HXD1型8轴电力机车网络控制逻辑初探

王正君

（太原铁路局 湖东电力机务段技术科，山西大同037300）

HXD1型8轴电力机车网络控制逻辑初探

王正君

（太原铁路局 湖东电力机务段技术科，山西大同037300）

HXD1型8轴电力机车是我国采用当代先进技术精心打造的铁路重载牵引平台，其在机车控制中首次融入了先进的网络技术，引入了现代控制论机车控制理念，实现了交流传动技术的跨越发展。尝试对HXD1型机车关键技术进行深入解读，为我国电力牵引技术的发展作一些有益的探索。

HXD1型；8轴；电力机车；网络控制；逻辑

HXD1型8轴电力机车是我国铁路发展具有深刻变革的划时代产品，它借助当代网络技术、逆变技术、交流传动及现代控制论等的技术优势，在我国第一条重载铁路大秦线运输中日益发挥着越来越重要的作用。由于投入大秦线运输近6年来机车所暴露出的深层次问题渐趋增多，客观需要进行更为深入的维护才能确保机车质量，因此，有必要对HXD1型机车的技术特征进行一次全面、系统地梳理。

根据现场维护机车的实践和多年来对HXD1型机车在实际应用中显现的技术特性的揣摩，参照一些技术资料，尝试对HXD1型机车内在控制要素和规律进行一些深入的解读。力求在消化吸收的基础上，尽快提升我国在电力牵引控制的认知水平，从而为我国铁路技术的快速发展积累必不可少的经验。

1 全域、精准、迅捷的控制关系使网络化控制成为最优化的典范

1.1 涵盖的控制部件区域

在HXD1型机车中，CCU作为网络控制中心，是机车智能化的神经中枢，担负着列车级控制、机车级控制，主要控制机车重联控制；WTB、MVB总线管理；机车控制逻辑的实现；机车牵引、制动特性控制；轴重转移补偿控制；自动过分相控制；空电联合制动控制；通风机转速自动控制；无人警惕控制；自动轮径校正等。

为了达到精细化及减轻主CCU负担的目的，在控制系统内又设置了由TCU担负传动级控制功能，主要监视和控制、调节牵引变流器，同时也参与网压检测及防滑、防空转控制。

进一步看，CCU控制各个部分涉及的控制要素十分丰富。仅受电弓升弓环节，如下达“升弓”命令后，CCU就需要对受电弓是否已升起，可能的升弓模式进行评估，还要验证评估机车是否处于静止状态，风压是否足够等，否则需对辅助压缩机技术状态进行评估后再下达辅助压缩机控制命令，同时，升弓时，涉及升弓环节的所有条件（多达20条）也需要一一经主CCU检测通过后，升弓才可以完成。

而在主断路器控制环节，为了确保主断路器安全闭合和断开，系统设置更为精细，主要含工作模式的选择，功能块检测及配置，主断路器闭合的实时监控，主断路器解锁的验证，主断路器回路的测试及主断路器回路试验6部分，每一部分又设置了相应的技术条件，诸如配置实现的前提，配置实现的逻辑关系，解锁失败的执行等。可以说，只要涉及与主断路器动作有关的安全和技术要求，全部成为主断路器控制的基本要素，从而确保了主断路器动作的安全性和可靠性。

此外，参与机车牵引控制的重要部件如主辅变压器、主辅变流器的技术状态等众多部件的技术状态也纳入了CCU的有效管控之下，而确保机车安全的CCBⅡ制动机、主压缩机等也是CCU掌控的关键所在，其所涉及的支持这些部件正常运用的主要技术状态控制节点均一一位列其中。可以说，除了走行部及车体部分，机车参与控制的几乎所有部件的运用技术状态均汇集成了CCU控制的基本要素，机车控制网络化真正实现了全要素全过程控制的目的。

1.2 精确的全过程跟踪监控

在HXD1型机车的控制体系中，对机车部件的控制和管理贯穿于控制全过程。为了有效控制每一个部件的运用，其所涉及的硬件控制回路以及其必须具备的其他技术条件，需要设置众多能准确反映部件技术特征的关键节点，而机车部件投入运用前这些节点本身以及节点与节点之间的技术准备条件和技术运用状态，由CCU依据经事先科学评估形成的逻辑关系，一一进行对比分析和逻辑判定，并快速作出相应的技术决策，从而实现了对机车控制全过程最为有效的精确控制。

1.3 强大的故障自诊断处置功能

关于HXD1型机车的网络控制系统具有自诊断功能，已有大量的阐述，主要具有自诊断信息可在微机显示器上进行显示。CCU和TCU具有故障诊断和故障储存功能。故障诊断分为司机屏提示、Monitor软件实时诊断、Expert2软件离线分析等方式。诊断数据分故障数据和日志数据，其中诊断数据附带机车运行的环境参数。诊断数据包含代码、发生时间、消失时间、事件简单说明等信息。

HXD1型机车由CCU支撑下的网络对机车控制全过程的监控，主要是服务于机车自诊断功能。适时监控的网络系统，一旦发现非正常信息，就会立即响应，并依据这些信息由CCU（或TCU）进行必要的分析和判断，并迅速给出相应的技术决策，具有十分优异的性能。主要表现①由于部件节点众多，由CCU管理的自诊断系统十分庞大，其监控范围基本与控制范围相对应，机车部件的控制全程均在其监控之下；②诊断响应十分迅速，可在第一时间将诊断信息提供给操纵人员；③自诊断系统对自身也进行了必要的监控；④每一个故障诊断都针对性给出了最佳处理方案。

2 受电弓的逻辑控制关系和主断路器的逻辑控制等

2.1 受电弓升弓环节的逻辑控制

为了确保机车升弓的顺利完成，经专业评估后确定需要遵循的原则：①机车必须处于静止状态；②需要考虑先升非操纵节受电弓，降低由于受电弓刮弓对机车车顶设备损坏的风险，同时减少电磁干扰对操纵人员的影响；③升单节受电弓要求两个高压隔离开关提前处于闭合位（主断路器必须处于“断开位”），升两节受电弓时要求高压隔离开关提前处于断开位（主断路器必须处于“断开位”），而且需要由CCU对高压隔离开关的位置进行评估后符合要求。④如受电弓故障后，需要禁止升该故障受电弓，同时可允许升起另一架受电弓。⑤正常情况下可选择升起操纵节受电弓。⑥发生其他故障后，需要升起两节受电弓。

为了满足上述要求，就需要将两节高压隔离开关位置，两节主断路器位置相互之间按一定的原则（高压隔离开关必须在无电情况下才允许动作；正常情况下，受控主断路器需与两节机车高压隔离开关的开闭位置一致）建立相应的逻辑关系。同时，为了保障受电弓能够按要求升起，还需要对部分必要节点如风压是否高于最低限度，辅助压缩机是否故障等。由CCU按照上述6条基本原则进行关于节点技术状态的评估，形成“或”逻辑关系参与受电弓升弓控制。

此外，如果上述评估中发现部件节点存在非正常情况，由CCU按设定的最优化逻辑关系自动采取进一步的措施。如下达升弓命令后（选择开关在“自动位”），出现初始化错误；或者出现诸如辅助压缩机故障，21－K06并且21－K07故障，21－K06或者21－K07触电粘接（21－K08故障，另一节车主断禁止，蓄电池电压低于77 V超过2 min，另一节要求升双弓，网压低于15 k V以及非操纵节辅助压缩机故障）等信息后，由CCU检测并评估同时做出“升双弓”的选择。

同样，受电弓选择开关在“本务机车位”或“重联位”升弓时，也采取了类似的原理，从而确保机车出现各种非正常情况后，可以由CCU作出判断并进行最优选择。

2.2 受电弓工作环节的逻辑控制

受电弓升起后，其技术状态是否稳定以及对其工作状态的监控，是确保受电弓正常工作的必要前题。为此，需要遵循以下原则：①涉及升弓模式的某一个条件如发生变化，受电弓工作模式必须进行相应的改变。②受电弓升起后20 s后，受电弓工作状态的监控开启；③受电弓如需要降下，必须在主断路器断开0.6 s之后；④升弓电磁阀如不再由SKS3控制，受电弓必须降下；⑤经CCU评估发现受电弓升弓条件（含电路硬件节点及风压监控等相关信息）不满足时，受电弓必须降下；⑥由CCU检测发现网压异常、高压隔离开关卡位及变压器温度或油流异常等较为严重的故障等情况时，受电弓必须降下。

显然，上述6种情况，有些关联机车工作模式，有些关联受电弓本身的质量，有些关联受电弓的正常控制，有些关联机车部件的运用安全，这些因素互为条件，存在直接或间接的关系，经专业评估后形成的逻辑关系，成为CCU“或”逻辑判断的依据，它们都会造成受电弓降下。

2.3 主断路器闭合环节的逻辑控制

由于主断路器是机车的总开关，其闭合与断开存在较大的安全风险，因此其控制逻辑关系更为复杂，主要遵循原则是必须确保引入高压时，满足禁止该主断路器引入高压的任何请求。

为了确保人员及部件的运用安全，在主断路器控制环节，设置了6大控制部分，每一部分都有明确的分工负责范围。关于逻辑关系，主要依据①受电弓选择模式；②高压隔离开关开闭状态；③重联车闭合主断路器命令需延时5 s（延时会在WTB启动时给出的UIC地址触发）。其核心在功能块的设置，在功能块设置中，参与逻辑关系的有4种受电弓升弓模式，6个高压隔离开关状态信息，两个主断路器失效信号，还有两个不允许接入高压的条件，这些因素彼此互为条件，可以交叉延伸出8个输出逻辑信号。

这些逻辑关系输出，又受控于另外一个由“FRG”及“FR1”（FRG比FR1优先级高）相互交叉而成的四个逻辑控制关系，只有CCU判定“FRG＝1”及“FR1＝1”，机车才能够完成配置并将配置检测通过后给出相应的输出。

2.4 “主从”CCU转换环节的逻辑控制

CCU作为机车网络控制的最为重要的枢纽，它工作的稳定性和可靠性是极其重要的，不允许出现系统任何的失误。为了保障系统可靠工作，在HXD1型机车设置了两个可用于控制的CCU。正常工作期间，一个作为“主”CCU处于工作状态，另一个则作为“从”CCU监控“主”CCU的工作状态。

在HXD1型机车中，设置了“主从”CCU转换环节和“从”CCU监控功能，使网络控制系统遵守正常情况下轮流工作或“主”CCU故障后“从”CCU立即接替的原则，从而达到延长系统的应用寿命和确保系统工作可靠性的目的。为实现这一要求，在CCU控制系统中，逻辑关系的设定显示出了高超的技术水准。

2.4.1 “主从”逻辑转换基本条件的选定

实现CCU的“主从”逻辑转换，系统必须满足逻辑判断的基本条件，主要有：①CCU必须具备自身唯一的标志（插头编码），并具备相应的识别功能。②“主从”端口满足双向传输的MVB数据通讯。③“主从”端口的配置列表包括两个“主从”端口，且CCU硬件列表包括每一个将传输的互为条件的输入信号和输出信号。④至少有一个总线管理器，且必须保证MVB的带总线管理器功能的接通器，在CCU启动后“主从”选择启动时准备运用。⑤设置3组在组内互为条件的6个逻辑信号。⑥“主从”端口设置监控（用下降时间）达到适时检测“主从”信号的目的。⑦由“从”转换为“主”之前，“主请求”满足一个最小的时间间隔。“主请求延时”必须至少和其他CCU反应“主请求”所需的最长时间一样长（设计间隔：约5 s，即“主从”端口→MVB循环时间＋中央处理器计算时间）。

2.4.2 “主从”逻辑正常转换必须遵循的基本原则

为了确保“主从”CCU的顺利转换，为两个CCU之间确立一个必要的由双方必须遵守的基本原则是顺利实现转换的前提。①设定两个CCU按顺序轮流成为“主”。即前“从”CCU成为“主”CCU，而前“主”CCU成为“从”CCU。②在每一个CCU重新启动后，必须对每个CCU存储（在电池随机存储器）的自己状态（“主”或“从”）进行评估。评估设定的条件是只有前“从”CCU可以发出一个“主请求”，前“主”CCU不允许发出“主请求”。③一旦前“从”CCU收到“主从”状态“从”且没有来自其他CCU的“主请求”，它发出“主从”状态“主”，且随后转换到“主”配置列表NSDB（前“从”CCU成为“主”CCU）。④在闭合之后初始化的短时间内，即两个CCU都处于“从”CCU期间，因为两个CCU此时都使用相同的“从”配置列表，必须设定不允许任何一个在这段时间内由CCU开始传送MVB处理数据，当两个“从”CCU出现时（例外：“主从”信号数据），如果此时它们仍然提供“源”端口，此信号必须由主处理器取消（否则MVB可能出现冲突）。在“主从”创建完成，“主从”CCU关系确立后，“从”CCU才允许传递处理数据。

2.4.3 非正常情况下的“主从”逻辑转换

为了确保“主从”CCU之间相互转换所遵循基本原则执行的万无一失，一些可能会影响“主从”逻辑转换基本原则执行（故障或擦除电池随机存取存储器，新的中央处理器等）的非正常因素必须考虑在内，为此，系统对“主从”逻辑转换可能出现的非正常情况科学地进行了提炼，并对这些非正常情况按照逻辑推理作了极为详尽的描述。

（1）一些可能导致“主从”CCU转换的故障

如果两个CCU通过MVB连接，可能发生的故障有：①CCU内重要部件故障，如输入、输出接口，中央处理器，电源单元、电压变压器，串联接口（RS232，MSIC，TMC）等。②所有CCU封锁。③分配给CCU的一个重要部件故障（例如网关）。④MVB接通装置故障（MVB32）或总线管理器故障。⑤在两个CCU之间的MVB连接故障（例如插头断开，线断开或短路，重复装置故障等）。

（2）故障情况下“主从”CCU转换的基本类型

由CCU（从CCU）监控的角度分析，所有不同的故障可以归纳为两种情况：①“从”CCU由“主”CCU收到信息指示“主”CCU故障。②“从”CCU不再由“主”CCU接收“主从”信号。在第1种情况，“主从”转换不可避免，条件是“从”CCU功能正常。在第2种情况下，“主”CCU故障的可能性较大而传输过程是否良好，“从”CCU无法做出准确判定。在这种情况下，“主从”转换允许按相应的要求进行，但存在一些错误的或不明智的转换。

（3）故障情况下“主从”CCU转换的规定

第1如果两个CCU可能都“确认”以前它们为“主”或“从”。①如果两个CCU都认为它们以前为“从”，它们都发出“主请求”，当CCU2收到CCU1的“主请求”，它必须取消自己的“主请求”，CCU1因此成为“主”CCU。②如果两个CCU都认为它们以前是“主”（例如MVB连接中断），产生冲突，它们都不发出“主请求”。当CCU1接收到“主从”状态“从”且没有“主请求”后，它必须立即发出“主请求”，然后成为“主”CCU，CCU1因此成为“主”CCU，另一个CCU（系统设定为CCU2）必须马上转变为“从”CCU。

第2如果一个CCU故障（例如I/0部件故障）或如果CCU检测到MVB接通装置故障，它不能发送“主请求”，并因此不能成为“主”CCU。如果该CCU已经成为了“主”CCU，那它必须立即转变成为“从”CCU。

第3如果CCU发现其他CCU已经是“主”，它必须保持为“从”并需取消“主请求”。

第4如果一个状态为“从”的CCU短时间内连续多次发出“主请求”，该“从”CCU可允许在第一时间成为“主”CCU。而此时“主”CCU可检测到另外一个CCU由“从”转到“主”，这样两个CCU都会是“主”CCU，发生冲突。在这种情况下，前“主”CCU必须马上变为“从”CCU（此“从”CCU由“从”到“主”的转换可能仅意味着它没有收到任何“主从”信号，类似于“从”CCU对“主”CCU状态信号不明的情况）。

第5如果两个CCU同时发出“主请求”（在“主请求延时”内），发生冲突。需要通过两个CCU中的一个取消“主请求”来解决，系统设定其中一个（CCU2）CCU优先成为“主”。

第6如果一个CCU在启动后没有由其他CCU收到“主从”信号（在“主从”接收端口有下降时间监控），它可以在“启动等待时间间隔”后成为“主”（其他CCU没有完全启动，因为不同的闭合时间或计算时间，或其他CCU的MVB接通装置故障，或两个CCU之间的MVB连接中断，或其他CCU在再次初始化它的NSDB）。这个间隔必须最少和其他CCU在NSBD转换后，重启传输“主从”信号的最大时间相同（设定“启动等待时间间隔”：约2～3秒）。

第7在CCU（例如CCU1）的“主从”转换期间，系统禁止再发出“主从”信号（直到发生MVB接通装置初始化）。此时其他CCU（CCU2）不允许再接收“主从”信号（“主从”接收端口的下降时间监控），而且CCU2也不允许再发出“主请求”或不能成为“主”。为达到此目的，确保“主从”转换顺利完成，系统设定在“转换等待时间间隔”内，“主从”信号暂时禁止，必须在检测到“主从”转换完成后启动（“主从”状态由“主”改为“从”）。如果在“转换等待时间间隔”后仍然没有收到“主从”信号，应假设其他CCU处于故障状态，“主请求”此时可以继续发出。“转换等待间隔”可以调整为和“启动等待间隔”相同的值（约2～3 s）。

2.5 其他逻辑关系简述

此外，还有上述类似的许多重要逻辑关系的实现，如主压缩机的控制。为了闭合主压缩机，辅助负载控制和制动控制之间的协作是必须的“与”逻辑关系，缺一不可。辅助负载负责管理接触器和自动开关的状态。如果经CCU确认两个都无故障，且提供电源给辅助组超过10 s，压缩机才具备了闭合的条件，同时，一个＂压缩机控制解锁＂信号发送到制动控制系统等。

3 部件运用安全考量下的控制理念

HXD1型机车控制安全保障的理念，集中表现在整车系统及单个控制环节运行安全，以及部件应用质量等3个方面。

3.1 整车系统安全控制

主要以网压检测、高压电流及电压检测、原边电流和回流电流的差值检测等原边高压供电技术状态检测为主，此外，为了确保非正常情况禁止高压接入机车的情况，也设定了一定的安全原则，如单节机车模式禁止闭合高压隔离开关；还有如在WTB没有通讯的情况下，高压隔离开关位置状态不明，设定在重联节机车不允许任何电源操作等。

3.2 重要控制系统的安全控制

在这一环节，以牵引控制单元控制、主断路器闭合安全、CCU及网关技术状态以及机车过分制动限制等为主要内容。

（1）牵引控制单元的安全防护

①为了确保机车网压安全接入机车，避免对主变流器、主逆变器等部件的冲击，机车除设置了必要的硬件防护设施外，对网压高低及网侧参数（例如等效干扰电流、功率因数）等网压品质设置了必要的监控并形成闭环控制。如果网压低于15 k V超过1 s将检测到低网压，高于31 k V超过1 s将检测到高网压，或是主变流器切除后原边无功电流偏大等由CCU检测给出提示信息并断开主断路器。

②为了降低对直流环节的冲击，只有当直流支撑电压达到大于理论最终电压值（牵引绕组的峰值电压）的95%后，输入断路器（由TCU控制）才可以切换至闭合状态；而为了确保牵引控制单元平稳退出工作，只有在无电流的状态下（由TCU检测），该断路器才可以断开。

③为了确保牵引控制单元正常工作，直流支撑回路输入、输出是否过电流；变流器控制单元入口处的水温（TASG＞82℃）、水的储存高度是否符合规定以及是否存在接地也是不可或缺的安全防护因素，否则主断路器必须断开，而受电弓也必须降下。

④为了确保直流支撑环节的安全，a设置了一个软短路放电装置。只要直流支撑环节出现过电压，或单节机车两个直流支撑环节电压相差较大，或直流供电故障以及牵引单元重新启动等，该装置就会由TCU控制接通处于保护状态；b设置了另一个硬电路放电装置。其工作条件则是IGBT出现错误的触发信号，直流支撑环节的DV/DT过高，直流供电故障以及4QC或牵引电机相电流值超出范围等。

⑤为了确保在逆变器内有其他严重故障（如主变流器发生短路）情况下的安全防护，系统将会切除两个转向架的整个牵引力和电制动力（瞬间断开主断路器）。

（2）主断路器动作的时机是系统安全的底线

①系统接入高压电源的限制。HXD1型机车对关于禁止接入控制系统高压可能的情况主要是主变流器冷却故障（含主变流器水位）；无变压器油流检测（油流故障或测量互感器缺陷）；变流器关闭引起的原边无功电流偏大；原边电流与接地电流差大于30 A（多次出现）；产生机车保护动作；主断路器回路自检通道1故障；主断路器回路自检通道2故障；辅助回路输出接触器故障；与SKS3无通讯；高压隔离开关断开故障；受电弓截止塞门关闭；两个TCU都切断；冷却塔故障；主变流器水泵故障；主变流器水压力超出范围（仅在主断路器闭合和辅助逆变器可用之后）；网压过高；布赫继电器报警；系统没有检测到油流信号等。

②故障情况下需要切除高压电源。不论出现多严重的故障，断开主断路器，迅速切断机车供电电源都会成为最终的选择。为了确保主断路器可靠地工作，系统设置了每天至少对主断路器控制环节进行一次检测，从而确保主断路器在发生需要断开故障时，可靠地断开。检测分两个方面，其1是继电器和SKS3输出由关闭TCU控制，如果所有执行主断路器试验的项目都满足，相关的继电器都闭合并验证；其2是用于TCU的KLIP输入的连接首先断开，TCU闭合。此后，开关由CCU控制，进行主断路器试验并可能进行正常的运用。

（3）CCU及网关工作的安全防护

如果CCU或网关发生严重故障，例如显示器不能再次点亮，机车司机必须断开相关CCU的电源。

此外，关于CCU的运用安全，主要已前述CCU监控环节提到的3个主要方面发生非正常情况下自动转入安全状态（主断路器断开等）来进行保护。

（4）CCBⅡ制动机的安全

关于CCBⅡ制动机的安全应用，需要提到的几点：①为了避免机车的过分制动，每当ED制动力被CCU锁定，投入单独制动。如果CCU检测到制动缸压力高于40 k Pa（若由单独制动引起，单独制动及电制动同时消除），电制动将立即切除直到制动缸压力低于20 k Pa。②DP状态牵引工况下，停放制动不明确或施行，均衡风缸、列车管不减压。③停放制动投入或缓解状态通过按钮读入控制系统，若断开蓄电池，则停放制动将自动投入。

（5）其他系统的安全防护

在HXD1型机车中，每一个系统都设置了符合其技术特征的安全控制环节，如为保证库内电源引入机车时相序正确，在每个输入接触器前设置了一个相序继电器，只有当输入的相序正确后输入接触器才能闭合；再如需要作辅助设备（压缩机等）试验或库内动车时，只要两个外部插座之一处于准备状态（在辅助设备试验“3”位），CCU即封锁受电弓，防止受电弓升起危及机车及人员安全。

3.3 部件运用的安全防护

关于部件安全的运用，①对受电弓风压的监控，确保不发生烧网事故。②高压隔离开关设定无电动作，不仅符合其技术特征，避免了其因带电转换造成的烧损，而且确保机车禁止接入了不需要的高压电源。③在某一节升弓并闭合主断路器的情况下，如有新的司机室占用，CCU自动断开主断路器并降下受电弓。所有控制受电弓和主断路器的扳键开关封锁直到这个过程完成。④主压缩机最小运行时间和每小时压缩机启动次数的管控，成为确保风源系统安全继而确保行车安全的必要条件。⑤四象限变流器和脉宽调制（PWM）逆变器模块的过压和过流保护。在直流回路电压大于整定值时，触发软短路器，断开主断路器；如发生短路和其它故障，在达到最大支路电流前自动封锁相关的模块触发脉冲。⑥牵引电机的短路保护。当牵引电机端子或绕组内发生短路时，逆变器脉宽调制的触发脉冲将被封锁。⑦主变压器的安全以监控线圈短路、气体压力、油温及油循环是否正常，甚至单个线圈生命周期的消耗值，也成为考量变压器全寿命周期的一个因素等。

4 精心设定的最优化选择方案，提高机车操纵效率

4.1 一般情况下最优化的选择

关于机车控制最优化的选择，集中表现在以下几个方面。

（1）受电弓工作模式的最优化选择

需要升弓时，按照先自动选择非操纵节受电弓→人为选择非操纵节受电弓→自动选择操纵节受电弓→自动选择双受电弓→自动选择单节受电弓的顺序进行。显然，升弓的最优化控制首先满足一旦发生受电弓刮弓故障容易造成车顶其他部件损坏及同时最大限度减少对人员电磁干扰的原则；其次出现自动选择故障时，可采取人为选择的方法；再次，出现高压隔离开关卡位等可保留最大牵引力（双节分别升弓）；此外，即使单节机车故障，也可以保留一节可以维持控制。

（2）辅助电机频率变化的最优化选择

为了满足逆变器部件（水循环）的温度、变压器和牵引电机等部件的散热需求，为这些部件散热的通风机设置为变频控制，由此根据季节要求或机车实际运行状态对输出频率进行必要的调节。变频控制分为牵引状态和非牵引状态，不同的电机工作频率对照相应的温度，频率输出与温度各自呈线性增加的关系，即温度增加控制频率相应加快，反之相应下降，从而满足了部件散热的不同需求，使部件工作在一个相对较为理想的环境。

（3）接触网供电技术状态的最优化选择

机车运行中，接触网电的技术状态是机车能否正常工作的前提，因此，对其技术状态进行必要的监控并针对不同网压采取相应的措施是十分必要的。例如对接触网网压的监控分几个不同的步骤，首先，网压偏高＞31.5 k V不超出40 s，系统产生禁止高压的保护动作，主断路器直接断开，并可以重新闭合；其次，网压偏高＞31.5 k V超过40 s，系统产生禁止高压的保护动作，需等待20 s后主断路器方可重新控制；再次，网压偏高＞31.5 k V短时间内连续超过3次时，系统产生禁止高压的保护动作，并维持60 min后，主断路器才可以再次接入高压。

（4）主变压器技术状态的最优化选择

主变压器是机车的核心部件，由于其工作在高压状态，对绝缘等级要求较高，而且其线圈浸在油脂中，也是火灾甚至爆炸的重大质量隐患。因此，对主变压器技术状态的监控以及正确应对可能发生的多种非正常情况所采取的措施是必要的手段。对主变压器的监管，主要是通过对油温（冷却泵）作为监控的主要的技术特征。为最大限度地发挥主变压器的功能，实现最优化管理，在牵引控制单元内主要设置有3类应对措施，①80℃＜油温＜85℃，牵引功率在0%～30%间线性降低；②85℃≤油温＜95℃，为此变压器供电的主逆变电路牵引封锁；③油温≤－40℃或油温≥95℃，主断路器必须断开并锁定，以此确保变压器的安全。

其他类似如发生机车空转后的轴重转移，辅助逆变器由是否存在库内电源、接触器及逆变器状态3个因素决定的配置等也是最优化控制的突出表现。

4.2 故障情况下机车的最优化选择

（1）故障情况下受电弓升弓模式的最优化选择

关于受电弓控制环节故障情况下最优化选择，在升弓模式的4种选择方式中，前面已提到按优先选择的顺序人为根据实际需要进行选择，然而在故障情况下的选择虽仍然是4种模式的选择，但在这种情况下，则主要是根据机车实际存在的故障由CCU自动进行选择，其选择也不再局限于前述最优化顺序，4种选择模式没有优劣之分，而是对故障情况经分析判断后做出目前状况下最佳的选择。

（2）故障情况下主断路器的最优化选择

由于主断路器的特殊性，它是机车系统安全的最后一道关口，出于这一要求，一方面，机车对主断路器断开故障和请求进行了分级，另一方面，则需要事先区分出故障是暂时的还是长期的（事先已按故障影响的范围和可能的后果进行了分类）。

具体来看，按主断路器断开故障和请求的分级存在2种类型，即设置可能的故障为暂时的还是长期的。一是整台车不允许有高压，高压隔离开关断开（即HV SP对整台车有效）；二是禁止本节车由受电弓、主断路器提供高压（只有受电弓或主断路器故障，允许通过高压隔离开关供电，即HVB SP对本节车有效）。

对于系统区分暂时的还是长期的情况，如发生的是一个暂时故障，不需要由功能块进行新的配置评估，当故障消除时，司机可在无配置运行时闭合主断路器（含过分相）；如发生的是一个长期故障，通常需要由功能块进行新的评估并相应地进行配置，该评估需要新的升弓请求才能开始进行（受电弓应降下）。

（3）故障情况下蓄电池的最优化选择

蓄电池的技术状态是机车正常运行的重要条件，关于蓄电池故障的最优化选择主要有4种情况，①如果蓄电池电压下降到88 V，它将会被低电压继电器检测到。输入信号将给出信息通知机车司机蓄电池的状态，这种情况下蓄电池电压将失去控制作用。②如果检测到低电压，蓄电池耦合接触器闭合，条件是相应的单节车的充电机无故障且主断路器也闭合。对应输入到诊断存储器且产生显示信息。③如果低电压检测到2 min，相应的单节车封锁（主断路器断开，受电弓降下等），对应输入到诊断存储器且产生显示信息。④如发生接地故障时，蓄电池回路接地故障单独检测且写入到诊断存储器，并将故障信息告知司机。

4.3 其他最优化选择

在HXD1型的机车控制中，除了上述2种情况外，多种非正常情况交织在一起的最优化选择也很普遍，其中以牵引控制最为典型。

（1）机车降低牵引功率的最优化选择

如主变压器油温检测回路故障，油温在80℃～85℃，绕组温度大于115℃，以及冷却液过热超出范围等，机车就会降功率维持运行。

（2）部分失去牵引力的最优化选择

此类情况以单个部件发生故障情况为主，如发生单个或几个牵引电机过热，TCU门单元电源故障，主逆变器1和2温度过高或存在接地点，直流环节过压和过流等，相应地切除故障部件或一个转向架引起牵引封锁。

（3）单节车失去牵引力的最优化选择

如果变压器油温在85℃～95℃（含85℃），绕组温度大于120℃，TCU及IGBT供电电源故障以及单个牵引控制单元无通讯或连接中断，两个转向架都断开连接，牵引力设定值出现后20 s无牵引力升高等都会造成单节机车牵引失效。

（4）整车失去牵引力的最优化选择

造成此类选择的情况多为牵引控制系统外部关联的一些因素引起。如由无人警惕装置产生牵引的封锁，机车速度超过123 km/h，没有选择方向或选择的方向不明确，在没有设置设定值的情况下出现目前的牵引力，紧急制动等，由于此类因素可能的后果较为严重，系统设置立即取消牵引功能，以免造成更为难以控制的局面。

（5）主断路器立即断开的最优化选择

为了减小最严重故障对机车控制系统的影响，系统设置了如主变流器发生短路，TCU检测线电流瞬时值超600 A，油温≤－40℃或油温≥95℃，绕组温度＞125℃，以及TCU故障及冷却液泵或冷却塔风机故障等，由TCU（CCU）控制主断路器瞬间断开的环节。

5 其他一些突出的特点

在HXD1型机车中，如“速度调节”的设置反映了HXD1型机车未来的一些发展趋向。

“速度调节”仍然由CCU控制，由CCU内独自的软件包来执行。速度调节的任务是维持由机车司机使用机车内可用的电子牵引、制动装置设定的速度值。最小的调节速度为5 km/h。速度调节不是设计用来自动驾驶，但主要用来帮助司机。它设计为在任何时间都可以闭合和断开速度调节，而且，司机手动制动优先于速度调节的设定。

6 结束语

本文对我国投入运用的重载HXD1型机车的主要控制规律进行了分析，HXD1型机车在大秦线运输中所表现出的优异的技术特性，为我国铁路重载运输的发展所做出的贡献是非常巨大的，机车控制在运用中所展示的现代控制理念，突出的技术水平所引发的技术革命，对我国机车控制技术发展的影响意义重大而且极为深远。

［1］ 程 鹏，王艳东.现代控制理论基础［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［2］ 李 宏.现代电力电子技术基础［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］ 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］ 张曙光.HXD1型电力机车［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

Glimpse on the Network Control Logic of Eight-axle HXD1 Electric Locomotive

WANG Zhengjun
（Technology Department of Hudong Electric Depot，Taiyuan Railway Brueau，Datong 037300 Shanxi，China）

The 8-axle HXD1 electric locomotive is China railway＇s heavy haul platform which incorporates the contemporary advanced technology.It adopts the advanced networking technology and the modern locomotive control concept in locomotive control area for the first time，which achieves a great development to the AC transmission technology.This article aims to interpret the in-depth know-how of the key sections of the HXD1 locomotive technology，in order to make a useful exploration for the development of China＇s electric traction technology.

HXD1；eight-axle；locomotive；network control；logic

U264.91＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.02.21

1008－7842（2014）02－0083－07

3—）男，工程师（

2013－10－16）