高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統電源改造方案探討

喻珊珊

（廣鐵集團電務處，廣州 510088）

大多高速鐵路易受大風、暴雨、大雪、地震的影響，為了保障行車安全，提高運輸效率，需要建設包括風、雨、雪、地震的自然災害監測系統，使高速鐵路具備在大風、暴雨、大雪、地震氣象條件下抵御災害的能力。過去列車低速運行時，以人為駕駛為主，當線路上有障礙物時，從目視發現到列車制動停止，時間和距離上尚可保證安全，意外較少。當高速鐵路列車以200km/h及以上的速度運行時，目視瞭望已不能保證行車安全，危險大大增加。因此，需要考慮異物侵限對行車的影響。高速鐵路自然災害及異物侵限監測（以下簡稱防災）技術引進，能有效防止自然災害及突發事件對鐵路行車造成的影響。

1 防災系統總體結構

防災系統總體結構由現場層設備、監控單元、監控數據處理設備與應用層設備四層組成。現場層設備用于現場災害信息采集，主要由各種災害信息采集傳感器（風速風向儀、雨量計、雪深計、地震傳感器）和異物現場監測設備組成。基站層設備用于現場采集信息分析處理，主要由監控單元組成。監控數據處理設備用于對實時數據進行存儲、運算、分析、轉發等工作，主要由應用服務器、數據庫服務器、網絡設備等組成。應用層設備用于對監測數據的實時顯示、報警、數據統計等工作，是人機界面的接口，主要由各種應用終端組成。如圖1所示。

圖1 防災系統總體架構

2 存在問題

高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統自開通以來，充分發揮了該系統防災減災的設計目的，提高了動車組列車運行的安全性。但受設備早期無標準、工期緊的條件限制，產品存在某些缺陷。京廣高鐵廣局段既有防災監測系統監控單元電源子系統采用常規雙套UPS系統，冗余切換采用STS 靜態轉換開關實現，即監控單元UPS電源為兩路220V市電輸入，220V交流電源進入UPS后通過交直流轉換為直流電，掛載電池充放電。而后再將直流電逆變為交流220伏輸出。兩路220V交流電輸出后進入STS 靜態轉換開關進行冗余切換為一路交流電輸出。切換后的220V交流電作為監控單元系統內部的母線電源，內部功能模塊設備的電源通過此路交流電轉換后使用。帶有異物侵限監控報警的防災監控單元用電有兩部分，一部分是異物控制器和繼電邏輯使用AC-DC 轉換電源的直流24 伏電源，另外一部分是驅動列控繼電器的電源，這部分電源采用鐵路專用的硅整流電源進行轉換，交流220V輸入直流28 伏輸出。改造前防災電源子系統構成如下圖2。

圖2 改造前防災電源子系統圖

京廣高速（廣鐵集團范圍）防災系統原來的電源子系統以交流為核心的設計理念已經被目前更先進的以直流為核心的設計理念所替換。原有的電源子系統，用STS 作為雙UPS的冗余切換單元，如果STS 本身故障，容易導致雙冗余系統失效。原有的電源子系統，到風雨監測傳感器的供電使用柜內220V 母線供電，將柜內的220V母線拉遠到風雨監測點，如果此線路上受到了外界的干擾，勢必影響柜內220V 母線。如果此監控單元還存在異物監測子系統，也會影響到異物監測子系統的供電。帶有異物侵限監測報警功能的UPS 就會存在安全冗余不足風險，并機單元一旦出現故障，將導致2 路電源中斷，導致紅光帶產生，嚴重影響行車。綜合以上分析，需要對帶有異物侵限監測報警功能的監控單元機柜電源進行更新改造，提高設備可靠性，有效保障防災監控系統的安全運行。

3 解決方案

采用集成化模塊式電源，即采用防災綜合電源替代既有UPS。單臺防災綜合電源構成原理如圖3。

圖3 改造后防災電源子系統圖

防災綜合電源采用通信電源模塊加擴展電源模塊的方式進行供電，電池組掛接到整流模塊上，形成多路擴展電源。系統具備自檢監控功能，可采集各個電源模塊的工作狀態，并且通過RS-485 接口上報到監控單元主機。列控供電采用雙路冗余隔離方式，抽屜模塊化箱體結構。

4 電源系統改造前后效果對比

（1）電源系統集成化。原有的UPS 電源為一體機，當電源設備故障后，需要整體更換，維護成本高。新電源系統采用集成模塊化設計，采用整體架構模塊組成；模塊化設計采用機框框架架構，當某個模塊產生故障時，只需將故障模塊從機框拔下替換即可，大大減少了故障處理更換時間。

（2）兩路電源冗余并機切換。原有系統的電源并機采用STS 靜態轉換開關實現，由于UPS 輸出為交流，無法直接進行并機冗余，需加裝靜態轉換開關實現兩路交流電的冗余切換。當靜態轉換開關發生故障，整個后級供電全部中斷，造成監控單元掉電。新電源系統采用標準通信模塊電源，將交流220V市電轉換為直流48V進行后級供電，電池充放電直接掛接在48 伏輸出上，解決了當UPS 電源故障時整個系統失電的問題。另外由于輸出為直流，兩套電源的輸出可以直接進行并機使用，實現冗余無縫切換，減少了通過STS 并機故障點。

（3）減少電源中間轉換過程。常規UPS 系統采用交流轉直流，直流再轉交流的過程，電池在直流環節掛接，環節多，電源效率低下，且當電源發生故障，整個后級都會失電。新電源系統簡化過程，使用交流220V輸入轉換為直流48V，48V直接作為后級母線電源，電池系統也掛接在48V母線上；這種使用方法采用多級保護，當通信電源模塊故障后，電池系統會直接無縫給后級供電。

（4）系統內部電源模塊集成及自檢。新電源系統對監控單元內部分路電源做了集中處理，按照功能使用多路輸出，對各路電壓，電池充放電電流進行集中監測，便于維護管理部門集中監控。

5 結束語

廣鐵集團管內京廣高速線共有61處帶有異物侵限監控報警的防災安全監控單元。改造前，因為防災電源設計缺陷，故障造成紅光帶的有十幾起，其中很大部分都是靜態轉換開關不良造成。自從對帶有異物侵限監控報警功能的防災安全監控單元電源改造后，大大提高了防災系統設備的可靠性，有效保障了防災系統的安全運行。

[1] 高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統維護試行辦法（鐵總運[2013]142號）.

[2] 鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程施工及驗收標準Q/CR 9745-2014.