地鐵信號系統軌旁無線設備供電可靠性分析

華晟蘇阿峰

地鐵信號系統軌旁無線設備供電可靠性分析

華晟蘇阿峰

（卡斯柯信號有限公司，200071，上海//第一作者，工程師）

軌旁無線設備（TRE）是地鐵信號系統車地無線通信的重要組成部分，TRE供電系統是確保車地無線通信連續的重要系統。從地鐵供電系統、信號電源屏系統、TRE及其電纜布置方式三方面著手，采用常規分析法和故障樹分析法，定性、定量地分析常規結構下TRE供電系統的可靠性，以論證其可靠性是否滿足要求，并探尋其短板。

地鐵；車地無線通信；軌旁無線設備；供電可靠性；故障樹分析

Author′s addressCASCO Signal Ltd.，200071，Shanghai，China

軌旁無線設備（TRE）在基于通信的列車控制（CBTC）信號系統中扮演著舉足輕重的角色，是車地通信系統中的重要一環。而TRE供電系統直接決定了TRE能否工作。以往的探討局限于TRE電纜布置原則是否合理，但實際上TRE供電的可靠性不僅由軌旁TRE電纜布置原則（即狹義上的TRE供電方式）決定，還取決于前端的信號電源屏和變電站（地鐵供電系統）以及后端的TRE，它們之間是串聯關系。即λ總=λ市電+λ鐵電+λ電源屏+λTRE。其中λ總表示任何導致TRE失電這一事件的總故障率。因此，TRE失電不能孤立地只考慮TRE電纜布置本身，若前、后端故障率相差了幾個數量級，那么單獨討論其中某一個系統的故障率是沒有意義的。本文按照整體結構將TRE供電系統分為變電站、電源屏和TRE電纜布置（含TRE）三部分，進行常規分析和故障樹分析法（FTA）分析，得出可靠性方面的結論。

1 整體結構和工作方式

TRE的供電鏈路為：市電—地鐵供電系統（主變電站—牽降混合變電站及降壓站）—信號電源屏—TRE，為串聯結構。地鐵供電系統、電源屏系統、TRE供電系統的結構圖如圖1～4所示。在TRE供電鏈路中，若市電輸出無電，則地鐵所有系統將無電，這種情況在國內未曾發生過，因此故障率記為0。此外，單個主變、環網分段同時故障會造成部分分區失電，按國內地鐵供電系統的結構，一般一條地鐵線中一半的車站將無電，這種情況在國內也未曾發生過，因此故障率也記為0。

1.1地鐵供電系統及其工作方式

某地鐵線（本文對站名做了替換）設置體育館和人民公園兩座110 kV/35 kV主變電站，采用集中供電方式對全線進行供電。35 kV中壓供電網絡采用雙環網方式。全線設6個供電分區，變電站35 kV母線采用單母線分段接線方式。上述結構也是目前國內主流設計。各變電站的設置見圖1，35 kV環網分段開關設在魯迅公園降壓站。

以火車站牽降混合變400 V I段信號負荷為例，其正常工作方式為（暫不描述各斷路器和隔離開關）：市變電站A I段進線—體育館主變電站110 kV I段母線—110/35 kV變壓器—主變35 kV I段母線—牽降混合變35 kV I段母線—35/0.4 kV變壓器—400 V I段—信號負荷。

圖1 地鐵供電系統結構

圖2 信號電源屏系統

圖3 TRE電纜布置

圖4 TRE內部供電結構

1.2信號電源屏系統及其工作方式

本地鐵線信號系統電源屏采用單UPS（不間斷電源）方案，其結構如圖2所示。電源屏由I、II路切換單元、工作模式選擇開關、穩壓器、UPS（含整流器、逆變器、隔離變壓器、靜態開關等）、蓄電池組、隔離變壓器、防雷器、空開等組成。

正常工作方式為：依次合上I、II路空開，切換單元通過互鎖機構按合閘順序將后一路斷開，UPS主進線得電，經整流、逆變后輸出，經隔離變壓器和空開將電源分配給TRE。

1.3TRE及其電纜布置

按本公司常規設計，區間內TRE連至最近車站信號設備室的電源屏上。TRE的供電電纜按圖3所示的鏈形結構進行布置。軌旁每個TRE都連接到紅網電纜和藍網電纜上。每條供電電纜最多連接4個AP。

紅網供電電纜和藍網供電電纜布置在軌旁電纜托線支架的不同層上，經電源盒分配后接入TRE（見圖4），經濾波器、空開、電源轉換模塊接入AP和EMCT（光電轉換器）。

2 常規分析

從設備和系統的冗余性、故障工作模式、故障影響范圍等常規角度來分析系統的可靠性。

2.1地鐵供電系統

地鐵供電系統故障工作模式：如圖1所示，地鐵供電系統各級設備均為冗余設置，各級分段開關雖沒有冗余，但其僅作為一段母線失電時聯絡兩段母線由另一段母線送電救援用（市變電站設有110 kV分段開關）。因此，各設備單個故障時，或者另一段有冗余，或者可由下一級的分段開關閉合給下一級供電，部分設備甚至有雙重冗余，如魯迅公園降壓站35 kV有4路進線開關。

綜上所述，地鐵供電系統所有關鍵設備都有冗余，又有本站各級分段開關、環網分段開關作為后備救援，對于從I段、II段各取一路電的信號系統，有多重冗余、交叉冗余保護，系統的可靠性極高。

2.2信號電源屏系統

信號電源屏系統故障工作模式：如圖2所示，當切換單元故障時，I路或II路電源經旁路轉換開關接入穩壓器，經濾波后輸出，經隔離變壓器和空開將電源分配給TRE；當I、II路輸入無電時，由蓄電池組給UPS供電，經逆變后輸出，經隔離變壓器和空開將電源分配給TRE，但此模式下蓄電池組僅能提供30m in的電源；當UPS故障（指逆變器、整流器或靜態開關故障）時，I、II路電源經切換單元切換后，通過穩壓器經UPS旁路輸出，經隔離變壓器和空開將電源分配給TRE。

綜上所述，電源屏系統內切換單元、UPS和穩壓器未設置冗余設備，其它設備均為冗余配置，由其故障工作模式可知，切換單元、穩壓器或UPS故障都不會導致電源屏輸出無電，要想造成3.2節所述的TRE雙路失電，需設備成對地損壞，而這種概率很低。但圖2中UPS內主進線和旁路進線并聯后公共出線上的一個內部開關及外部的QF11開關沒有冗余設置，這兩個開關是關鍵設備，其一旦故障，將造成電源屏輸出無電，因此從可靠性和經濟性來看，更優的方案是雙UPS并聯輸出設計。

2.3TRE及其電纜布置

TRE及其電纜故障工作模式：當發生單點故障（如圖4中濾波器、空開或電源模塊故障）時，AP會失電，但即使一個AP失電，還有互為冗余的另一個AP在工作，線路仍被無線覆蓋；當發生雙點故障時，按照自由無線方案鏈路損耗，在直線區段，列車距AP 350m時場強余量在滿足國家規定的情況下仍有富裕，TRE布置原則據此按間距350 m來設置，因此以圖5所示TRE 2為例，即使一個TRE的兩個AP都失電，線路上無線覆蓋仍是連續的；當發生單路故障（如圖3中藍網AP電源4主饋電電纜故障），則TRE 1、2、3、4的藍網將失電，但此時線路上仍有紅網無線覆蓋；當發生雙路故障（如圖3中藍網AP電源4和紅網AP電源4兩根主饋電電纜同時故障），則TRE 1、2、3、4所覆蓋的區域沒有無線信號。

綜上所述，對于軌旁供電鏈路，各級均為冗余設計，僅在雙路故障時會使車地通信中斷。目前采用本公司CBTC方案在地鐵線路中運行的TRE有幾千個，最早的已超過5年，對于軌旁供電鏈路，至今只發生過TRE電源模塊故障造成的單點和雙點故障。

圖5 TRE無線覆蓋區域示意圖

2.4常規分析總結

從上述分析中可以看到，TRE供電系統幾乎處處進行了冗余設計，有些甚至是多重的交叉冗余，因此系統的可靠性極高。從已開通的項目中幾千個TRE的運行情況來看，未出現過因TRE供電故障導致無線覆蓋故障而致CBTC運營中斷的案例。

TRE供電系統是信號系統的一部分，其最終目的是保證無線覆蓋的連續。光電轉換器、網線、光纜、光模塊、交換機等雖不屬于TRE供電系統的設備，但其損壞均會造成無線覆蓋中斷，因此不能孤立地看待問題，單一地不計代價地提高某一個環節的可靠性是盲目的，整個系統的最短板將決定系統的整體可靠性。如本文案例中的電源屏設計為單UPS，在此結構中有兩個斷路器位于主饋線上沒有冗余配置，一旦其中之一故障，則此站整個信號系統將無電，這是整個系統的短板。

3 FTA分析

可靠性分析法有很多，如可靠性框圖、馬爾可夫模型、GO模型、故障樹分析法（FTA），本文選用FTA分析TRE供電系統的故障率。FTA可直觀、清晰地顯示工作流程和各設備間的相互聯系，以及系統中的關鍵設備，能為排除故障提供指導，是較好的定性、定量分析法。

3.1地鐵供電系統

如上所述，將市電和主變的故障率視為0，以火車站牽降混合變為例（見圖6），其400 V I段信號出線故障的故障樹及各設備的代號如圖7所示。

圖6 火車站牽降混合變

3.1.1 定性分析

最易引起系統失效的一、二階最小割集為：

（X1），（X2），（X3），（X4，X13），（X4，X21），（X4，X22），（X5，X13），（X5，X21），（X5，X22），（X6，X13），（X6，X21），（X6，X22），（X7，X13），（X7，X21），（X7，X22），（X8，X13），（X8，X21），（X8，X22）。

圖7 火車站牽降混合變400 V I 段信號出線失電FTA 分析

結構的重要度為：

I（X3）=I（X2）=I（X1）>I（X13）>I（X22）=I（X21）>I（X20）= I（X19）=I（X18）=I（X17）>I（X26）=I（X25）=I（X24）=I（X23）> I（X8）>I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）>I（X12）=I（X11）= I（X10）=I（X9）>I（X16）=I（X15）=I（X14）。

3.1.2 定量分析

代入已公開的地鐵供電系統各類設備的故障率（見表1），部分無法查知故障率的設備由相近設備代替，得出I段信號出線失電的故障率為1.65×10-4，與II段并聯后整個火車站牽降混合變400 V信號出線失電的故障率為2.72×10-8。

表1 地鐵供電系統相關設備故障率

3.2信號電源屏系統

參照1.2和2.2節，由圖2，不考慮蓄電池組的作用（因為其僅能供電30m in），電源屏上某一路紅網AP電源與藍網AP電源同時故障情況下的故障樹如圖8所示。

3.2.1 定性分析

最易引起系統失效的一、二階最小割集為：

（X5），（X6），（X1，X19），（X1，X20），（X1，X21），（X1，X22），（X12，X13），（X2，X19），（X2，X20），（X2，X21），（X2，X22），（X3，X19），（X3，X20），（X3，X21），（X3，X22），（X4，X19），（X4，X20），（X4，X21），（X4，X22），（X7，X17），（X7，X18），（X8，X14），（X9，X14）。

結構的重要度為：

I（X6）=I（X5）>I（X7）>I（X22）=I（X21）=I（X20）= I（X19）=I（X14）=I（X13）=I（X12）=I（X9）=I（X8）=I（X4）= I（X3）=I（X2）=I（X1）>I（X18）=I（X17）>I（X16）=I（X15）= I（X11）=I（X10）。

3.2.2 定量分析

代入電源屏各類設備的故障率（見表2），得出因電源屏故障導致單個TRE紅藍AP同時失電的故障率為4×10-6。

3.3TRE電纜分布

參照2.3節，由圖3和圖4，TRE供電鏈路上最末端、故障率最高的TRE4的故障樹如圖9所示。

表2 電源屏相關設備故障率

3.3.1 定性分析

最易引起系統失效的一、二階最小割集為：

（X1，X10），（X1，X11），（X1，X12），（X1，X13），（X1，X14），（X1，X8），（X1，X9），（X2，X10），（X2，X11），（X2，X12），（X2，X13），（X2，X14），（X2，X8），（X2，X9），（X3，X10），（X3，X11），（X3，X12），（X3，X13），（X3，X14），（X3，X8），（X3，X9），（X4，X10），（X4，X11），（X4，X12），（X4，X13），（X4，X14），（X4，X8），（X4，X9），（X5，X10），（X5，X11），（X5，X12），（X5，X13），（X5，X14），（X5，X8），（X5，X9），（X6，X10），（X6，X11），（X6，X12），（X6，X13），（X6，X14），（X6，X8），（X6，X9），（X7，X10），（X7，X11），（X7，X12），（X7，X13），（X7，X14），（X7，X8），（X7，X9）。

結構的重要度為：

I（X14）=I（X13）=I（X12）=I（X11）=I（X10）=I（X9）= I（X8）=I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）=I（X3）=I（X2）= I（X1）。

3.3.2 定量分析

代入TRE各類設備的故障率（見表3），得出單個TRE紅藍AP同時失電的故障率為2.7×10-10。

表3 TRE相關設備故障率

3.4FTA分析總結

從分析計算的結果看，整個TRE供電系統的短板在電源屏系統，它與地鐵供電系統、TRE及其電纜布置相比差了至少兩個數量級。從電源屏系統的結構重要度來看，QF11（X6）、UPS（X5）、QF8（X7）是結構上最關鍵的3個設備，這是該線要求采用單UPS設計的緣故，若改為雙UPS架構，則這3個設備都將有冗余，故障率將大為降低。不過即使是單UPS結構，電源屏系統紅、藍AP電源不同時故障的平均無故障時間（MTBF）仍能達到250 000 h（約28.5年），大大超出了20年的信號系統設計要求。因此，整個TRE供電系統是可靠的，完全能滿足系統功能需求。

圖8 電源屏FTA 分析

圖9 TRE電纜分布FTA分析（含TRE）

4 結語

近年我國各城市地鐵供電系統的結構絕大部分均與該線一樣，其也被理論和實踐證明是最可靠的結構。該結構故障率極低，完全能滿足系統需求，且不同廠商的設備的MTBF相差無幾，若想進一步提高地鐵供電系統的可靠性，只能從人員素質和管理方式上著手。對于信號電源屏系統，兩臺UPS并聯或者單UPS都是主流的做法，單UPS雖有明顯的短板，但計算后可知可靠性實際也較高，雙路AP的MTBF超過了信號系統設計使用年限20年的要求，若不考慮性價比可設計為雙UPS來進一步提高系統的可靠性。對于TRE電纜布置，從計算結果看可靠性是三個系統中最高的，沒有必要進一步加強。

TRE供電是信號系統DCS（數據通信系統）的一部分，TRE得電或失電問題，最終影響的是車地無線通信。不單單是供電，光電轉換器、網線、光纜、光纖跳線、光模塊、光交換機等故障都會導致TRE無法工作。該線合同中約定無線通信系統與列車控制系統結合的MTBF是105h，TRE供電系統的MTBF比其高了一個數量級，因此完全滿足要求。

DCS的某些設備故障雖不會導致TRE失電，但會造成TRE無法工作，其與TRE失電的結果是等效的。此外，電源屏某些設備故障影響到其他設備如本站的聯鎖或ATC（列車自動控制）失電，或者本站信號系統失電了，那么TRE正常工作也無意義。因此，盲目地花大代價追求TRE供電的可靠是沒意義的，更何況TRE供電的可靠性遠在標準之上。

一些人為的不可預料的因素（如施工挖斷電纜等人為的誤操作）無法經由常規分析和FTA分析考量，運營方需從管理方式、操作規程、人員培養等方面著手，科學合理地規避人為故障的產生。

［1］曾德容.地鐵供電系統可靠性和安全性分析方法研究［D］.成都：西南交通大學，2008.

［2］張藹薔.故障樹分析在電力系統可靠性研究中的應用［J］.華東電力，2005，33（2）：14-17.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范：GB 50157—2013［S］.北京：中國建筑工業出版社，2014：140-180.

Reliability Analysis of TRE Power Supp ly of M etro Signal System

HUA Sheng，SU Afeng

TRE is one of the most important parts in metro signal train-ground w ireless communication system.TRE power supply is an important system to ensure the continuous communication between train and trackside.In this article, from aspects of metro power supply system,signal power supply panel system,and TRE w ith its′cable design layout,the conventional analysis and fault tree analysis are used to make a qualitative and quantitative analysis of the reliability of TRE power supply system.The purpose is to verify the system′s reliability inmeeting the demands and to explore itsweakness.

metro；train-ground w ireless communication；TRE（trackside radio equipment）；reliability of power supply；fault tree analysis

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.07.007

2016-11-03）