地鐵信號電源系統(tǒng)冗余配置方案研究

凌 力

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢//高級工程師)

信號系統(tǒng)設(shè)備的供電為一級負荷中特別重要的負荷[1]。因此，信號電源系統(tǒng)的安全、可靠非常重要。

1 單套設(shè)備配置方案

地鐵信號電源系統(tǒng)主要設(shè)置在信號設(shè)備集中站，由電源切換單元、不間斷電源(UPS)、穩(wěn)壓器、蓄電池組及電源屏等功能單元組成。國內(nèi)地鐵建設(shè)的相關(guān)標準和規(guī)范并未對信號電源設(shè)備的冗余性做明確要求。一般建設(shè)初期地鐵信號電源系統(tǒng)普遍采用單套電源切換單元+單臺UPS的單套設(shè)備配置方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單套設(shè)備配置下信號電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號電源系統(tǒng)由動力照明系統(tǒng)分別提供2路獨立的三相五線制交流電源(380/220 V，50 Hz)至信號設(shè)備室配電盤的電源輸入端子上。信號電源切換單元從配電盤引入2路交流電源輸入，經(jīng)切換同時為UPS輸入回路、穩(wěn)壓器及轉(zhuǎn)轍機等設(shè)備供電。UPS主回路電源經(jīng)UPS整流、逆變后輸出給各類重要的交、直流信號負載，同時為蓄電池充電。

各類信號設(shè)備中，交流轉(zhuǎn)轍機電源的2路外電輸入一般直接經(jīng)過電源屏切換后通過隔離變壓器輸出，而非經(jīng)過UPS設(shè)備。而其他交流電源(如信號機、聯(lián)鎖機、計軸主機、軌道電路等信號設(shè)備電源)均由UPS穩(wěn)壓后經(jīng)過不同類型隔離變壓器進行回路分配。

2 冗余配置方案

2.1 冗余配置的必要性

單套設(shè)備配置方案的電源切換單元均設(shè)有手動切換裝置。當電源切換單元發(fā)生故障時，可通過直供模式供電。而UPS等關(guān)鍵產(chǎn)品的技術(shù)成熟度非常高，其可用性指標一般在99.99%以上，平均無故障時間一般為50萬h左右，一年內(nèi)的故障時間不超過30 min。此外，UPS設(shè)備均配有旁路靜態(tài)開關(guān)及手動檢修旁路開關(guān)，可在UPS內(nèi)部模塊發(fā)生故障及維修時自動或手動觸發(fā)旁路回路向負載供電。

從理論數(shù)據(jù)來看，單套設(shè)備配置方案能滿足地鐵信號系統(tǒng)正常運行的需要，同時由于投資小、配套少等優(yōu)點適合在線網(wǎng)建設(shè)初期采用。但近兩年間，由于存在設(shè)備缺陷，故發(fā)生了若干起因信號電源系統(tǒng)故障進而影響地鐵正常運行的不良事件。

信號電源設(shè)備缺陷引起的單點故障成為信號系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重大隱患，有必要通過提高系統(tǒng)冗余配置的手段來克服設(shè)備缺陷所帶來的不利影響。

信號電源設(shè)備冗余配置以杜絕設(shè)備單點失效為目的，可采用UPS并機冗余方案及雙切換、雙UPS、雙母線供電冗余方案。

2.2 UPS并機方案

文獻[3- 4]提出了目前采用相對廣泛的一種UPS并機方案。UPS并機方案包含1套電源切換單元，1套穩(wěn)壓器，2套蓄電池，以及2臺容量相同，輸出電壓幅值、頻率、相位和相序均相同，且具有相同的軟、硬件版本的UPS設(shè)備。單套UPS的容量及單套蓄電池的容量均滿足全部負載供電的要求。

2臺UPS設(shè)備分別引接電源切換單元輸出，經(jīng)UPS整流、逆變后，再并聯(lián)輸送至交、直流配電屏輸出，共同為所有信號設(shè)備供電。配電屏內(nèi)根據(jù)不同負載需求配置不同的電源模塊。并機UPS設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置靜態(tài)旁路。當2臺UPS主機均退出運行時，可轉(zhuǎn)至靜態(tài)旁路供電。靜態(tài)旁路設(shè)置了穩(wěn)壓器和隔離變壓器，可在靜態(tài)旁路投入運行時為負載供電。

2.3 雙切換、雙UPS、雙母線供電方案

該方案信號電源系統(tǒng)均配置2套設(shè)備冗余獨立運行，嚴格避免單點故障對系統(tǒng)造成的風險。該方案設(shè)備主要包括2套電源切換單元、2臺UPS設(shè)備、2套穩(wěn)壓器、2套蓄電池以及電源屏設(shè)備。方案示意如圖2所示。

圖2 雙切換、雙UPS、雙母線分系供電示意圖

2.3.1 負載接入方式

在除轉(zhuǎn)轍機外的交、直流負載前端配置相應(yīng)的電源模塊，既可提供隔離電源，也可初步吸收信號負荷發(fā)生故障時對電源的沖擊。

對于自身采取冗余配置的交、直流負載，按冗余配置的主、備設(shè)備范圍經(jīng)電源模塊分別接入2臺UPS設(shè)備的輸出母線。

對于未冗余配置但采用雙電源輸入的交、直流負載，其兩路電源輸入分別經(jīng)電源模塊連接2臺UPS設(shè)備的輸出母線。

對于未冗余配置且采用單電源輸入的交、直流負載，設(shè)置專用的“1+1”冗余電源模塊分別連接2臺UPS設(shè)備的輸出母線。

2.3.2 故障場景分析

(1)當1路外電源停電時，由雙電源切換裝置切換到另1路外電源，以維持為UPS電源系統(tǒng)供電。

(2)當2路外電源均停電時，蓄電池放電，經(jīng)由逆變器向各負載供電。

(3)當單臺電源切換單元或穩(wěn)壓器發(fā)生故障時，由另1臺工作正常的單臺電源切換單元或穩(wěn)壓器配合相關(guān)UPS設(shè)備向各負載供電。當2套電源切換單元或穩(wěn)壓器均出現(xiàn)故障時，蓄電池放電，經(jīng)由逆變器向各個負載供電。。

(4)當UPS逆變器發(fā)生故障時，自動切換到靜態(tài)旁路供電；當UPS整流器發(fā)生故障時，故障UPS裝置先由蓄電池為系統(tǒng)負載供電，待蓄電池放電結(jié)束后，自動切換到靜態(tài)旁路供電。當1臺UPS逆變器或者整流器發(fā)生故障，而靜態(tài)旁路無法自動切換時，故障UPS所供負載斷電，退出運行，另1臺UPS維持供電，保證信號系統(tǒng)的正常運行。如2臺UPS均出現(xiàn)故障，則自動切換到靜態(tài)旁路供電。

(5)當2路進線均停電，且1臺UPS發(fā)生故障時，故障UPS所供負載斷電，退出運行，另1臺UPS維持供電，保證信號系統(tǒng)的大部分功能正常運行。

(6)當系統(tǒng)需要進行蓄電池維護或蓄電池發(fā)生故障時，應(yīng)退出需要維護的蓄電池組或故障蓄電池組，以便進行維護或檢修；此時，1套UPS無蓄電池工作，另1套UPS正常工作。

2.3.3 方案對比

(1)可靠性對比：相比UPS并機方案，雙切換、雙UPS、雙母線方案增加了冗余的電源切換單元和穩(wěn)壓器，避免了上述設(shè)備單點失效風險，其系統(tǒng)可靠性略高。

(2)經(jīng)濟性對比：相比UPS并機方案，采用2臺100%負載容量的UPS設(shè)備，雙切換、雙UPS、雙母線方案雖增加了冗余的電源切換單元和穩(wěn)壓器設(shè)備投資，但UPS電源設(shè)備、蓄電池組容量得到了優(yōu)化,每臺UPS設(shè)備、蓄電池組的容量可按信號負載需求的60%考慮，不僅減少了UPS設(shè)備、蓄電池組的初期建設(shè)投資，而且節(jié)省了配套機房面積、荷載，以及建設(shè)成本和后期運營成本。以單站容量需求為30 kVA的信號電源設(shè)備為例進行計算可得：傳統(tǒng)單套設(shè)備方案建設(shè)成本約為30萬元；UPS并機方案成本約為60萬元；雙切換、雙UPS、雙母線方案如采用2套容量較小的UPS設(shè)備，則其建設(shè)成本可控制在45萬元左右，比UPS并機方案節(jié)省約15萬元。

3 結(jié)語

本文從分析信號電源系統(tǒng)設(shè)備自身缺陷對運營的不利情況出發(fā)，分析了通過系統(tǒng)冗余配置加以改進的必要性。在較廣泛使用的雙UPS并機方案基礎(chǔ)上，研究提出了相對優(yōu)化的雙切換、雙UPS、雙母線冗余實施方案。對于地鐵建設(shè)而言，信號電源系統(tǒng)也可按照統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施的思路：項目前期可在線網(wǎng)規(guī)模較小、投資有限的情況下暫時采用單套設(shè)備配置方案；項目后期可根據(jù)運營需求逐步完善成雙切換、雙UPS、雙母線的冗余配置方案。

[1] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157—2013[S] .北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013: 1.

[2] 中國城市軌道交通協(xié)會. 城市軌道交通2016年度統(tǒng)計和分析報告[R].北京：中國城市軌道交通協(xié)會，2017.

[3] 孫志強.簡談地鐵信號電源的雙UPS并機方案[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2016，13(5): 76.

[4] 馬軍民.地鐵信號電源的雙UPS并機方案[J].科研，2016(12): 255.