AC 25 kV供电市域动车组控制策略研究

何丹炉，侯小强

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛 266111)

市域铁路在“四网融合”中处于城际铁路和城市轨道交通之间，起“承上启下”、驳接分流作用，服务范围为50～100 km[1]，设计列车速度为100～160 km/h，满足1 h通勤圈快速通达出行需求[2]。因此市域动车组最高运行速度高于城轨车辆，载客能力、牵引制动性能与城轨车辆相当，舒适度远优于城轨车辆[3]。市域动车组优良的运行性能可有力地为城市中心城区连接周边城镇组团及其城镇组团之间提供公交化、大运量、快速便捷的通勤服务[2]，并与高速动车组、城际动车组、城轨车辆等一道，构建了我国完整的钢轮钢轨车辆型谱，同时实现了市域动车组不同速度等级、不同编组形式的系列化、谱系化，有效促进“四网融合”。

本文在分析城际动车组、城轨车辆运营特点和控制特点的基础上，提出AC 25 kV供电的市域A、B、C、D型市域动车组[2](以下简称“市域动车组”)的控制策略，为系统设计提供顶层技术支撑。

1 运营工况分析

市域动车组的高速段(120～160 km/h，近期也有200 km/h的速度等级需求)与城际动车组的中低速段重合；市域动车组的低速段(100～120 km/h)与城轨车辆的高速段重合，频繁启停、大载客量与潮汐客流、救援要求等与城轨车辆相同。因此市域动车组设计需综合上述特殊需求进行对比分析、统筹设计。

1.1 供电制式及系统配置

市域铁路线路较长(50～100 km)、最高运行速度达140～160 km/h(甚至达200 km/h)，此时市域动车组需采用AC 25 kV接触网供电[2]，地面线路、高架桥、车辆段宜采用柔性接触网，隧道内可采用刚性接触网(也有部分采用柔性接触网)，因此受电弓选型需同时满足柔性、刚性、高低速受流等不同工况要求。

AC 25 kV供电市域动车组需配置受电弓、真空断路器、避雷器、接地保护开关及牵引变压器、牵引变流器，动拖比宜采用1∶1、2∶1或3∶1[2]。2∶1或3∶1的动拖比适用于行车密度大、跟踪时间短的运营线路，此时市域动车组具有与城轨车辆同样的加减速性能[1]。

1.2 负载补偿

市域铁路以服务通勤客流为主，因此市域动车组不但载客量大、载重大，而且客流呈现潮汐式特征，载荷变化率大，因此牵引系统、制动系统应能根据载荷工况自动调节性能，满足不同载客量下的加减速要求。

1.3 频繁启停与精准停车

针对市域铁路站点较多、站间距多样(平均站间距3 km左右，长的达6～10 km)以及站台设置屏蔽门等情况，市域动车组既要频繁启停，又要实现精准停车。

1.4 应急处理

城际动车组具有运行速度高、站间距较大、运行时间长、车站容量大且人员流动性较小、AC 25 kV供电故障后安全隐患大等特点，途中故障处置原则是就地排查，避免故障扩大化，因此配有专门的机械师，通过人工复位、切除、下车检查、滚动试验等手段确保后续运行安全可靠，对线路积压的敏感度相对较低。

城轨车辆具有运行速度低、运行距离短、发车密度大、车站容量小且人员流动大、DC 1 500 V供电安全系数较高等特点，采用单司机值乘且不能随便离开司机室，途中发生重大故障的处置原则是列车尽快行驶到下一站清客，避免因线路停运而导致旅客积压车站。

市域动车组运营模式与城轨车辆一致，包括单司机值乘、公交化运营，但市域动车组运行速度高，发车密度偏小，运行距离长；高压系统配置则与城际动车组相同，包括AC 25 kV高压供电、安全防护措施等。因此，市域动车组的应急处理需满足2个条件：一是确保故障发生后能够可靠切除；二是避免单点故障影响运营秩序。同时需进一步提高智能化水平，通过自复位、趋势预测预判等保证行车安全，减少人工参与，提高效率，尽量避免影响行车秩序。

2 关键系统控制策略

2.1 高压系统控制

高压系统控制的基本原则是确保列车AC 25 kV供电安全，并具备故障运行能力。

2.1.1 系统配置

受电弓、真空断路器、接地保护开关等实施冗余设计(图1)，这样如果一条高压回路上的高压设备发生故障，则可以可靠隔离该回路，同时立即启用另一条供电回路；如果是高压电缆组件发生局部故障，则可通过高压隔离开关及时切除该段线路，保证另一段高压电缆组件正常输送AC 25 kV电能，满足故障运行需要。

2.1.2 故障定位

高压系统需重点关注接地、短路等导致的过流隐患故障，通过图1中的电流互感器CT3实时监测，实现车顶高压贯穿母线及电缆终端的故障精准定位，有效避免因高压系统的单点故障导致全列丧失牵引。

图1 市域动车组高压系统拓扑图

2.2 牵引系统控制

牵引系统控制的基本原则是确保牵引指令及牵引能力按照设定模式可靠实施。

2.2.1 指令冗余

牵引系统相关控制指令包括使能、方向、指令、级位，通过软硬件同时发送给牵引变流器。其中，使能、方向信号涉及行车安全，在一个交路的全过程一直有效，因此采用硬线信号控车、软件校验报警为宜；指令、级位信号主要目的是调整车速，需根据行车需求频繁切换，因此可执行软件指令。

2.2.2 牵引封锁及旁路

在列车运行中发生异常情况时，应立刻封锁牵引，以防擦轮、冒进等现象发生。异常情况主要包括：制动指令有效，单车制动未缓解；超速；门状态信号丢失；紧急制动等。需特殊说明的是：考虑到隧道内停车不利于疏散旅客且易引发恐慌，可结合运营需求适当修改控制策略，例如：“门关闭且锁闭”信号丢失时，可通过手动或自动降速等措施来降低其危害程度。

旁路的目的是：在发生某种影响列车运营的故障时(如车门故障、司机警惕装置故障等)，在保证安全的前提下，通过旁路操作，使列车可以转为降级模式继续运行，或运行至下一站清客。旁路设计不仅应使旁路控制精准有效，还要避免误操作导致的控制功能丧失、丢失，因此严禁随意旁路，以防导致牵引回路失控。故允许旁路的条件必须清晰、精准，符合场景工况。考虑到市域动车组没有配置随车机械师，司机室允许旁路的条件仅2个：一是指令旁路，仅限于门状态信号丢失；二是状态旁路，仅限于制动不缓解。在第一条情形下为防止人员跌落，需人工隔离故障门，或者通过视频等方式查看车门关闭状态；在第二条情形下，为避免抱闸行车，要求司机持续按压强迫缓解按钮，或者人工隔离故障车厢截断塞门。

2.2.3 故障运行和救援能力

市域铁路站点多、站间距差异大、线路条件不一，对应要求市域动车组启动频繁、加速能力强，因此牵引电动机除启停频繁、大启动转矩外，还应具有长时间运行能力，以及极端工况下短时过载能力和救援能力。

列车在超员载荷工况下的故障运行和救援能力为：(1)当列车损失1/4动力时，能在正线最大坡道上启动并运行至线路终点站；(2)当列车损失1/2动力时，应能在正线最大坡道上启动并运行至最近车站；(3)一列空载列车能在正线最大坡道上牵引另一列相同编组、超员载荷的无动力列车运行至下一车站。

综合考虑速度等级和安装空间等因素，目前速度等级小于160 km/h的市域动车组多用自通风型牵引电动机，但该型电动机面临尺寸加大和功率提升受限、安装困难等不利因素，因此应大力推进永磁同步牵引电动机在市域动车组上的应用。

2.3 制动系统控制

制动系统控制的基本原则是确保制动指令可靠下发及执行，实施故障导向安全设计，允许有条件强制旁路，以便列车能够在特定条件下维持运行。

2.3.1 指令冗余

制动系统相关控制包括紧急制动、快速制动、常用制动、制动指令及制动级位等。其中，紧急制动安全等级最高，必须由硬线指令直接驱动紧急制动电磁阀，不能通过软件控制；快速制动可由硬线指令驱动制动控制系统；常用制动指令及制动级位以软件指令优先，这是因为常用制动的施加频次远高于紧急制动和快速制动，而且主要用于调速。

与城轨车辆相比，市域动车组运行速度较高、制动距离较长，为了防止档位切换过程中出现盲区，所有制动指令宜遵循向下兼容原则，即高级别指令有效时，应同时触发低级别的所有制动指令，且制动系统自动执行高级别指令。为避免硬件电路异常导致指令失效，宜采取互斥原则，即紧急制动、常用制动指令为失电触发，快速制动指令为得电触发；当常用制动指令有效但制动级位无效时，应执行100%常用制动。另外，当检测到单车制动不缓解时，为避免擦轮，此时应触发全列制动确保列车停车。

2.3.2 旁路条件

制动旁路是在制动系统无法缓解空气制动压力情况下的临时措施。电路上除停放、紧急制动外，不允许提供旁路功能。停放旁路是指单车停放功能失效时，采取人工隔离措施后单车操作隔离开关；紧急旁路是指短时间内无法排查故障原因而强制建立紧急制动环路以便继续运行。需特殊强调的是：在任何情况下，紧急制动按钮都不允许被旁路，ATP紧急制动指令只能通过ATP隔离开关旁路。

2.3.3 触发紧急制动的条件

为兼顾安全和运营秩序，紧急制动环路采取分级管理，分为禁止自动缓解、允许自动缓解两类条件。禁止自动缓解的条件为：列车发生了重大故障，需要人工排查及确认，例如停放制动异常施加、紧急制动和警惕装置触发等。此类条件一旦触发，除了必须停车外，还要求必须人工复位才允许缓解。允许自动缓解的条件主要包括总风压力短时降低、方向手柄零位、ATP紧急制动指令等，此类条件一旦恢复即允许紧急制动环路自动建立。

2.4 车门系统控制

车门系统控制的基本原则是确保任何情况下客室侧门都能按指令可靠打开、关闭。

2.4.1 指令冗余

车门系统相关控制指令主要包括零速防护、开门使能、打开指令、关闭指令、门压紧等。为确保指令传输的可靠性及安全性，采用贯穿指令线驱动所有门控器，此时门控器执行硬线指令，软件指令仅用于校验及报警提示。另外，贯穿指令线的驱动信号应考虑冗余驱动，避免单点故障导致指令失效；布线路径应重点考虑火灾防护性能，确保极端工况下指令仍能有效传输。

2.4.2 安全防护及应急疏散

对于车门系统而言，列车运行时可靠关闭、列车静止时允许打开是必须满足的2个基本要求。无论是电气元件、电路控制，还是机械机构，都需要考虑开门、关门2个方向的失效模式。关门控制应通过冗余设计来确保安全防护要求，例如零速时车门自动关闭(并维持一定的保持力避免被推开)、速度高于10 km/h时自动压紧，即使其中一个功能失效也能确保车门关闭。开门控制一是需要设置冗余电路确保指令可靠下发(例如多路断路器供电、两路速度信号并联驱动指令线等)，二是应预设简单易行的手动操作措施(例如设置紧急解锁手柄、门控器断电即可撤销压紧等)，确保应急疏散时能够快速打开车门。

2.5 状态监测及应急牵引功能

市域动车组运营途中不允许因为排查故障而长时间停车。为降低人工依赖度，提升故障处理水平，提高运行安全性能，今后走行部及关键系统/设备应通过实时状态监测、故障诊断、专家智库等智能化手段对列车的健康状态进行预判，增强列车的可用性和安全性。

2.5.1 故障智能定位及自动处置

实时监测各电气回路状态，提供故障发生位置。然后通过TCMS远程控制功能对不同的故障采取复位、隔离、切除等相应措施，避免故障扩大化。

2.5.2 状态预判、提前整修

采集各电气回路、电气设备的实时数据，通过优化算法、趋势判断等方式逐步完善电气系统模型，一旦发现数据异常，立即采取对应措施，减少因行车故障造成的影响。

2.5.3 应急牵引

列车的硬件配置须保证单点故障不会导致列车无法运行，但针对网络风暴等极端工况，应分级管理。第一，针对网络、牵引、制动等关键系统/设备设置远程断电复位功能，通过重启设备的方式最大限度消除软件故障；第二，设置备用指令硬线及限速要求，并由各子系统完善自身故障保护机制，从而保障列车安全可靠运行至下一站。

3 结论及展望

本文提出的市域动车组控制策略将有力地保障市域动车组运行安全，有效提高运用效率，与此同时，下一步应大力推进永磁牵引、碳化硅变流器等技术在市域动车组上的研究应用，以期绿色智能型下一代市域动车组早日投入运用。