一种多机车固定编组的高压安全系统及其供电控制方法与流程

本发明涉及轨道交通高压供电，尤其涉及一种多机车固定编组的高压安全系统及其供电控制方法。

背景技术：

1、随着铁路货运向重载、高速方向发展，多节电力机车（2至4节）固定编组或重联运行已成为提升运力的主流技术。在此模式下，为满足巨大的功率需求，高压供电系统的安全性与可靠性成为保障行车安全、提升运输效率的基石。一旦高压系统发生故障或控制逻辑出现错误，可能导致行车安全事故或重大设备损失。

2、现有技术中，较早或简化的电力机车通常采用简单硬接线安全回路，即使用多芯电缆将编组内各机车的主断路器、紧急分闸按钮等关键部件的辅助触点进行物理串联，并由回路通断控制供电机车主断路器。该方案虽具备硬接线可靠性，但通常缺少供电前的前馈防过载、自诊断、故障定位、分区保护和模块化扩展能力，任一触点或线路异常均可能导致全编组失电。另一方面，目前电力机车还普遍采用基于列车通信网络和车辆控制单元的软件联锁方案。列车通信网络可包括绞线式列车总线（wtb）或以太网列车骨干网（etb），车辆控制单元可称为ccu。软件联锁的安全性依赖软件和通信的可靠性，在异常输入、强电磁干扰或通信中断时可能发生保护拒动或误动；软件或通信协议的系统性设计缺陷还可能形成共因故障。因而，有必要在保留控制系统灵活性的同时，设置独立于软件和通信网络的物理安全许可、闭锁和强制分闸路径。

技术实现思路

1、本发明提供一种多机车固定编组的高压安全系统及其供电控制方法，以解决现有软件联锁方案缺少独立物理防线、简单硬接线方案功能单一，以及传统高压供电拓扑缺少冗余和分区保护的问题。

2、根据本发明的一方面，提供一种多机车固定编组的高压安全系统，该高压安全系统包括冗余供电拓扑层和独立于车辆控制软件及通信网络的硬接线安全平台层；多机车固定编组包括通过高压连接路径连接的多节机车，各节机车均包括受电弓、主断路器和主变压器；冗余供电拓扑层包括至少一个高压隔离器件，高压隔离器件包括设置于相邻机车之间的高压连接路径上的高压隔离开关和/或设置于供电受电弓相关高压供电支路中的隔离断路器，高压隔离开关用于按照目标供电模式接通或分断相邻机车之间的高压连接路径，隔离断路器用于切断发生故障的高压供电支路，高压隔离器件的位置辅助触点与硬接线安全平台层硬接线连接；

3、硬接线安全平台层包括反馈式硬接线故障联锁模块和硬接线互锁自检测模块；反馈式硬接线故障联锁模块通过专用硬线连接每一供电组内各机车的关键安全节点的触点，并与供电组的供电机车的主断路器的合闸许可回路或合闸保持回路硬接线连接；

4、硬接线互锁自检测模块包括静态预检回路和拓扑一致性校验回路；静态预检回路用于在受电弓降下且主断路器分闸的初始安全状态下，校验节点地址配置、反馈式硬接线故障联锁模块的基础导通状态以及位置辅助触点的状态有效性；拓扑一致性校验回路用于在高压隔离器件按照目标供电模式动作后、主断路器合闸前，校验目标供电模式、高压隔离器件的实际状态和反馈式硬接线故障联锁模块的电气完整性之间的一致性；任一校验不通过时输出主断路器合闸闭锁信号；反馈式硬接线故障联锁模块用于在运行故障使对应安全回路断开时，撤销相应供电机车的主断路器合闸许可或合闸保持信号，使对应供电范围进入失电安全状态。

5、可选的，硬接线安全平台层采用模块化扩展架构，各机车的安全模块通过标准化多芯电缆插接件连接；每一安全模块设置相互排他的首车位、中间车位和尾车位硬件地址端子，并通过硬件跳线选择其中一个位置，未选择或同时选择多个位置时输出编组配置闭锁信号；反馈式硬接线故障联锁模块包括终端继电器和贯通继电器，首车位或尾车位的地址选择使对应终端继电器触点闭合以封闭保护范围端部，中间车位的地址选择使对应贯通继电器触点闭合以连接上游和下游硬线联锁回路。

6、可选的，硬接线安全平台层还包括故障分区模块，故障分区模块包括与各供电组对应的安全许可继电器、由高压隔离器件的位置辅助触点控制的拓扑状态继电器以及回路选择触点；在贯通式供电拓扑下，回路选择触点将相应保护范围内各机车的关键安全节点串联为一条保护回路；在分组式供电拓扑下，组间回路选择触点断开跨组联锁连接，并由各组端部的终端继电器触点分别封闭各供电组的独立保护回路；任一供电组内的关键安全节点断开时，仅使该供电组的安全许可继电器失电并撤销该供电组的主断路器合闸许可，其他保护回路保持导通；当组间状态不能确定或位置辅助触点与目标供电模式不一致时，撤销受影响各供电组的主断路器合闸许可。

7、可选的，硬接线安全平台层还包括故障锁存与指示模块，故障锁存与指示模块用于在反馈式硬接线故障联锁模块首次因故障而断开时，锁存首次故障触发信号，输出故障区段的指示信息并驱动声光报警装置发出报警信号，首次故障触发信号保持至按照预设复位条件完成复位。

8、可选的，多节机车包括依次连接的第一节机车、第二节机车和第三节机车，第一节机车包含第一受电弓、第一主断路器和第一主变压器，第二节机车包含第二受电弓、第二主断路器和第二主变压器，第三节机车包含第三受电弓、第三主断路器和第三主变压器；第一节机车与第二节机车之间的高压连接路径上设置第一高压隔离开关，第二节机车与第三节机车之间的高压连接路径上设置第二高压隔离开关；

9、在三机重联双弓热备模式下，第一高压隔离开关和第二高压隔离开关均处于闭合状态，以形成贯通式高压母线；第一受电弓和第三受电弓作为主用工作受电弓并处于升起状态，第二受电弓作为热备受电弓并处于降下状态。

10、可选的，当检测到作为主用工作受电弓的第三受电弓发生故障时，反馈式硬接线故障联锁模块先撤销第三主断路器的合闸许可或合闸保持信号，使第三主断路器分闸；在取得第三主断路器的分闸位置反馈后，使第三受电弓降下；在切换过程中，第一高压隔离开关和第二高压隔离开关均保持闭合，第一主断路器和第二主断路器保持合闸，第三主断路器保持分闸，由故障隔离确认触点控制旁路触点，旁路触点用于旁路第三主断路器因本次切换分闸而改变的合位反馈，而第三节机车的第三主变压器、网压检测及其他关键安全节点仍保留在硬接线保护回路中；在确认第三受电弓已降下、第三主断路器已分闸、第一高压隔离开关和第二高压隔离开关均闭合且硬接线保护回路完整后，允许第二受电弓升起，以由第一受电弓和第二受电弓向贯通式高压母线供电。

11、可选的，多节机车包括依次连接的第一节机车、第二节机车、第三节机车和第四节机车，第一节机车与第二节机车构成第一供电组，第三节机车与第四节机车构成第二供电组，第一供电组与第二供电组之间的高压连接路径保持断开；断开通过不设置第二节机车与第三节机车之间的高压跳线形成，或者通过设置于第二节机车与第三节机车之间的组间高压隔离器件保持分断形成。

12、可选的，第一节机车、第二节机车、第三节机车和第四节机车分别包括第一受电弓、第二受电弓、第三受电弓和第四受电弓；高压安全系统具有前弓模式和后弓模式，在前弓模式下，第一受电弓为第一供电组供电，第三受电弓为第二供电组供电，第二受电弓和第四受电弓处于备用状态；在后弓模式下，第二受电弓为第一供电组供电，第四受电弓为第二供电组供电，第一受电弓和第三受电弓处于备用状态。

13、可选的，当一个供电组的当前供电受电弓、供电支路或关键安全节点发生故障时，反馈式硬接线故障联锁模块撤销该供电组的供电机车的主断路器合闸许可，使该供电组失电，另一供电组的供电状态保持不变；

14、在确认故障供电组内的备用受电弓、备用供电支路、相关主断路器及高压隔离器件均处于可用状态，且硬接线互锁自检测模块校验通过后，将故障供电组切换至备用受电弓供电；校验未通过时，保持由未故障供电组实施降级供电。

15、根据本发明的另一方面，提供一种多机车固定编组的供电控制方法，应用于本发明任一实施例的高压安全系统，包括：

16、在受电弓处于降下状态且主断路器处于分闸状态时，通过静态预检回路校验各安全模块的节点地址配置、反馈式硬接线故障联锁模块的基础导通状态以及高压隔离器件的位置反馈状态是否有效；静态预检不通过时保持主断路器合闸闭锁；静态预检通过后，根据运行指令确定目标供电模式，并控制相应高压隔离器件对机车之间的高压连接路径进行物理接通或分断，以构建与目标供电模式对应的供电拓扑；

17、在高压隔离器件动作完成后、主断路器合闸前，通过拓扑一致性校验回路校验目标供电模式、高压隔离器件的实际位置反馈、各终端继电器和贯通继电器的回路选择状态以及反馈式硬接线故障联锁模块的电气完整性之间的一致性；校验不通过时，输出主断路器合闸闭锁信号并锁存故障区段信息；

18、校验通过后，升起目标供电模式对应的供电受电弓，并使对应供电机车的主断路器合闸；运行过程中通过反馈式硬接线故障联锁模块监测各供电组的关键安全节点，在故障使对应安全回路断开时撤销相应供电机车的主断路器合闸许可或合闸保持信号；切换至备用受电弓或恢复供电前，重新执行静态预检和拓扑一致性校验中与当前故障隔离状态有关的校验。

19、本发明通过高压隔离器件在主断路器合闸前限定高压供电路径，构成前馈式物理防护；通过独立于车辆控制软件及通信网络的反馈式硬接线故障联锁模块，在运行中直接监测关键安全节点并作用于相应主断路器的许可或保持回路，构成反馈式物理防护。两类物理防护之间由硬接线互锁自检测模块进行一致性校验，从而降低软件故障、通信中断或拓扑状态不一致导致保护失效的风险。

20、在此基础上，模块化编组识别、故障分区与选择性隔离以及故障锁存与指示功能，可使同一硬接线安全平台适配不同编组和供电模式，并在故障时优先隔离受影响的供电范围，使未故障供电组维持供电，提高多机车固定编组的供电可靠性、运营可用性和维护效率。

21、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。