高速动车组新型高压信号采集装置的开发

刘金柱，张亚伟，蒋涛，张言伟

(1.中国北车集团 长春轨道客车股份有限公司 技术中心，吉林 长春 130062;2.中国北车集团 青岛四方车辆研究所有限公司 电气事业部，山东 青岛 266031;3.济南铁路局 供电段，山东 济南 250001)*

0 引言

随着近年来国人对出行需求的不断提高，高速电动车组这一节能、快捷、舒适的交通运输工具越来越受到人们的青睐.每一列高速动车组的投入运营，不但输送了大量的客流，同时也拉动了高铁沿线省市地区的经济发展.从运营时速200 km的动车组到时速300 km的动车组，再到我国新研制的运营时速达到350 km等级的动车组，我国高速电动车组的设计、制造技术得到了迅猛发展.为保障高速动车组运营的安全，必须对列车高电压、高电流等信号进行采集，通过对这些信号的监视来保证动车组高压系统部件处于正常工作状态，使列车安全和旅客人身安全得到保护.对于高速动车组上的高压电压电流信号采集技术来说，实现采集的方法有多种，国际知名的轨道交通领头企业诸如阿尔斯通、西门子、庞巴迪、川崎重工等所采用的方法也不尽相同，并都已形成了自己特有的高压信号采集技术.随着我国动车组技术革新的深入，技术引进带来的技术不兼容限制对技术革新的阻碍影响也越来越大，目前国内尚未形成具有自主知识产权的动车组高压信号采集技术及统一的信号采集接口标准，因而对国外设计、生产的高压信号采集设备还有很强的依赖性，限制了我国动车组的技术升级速度.本文通过对国内现有动车组的高压信号采集技术进行对比分析，研究开发具有自主知识产权和技术特点的新型动车组高压信号采集技术.

1 高压信号采集技术引进现状

图1 动车组高压信号采集示意图

为进行列车保护控制及列车状态显示，高速电动车组一般采集如下几种高压信号:①接触网电压信号HPT;②接触网电流信号CT1;③变压器原边输入电流信号CT2;④变压器原边接地回流电流信号CT3;⑤动车组高压信号采集的基本方式见图1.

目前国内技术引进的动车组使用的高压信号采集技术各不相同，因此通过对高压信号采集而实施的列车高压部件的保护方式也不尽相同，各型动车组高压信号采集的具体对比情况见附表［1］.

附表 各型动车组高压信号采集对比

2 新型高压信号采集装置的结构与功能

2.1 新型高压信号采集装置的结构

由于技术引进的动车组使用的高压信号采集技术各有不同且无法互相兼容，因此开发一种新型的、具有通用性的高压信号采集装置已成为必要，此新型装置既可以对列车需要的高压信号进行采集，又可与任意一种列车网络设备进行接口匹配.对于目前现有网络设备来说，可采集0～15 VDC模拟量信号的模块基本上都是具备的.因此新型高压信号采集装置应具有将高压交流电压、电流信号转换为低压直流0～15 V信号的功能.

根据上述开发目的，开发出了新型高压信号采集装置，即高压信号适配器单元(HVAU)，如图2所示，此装置采用模块化设计，由不同的板卡模块组成.

图2 动车组新型高压信号适配器单元(HVAU)实物图

2.2 新型高压信号采集装置的功能

新型高压信号适配器单元(HVAU)分为如下模块:

电源模块(POWER):此模块为主机电源，实现对高压信号进行采集模块的供电功能.

接触网电压采集输入模块(CVSM)及电压信号处理输出模块(CVPM):此两个模块可将输入的电压模拟量(数值为0～150 Vac)转换为0～15 Vdc的电压模拟量并冗余输出.

接触网电流采集输入模块(CCSM)及电流信号处理输出模块(CCPM):此两个模块可将输入的电流值模拟量(数值为0～10 Aac)转换为0～15 Vdc的电压模拟量并冗余输出.

变压器原边输入电流采集输入模块(TICSM)及电流信号处理输出模块(TICPM):此两模块可将输入的电流值模拟量(数值为0～10 Aac)转换为0～15 Vdc的电压模拟量并冗余输出.

变压器原边回流电流采集输入模块(TOCSM)和电流信号处理输入模块(TOCPM):此两模块可将输入的电流值模拟量(数值为0～10 Aac)转换为0～15 Vdc的电压模拟量并冗余输出.

高压信号适配器单元(HVAU)同时还具有对接触网电流和主变压器输入/输出电流进行过流保护的功能.为了保证电气控制电路工作的可靠性，过流保护功能采用由HVAU和外部硬件过流继电器并行驱动方式进行，见图3，从而可提高系统的可靠性.

图3 HVAU过流保护功能示意图

3 新型高压信号采集装置的原理

新型高压信号适配器单元(HVAU)对电压型/电流型信号采集处理的原理如图4所示.

由于列车对新型高压信号适配器单元(HVAU)的安全等级要求较高，所以在设计中采用了多路采集、相互冗余的设计思路;同时，考虑到设备高可靠性的要求，增加了在线诊断功能.整个设计主要电路包括:双路信号采集、采样电路在线诊断、故障输出、状态显示四个部分.

双路信号采集:将电流型/电压型信号采集电路进行简统设计，只需要更改信号输入端口的采样电阻就可以实现电压型和电流型的转换;由于被采样信号由高压电压/电流转换而来，其信号品质差，一般都带有谐波分量;因此采样电路前级必须进行滤波处理;处理后的信号进入差分运算放大电路，通过运放电路对信号进行必要的调理，使得信号达到可采样的阈值;有效值分析电路主要包括信号的整流电路和积分电路，经过此电路可以实现交流信号到直流信号的转换;通过输出电路将最终的电压信号输出，其输出幅值可以按照信号需求进行配置，为了保证输出端口的可靠性，进行了输出短路和过流保护;通过两路ADC采集电路，对两路转换后的信号进行实时监控，同时控制输出选择器切换输出［2］.

采样电路在线诊断:系统正常运行时，FPGA通过双路ADC电路对两路采集信号进行实时监控;当系统发生故障时，在断开高压的情况下，可以通过系统自检请求按键，进行系统自诊断.自诊断原理为:FPGA通过DAC转换，给定一个参考信号，经过差分放大电路、有效值分析电路、ADC采样电路，再将此给定进行采样，通过比较给定值与采样值来判定系统双路采集电路能否正常工作.

图4 电压型/电流型高压信号采集处理原理框图

过流检查:该系统可以通过上位机设置过流检测值，设定后的过流检测值通过DAC转换，输出一个比较阈值，当输入信号超过此阈值时，FPGA进行逻辑判断，为了防止系统误动作，需要在硬件电路和软件中增加延时判断功能，故障确认后切除输出通道，同时将该过流故障通过继电器输出.

故障输出:系统发生故障后，通过FPGA控制故障继电器吸合，给出故障信号.

状态显示:系统面板中设置有系统状态显示灯，可以显示电源、自诊断、采集通道状态.

采用上述设计方案的系统拥有如下优点:①系统响应速度快，信号的采集及有效值运算都由高精度的硬件电路实时完成，保证了系统的高速相应;②系统的可靠性，对于信号采样电路通过FPGA实时地在线诊断，确保采样及运算电路的正确可靠运行;③系统具有很大的灵活性，可以容易地扩展功能.可以在一定程度上方便地扩展系统的逻辑控制功能和信号处理功能;④系统维护方便，系统通过软件设计可以在线进行自诊断，并且定位故障位置.诊断结果可以通过LED状态显示;⑤系统设计更改容易，对于接口及保护值在一定范围内的改动，该系统可以在硬件不做任何修改的情况下通过软件升级完成系统的更改要求.

3 结论

新型高压信号适配器单元(HVAU)经过部件型式试验验证后，安装在新一代高速动车组CRH380CL上应用.经过设备装车、功能调试及整车试验的验证，新型高压信号适配器单元达到了设计目标及实际项目需求，并实现了与日立公司列车网络设备的接口.

高速动车组高压信号采集技术只是高铁技术的一小部分，随着我国技术创新的不断深入，高铁技术的方方面面都会进行技术革新，我国将创造出源于自身的设计理念和设计方法，使我国向高铁技术强国不断迈进.

［1］张曙光.中国高速铁路技术丛书 和谐号CRH动车组技术系列［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［2］童诗白.模拟电子技术基础［M］.2版，北京:高等教育出版社，1988.