信號機房雙電源改造技術方案可行性研究

莊 維，凡振松，王 利

（1.卡斯柯信號有限公司, 北京 100070；2．上海市鐵路智能調度指揮系統工程研究中心，上海 200071）

電力系統是鐵路軌旁信號機房的最基本組成部分，也是鐵路運輸安全生產的基本保障，尤其是室內供電系統更是承載著鐵路信號設備穩定運行和安全穩定的控制功能。隨著信號設備的密集化、多功能化的發展，對電力穩定的輸出有更嚴格的要求。下面以2009年開通的首條高速鐵路專線鄭西線洛陽龍門站為例進行探討。

1 機房信號設備系統既有工程概況

1.1 現狀調查

該站采用鼎漢廠家的第三代智能電源屏PZG系列。系統以自動控制為核心，技術上采用功率電子預熱電磁技術、使用高頻逆變開關電源穩壓模塊（Power Factor Correction，PFC），設計上入口電源接外電網采用兩路三相交流電雙Y型切換輸入方式、先集中穩壓后并聯輸出供電，同時模塊支持熱插拔。在電源工作過程中監測模塊對各參數進行監控，如有異常發出聲光報警。

該站智能電源屏按照功能由以下部分組成，系統示意如圖1所示。

1.2 雙電源的設備類型介紹

站內行車和調車作業安全的信號控制設備聯鎖系統、地面信號控制設備列控系統、集中調度控制車站CTC系統、軌道電路、通信機柜內的通信組匣（通信接口板）和安全數據網業務的交換機設備，運轉室內的聯鎖操作終端和CTC/TDCS車站終端都需要智能電源屏變壓器模塊二對二冗余模式雙路供電。單電源常見的故障表現為電源模塊內部故障、輸出電路器斷開、單電源破皮接地等。當電流電源欠壓時，電源模塊自動關機保護，需人工故障排除后才能重啟模塊恢復工作。當電流限流時，也會造成斷路器斷開而無電壓電流輸出。一旦影響行車的設備斷電，會引發惡性事故。

在不影響既有系統使用情況下，鄭西線雙電源改造受限于大修年限和工程量的超時風險，需在一個施工天窗點內完成。根據洛陽電務段提出的方案需求，本次改造涉及到上述信號子系統中TDCS/CTC、安全數據網和通信接口板3種設備的供電電源。單電源系統供電可靠性差，雙電源供電的改造勢在必行。

圖1 電源屏供電示意圖Fig.1 Schematic diagram of power supply of power panel

2 改造技術方案與分析

2.1 方案一：負載電源改成雙電源輸出

由于每個站使用電源屏機柜數不同，安裝使用的電源模塊數也不同。在不影響既有供電模塊工作前提下，以洛陽龍門站為例，在電源屏供電機柜上新增信號設備的二路電源模塊，即系統內部配電單元的二路負載輸出，同時開關電源模塊的額定功出電壓和電流有如下要求。

1）新增TDCS/CTC電源2模塊 AC220 V/10 A；

2）新增安全數據網電源2模塊 AC220 V/1.5 A；

3）新增通信組匣(通信接口板)電源2模塊AC220 V/7 A。

優點：子系統設備輸入端市電可以直接接入電源模塊，電源模塊單獨處理，避免集中穩壓帶來的共性失效問題。模塊采用“1+1”熱備份，可靠性高。同時監控內容細分化便于用戶維護。

缺點：由于沒有在功率切換裝置控制，模塊的功率損耗高，效率低，并且外電故障還會引發設備系統斷電。

2.2 方案二：新增加系統外部UPS不間斷供電電源

在對電源有特別要求的信號系統中，以TDCS/CTC系統為例，采用電源屏和設備中間串聯一組不間斷供電設備UPS來滿足需求。本次設計探討擬采用雙套APC Smart-UPS RT 2000UXI型號240架裝式不間斷電源，電源主要功能是實現雙路UPS的負載自動切換供電，保證負載UPS 故障情況下能夠自動切換到備用UPS。雙套UPS故障或者UPS維護更換期間也可以切換為旁路由電源屏直接給CTC設備供電。UPS系統拓撲如圖2所示。

當CTC 系統I、II路正常供電，雙套UPS開機后，切換器自動選擇一路UPS輸出作為系統的電源，并對應該路的APC設備工作指示燈亮；當雙套UPS輸出都正常時，哪一套先輸出則選擇哪一套作為系統電源。UPS輸出電源優先于旁路電源系統，只有在兩套UPS 輸出都沒有或都不正常時，才自動切換到旁路，并且旁路工作指示燈亮。

圖2 UPS系統拓撲圖Fig.2 Topology diagram of UPS system

優點：保障電源供應的穩定性，并應對外部突發斷電等異常情況下仍能保障設備正常運行，以便留有緩沖時間來應急處理斷電故障。同時，利用既有排架報警盒盯控斷路器閉合情況，傳給監測系統便于日常巡檢。

缺點：UPS系統關聯設備多，需要額外的空間來安裝，不利于空間不足的系統設備中，另外成本大，對于沒有必要的設備可選擇其他供電方式。

2.3 方案實施設計

整合上述兩種設計方案保障設備供電的可靠性，如圖3改造設計中雙虛點劃線所示。CTC車站分機系統設備在電源屏輸出端新增高頻逆變開關電源穩壓模塊，在機柜輸入端加裝UPS不間斷電源和雙電源切換裝置系統，使得在一路供電異常后可以不影響設備工作下自動切換另一路供電。當兩路供電都異常后，啟用外接UPS電源可在短時間斷電內仍保障設備系統正常工作。

通信機柜內的通信組匣（通信接口板），受限于機柜內部空間影響，接口板已經是雙套板冗余工作，只增加兩個板子的二路電源供電即可，不需提供UPS系統，監測系統監測供電模塊的空開狀態。

安全數據網業務的交換機設備，內部自帶切換和穩壓控制，不需要額外提供UPS系統，需增加二路電源模塊輸入即可，監測系統增加盯控電源屏模塊輸入端斷路器的開閉狀態。

以洛陽龍門為例，改造原理結構如圖3所示。

3 監測雙電源供電系統

當改造過后應當對雙電源設計技術方案進行檢驗，包括人為斷電，耗時斷電和故障斷電。查看電源屏報警顯示器是否有報警提示和聲響，此視為一級監控；并且電源屏報警信息通過RS-485串口線發送報警信息給監測站機進行后臺監控，以共線通信通道方式進行集中組網監測，控制中心集中監測系統調閱遠程監測終端，查看是否有電源屏報警一級報警記錄和報警內容。并且在模擬量上能準確顯示新增二路的電壓值和電流值，實現遠程實時動態監測和管理，此視為二級監控。

圖3 改造原理結構圖Fig.3 Structural diagram of reformation principle

4 結束語

經過探討鄭西線洛陽龍門站信號機房的雙電源改造技術方案，認為方案三提到的CTC信號設備系統改造用雙電源控制具有可行性。在正常情況下，兩路電源同時供電，各承擔50%的負荷，當任何一路電源斷電時，可自動轉成另外一路承擔全部負荷，即使兩路電源都斷電，也能在一定時間內保證設備的正常工作，能有效的解決單電源供電的不穩定性問題，并且在監測系統的監控下，不僅實時盯控雙電源輸出的工作狀態，及時發現問題解決問題，還能減輕維護人員的工作量，保證系統可靠、穩定的運行。具有對鄭西全線雙電源改造工程具有普遍指導意義。