轨道交通牵引电传动系统故障测试规范第1部分：硬件在环仿真平台(T-CI 150—2022).pdf

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1、ICS 29.280CCS S35T/CI 150-2022轨道交通牵引电传动系统故障测试规范第 1 部分：硬件在环仿真平台Technical Specification of Fault Test for Traction Electric DriveSystems of Rail TransitPart1:Hardware-in-the-loop Simulation Platform中国国际科技促进会发布发布团体标准2022-12-15 发布2022-12-15 实施T/CI 150-2022I目次前言.II1 范围.12 规范性引用文件.13 术语和定义.14 平台构成.45 技术要求

2、.46 实施指南.6附录A.9参考文献.15T/CI 150-2022II前言本文件按照 GB/T1.1-2020标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则起草。某些内容可能涉及专利，本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由中南大学提出。本文件由中国国际科技促进会归口。本文件主要起草单位：中南大学、中车株洲电力机车研究所有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、中铁检验认证株洲牵引电气设备检验站有限公司、清华大学、南京航空航天大学、北京交通大学、东北大学、山东科技大学。本文件主要起草人：彭涛、张朝阳、杨超、张宇、阳春华、徐立恩、何潇、陆宁云、冒泽慧、刘江、刘强、钟麦英。本文

3、件为首次发布。T/CI 150-20221轨道交通牵引电传动系统故障测试规范第 1 部分：硬件在环仿真平台1 范围本文件规定了轨道交通牵引电传动系统的故障测试（硬件在环仿真平台）的平台构成、技术要求、实施指南。本文件适用于轨道交通机车、动车组车辆上的牵引电传动系统车载安全保障算法（不限于控制类、监测类、诊断类、隔离保护类等）在故障模拟下的完备性功能和性能测试试验、隐患分析和整体评价，其它类型车辆的牵引电传动系统可参照执行。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。G

4、B/T 2900.13-2008 电工术语 可信性与服务质量GB/T 37863.1-2019 轨道交通 牵引电传动系统 第1部分：城轨车辆GB/T 37863.2-2021 轨道交通 牵引电传动系统 第2部分：机车、动车组GB/T 25117-2020 轨道交通 机车车辆 牵引系统组合试验方法GB/T 21562.3-2015 轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例 第3部分：机车车辆RAM的应用指南GB/T 21562.2-2015 轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例 第2部分：安全性的应用指南示例GB/T 21562-2008 轨道交通 可靠性、可用性、可

5、维修性和安全性规范及示例3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1牵引电传动系统 traction electric drive system实现轨道交通机车、动车组的牵引与电制动功能、进行电能和动能转换的一种电力驱动系统。T/CI 150-20222注：应用于机车、动车组车辆上的该系统以驱动交流电机为特征，并对所有必须的相关系统设备进行控制。GB/T 37863.12019，定义3.13.2故障 fault产品不能完成要求的功能的状态。预防性维修或其他计划的行动或因缺乏外部资源的情况除外。注：故障通常是产品自身失效引起的，但即使失效未发生，故障也可能存在。GB/T 2900.13200

6、8，定义191-05-013.3线路运行曲线 route profile机车车辆通过典型工作状态的重复或组合达到温升稳定的运行曲线（在给定的误差范围内，与连续的工作状态周期关联的重复峰值温度），代表机车车辆的日常运行曲线。GB/T 251172020，定义3.93.4可靠性 reliability产品在给定的条件下和给定的时间区间内能完成要求的功能的能力。注：通常认为产品在时间区间的始端处于能完成要求的功能的状态。GB/T 2900.132008，定义191-02-063.5硬件在环仿真平台 hardware-in-the-loop simulation platform将牵引电传动系统的牵引

7、控制单元以实物形式接入仿真回路中进行仿真的软件、硬件平台。3.6部件 component牵引系统的组成部分。GB/T 251172020，定义3.33.7T/CI 150-20223故障模拟部件 components with fault simulation故障测试过程中，模拟发生故障的部件。3.8故障场景 fault scene故障模拟部件发生某类型故障时的系统行为，包括但不限于系统中电气、机械、控制等多领域的宏观行为和部件内部多物理场作用的微观行为。3.9故障建模 fault modeling建立能够反映与表征一类故障场景的数学描述。3.10故障注入 fault injection故障测

8、试过程中，将故障引入系统的过程，用于模拟/复现故障场景。3.11故障注入模式 fault injection mode故障注入的方式，包括确定模式和随机模式。3.12故障注入条件 fault injection configuration执行故障注入所需的参数，其属性包括但不限于部件属性（故障模拟部件及其故障类型和故障程度）、空间属性（故障注入位置）和时间属性（故障生效方式、故障生效时刻、故障持续方式和故障持续时间）。3.13故障测试集 fault testing-set某一或某些故障注入条件下用于系统故障测试的数据总集。3.14算法评估 algorithm evaluation对待测算法测试

9、结果进行总体性分析，包括定性分析和定量分析。3.15T/CI 150-20224隐患分析 hazard analysis故障测试过程中，待测算法对系统整体运行的潜在安全隐患分析，包括但不限于系统与待测算法的兼容性分析。4 平台构成轨道交通牵引电传动系统故障测试的硬件在环仿真平台，包括但不限于以下部分：a)实物牵引控制单元，具备实时调节牵引变流器、牵引电机运行状态的功能。b)实时仿真单元，具备能够模拟真实牵引变流器、牵引电机运行状态的功能。c)信号调理单元，具备完成实物牵引控制单元与实时仿真单元之间的信号传输与转换的功能。d)故障测试操作台，是仿真平台和数据交互的控制与管理端，至少具备以下功能：

10、数据采集：具备对仿真平台所产生所有数据的采集功能。数据存储：具备对仿真平台所产生所有数据的存储功能。数据交换：具备仿真平台各单元与操作台之间的数据交换功能。测试管理：具备对故障测试前、测试中、测试后的故障注入控制、故障测试流程执行和测试结果评价等管理功能。5 技术要求5.1 功能要求5.1.1 牵引电传动系统的硬件在环仿真牵引电传动系统的硬件在环仿真要求包括：a)支持牵引电传动系统在各线路运行曲线下的仿真。b)支持牵引电传动系统部件的新增、设置、删除和替换，包括但不限于牵引变流器、牵引电机、牵引控制单元和传感器。5.1.2 故障注入故障注入功能要求包括：a)支持实时生效、定时生效或者事件触发等

11、多种故障生效方式。b)支持对故障注入条件属性范围的设置。T/CI 150-20225c)覆盖牵引电传动系统常见的故障模拟部件及其故障类型，故障模拟部件包括但不限于牵引变流器、牵引电机、牵引控制单元和传感器。d)支持故障模型的新增、设置、删除和替换。5.1.3 算法测试算法测试功能要求包括：a)支持在故障注入下对牵引电传动系统控制类、监测类、诊断类、隔离保护类等待测算法进行功能性测试。b)支持多故障注入下测试能力。5.1.4 算法评估算法评估功能要求包括：a)覆盖待测算法常见评价指标，包括但不限于定量指标和定性指标。b)支持评价指标管理，包括但不限于评价指标的新增、设置和删除。c)支持算法评估结

12、果生成。5.1.5 隐患分析隐患分析功能要求包括：a)支持牵引电传动系统故障测试中，待测算法对系统整体运行的潜在安全隐患分析，包括但不限于系统与待测算法的兼容性分析。b)支持隐患分析结果生成。5.2 平台要求a)支持实物牵引控制单元、实时仿真单元、信号调理单元、故障测试操作台等软件、硬件设备和仿真要求及环境条件的灵活配置。b)支持平台供电装置等其他辅助仿真设备的接入。c)平台仿真步长应满足仿真和测试需求。d)应满足以下性能要求：协同性：各软件、硬件设备能够配合使用，数据传输的可靠性满足仿真需求。一致性：同一线路运行曲线下多次重复测试时的一致性满足仿真和测试需求。兼容性：具备对不同操作系统的兼容

13、能力。5.3 安全要求T/CI 150-20226a)应保证操作人员的作业安全。b)应保证平台各软件、硬件设备运行安全。c)应保证数据采集、存储、交换、使用过程中的信息安全。6 实施指南6.1 故障注入6.1.1 故障建模故障建模一般步骤为：故障模拟部件确定、故障机理分析、故障模型建立、故障模型评估。具体的步骤与要求如下：a)故障模拟部件确定：确定牵引电传动系统需要测试的故障模拟部件，所确定的故障模拟部件与实际情况相符。b)故障机理分析：分析故障模拟部件发生故障的成因、对其本身及牵引电传动系统的影响。c)故障模型建立：根据不同的故障模拟部件、建模复杂度、仿真空间和时间复杂度选择不同的建模方法，

14、包括但不限于数据建模、机理建模、知识建模，及其组合实现的建模，对所确定故障模拟部件发生一类故障的故障场景建立描述。d)故障模型评估：对故障模型进行准确性、可信性、一致性和兼容性评估。6.1.2 实现技术故障注入实现技术包括但不限于基于数据的故障注入技术和基于模型的故障注入技术，及其组合实现的故障注入技术。6.2 故障测试实施步骤6.2.1 一般说明故障测试实施步骤一般包括：系统确定、故障注入、数据处理、算法测试、算法评估、隐患分析。故障测试的具体实施步骤如图1所示。T/CI 150-20227图1 故障测试的实施步骤6.2.2 系统确定牵引电传动系统的参数应满足仿真运行条件，可来源但不限于设计

15、制造参数。6.2.3 故障注入故障注入条件应尽量符合实际情况。6.2.4 数据处理数据采集和数据存储应准确、可靠、安全。T/CI 150-202286.2.5 算法测试应根据测试目的，选择待测算法。6.2.6 算法评估应根据分析目的，侧重于不同的评价指标。6.2.7 隐患分析隐患分析结果应满足GB/T21562-2008，GB/T 21562.2-2015，GB/T 21562.3-2015等要求后，才可投入试运行或线上运行。6.3 作业规程实施机构应制定牵引电传动系统实施的作业规程，保证牵引电传动系统实施安全和经济有效。6.4 实施机构与人员开展故障测试方法的实施机构应配备具有相应工作经验的

16、专业技术人员，并指定实施人员管理办法，实施机构应具备相应的专用仪器和设备，并指定相应的仪器设备管理办法，实施机构应按本部分和相应标准的规定制定作业规程。实施人员应经过安全及专业技术培训。T/CI 150-20229附录A（资料性附录）轨道交通牵引电传动系统传感器故障诊断类算法测试方法实施案例A.1 轨道交通牵引电传动系统传感器故障诊断类算法测试方法背景轨道列车是我国高端装备制造业的亮丽名片，是人们出行最为核心便捷的交通工具。随着行驶速度、营运规模和运行里程的持续攀升，轨道列车运行安全性问题已引起全社会高度关注。牵引电传动系统是保证轨道列车在高速下可靠、安全运行的关键，也是高发故障的主要来源之一

17、。牵引电传动系统中的电压传感器、电流传感器是牵引电传动系统内各部件之间信息传输、处理、记录和控制的关键部件，一旦电压传感器、电流传感器的任何故障不能实时诊断并得到及时正确的处理，都有可能引发牵引电传动系统的连锁事故，甚至被迫停车,带来不好的经济和社会影响。为了尽可能主动降低电压传感器故障、电流传感器故障发生风险，需要对其应用故障测试技术。实时模拟各种电压传感器、电流传感器可能故障的发生、演变及其对整个牵引电传动系统运行影响的场景，进而在逼近真实的复现牵引电传动系统电压传感器、电流传感器故障场景下实现对诊断类待测算法的故障测试。其中各步骤具体内容如下：A.2 硬件在环仿真平台轨道交通牵引电传动系

18、统故障测试-硬件在环仿真平台由实物牵引控制单元、信号调理器、实时仿真器、故障测试操作台等软件、硬件设备组成。硬件在环仿真平台组成如图A.1所示。图A.1 轨道交通牵引电传动系统故障测试-硬件在环仿真平台组成T/CI 150-202210A.3 系统确定确定系统为CRH2型车牵引电传动系统，包括牵引变流器（单相三电平脉冲整流器、中间直流电路、三电平逆变器、真空交流接触器等）、牵引控制单元和牵引电机等。A.4 故障注入典型的牵引电传动系统电压传感器、电流传感器的故障类型包括卡死、偏差、增益、冲击、漂移和精度下降。对于电压传感器故障、电流传感器故障，除卡死故障无法设定其故障严重程度外，都可以对其故障

19、严重程度进行设定，根据牵引控制单元故障隔离保护机制，故障类型及参数设定说明如表A.1所示。表A.1 故障类型及参数设定说明故障类型故障设定变量故障设定范围偏差偏差量0248增益增益系数12.8冲击冲击系数02漂移漂移系数010精度下降随机数方差0635表A.1中故障设定范围的最小值表示无故障时故障设定变量的值，故障设定范围的最大值表示触发牵引控制单元故障隔离保护时的故障设定变量的值，使用公式(A.1)对故障严重程度进行归一化处理：故障设定实际值故障设定范围最小值故障严重程度故障设定范围最大值故障设定范围最小值（A.1）对于能够设定严重程度的故障，将故障严重程度划分为20等,故障严重程度等级说明

20、如表A.2所示。表A.2 故障严重程度等级说明故障严重程度分类故障严重程度等级故障严重程度微小故障15(BF)0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05中等故障615(GP)0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50严重故障1620(QU)0.60、0.70、0.80、0.90、1.00T/CI 150-202211分别采取确定模式和随机模式两种故障注入模式对牵引电传动系统进行电压传感器故障、电流传感器故障的故障注入。执行故障注入所需的故障注入条件及其属性如表A.3所示。确定模式和随机模式的故障注入条件及其属性范围的设置如表A.4

21、所示。表A.3 执行故障注入所需的故障注入条件及其属性故障模拟部件S（传感器）部件属性故障类型0（无故障）1（卡死）2（偏差）、3（增益）、4（冲击）、5（漂移）、6（精度下降）故障程度A（无故障）X（特定编号）BU（最小故障严重程度等级最大故障严重程度等级）空间属性故障注入位置0（无故障）1（网侧电流传感器）、2（直流环节上侧电压）、3（直流环节下侧电压）、4（U相定子电流传感器）、5（V相定子电流传感器）、6（W相定子电流传感器）时间属性故障生效方式0（无故障）1（实时生效）、2（定时生效）、3（事件触发）故障生效时刻0（无故障）1（加速运行）、2（减速运行）、3（恒速运行）、4（变速运行

22、）、5（紧急加速）、6（紧急制动）故障持续方式0（无故障）1（连续）、2（间歇）故障持续时间0（无故障）1（故障生效后，一直持续）表A.4 确定模式和随机模式的故障注入条件及其属性范围的设置故障注入模式故障注入模式编号故障注入条件（故障模拟部件_故障类型_故障程度_故障注入位置_故障生效方式_故障生效时刻_故障持续方式_故障持续时间）确定模式模式1（故障场景特定）S_6_G_4_2_3_1_1随机模式模式2（故障生效时刻随机）S_3_N_6_2_16_1_1模式3（故障类型和故障程度随机）S_1、26_X、BU _5_2_3_1_1模式4（故障类型、故障程度随机和故障生效时刻随机）S_1、26

23、_X、BU _5_2_16_1_1T/CI 150-202212A.5 数据处理在对应的故障注入条件下，采集和存储直流电压、网侧电流和定子三相电流数据，并构建故障测试集。A.6 算法测试对即时相关分析算法进行测试。不同故障注入模式下的检测结果如图A.2所示。待测算法计算结果在阈值（红色线）以上，则认为故障被正确检测。a)模式1b)模式2c)模式3d)模式4图A.2 不同故障注入模式下的检测结果A.7 算法评估选择的评价指标及其计算方式如表A.5所示。表A.5 选择的评价指标及其计算方式类别名称说明计算公式反应力评价指标及时检测率(TDR)故障被及时检测的百分比公式(A.2)灵敏度(SEN)微小

24、故障被正确检测出的百分比公式(A.3)有效性评价指标检测率（FDR）故障被正确检测的百分比公式(A.4)误报率（FAR）故障未生效而被检测出故障的百分比公式(A.5)T/CI 150-202213漏检率（MR）故障生效而被检测出无故障或检测时间超过最迟检测时间的百分比公式(A.6)在最迟检测时间内被正确检测的故障个数及时检测率=被模拟发生故障的所有故障个数（A.2）微小故障被正确检测的个数灵敏度=被模拟发生故障的所有故障个数（A.3）故障被正确检测的个数检测率=被模拟发生故障的所有故障个数（A.4）故障未生效而被检测出故障的个数误报率=被模拟发生故障的所有故障个数（A.5）故障生效而被检测出无

25、故障或检测时间超过最数的个数漏检率=被模拟发生故间障的所检测时有故障个迟（A.6）不同故障注入模式下的算法评价结果如图A.3所示。a)模式1b)模式2T/CI 150-202214c)模式3和模式4图A.3 不同故障注入模式下的算法评价结果A.8 隐患分析对待测算法进行隐患分析，若结果满足GB/T 21562-2008，GB/T 21562.2-2015，GB/T 21562.3-2015等要求后，才可投入试运行或线上运行。T/CI 150-202215参考文献1 GB/T 2900.13-2008 电工术语 可信性与服务质量2 GB/T 37863.1-2019 轨道交通 牵引电传动系统 第1部分：城轨车辆3 GB/T 37863.2-2021 轨道交通 牵引电传动系统 第2部分：机车、动车组4 GB/T 25117-2020 轨道交通 机车车辆 牵引系统组合试验方法5 GB/T 21562.3-2015 轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例 第3部分：机车车辆RAM的应用指南6 GB/T 21562.2-2015 轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例 第2部分：安全性的应用指南示例7 GB/T 21562-2008 轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例