列车供电的控制系统冗余切换装置，实现列车供电的控制系统自动冗余切换，有效减少因人为因素没有及时切换导致列车供电系统停止工作，进一步提高整个控制系统的可靠性，提升旅客列车的舒适度；在原有控制系统原理上变化较小，方案比较可靠，且系统的成本和体积增加不大。
本实施例采用的是用两个外部通过KM1、KM2继电器，通过内部的控制系统自身切换，在实际应用中，也可通过第三方的设备去切换A/B组电源，如外部的网络模块或其它能够接收外部指令信息并能控制继电器的设备。
实施例2
如图5所示，一种列车供电的控制系统冗余切换方法，基于实施例1的列车供电的控制系统冗余切换装置，包括以下步骤：
S1：当A组列供控制系统工作时，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开；
S2：从A组列供控制系统切换到B组列供控制系统时，A组控制信号输出端输出为0，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到第一切换装置，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端断开；
S3：从B组列供控制系统切换到A组列供控制系统时，B组控制信号输出端输出为0，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开。
在具体实施过程中，所述方法还包括：当某组列供控制系统故障后，上报故障至司机显示屏，然后该组列供控制系统自动断电复位3次，如故障仍未消除，则自动将切换至另外一组列供控制系统，此时显示屏提示需要售后服务人员检修该列供控制系统。
在具体实施过程中，所述方法包括手动切换和自动切换两种模式，司机通过显示屏选择手动切换模式或自动切换模式。列供控制系统可实现远程自动复位、自动切换A/B组等，实现了全自动化控制。
在具体实施过程中，所述方法包括：在手动切换模式时，司机通过显示屏进行人工远程切换或复位。
在具体实施过程中，所述方法包括：在自动切换模式时，A组列供控制系统和B组列供控制系统根据外部条件交替使用，实现A/B组平均工作，如根据日期奇偶数来决定使用A/B组，奇数日期使用A组，偶数日期使用B组，实现A/B组平均工作，从而达到延长列供控制系统插件使用寿命的目的，并尽量规避单一控制系统故障对整个系统造成的恶劣影响。
在具体实施过程中，所述方法包括：在某些高可靠性特殊的场合，A组列供控制系统和B组列供控制系统采用热备冗余，A组列供控制系统先获得整个系统的控制权，B组列供控制系统监控，如果A组列供控制系统出现故障，B组列供控制系统接管控制权，对整个系统进行逻辑处理控制，实现自动切换，从而实现整个列供系统供电的无间断输出。
本实施例提供一种列车供电的控制系统冗余切换方法，利用实施例1的装置实现列车供电的控制系统冗余切换。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种列车供电的控制系统冗余切换装置，用于实现A组列供控制系统和B组列供控制系统的切换，A组列供控制系统和B组列供控制系统用于列车供电的主控系统，A组列供控制系统和B组列供控制系统不同时工作，其特征在于，A组列供控制系统包括A组电源输入端和A组控制信号输出端，B组列供控制系统包括A组电源输入端和B组控制信号输出端，所述冗余切换装置包括第一切换装置和第二切换装置，所述第一切换装置分别与110V电源、A组电源输入端和B组控制信号输出端电连接，所述第二切换装置分别与110V电源、B组电源输入端和A组控制信号输出端电连接；
当A组列供控制系统工作时，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开；
当B组列供控制系统工作时，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到第一切换装置，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端断开。
2.根据权利要求1所述的列车供电的控制系统冗余切换装置，其特征在于，所述第一切换装置和第二切换装置为常闭触点的电力电子开关元器件。
3.根据权利要求1所述的列车供电的控制系统冗余切换装置，其特征在于，所述第一切换装置和第二切换装置为常闭触点的继电器或接触器。
4.一种列车供电的控制系统冗余切换方法，基于权利要求1所述的列车供电的控制系统冗余切换装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：当A组列供控制系统工作时，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开；
S2：从A组列供控制系统切换到B组列供控制系统时，A组控制信号输出端输出为0，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端接通，B组控制信号输出端输出110V信号到第一切换装置，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端断开；
S3：从B组列供控制系统切换到A组列供控制系统时，B组控制信号输出端输出为0，第一切换装置将110V电源与A组电源输入端接通，A组控制信号输出端输出110V信号到第二切换装置，第二切换装置将110V电源与B组电源输入端断开。
5.根据权利要求4所述的列车供电的控制系统冗余切换方法，其特征在于，所述方法还包括：当某组列供控制系统故障后，上报故障至司机显示屏，然后该组列供控制系统自动断电复位3次，如故障仍未消除，则自动将切换至另外一组列供控制系统，此时显示屏提示需要售后服务人员检修该列供控制系统。
6.根据权利要求5所述的列车供电的控制系统冗余切换方法，其特征在于，所述方法包括手动切换和自动切换两种模式，司机通过显示屏选择手动切换模式或自动切换模式。
7.根据权利要求6所述的列车供电的控制系统冗余切换方法，其特征在于，所述方法包括：在手动切换模式时，司机通过显示屏进行人工远程切换或复位。
8.根据权利要求6所述的列车供电的控制系统冗余切换方法，其特征在于，所述方法包括：在自动切换模式时，A组列供控制系统和B组列供控制系统根据外部条件平均交替使用。
9.根据权利要求4所述的列车供电的控制系统冗余切换方法，其特征在于，所述方法包括： A组列供控制系统和B组列供控制系统采用热备冗余，A组列供控制系统先获得整个系统的控制权，B组列供控制系统监控，如果A组列供控制系统出现故障，B组列供控制系统接管控制权，对整个系统进行逻辑处理控制。
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