城市軌道交通站臺門電源系統應用分析

劉艷榮

城市軌道交通站臺門電源系統應用分析

劉艷榮

摘 要：詳細介紹城市軌道交通站臺門電源系統基本組成，常用電源系統解決方案以及工作原理，從失效模式、單點故障、模塊轉換、蓄電池使用、以及維護管理等方面對不同電源解決方案進行了分析比較，提出站臺門電源系統的建議方案。

關鍵詞：站臺門；電源；驅動電源；控制電源

劉艷榮：北京市地鐵運營有限公司，高級工程師，北京 100044

1　站臺門應用概述

隨著城市軌道交通的快速發展，站臺門在新線地鐵建設及老線改造中得到廣泛應用。設置站臺門可增大站臺候車區域，提高乘客乘降安全，改善車站環境以及節能等作用。但站臺門設置后，站臺門與列車門實現了聯動控制，與信號系統建立了聯鎖關系，因此，也相應增加了行車運行控制的復雜性，一旦站臺門設備發生故障，將直接影響行車秩序。在實際應用中，站臺門故障的主要形式為單個門開關門故障，該故障一般對運營影響較小；而整側門開關門故障，對運營秩序影響極大，其故障原因除信號系統故障外，站臺門電源系統故障，是其中主要原因之一。2014年北京地鐵6號線呼家樓站因站臺門電源故障造成車站兩側站臺門開關門失效，乘客只能通過手動解鎖開門，導致整個車站運營秩序混亂，線路多次列車晚點。因此，站臺門電源系統安全可靠性十分重要，是站臺門設備系統設計和產品選型的關鍵。

本文對站臺門電源系統應用情況進行了全面梳理，從電源系統可靠性、可維護性等方面進行分析，提出適應于軌道交通站臺門運營要求的電源系統配置方案。

2.1驅動電源

驅動電源根據站臺門驅動電機設計，為門機驅動設備供電，驅動電源應滿足直流電機啟動的沖擊特性需求。在國內城市軌道交通應用中，門機驅動電機通常有DC110V、DC48V和DC24V 3種電壓等級。

2.2控制電源

控制電源主要是給屏蔽門控制系統設備主控機（PSC）、原地控制盒（PSL）、中央接口盤（PEDC）、單門控制開關（LCB）等供電，其電壓等級根據站臺門生產廠家不同，控制電源電壓等級有不同選擇，一般有DC110V、DC24V和AC220V 3種電壓等級。

2　站臺門電源系統的構成

站臺門電源系統由驅動電源和控制電源組成；驅動電源及控制電源的蓄電池組、電源模塊及配電回路為獨立配置，由1套監控系統集中管理。

3　電源負載特性及供電系統要求

3.1電源負載特性

地鐵正常運營時，站臺門開門時間為2～3 s可調，關門時間為2.5 ～3.5 s可調，按照2 min列車間隔計算，開關循環1次為120 s。門控制單元（DCU）在開啟和關閉循環動作工程中，瞬間電機電流劇增，負載沖擊特性十分明顯。

現以車站每側24扇門體，門機驅動工作電壓DC110V為例，開關門最大驅動電流有以下4種情況。

（1）兩側門體均處于開關門情況

ID1=3×24×2=144 A

（2）一側門體處于開關門瞬間，同時另一側門體處于開關門過程情況

ID2=3×24＋0.6×24=86.4 A

（3）兩側門體同時處于開關門過程情況

ID3=0.6×24×2=28.8 A （4）兩側門體同時處于開關門保持情況

ID4=0.23×24×2=11.04 A

由此可知，站臺門在實際開關門循環動作過程中，其驅動電源負載始終變化較大，其站臺門負載特性呈現出沖擊電流大、間隙工作的特點。鑒于站臺門驅動負載沖擊大的特性，目前站臺門一般選用直流電機作為驅動機構，直流電機具有良好的啟動機械性能，可以滿足站臺門反復間歇開關門的動作要求。

3.2供電系統要求

站臺門是軌道交通重要的運營設備，其供電等級為1級用電負荷，具體要求如下。

（1）正常情況下，由車站低壓配電系統通過雙電源切換箱提供2路獨立三相380 V交流電源，為站臺門供電。當主電源故障時，自動切換到備用回路，由備用電源供電。

（2）當主備電源均發生故障時，站臺門不間斷電源（UPS）的蓄電池組作為備用電源，向站臺門供電，其電池容量滿足驅動系統開關門5次/h的要求。當市電恢復供電時，系統自動恢復到正常交流電供電方式。

（3）站臺門電源設計和電源部件選擇應滿足高可靠性要求，系統供電從起點到終點無單點故障。

（4）電源系統應具備快速故障恢復能力，監控系統可實現對電源運行狀態的監視，對故障及時準確報警。對故障部件更換不影響系統正常工作。

4　站臺門電源系統應用分析

4.1驅動電源

共有110 V直流UPS、交流UPS+門頭轉換模塊(DC110V)、48 V直流UPS、直流UPS+門頭轉換模塊(DC48V)、交流UPS+門頭轉換模塊(DC48V)5種應用方式。4.1.1 110 V直流UPS電源

系統由驅動整流模塊、驅動充電模塊、隔離二極管、蓄電池組、配電單元等組成（圖1）。

系統工作方式：正常情況下，市電三相AC380V電源分別給驅動整流模塊和驅動充電模塊供電，經驅動整流模塊（模塊采用N+1冗余備份）轉換成DC110V給站臺門驅動門機供電；同時經驅動充電模塊（模塊采用N+1冗余備份）轉換成DC108V給蓄電池組充電。市電停電后，隔離二極管導通，蓄電池組通過隔離二極管直接給站臺門驅動門機供電。

系統的特點：驅動整流模塊和充電模塊采用模塊化冗余設計，無單點故障。蓄電池組通過隔離二極管與驅動母線直接相連，市電停電后隔離二極管導通，蓄電池組直接為門機供電，無轉換環節。系統供電可靠性高。正常時，隔離二極管處于截止狀態，蓄電池組不參與供電，驅動充電模塊可實現獨立對蓄電池進行自動充放電管理，不影響驅動母線的供電；市電停電后，蓄電池直接供電。電池容量不損失，利用率高。模塊可采用帶電插拔方式，便于系統故障維護。

系統失效模式：當交流停電，同時電池組損壞時，無法提供直流驅動電源。

4.1.2交流U P S+門頭轉換模塊(DC110V)

系統由整流模塊、逆變模塊、隔離變壓器、蓄電池組、站臺門門頭AC/DC轉換模塊和配電單元等組成（圖2）。

系統工作方式：正常情況下，市電三相AC380V電源通過經過整流、逆變、隔離變壓器后，輸出穩定的AC380 V或AC220V電源到站臺門門頭，再經站臺門門頭AC/DC轉換模塊轉換成DC110V，給驅動門機系統供電；同時通過充電模塊對蓄電池組進行充電。市電停電后，隔離二極管導通，蓄電池組通過升壓模塊、逆變模塊、隔離變壓器提供AC380 V或AC220V電源到站臺門門頭，再由門頭AC/DC轉換模塊轉換成DC110V，給驅動門機系統供電。

圖1　110 V直流UPS電源系統框圖

系統特點：停電后蓄電池需通過升壓、逆變模塊、隔離變壓器再由門頭轉換模塊給驅動門機供電，通過了2次轉換環節，增加了系統的故障率及損失蓄電池容量，降低了利用率。交流UPS如采用整機型的UPS，系統存在單點故障，降低了系統的可靠性。同時整機型UPS不能做到帶電插拔和在線維護，增加了后期維護成本和工作量。若每個驅動電機由單獨的門頭轉換模塊供電，無冗余，降低了可靠性。

系統主要失效模式：①驅動AC ／DC轉換模塊損壞（無冗余配置時），由于電池不是接在驅動母線上，無法提供驅動電源；②交流停電，UPS逆變模塊損壞、或電池升壓部分損壞、或電池組損壞，均無法提供驅動電源。

4.1.348 V直流UPS電源

系統電源由AC/DC整流模塊、蓄電池組及配電單元組成（圖3）。未設置電池隔離的二極管。

系統工作方式：①市電經驅動整流模塊轉換成DC48V直接供給驅動門機供電，同時經驅動充電模塊給蓄電池組充電；②當市電停電后，蓄電池組直接給驅動門機供電。

系統特點：采用模塊化冗余設計，無單點故障，系統可靠性高。可帶電插拔可在線維護。停電后蓄電池直接給驅動門機供電，無轉換環節，不損失蓄電池容量，利用率更高。但由于電壓低、沖擊電流大、電線路長，線路的壓降會很大。工程上通常采用加大電池容量、增加線纜面積，因而配電成本較高，不適合布線較長、車輛編組較多的系統。同時蓄電池組直接接在驅動母線上，當蓄電池組深度放電再充電時，電源系統為保護蓄電池，會進行限流充電，拉低驅動母線電壓，將會影響屏蔽門系統正常工作。

系統主要失效模式：當交流停電，同時電池組損壞時，無法提供直流驅動電源。

圖2　交流UPS+門頭轉換模塊(DC110V)電源系統框圖

圖3　48 V直流UPS電源系統框圖

圖4　直流UPS+門頭轉換模塊(DC48V)電源系統框圖

4.1.4直流U P S+門頭轉換模塊(DC48V)

系統由驅動整流模塊、驅動充電模塊、隔離二極管、蓄電池組、站臺門門頭轉換模塊及配電單元組成（圖4）。

系統工作方式：①市電分別給整流模塊（N+1冗余配置）和充電模塊（N+1冗余配置）供電，經整流模塊轉換成DC110V到站臺門門頭，再經門頭轉換模塊轉換成DC48V后給驅動門機供電；充電模塊轉換成DC108V給蓄電池組充電；②當市電停電后，蓄電池組通過門頭轉換模塊轉換成DC48V后給驅動門機供電。

系統特點：模塊化冗余設計，保證系統的可靠性。可帶電插拔可在線維護。正常運行時蓄電池不參與供電，能獨立對蓄電池進行自動充放電管理，保證蓄電池的使用壽命。停電后，蓄電池需通過門頭轉換模塊給驅動門機供電，通過了1次轉換環節，增加了系統故障幾率，損失了蓄電池容量，降低了蓄電池利用率。

系統主要失效模式：①當交流停電，同時電池組損壞時，無法提供直流驅動電源；②當每個驅動電機由單獨的門頭轉換模塊供電時，無冗余，降低了可靠性，如果轉換模塊損壞，無法開關門。

圖5　交流UPS+門頭轉換模塊(DC48V)電源系統框圖

圖6　直流UPS+DC/AC+DC/DC電源系統框圖

4.1.5交流UPS+門頭轉換模塊(DC48V)

系統由整流模塊、逆變模塊、隔離變壓器、蓄電池組、門頭轉換模塊及配電單元組成（圖5）。

系統工作方式：①市電經整流模塊、逆變模塊、隔離變壓器后輸出AC380V或AC220V到站臺門門頭，再經門頭轉換模塊轉換成DC48V后給驅動門機供電。同時通過充電模塊給蓄電池組充電。②當市電停電后，蓄電池組通過升壓、逆變模塊、隔離變壓器后輸出AC380V或AC220V交流到站臺門門頭，再由門頭轉換模塊轉換成DC48V給驅動門機供電。

系統特點：停電后，蓄電池需通過升壓、逆變模塊、隔離變壓器再由門頭轉換模塊給驅動門機供電，通過了2次轉換環節，增加了系統的故障幾率，損失了蓄電池容量，降低了蓄電池的利用率。

系統主要失效模式：①交流UPS如采用整機型的UPS，系統存在單點故障，降低系統的可靠性，同時整機型UPS不能做到帶電插拔和在線維護，增加后期維護成本和工作量；②當每個驅動電機由單獨的門頭轉換模塊供電時，無冗余，降低了可靠性，如果模塊損壞，無法開關門。

4.2控制電源

控制電源主要是直流UPS+DC/ AC+DC/DC和交流UPS+AC/DC兩種供電方式 。

4.2.1直流UPS+DC/AC+DC/DC方案

系統由整流模塊、DC/AC模塊、DC/DC模塊、蓄電池組及配電單元組成（圖6）。

系統工作方式：①市電經整流模塊（N+1冗余配置）轉換成DC110V，分別給DC/AC及DC/ DC模塊供電，同時給蓄電池組充電。②當市電停電后，蓄電池組直接給DC/AC及DC/DC模塊供電。

系統特點：關鍵模塊采用冗余設計，無單點故障，系統可靠性高。可帶電插拔可在線維護。市電失電后，蓄電池組直接給DC/AC及DC/DC模塊供電，無中間環節。

系統主要失效模式：當市電失效時，同時蓄電池組故障后，控制電源無法輸出。

4.2.2交流UPS+AC/DC方案

系統由整流模塊、逆變模塊、隔離變壓器、AC/DC模塊、蓄電池組及配電單元組成（圖7）。

系統工作方式：①市電經交流UPS的整流、逆變模塊及隔離變壓器后輸出AC380V或AC220V給AC/DC模塊供電；②當市電停電后，蓄電池組通過升壓、逆變模塊及隔離變壓器后輸出AC380V或AC220V 給AC/DC模塊供電。

系統特點：停電后，蓄電池需通過升壓、逆變模塊及隔離變壓器，再給AC/DC轉換模塊，通過了2次轉換環節，增加了系統的故障幾率，損失了蓄電池容量，降低了利用率。

系統主要失效模式：交流UPS如采用整機型，系統存在單點故障，降低系統可靠性，同時整機型UPS不能做到帶電插拔和在線維護，增加后期維護成本和工作量。24 V采用AC/DC方式，交流UPS故障時，站臺門無法正常工作。

5　方案比較

5.1驅動電源方案比較

針對直流110 V、48 V驅動電機采用直流UPS和交流UPS兩種供電方案，從系統可靠性、可用性、可維護性進行比較。

（1）系統供電可靠性。直流UPS方案，其整流模塊采用N+1配置，只需要1次交直流轉換，無單點故障；交流UPS方案做不到全部N+1配置，停電時蓄電池組需要通過升壓、逆變和隔離變壓器后才能供到母線，存在單點故障。因此，在可靠性方面，直流方案優于交流方案。

（2）可使用效率。直流UPS方案蓄電池不需要經過轉換，交流UPS方案需要通過逆變、隔離變壓器、AC/DC轉換，因此，轉換效率和蓄電池使用率方面直流方案優于交流方案。

（3）可維護性。直流UPS可方便實現對蓄電池組的充放電管理，模塊可帶電插拔，便于系統維護；交流UPS電源做不到所有模塊都帶電插拔，維護周期較長。

（4）占用空間。直流UPS與交流UPS方案相比，由于轉換數量少，不需要旁路系統；而且直流UPS系統的需要的空間小，可方便配置標準柜體。

綜上所述，直流UPS在使用效率、可靠性、可維護性、運營成本、產品標準化等方面比交流UPS有優勢。

5.2控制電源方案比較

針對控制電源采用直流UPS+ DC/AC+DC/DC和交流UPS+AC/ DC方案，從系統可靠性、可用性、可維護性進行比較。

（1）系統可靠性。直流UPS+ DC/AC+DC/DC模塊均采用冗余設計，市電失電后，蓄電池組直接給DC/AC及DC/DC模塊供電，無中間環節，系統可靠性高。交流UPS+ AC/DC如采用整機型，系統存在單點故障，市電失電后，蓄電池組需要經過逆變、隔離變壓器等中間環節，降低了系統可靠性。

（2）可使用效率。直流UPS+ DC/AC+DC/DC方案只經過1次轉換，其轉換效率高；交流UPS+ AC/DC方案需要通過逆變、隔離變壓器、AC/DC轉換，因此，轉換效率和蓄電池使用率方面直流方案優于交流方案。

（3）可維護性。直流UPS+DC/ AC+DC/DC方案可帶電插拔可在線維護，優于交流UPS+AC/DC方案。

6　結語

通過分析、比較以上站臺門電源系統應用方案，相對交流UPS方案，直流UPS方案供電可靠性高、投資少、方便維護和使用，其中驅動電源110 V直流UPS供電方案和控制電源直流UPS+DC/AC+DC/ DC供電方案在城市軌道交通站臺門系統應用中又有比較明顯的優勢，因此，推薦選用。

圖7　交流UPS+AC/DC電源系統框圖

參考文獻

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責任編輯 冒一平

Analysis on Application of Power System in Transit Platform Door

Liu Yanrong

Abstract:The paper gives a detailed description of the basic composition of platform door power system in urban transit, the commonly used solutions for power supply system and working principle, comparison and analysis carried out from aspects of failure mode, single point failure, module conversion, battery use, maintenance & management etc. for different power supply solutions, and it suggests solutions for platform door power supply system.

Keywords:platform door, power supply, driving power, power control

收稿日期2015-03-09

基金項目：北京市科技計劃課題 (Z131100004113004)

中圖分類號：U231.8