电子开关地面自动过分相逻辑控制系统的研究_宋煜炜.pdf

第45卷 第02期 2023-02【51】收稿日期：2021-03-04作者简介：宋煜炜（1996），男，河南鲁山人，硕士研究生，研究方向为地面带电自动过分相。电子开关地面自动过分相逻辑控制系统的研究Research of logic control system in electronic switch ground automatic neutral section passing 宋煜炜1*，肖宝弟2SONG Yu-wei1*，XIAO Bao-di2（兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070）摘 要：电气化铁道牵引供电中过分相技术一直是困扰国内牵引供电行业的技术顽疾，目前电子开关地面自动过分相技术是过分相发展趋势。根据神朔线现场地面自动过分相系统调研来看，以单一PLC挂组合继电器为核心的逻辑控制系统引起的较大故障较多。因此，提出一种具有分层结构的电子开关地面自动过分相逻辑控制系统，首先说明系统结构并根据双机热备原理设计一种电子开关的控制策略，之后基于HAZOP与故障树分析方法对逻辑控制系统进行可靠性分析，验证其高可靠性，对电子开关地面自动过分相的应用具有一定的参考价值。关键词：电子开关地面自动过分相；逻辑控制系统；状态机；HAZOP；故障树中图分类号：U223.6 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0051-050 引言 电气化铁道的接触网上每隔2025公里左右就有一长约30米的供电死区，电力机车经过时，机车需要司机手动断电通过。这不仅会造成机车速度与牵引力的损失，而且由于频繁的操作劳动强度大，误操作概率高，容易造成机车带电闯分相烧毁接触网等故障1。为避免这种情况，过分相技术应运而生，作为过分相核心技术之一，逻辑控制系统起着至关重要的作用。目前世界上应用最多的自动过分相技术分为两种，一种是以欧洲英、法等国为代表的机车控制自动过分相方案，一种是以日本为代表的地面控制自动过分相方案2。现我国较为推崇的方案是地面控制自动过分相，但其使用真空断路器作为电路的主断路器，存在投切角度不准确、断电时间长、合闸涌流等问题3,4。而电子开关具有动作时间短，控制精度高等优点。因此，研究运用电子开关的地面自动过分相更符合我国电气化铁路的发展方向，具有更好的推广价值5。文献3-4主要介绍了地面控制自动过分相技术组成及工作原理，同时给出了业内专业术语的定义。文献5介绍了电子开关过分相装置晶闸管阀组的设计，以及列车通过的控制策略。文献6介绍了机车过分相的电气模型并通过仿真分析验证了电子开关在不同合闸角度投入的死区时间。文献7提出了一种利用静态开关控制电路通断的方案，文章主要聚焦在静态开关的结构以及参数上。文献8给出了一种采用PLC作为控制核心的自动过分相控制系统的设计方案。文献9提出基于高压晶闸管阀的地面过分相装置，对其潜在危险进行分析，提出风险等级，讨论了相应的保护、应急方案。以上文献对于逻辑控制系统的介绍以及分析较少，对逻辑控制系统的危害分析几乎为零。根据现场调研情况来看，逻辑控制系统的故障占故障总数的52%，且核心运算主机采用的是单一PLC，结构落后且安全性不高。基于以上分析，本文提出一种应用于电子开关地面自动过分相（以下简称电子开关过分相）的逻辑控制系统，介绍其原理结构以及提出一种电子开关的控制策略，最后利用HAZOP与故障树对逻辑控制系统进行可靠性分析，验证其高可靠性，对电子开关地面自动过分相逻辑控制系统的应用具有一定的参考价值。1 电子开关地面自动过分相逻辑控制系统介绍1.1 电子开关地面自动过分相原理晶闸管作为可以在高电压环境下工作的半导体开关元件，其自身电压过零导通，电流过零关断的闸门特性使其非常适合做电路的开关。加上电力电子元件具有无机械触点、动作响应迅速、可控性好，寿命长等特点，用晶闸管阀组作为电路的主断路器控制中性区电路的分合可以很好地解决真空断路器不好控制的问题，同时断电时间可以低至1.5ms，可实现机车无感知过分相6。电子开关地面自动过分相结构图如图1所示。SCR-V1、SCR-V2为晶闸管反并联后再串联的晶闸管阀组的简易图示7。装置投入工作时，隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4合闸，串联备用断路器QF1C、QF2C合闸，并联备用断路器QF1B、QF2B分闸，装置进入正常无车等待状态。列车位置检测装置由传感器J1、J2、J3构成。当受电弓进【52】第45卷 第02期 2023-02入J1J2检测区段时，SCR-V1合闸；之后进入J2J3检测区段时，中性区转换，SCR-V1分闸，SCR-V2合闸；随后受电弓出清J2J3检测区段时，SCR-V2分闸，装置重回无车等待状态，至此完成一次过分相操作。B向馈线中性区QS2QS3J1J2J3QF1CQF1BQF2CQF2BSCR-V1SCR-V2行车方向QS4A向馈线QS1图1 电子开关地面自动过分相结构图1.2 逻辑控制系统构成对于电子开关过分相而言，逻辑控制系统是整个技术中的核心系统之一。现阶段地面自动过分相逻辑控制系统仍采用单一PLC挂组合继电器的结构，而且室外列车位置检测设备通过电缆传输，距室内（分相所）有大约35km，传输稳定性容易受到现场高压环境的影响，导致断路器误动，大大降低了装置的安全性8,10。为提高逻辑控制系统的安全性，引入计算机联锁系统中层次化和模块化的理念11，以逻辑运算模块、通信模块和驱采模块构成的逻辑运算层作为控制系统核心。逻辑运算层由双系组成，每系内部采用二取二结构，整体构成二乘二取二结构。系统构成如图2所示，其中室内外通信采用光缆代替电缆通信，同时内部模块电路采用光耦避免现场电磁干扰。通信模块逻辑运算模块驱采模块逻辑运算模块通信模块驱采模块人机对话层逻辑运算层执行层上位机A上位机B维修机局域网通信总线系系列车位置检测室外通信系间通信其他接口室外被控设备室外设备其他设备逻辑控制系统非安全设备安全设备图2 逻辑控制系统构成图逻辑运算模块首先通过通信单元采集从列车位置检测子系统接收上来的数据，之后执行既定的程序，经过一系列的逻辑运算，向通信模块发送计算结果，由通信模块向下方设备发送相应待执行的命令，控制相关设备正确动作。2 电子开关控制策略整个机车过分相过程中电子开关的动作起着至关重要的作用，由主控系统（逻辑控制系统）下发相应命令。电子开关控制系统采用DSP+双CPLD控制平台，充分利用DSP的高速运算能力及CPLD的强大逻辑处理能力，采用基于瞬时电压与电流相结合的瞬态检测及智能预测相结合的控制方法在确保SCR-V1关断后导通SCR-V2，完成一次中性区的电源切换断电时长低至1.5ms12。电子开关控制策略状态机如图3所示。是否等待对方合闸响应回执是发送合闸请求否重发是否回复收到确认信号收到对方合闸请求已发送收到回执信号故障解决准备进入工作另一个开关控制器还在处理转换请求延时到时分闸命令且下一个过零点已到分闸命令、转换命令合闸命令且下一个过零点已到发送转换请求等待转换回执是否是否分闸态初始态故障态预合闸态合闸态重发是否未超时延时是否收到回复合闸命令是否满足投入工作条件回复收到确认信号收到对方转换请求已发送收到回执信号是否收到回复重发重发是否未超时转换命令且下一个过零点已到图3 电子开关控制策略状态机参考双机热备状态机的设计思路，以分闸态视为“备”，合闸态视为“主”，运行时不允许存在“双主”情况，即不允许两个开关同时合闸。主控系统控制两个开关分合实现“一主一备”。特殊点在于当一个电子开关降为“备”（分闸命令、转换分闸或故障分闸）时，另一个电子开关不允许自动“升主”，由主控系统控制其是否“升主”。电子开关控制策略状态机中含有5个状态：1）初始态：电子开关装置正常没有任何故障，准备投入工作。2）分闸态：电子开关处于分闸状态，电路分断。3）预合闸态：合闸前的准备状态，是否合闸要综合另一个开关的情况。4）合闸态：电子开关处于合闸状态，电路导通。5）故障态：电子开关重故障，电子开关已不能使用。例如晶闸管故障数超过冗余数，电子开关过温等。主控系统下发3种命令：1）分闸命令：主控系统发出分闸命令，电子开关分闸。2）合闸命令：主控系统发出合闸命令，电子开关合闸。3）转换命令：主控系统发出转换命令，电子开关转换，收到转换命令的电子开关分闸，另一个电子开关合闸。第45卷 第02期 2023-02【53】电子开关在无任何故障时进入初始态，此时开关还未投入使用。主控系统首先检查投入使用条件是否满足，如果各自支路串联断路器合闸，并联断路器分闸，则开关可以投入使用，随即进入分闸态，否则保持初始态。在收到主控系统合闸命令或转换命令时，要通知请求另一个电子开关，以防止两个开关同时闭合。在等待对方回执信息时，如果一定时间内没有收到则重发请求，重发次数超过上限则视为故障状态，故障后电子开关退出工作，等待修复后重新进入初始态。收到回执后，等待对应的下一个电压过零点合闸。为了保证电子开关在过零后处于阻塞状态，在分闸时存在一个消隐时间，当分闸命令与下一个过零点相差时间小于消隐时间，则电子开关等待下一个过零点动作。3 基于HAZOP和故障树的可靠性分析方法3.1 故障树分析方法概述 故障树是一种从上至下利用演绎法找出系统不希望发生事件的原因事件组的一种复杂系统可靠性评估方法。系统不希望发生的这个事件称为顶事件，原因事件称为底事件13。构建故障树的流程一般是确定顶事件后，自上而下通过演绎法逐一确定顶事件发生原因，最后用图的形式表示。但建树过程中会受到设计人员对系统架构、功能和运行的了解程度的影响，不同人员建树的结果可能会有所差异甚至遗漏。为解决此问题，提出利用HAZOP分析方法的结果作为一种依据方式来构建故障树的建树方法。3.2 HAZOP分析方法HAZOP（危险与可操作性分析方法）是一种用于辨别设计缺陷，工艺过程危害及操作性问题的结构化、系统化分析方法14。HAZOP是以引导词和参数为基础，通过对风险识别范围划分，将其划分成合理的节点（或称工艺单元），之后针对每个划分的节点分析，利用“参数+引导词”与之结合生成所有潜在偏差。识别出其中有实际意义的偏差构建危险源列表，之后根据这些偏差做进一步的综合分析。HAZOP分析常用引导词如表1所示。表1 HAZOP常用引导词引导词含义说明无对设计意图的否定完全否定设计意图过量数量增加任何相关物理性能的数量增多减量数量减少任何相关物理性能的数量减少伴随质的增加任何相关物理性能的质的增加部分质的减小任何相关物理性能的质的减少相逆设计意图的逻辑反面出现和设计意图完全相反的事或物异常完全替代被与设计意图不同的事物代替3.3 可靠性指标对于逻辑控制系统元件，定义其只取两种状态，即正常或故障状态。现逻辑控制系统由n个独立工作的元件构成，元件出现故障立即更换，所有元件的寿命和更换时间均服从指数分布。第i个元件的是寿命可视作是服从参数i为的指数分布的随机变量；第i个元件的是更换时间可视作是服从参数i为的指数分布的随机变量，此时每一个元件是一个开关系统15。元件开始工作，进入开状态；一段时间间隔后更换，进入关状态；之后再进入开状态。第i个元件开状态平均时长为1/i，第i个元件关状态平均时长为1/i。设元件正常工作为0，出现故障为1，则第i个元件在t时刻时所处的状态为Xi(t)，则Xi(t)是连续时间的马氏链，状态空间为E=0,1。第i个元件的状态转移图如图4所示。图4 元件状态转移图由上图可知：00001101001111()(0)()(0)()()(0)()(0)()ptpptpptptpptppt=+=+(1)根据(1)式可得：()()0101()()=()()p tp tp tp t (2)代入(1)式和初始条件(p0(t)p1(t)=(0 1)，求解微分方程得：()0()1()=()=1ttp tep te+(3)可用度A(t)指元件初始时刻工作正常的情况下，在时刻t也能正常工作的概率。特别地，当元件故障及修复符合指数分布，A()收敛于与t无关的常数，即稳态可用度A16。则p0(t)为元件的瞬时有效度A(t)，对