CN109638809A - 一种长编组列车低压直流扩展供电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种长编组列车低压直流扩展供电系统，包含供电电路、中央控制单元、执行机构、显示器，中央控制单元收集并监视列车状态，通过软件运算发布控制指令、车辆状态信息、引导司机操作信息；中央控制单元输出的直流扩展供电指令，通过总线发送给可编程器件DO，DO将该指令作为触发条件，控制内部触点动作，当故障工况下，前后半列车低压供电故障，采用直流扩展供电方式，将正常半列车供电电源扩展至故障半列车，可满足整列车基本运转需求，维持列车继续运行，控制方法可靠稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种动车组扩展供电技术，尤其是涉及一种基于列车总线系统TCMS的长编组列车低压直流扩展供电系统及方法。
背景技术
中国高速铁路的建设和发展，给高速动车组列车提出了更高要求。长编组高速动车组提供了安全可靠、高速度以及大运量的运力保障。如图1所示，当前典型的长编组列车由前后半列车组成共有16编组，前半列车为8编组，后半列车也是8编组，每个8编组列车内部有4个辅助供电系统，4个辅助供电系统并联为8编组内交流380V母线供电，前后半列车的交流母线并不贯通，半列车内部交流母线上带2个充电机负载，充电机接受交流母线上的3相交流电，将交流电转化为低压直流110V电源，为半列车内部直流负载供电，同时为蓄电池充电。充电机为3路直流母线供电，分别为BN1、BN2和BD，其中BN1和BN2为直流非永久母线受司机开关操作控制，BD为直流永久母线只要蓄电池不亏电将一直处于有电状态。
典型长编组列车前后半列内部低压直流母线同样独立控制，整车低压直流母线也没有实现贯通，继承原8编组列车直流供电以及负载管理的控制方法，软件易于实现同时保持了前/后半列车内部控制的灵活性和独立性。
然而长编组列车运行过程中，由中压供电系统故障或充电机故障，导致前后半列车（8编组）内部低压供电故障，将影响列车正常运营。故障半列车内部低压直流控制器不能正常工作，半列车的内部低压控制电路无法持续正常运行，蓄电池存在亏电的风险，列车无法维持正常运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：当长编组列车前后半列车8编组内部无法正常提供低压直流电时，为保障车辆基本运行需求，将正常8编组列车的低压直流电扩展到故障半列车。
为解决上述技术问题，本发明提供一种长编组列车低压直流扩展供电系统，其特征在于包含：
1、供电电路：用于将蓄电池的直流电通过空开和可编程控制硬件DO，作用到执行机构上，为执行机构的动作提供电能；
2、中央控制单元：收集并监视列车状态，通过软件运算发布控制指令、车辆状态信息、引导司机操作信息；中央控制单元输出的直流扩展供电指令，通过总线发送给可编程器件DO，DO将该指令作为触发条件，控制内部触点动作，包括：
（1）采集模块，用于周期性实时采集列车状态数据，包括高压供电状态、中压供电状态、低压供电状态；
（2）运算模块，根据采集模块的输出列车状态，判断半列车是否供电异常需扩展供电，另外半列车是否具备扩展供电能力；同时综合评价列车状态提供状态提示和司机操作引导信息，其包括：
（2.1）计数模块，根据采集模块输入的列车状态，统计前/后半列车内部充电机可用率；
（2.2）比较模块，用于判断前/后半列车内部充电机可用率是否低于50%或者高于75%，可用率低于50%说明该半列供电异常需要扩展供电，高于75%说明该半列正常供电且具备扩展能力；
（2.3）延时输出模块，比较模块判断的所有结果均满足条件后，得到预输出信号，预输出信号经过5s延时后输出低压直流扩展供电允许信号；
（3）人机交互模块，从延时模块获取低压直流扩展供电允许信号后，根据高压供电状态决定司机引导操作信息；
（4）更新模块，用于将延时输出模块以及人机交互模块输出的指令或状态更新在总线上，可编程DO器件和硬件显示器从总线上收到数据后，调整DO内部触点状态并实时更新显示和引导信息；
3、执行机构：包括三个断路器，用于将蓄电池的电能作用到继电器线圈上，使对应的直流母线处于贯通状态，列车进入低压扩展供电模式；
4、显示器：用于显示列车供电状态，通过触屏发布控制命令。
本发明的第二个目的是提供一种长编组列车低压直流扩展供电方法：其特征在于包括下列步骤：
1、周期性实时采集列车状态数据，调用该模块获取高压供电状态，充电机可用状态，蓄电池可用状态，蓄电池电压和电量，低压器件空开和继电器状态；
2、计算前/后半列车内部充电机可用率，判断前/后半列车内部充电机可用率是否低于50%或者高于75%；
当前/后半列车独立工作时，直流母线未贯通，当半列车内部可用率高于75%，说明该半列正常供电且具备扩展能力；当半列车内部可用率低于50%，说明该半列供电异常需要扩展供电；
将蓄电池电量和电压与设置好的门槛值比较，判断是否低于预设门槛值；
将当前蓄电池电量和电压与上一采集周期数值对比，判断蓄电池电量和电压是否持续降低，如当前电量电压数值小于前一采集周期数值，表明车辆负载正在消耗蓄电池电能，电量电压正在继续降低；
3、经过以上三步判断后，判断结果取“与”逻辑得到预输出信号，预输出信号经过延时模块后输出运算结果“直流扩展供电允许”，延时输出的意义在于预输出信号需要持续5s以上保持有效才能正常输出，避免预输出信号抖动造成的最终输出信号不稳定；
4、直流扩展供电允许信号有效后，该信号通过总线发送到显示模块，列车显示器提示司机断开高压电后切除故障半列车的充电机，同时可以显示充电机各种工作状态，执行机构工作状态，直流扩展供电模式成功提示；
5、更新总线上的DO控制命令，当全列车高压电断开，故障半列车充电机切除后，更新发给DO的控制命令，该控制命令由0变为1，并在总线上实时更新。DO硬件设备收到该控制命令变化后，控制硬件DO触点闭合；
重新投入高压电后，正常半列车的充电机为全列车直流负载供电，故障半列车充电机切除，硬件DO触点保持闭合，全列车低压直流母线闭合直流低压扩展供电成功。
通过应用本发明，长编组高速动车组正常运行工况下，前后半列车低压电独立控制，保持了既有动车组前后半列车独立供电特点。当故障工况下，前后半列车低压供电故障，采用直流扩展供电方式，将正常半列车供电电源扩展至故障半列车，可满足整列车基本运转需求，维持列车继续运行。
附图说明
图1是长编组低压供电总体架构图；
图2是本发明系统组成框图；
图3是本发明流程图。
具体实施方式
参照图2，供电电路：包括蓄电池、供电空开F29、F30和F31，蓄电池BD永久母线为空开F29、F30、F31提供低压直流电，只要蓄电池未亏电，则上述三个空开一直可以为负载电路提供直流控制电。蓄电池的直流电通过空开和可编程控制硬件DO，作用到执行机构上Q29、Q30、Q31对应线圈上，为执行机构的动作提供电能。
2、中央处理单元包括：
（2.1）采集模块：周期性实时采集列车状态数据，调用该模块获取高压供电状态，充电机可用状态，蓄电池可用状态，蓄电池电压和电量，低压器件状态如空开和继电器状态。
（2.2）运算模块：该模块又分为计数模块、比较模块和延时输出模块。
（2.2.1）计数模块：计算前/后半列车内部充电机可用率。前/后半列车内部有两台充电机设备，单台充电机设备内部又包含两个冗余独立的模块，因此前/后半列车内部具有四个充电机模块，其中如低于两个模块可用表明半列车内部充电机可用率不足50%，充电机可用率不足50%的半列车将由蓄电池提供电能，导致蓄电池电量和电压持续降低。
（2.2.2）比较模块：其一，判断前/后半列车内部充电机可用率是否低于50%或者高于75%。
当前/后半列车独立工作时，直流母线未贯通，当半列车内部可用率高于75%（不含75%）说明该半列正常供电且具备扩展能力；当半列车内部可用率低于50%（不含50%）说明该半列供电异常需要扩展供电。
其二，将蓄电池电量和电压与设置好的门槛值比较，判断是否低于预设门槛值。
其三，将当前蓄电池电量和电压与上一采集周期数值对比，判断蓄电池电量和电压是否持续降低。如当前电量电压数值小于前一采集周期数值，表明车辆负载正在消耗蓄电池电能，电量电压正在继续降低。
（2.2.3）延时输出模块：经过比较模块以上三步判断后，判断结果取“与”逻辑得到预输出信号，预输出信号经过延时模块后（延时时间5s可调整）输出运算结果。（备注：延时输出的意义在于预输出信号需要持续5s以上保持有效才能正常输出，避免预输出信号抖动造成的最终输出信号不稳定。）
运算结果为布尔变量1，表明直流扩展供电允许：故障半列车内部充电机可用率不足，蓄电池电量消耗严重并且正在持续消耗，该车低压直流电不能满足直流负载需求需进行扩展供电，同时正常半列车充电机可用率满足扩展供电功率要求。
（2.3）人机交互模块：直流扩展供电允许信号有效后，人机交互模块根据当前高压供电状态输出引导信息：首先切断高压电信息，其次切断故障半列车所有充电机。同时监视充电机各种工作状态（不可用、切除、正常），执行机构Q29、Q30、Q31工作状态（闭合、断开），直流扩展供电模式成功等状态。
（2.4）更新模块：将延时输出模块输出的DO控制指令和人机交互模块输出的车辆状态更新到车辆总线上。
当全列车高压电断开，故障半列车充电机切除后，发布DO控制命令，该控制命令由0变为1，并在总线上实时更新。DO硬件设备收到该控制指令有效后，控制硬件DO内部触点闭合。
重新投入高压电后，正常半列车的充电机为全列车直流负载供电，故障半列车充电机切除，硬件DO触点保持闭合，全列车低压直流母线贯通直流低压扩展供电成功。
3、执行机构：执行机构包括断路器Q29、Q30和Q31，以上断路器均由线圈和触点构成。当某个断路器线圈得电时其所有常开触点闭合，失电时所有常开触点断开。通过控制线圈的得电和失电状态，可控制前后半列车直流母线BN1、BN2、BD是否处于贯通状态，如处于贯通状态表明列车已进入低压扩展供电模式。
4、显示器：列车网络显示器，主要作用是显示列车状态，允许司机通过触屏发布控制命令（如通过显示器切除充电机）。
参照图3，本发明控制方法包括如下步骤：
1、周期性实时采集列车状态数据，调用该模块获取高压供电状态，充电机可用状态，蓄电池可用状态，蓄电池电压和电量，低压器件状态如空开和继电器状态；
2、计算前/后半列车内部充电机可用率，前/后半列车内部有两台充电机设备，单台充电机设备内部又包含两个冗余独立的模块，因此前/后半列车内部具有四个充电机模块，其中如低于两个模块可用表明半列车内部充电机可用率不足50%，充电机可用率不足50%的半列车将由蓄电池提供电能，导致蓄电池电量和电压持续降低；
其一，判断前/后半列车内部充电机可用率是否低于50%或者高于75%；
当前/后半列车独立工作时，直流母线未贯通，当半列车内部可用率高于75%（不含75%）说明该半列正常供电且具备扩展能力；当半列车内部可用率低于50%（不含50%）说明该半列供电异常需要扩展供电；
其二，将蓄电池电量和电压与设置好的门槛值比较，判断是否低于预设门槛值；
其三，将当前蓄电池电量和电压与上一采集周期数值对比，判断蓄电池电量和电压是否持续降低。如当前电量电压数值小于前一采集周期数值，表明车辆负载正在消耗蓄电池电能，电量电压正在继续降低；
3、经步骤2三步比较判断后，判断结果取“与”逻辑得到预输出信号，预输出信号经过延时模块后（延时时间5s可调整）输出运算结果，延时输出的意义在于预输出信号需要持续5s以上保持有效才能正常输出，避免预输出信号抖动造成的最终输出信号不稳定；
运算结果为布尔变量1，表明直流扩展供电允许：故障半列车内部充电机可用率不足，蓄电池电量消耗严重并且正在持续消耗，该车低压直流电不能满足直流负载需求需进行扩展供电，同时正常半列车充电机可用率满足扩展供电功率要求；
4、直流扩展供电允许信号有效后，该信号通过总线发送到显示模块，列车显示器提示司机断开高压电后切除故障半列车的充电机。同时可以显示充电机各种工作状态（故障、切除、正常），执行机构Q29、Q30、Q31工作状态（闭合、断开），直流扩展供电模式成功提示等；
5、更新总线上的DO控制命令，当全列车高压电断开，故障半列车充电机切除后，发布DO控制命令，该控制命令由0变为1，并在总线上实时更新。DO硬件设备收到该控制指令有效后，控制硬件DO内部触点闭合。
重新投入高压电后，正常半列车的充电机为全列车直流负载供电，故障半列车充电机切除，硬件DO触点保持闭合，全列车低压直流母线闭合直流低压扩展供电成功。
Claims (3)
1.一种长编组列车低压直流扩展供电系统，其特征在于包含：
供电电路，用于将蓄电池的直流电通过空开和可编程控制硬件DO，作用到执行机构上，为执行机构的动作提供电能；
中央控制单元，收集并监视列车状态，通过软件运算发布控制指令、车辆状态信息、引导司机操作信息；中央控制单元输出的直流扩展供电指令，通过总线发送给可编程器件DO，DO将该指令作为触发条件，控制内部触点动作，其中，中央控制单元包括采集模块、运算模块、人机交互模块、更新模块：
采集模块，用于周期性实时采集列车状态数据，包括高压供电状态、中压供电状态、低压供电状态；
运算模块，根据采集模块的输出列车状态，判断半列车是否供电异常需扩展供电，另外半列车是否具备扩展供电能力；同时综合评价列车状态提供状态提示和司机操作引导信息；
人机交互模块，从延时模块获取低压直流扩展供电允许信号后，根据高压供电状态决定司机引导操作信息；
更新模块，用于将延时输出模块以及人机交互模块输出的指令或状态更新在总线上，可编程DO器件和硬件显示器从总线上收到数据后，调整DO内部触点状态并实时更新显示和引导信息；
执行机构：包括三个断路器，用于将蓄电池的电能作用到继电器线圈上，使对应的直流母线处于贯通状态，列车进入低压扩展供电模式；
显示器：用于显示列车供电状态，通过触屏发布控制命令。
2.根据权利要求1所述的一种长编组列车低压直流扩展供电系统，其特征在于：所述的运算模块包括：
计数模块，根据采集模块输入的列车状态，统计前/后半列车内部充电机可用率；
比较模块，用于判断前/后半列车内部充电机可用率是否低于50%或者高于75%，可用率低于50%说明该半列供电异常需要扩展供电，高于75%说明该半列正常供电且具备扩展能力；
延时输出模块，比较模块判断的所有结果均满足条件后，得到预输出信号，预输出信号经过5s延时后输出低压直流扩展供电允许信号。
3.一种长编组列车低压直流扩展供电方法，其特征在于包括下列步骤：
1）周期性实时采集列车状态数据，调用该模块获取高压供电状态，充电机可用状态，蓄电池可用状态，蓄电池电压和电量，低压器件空开和继电器状态；
2）计算前/后半列车内部充电机可用率，判断前/后半列车内部充电机可用率是否低于50%或者高于75%；
当前/后半列车独立工作时，直流母线未贯通，当半列车内部可用率高于75%，说明该半列正常供电且具备扩展能力；当半列车内部可用率低于50%，说明该半列供电异常需要扩展供电；
将蓄电池电量和电压与设置好的门槛值比较，判断是否低于预设门槛值；
将当前蓄电池电量和电压与上一采集周期数值对比，判断蓄电池电量和电压是否持续降低，如当前电量电压数值小于前一采集周期数值，表明车辆负载正在消耗蓄电池电能，电量电压正在继续降低；
3）经过以上三步判断后，判断结果取“与”逻辑得到预输出信号，预输出信号经过延时模块后输出运算结果“直流扩展供电允许”，延时输出的意义在于预输出信号需要持续5s以上保持有效才能正常输出，避免预输出信号抖动造成的最终输出信号不稳定；
4）直流扩展供电允许信号有效后，该信号通过总线发送到显示模块，列车显示器提示司机断开高压电后切除故障半列车的充电机，同时可以显示充电机各种工作状态，执行机构工作状态，直流扩展供电模式成功提示；
5）更新总线上的DO控制命令，当全列车高压电断开，故障半列车充电机切除后，更新发给DO的控制命令，该控制命令由0变为1，并在总线上实时更新；DO硬件设备收到该控制命令变化后，控制硬件DO触点闭合。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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