TCIXXX20XX轨道交通牵引电传动系统故障测试规范

ICS

CCS

团体标准

T/CIXXX-XX-2022

轨道交通牵引电传动系统故障测试规范

TechnicalSpecificationofFaultTestforTractionDriveSystemsofRail

Transit

（征求意见稿）

2022-X-X发布2022-X-X实施

中国国际科技促进会发布

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。

本标准适用于交流传动机车、动车组、城轨车辆等电力机车车辆牵引电传动系统车

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。

GB/T2900.13-2008电工术语可信性与服务质量

GB/T37863.1-2019轨道交通牵引电传动系统第1部分：城轨车辆

GB/T37863.2-2021轨道交通牵引电传动系统第2部分：机车、动车组

GB/T25117-2020轨道交通机车车辆牵引系统组合试验方法

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tractionelectricdrivesystem

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。

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。

1

[GB/T37863.1—2019，定义3.1]

3.2

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/T2900.13—2008，定义191-05-01]

3.3

线路运行曲线routeprofile

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/T25117—2020，定义3.9]

3.4

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/T2900.13—2008，定义191-02-06]

3.5

硬件在环仿真平台hardware-in-the-loopsimulationplatform

将牵引电传动系统的牵引控制单元以实物形式接入仿真回路中进行的仿真。

3.6

部件component

系统的组成部分。

3.7

故障部件faultcomponent

故障测试过程中，假设发生故障的部件。

3.8

2

故障场景faultscene

故障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faultmodeling

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faultinjection

故障测试过程中，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faultinjectionmode

故障注入的方式，包括确定模式和随机模式。

3.12

故障条件faultconfiguration

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

和故障持续时间）。

3.13

故障测试集faulttesting-set

某一或某些故障条件下用于系统故障测试的数据总集。

3.14

算法评估algorithmevaluation

对待测算法测试结果进行总体性分析，包括定性分析和定量分析。

3.15

隐患分析hazardanalysis

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。

3

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：

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。

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。

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设置、删除、新增和替换，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多种故障生效方式。

b)支持对故障条件属性范围的设置。

c)覆盖牵引电传动系统常见的故障部件及其故障类型，故障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)支持故障模型的设置、删除、新增和替换。

5.1.3算法测试

4

算法测试功能要求包括：

a)支持在故障运行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)支持多故障并发测试能力。

5.1.4算法评价

算法评价功能要求包括：

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)支持评价管理，包括但不限于评价指标的设置、删除和新增。

c)支持算法评价结果生成。

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)平台仿真步长满足仿真和测试需求。

d)应当满足以下性能要求：

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能力。

5.3安全要求

a)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。

5

c)应保证数据交换、采集、存储、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)故障部件确定：确定牵引电传动系统需要测试的故障部件，所确定的故障部件

与实际情况相符。

b)故障机理分析：分析故障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，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、基于机理的故障注入技

术、基于知识的故障注入技术，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。

6

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满足仿真运行条件，可来源但不限于设计制造参数。

6.2.3故障注入

故障条件应尽量符合实际情况。

6.2.4数据处理

7

数据采集和数据存储应准确、可靠、安全。

6.2.5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

隐患分析结果满足要求后，才可投入试运行或线上运行等。

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。

8

附录A

附录B（资料性附录）

附录C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。牵引电传动系统中的电压、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、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、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、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、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。

9

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

A.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、电流传感器故障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、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0∽248

增益增益系数1∽2.8

冲击冲击系数0∽2

漂移漂移系数0∽10

精度下降随机数方差0∽635

10

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（A.1）

故障设定范围最大值故障设定范围最小值

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

明如表A.2所示。

表A.2故障严重程度等级说明

故障严重

故障严重程度等级故障严重程度

程度分类

微小故障1∽5(B∽F)0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05

0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.20、0.30、

中等故障6∽15(G∽P)

0.40、0.50

严重故障16∽20(Q∽U)0.60、0.70、0.80、0.90、1.00

分别采取确定模式和随机模式两种注入模式对牵引电传动系统进行电压、电流传感

器故障的故障注入。执行故障注入所需的故障条件及其属性如表A.3所示。确定模式和

随机模式的故障条件及其属性范围的设置如表A.4所示。

表A.3执行故障注入所需的故障条件及其属性

故障类012（偏差）、3（增益）、4（冲击）、

型（无故障）（卡死）5（漂移）、6（精度下降）

部件

B∽U

属性故障程AX

（最小故障严重程度等级∽最大故障

度（无故障）（特定编号）

严重程度等级）

1（网侧电流传感器）、2（直流环节上侧电压）、

空间故障注0

3（直流环节下侧电压）、4（U相定子电流传感器）、

属性入位置（无故障）

5（V相定子电流传感器）、6（W相定子电流传感器）

故障生0

1（实时生效）、2（定时生效）、3（事件触发）

效方式（无故障）

时间故障生01（加速运行）、2（减速运行）、3（恒速运行）、

属性效时刻（无故障）4（变速运行）、5（紧急加速）、6（紧急制动）

故障持0

1（故障生效后，一直持续）

续时间（无故障）

表A.4确定模式和随机模式的故障条件及其属性范围的设置

11

故障条件

注入

模式编号（故障类型_故障程度_故障注入位置_故障生

模式

效方式_故障生效时刻_故障持续时间）

确定模式1

6_G_4_2_3_1

模式（故障场景特定）

模式2

3_N_6_2_1∽6_1

（故障生效时刻随机）

模式3

随机1、2∽6_X、B∽U_5_2_3_1

（故障类型和故障程度随机）

模式

模式4

（故障类型、故障程度随机和故1、2∽6_X、B∽U_5_2_1∽6_1

障生效时刻随机）

A.5数据处理

在对应的故障条件下，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（CAA）算法进行测试。

不同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2

c)模式3d)模式4

图A.2不同模式下的检测结果

A.7算法评估

12

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

及时检测率

故障被及时检测的百分比公式(A.2)

反应力评价(TDR)

指标灵敏度

微小故障被正确检测出的百分比公式(A.3)

(SEN)

检测率

故障被正确检测的百分比公式(A.4)

（FDR）

有效性评价误报率

故障未生效而被检测出故障的百分比公式(A.5)

指标（FAR）

漏检率故障生效而被检测出无故障或检测时间

公式(A.6)

（MR）超过最迟检测时间的百分比

在最迟检测时间内被正确检测的故障个数

及时检测率=（A.2）

被检测的所有故障个数

微小故障被正确检测的个数

灵敏度