廣州地鐵3號線VCC系統(tǒng)I／O架電源冗余改造的分析

劉 翔 鐘敏富

VCC是廣州地鐵3號線信號系統(tǒng)SelTrac S40的核心組件，負(fù)責(zé)3號線的中心ATP、ATO和聯(lián)鎖功能，當(dāng)VCC發(fā)生故障時，系統(tǒng)將失去ATC功能，進(jìn)入降級模式，線路運(yùn)能會遭受巨大影響。VCC系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)備包含6個機(jī)柜，分別為SGVCC、I／O1、I／O2、DT1、DT2 和 Snooper，每個機(jī)柜采用由電源屏輸出的220V交流電，經(jīng)1個或多個交直流轉(zhuǎn)換電源，為機(jī)柜提供穩(wěn)定的直流工作電壓。其中I／O架單獨設(shè)有1個電源子架，包含5個AC／DC轉(zhuǎn)換電源 （SV電源），將220V AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為5．1VDC、5．3VDC輸出電壓。其中 SV1、SV2、SV3、SV4輸出電壓為5．1VDC，SV7輸出電壓為5．3VDC。

依靠SV電源的高可靠性，設(shè)計電源供電方式時并未考慮冗余，每個SV電源單獨為I／O架1層或多層子架提供工作電源。當(dāng)某個SV電源發(fā)生故障停止輸出時，該電源對應(yīng)供電層子架失電，就會對VCC系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，如表1所示。從表1可以看出，任何一個SV電源出現(xiàn)故障時，均會最終導(dǎo)致VCC死機(jī)。

2014年3月1日，3號線北延段VCC4I／O1架SV1故障，導(dǎo)致VCC4死機(jī)，整個VCC4區(qū)域失去ATC功能，區(qū)域內(nèi)全部列車丟失通信，只能采用降級模式運(yùn)行，對運(yùn)營造成較大影響。因此，站在運(yùn)營維護(hù)的角度，除盡量降低單個設(shè)備的故障率外，還需在成本允許的范圍內(nèi)考慮備用或冗余，將單個設(shè)備的故障風(fēng)險進(jìn)行分擔(dān)，提高整體系統(tǒng)的可靠性。本文從I／O架SV電源出發(fā)，從改造思路、改造成本、安裝方案等幾個方面，對I／O架電源冗余改造進(jìn)行可行性論證，設(shè)法降低系統(tǒng)故障率，減少由故障引起的財產(chǎn)損失及負(fù)面影響，從而節(jié)約運(yùn)營成本，提高運(yùn)營效率。

表1 I／O架SV電源對應(yīng)供電子架表

1 改造思路

冗余改造的總體思路是增加1個或多個冗余電源，冗余電源與原電源并聯(lián)輸出，共同為對應(yīng)層子架供電，當(dāng)其中1個電源故障時，并聯(lián)的其他冗余電源仍然繼續(xù)供電，保持子架不失電。具體的冗余方式有以下2種。

1．1∶1冗余方式。在現(xiàn)有5個電源模塊的基礎(chǔ)上，按照1∶1的比例，為每一個SV電源配置1個冗余電源，2個電源并聯(lián)輸出，保持原有的子架供電對應(yīng)方式。如圖1所示。

圖1 1∶1冗余方式原理圖

2．N＋1冗余方式。原有的5個電源模塊，將SV1，SV2，SV3，SV4并聯(lián)，再并聯(lián)1個冗余模塊，共同為4層子架供電，SV7并聯(lián)1個冗余模塊，為另外3層子架供電。如圖2所示。

圖2 N＋1冗余方式原理圖

2 設(shè)計方案

根據(jù)I／O架所使用的POWER－ONE型 AC／DC轉(zhuǎn)換電源接線端子定義 （表2），該型號電源支持并聯(lián)擴(kuò)展，及并聯(lián)輸出的均流控制，通過少量連線即可實現(xiàn)2個電源并聯(lián)輸出。

由表2的接線端子定義可知，12管腳為VO＋遙感，14腳為VO－遙感，用于SV電源對自身的輸出電壓VO進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)節(jié)，當(dāng)遙感端監(jiān)測到電源輸出電壓高于或低于標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓時，電源內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)電路將對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，保證電源輸出電壓始終處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。22管腳為均流控制，2個電源并聯(lián)輸出時將兩電源的22端連接，可保證兩電源的輸出電流保持均等。

根據(jù)SV電源原理框圖及管腳定義，對應(yīng)2種不同的冗余改造方式，初步擬定如下改造方案。

方案1（1∶1冗余方式）：將2個電源并聯(lián)使用，接線方法見圖3，S＋與V0＋并聯(lián)后接二極管接負(fù)載的正極，S－與V0－并聯(lián)后接負(fù)載的負(fù)極。

表2 SV電源端子定義

圖3 方案1連接方式

方案2（N＋1冗余方式）：在所有電源的輸出端V0接二極管后，再并聯(lián)接負(fù)載，在S端接二極管后并聯(lián)，再與輸出電源相連接。如圖4所示。

3 安裝方式

根據(jù)2種方案的設(shè)計思路，方案1需要增加整個電源層，用來安裝5個冗余電源；方案2只需增加2個冗余電源。安裝方式比較見表3。

I／O機(jī)架每層子架均安裝有設(shè)備，已無空余的子架可用于加裝整層設(shè)備。但是在SV電源子架層，每層可安裝7個電源，目前僅安裝使用SV1，SV2，SV3，SV4，SV7共5個電源，還有SV5，SV6 2個安裝位置可以使用，且SV5，SV6 2個電源的母板處配線齊全，即該2處只要插入電源即可直接使用。

圖4 方案2連接方式

表3 安裝方式比較

4 結(jié)束語

假設(shè)I／O架SV電源故障概率為1%，由于無冗余設(shè)計，且通過前面分析，任一SV電源故障均會導(dǎo)致VCC死機(jī)，那么拋開其余設(shè)備單獨考慮I／O架的供電層，系統(tǒng)由SV電源導(dǎo)致的故障概率為1%。增加冗余設(shè)計后，單個SV電源故障仍然為1%，且必須2個電源同時故障才會導(dǎo)致I／O架掉電引起系統(tǒng)故障，那么系統(tǒng)由電源導(dǎo)致的故障概率為1%×1%＝0．01%，故障率大大降低。從節(jié)約運(yùn)營成本，提高運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量的角度出發(fā)，VCC系統(tǒng)的電源冗余改造是可行的。

目前該項目改造已經(jīng)完成立項審查，正在做產(chǎn)品設(shè)計及相關(guān)試驗，在培訓(xùn)室搭建的試驗平臺上測試通過后，預(yù)計2016年底將正式上線安裝在3號線VCC系統(tǒng)I／O機(jī)柜上使用。

［1］ 廣州地鐵3號線信號系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書［R］．廣州地下鐵道總公司，2008，6．

［2］ 廣州地鐵3號線VCC設(shè)備維護(hù)手冊［R］．廣州地下鐵道總公司，2008，6．