一體化信號電源系統的工作原理及應用分析

周勝利 中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段

隨著鐵路信號機房內智能化設備逐步增多，對電源設備穩定性、集成性、智能性的要求也越來越高。鐵路信號電源系統為信號聯鎖、閉塞和列控等關鍵設備提供源源不斷的動力，在增加其可靠性的同時，也增加了對大系統統籌和監控，而一體化信號電源系統整合了不間斷電源、配電、機柜、數據采集、干接點告警、漏電保護、信號電源模塊等多個系統，通過監控系統對全部子系統實現統籌管理，打造成為一體化產品，簡化了設計、采購、建設流程，成本更低，管理更方便，可靠性更高，維護更便捷，將逐步取代傳統信號電源屏。

1 一體化信號電源系統方案

一體化信號電源系統拓展了新思路，改變了傳統信號電源系統的供電結構，采用直流供電形式，使供電系統干擾小，工作更加可靠，另外供電模塊代替UPS，在擴容和維護上占據了明顯的優勢，符合現代化信號電源系統的發展要求。

1.1 系統組成

（1）輸入切換單元

切換單元為兩路進電，兩路輸入電源間具有自動轉換、手動轉換功能，每路輸入均具備手動直供功能，系統優先選選取更優質的一路輸入電源供電。當一路進電發生嚴重的過載或者短路等故障時，該路中對應的斷路器能自動切斷電路，保護設備。兩路輸入電源的轉換時間（包括手動和自動）不應大于0.15 s。

（2）不間斷供電單元

不間斷供電單元主要包括高壓直流模塊和蓄電池兩部分，承擔隔離、配電、檢測、續流的作用，在電源切換單元無輸出的情況下維持后端負載工作較長時間。

（3）穩壓電源模塊及隔離單元

穩壓電源模塊包括交流模塊和直流模塊，可將高壓直流模塊TU1 后端輸出的電源進行相應的轉換和控制，應用中需根據現場負載情況對信號電源模塊進行合理配備。電源屏各輸出電源模塊設有冗余模塊，當任一電源模塊出現故障或進行維修時，另一模塊可擔負后端負載全部用電量。隔離方式有兩種，部分模塊采用工頻變壓器隔離，部分模塊采用電源內部高頻隔離的隔離方式。

（4）監控單元

監控單元主要包括工控機及其配件，用于對信號電源系統設備的工作狀態和系統運行參數進行采集、處理、顯示、報警、記錄和故障定位，形成規范化的數據和報警信息并提供通信接口等完成監測功能的裝置。

1.2 方案介紹

一體化系統在進行系統設計時，采用的是雙母線冗余式配電架構，不同于傳統信號電源系統采用UPS 作為不間斷電源，UPS體積大，質量重，種類繁復，維護不便。一體化信號電源系統采用高壓直流TU 模塊作為不間斷電源，模塊化結構更簡單，雙母線方案有效解決了單點故障問題，可靠性更高，維護更便捷。一體化信號電源系統如圖1所示。

圖1 一體化信號電源系統圖

一體化系統主要工作原理如下：

（1）系統設置兩套Y 型切換系統，兩套切換系統互相獨立、互不影響，其中一路設定為1 路市電輸出，另外一路設定2路市電輸出。

（2）兩路市電經兩套Y 型切換系統分別輸出兩路母線，后端電源模塊按照N+N的配置方式分別均勻掛在兩路母線上。

（3）50 Hz 交流模塊功率較大，設計為三相輸入，輸出可并聯、實現零中斷切換。

（4）當市電任意一路發生缺相時，模塊發出相應的市電異常告警，但模塊仍可正常輸出。

（5）各直流模塊功率相對較小，設計為單相輸入，分掛不同相位，避免斷相時同時崩潰。

（6）主備模塊并聯輸出，實現零中斷切換。

（7）環節出現單點故障時均能夠實現有效的零中斷輸出。

1.3 關鍵技術

（1）采用雙電源供電方案，可提高電源系統的安全性和可靠性，能夠保證系統不間斷輸入。

（2）采用HVDC 供電方案，HVDC 電源模塊使用模塊化結構，拓撲簡單、可靠性高、效率高，可提升系統輸入抗沖擊能力。

（3）采用DSP（Digital Signal Processing 數字信號處理器，以下簡稱DSP）技術，系統構成簡單、可靠性高，控制速率快、精度高，靈活性強、兼容性好，易于實時監控。

（4）采用智能化電池管理技術，具備可擴展性，支持配備不同電池巡檢模塊并實現不同節數，不同組數電池的巡檢及管理。

1.4 系統維護

信號電源設備在運行中出現故障，不需要現場維修，供電模塊均遵循備份原則，且支持熱插拔，維護人員現場切換或適時更換即可。現場遇到疑難問題可及時撥打用服人員電話求助。

（1）設備巡檢。為了保證設備長時間穩定運行，需要對系統設備分階段進行巡檢，目前主要檢查方式分為日檢、月檢、季檢、年檢幾個階段，分別如表1所示。

表1 設備檢修周期及內容

（2）關鍵器件壽命。電源模塊、UPS、系統單板、參穩模塊等中使用的關鍵器件，為了防止器件因工作磨損失效而導致系統故障，建議定期檢查，在預期的壽命年限內進行更換（見表2）。

表2 關鍵器件壽命參數和建議更換時間

（3）常見故障處理步驟及方法。一體化電源系統的集成度更高，現場維護人員的故障處理更為簡單。首先觀察系統整體燈光告警顯示（包括模塊指示燈，系統指示燈等），狀態顯示（包括溫度，濕度，開關和交流接觸狀態等），記錄故障狀態；進一步觀察電源屏監控單元文字告警信息，記錄故障狀態；最終確定告警位置，針對故障信息進行對應處理。

①某路輸入電源故障。檢查接線是否正常，條件許可測試電網情況（如電壓、頻率、相序等），若有異常，及時聯系供電部門處理。

②切換電源或輔助電源故障。檢查對應指示燈和各處電壓，若有異常及時更換。

③防雷故障。檢查各防雷輸入開關和狀態顯示，若防雷器件故障，及時斷開開關更換。

④模塊故障或告警。若模塊發生告警，及時查詢故障表，根據處理方法進行處理。確認模塊故障時及時更換模塊。

⑤監控模塊故障。先將監控模塊斷電重啟，若扔異常及時聯系相關技術工程師。

⑥TU模塊故障。若TU模塊發生告警，及時查詢故障表，其處理方法與信號電源模塊處理方法一致。確認模塊故障時及時更換模塊。

2 一體化信號電源系統應用遠景

目前在用的高鐵線路電源系統標準配置為集中式UPS搭配電源屏，普鐵線路電源系統基本采用帶穩壓功能的電源屏，并在后級各電子設備負責中配置小型UPS，UPS 容量1 kVA～5 kVA 不等。根據《鐵路信號維護規則》要求，UPS 內電池、電容以及整機輪修周期高普不一致，無形中增加了設備管理單位的管理任務，同時設備管理單位對UPS 基本不具備維修的能力，完全依靠廠家。一體化電源屏的供電模塊具備UPS 功能，而且更換方便，具備冗余功能的集成化模塊大大降低了現場維護成本。

2.1 一體化電源系統與傳統電源系統對比

傳統信號電源系統采用UPS 作為不間斷電源，一體化信號電源系統采用高壓直流模塊TU1 為不間斷電源，模塊供電采用直流供電的形式，主要具有以下優點：

（1）不間斷電源TU1 模塊本身體積小，結構簡單，占用空間小，其外形為鐵標要求的1/4 模塊大小，支持熱插拔，便于擴容。該模塊與相同容量UPS尺寸對比如表3。

表3 TU1與UPS體積對比

（2）不同型號不同容量的UPS，因母線電壓的不同，導致配置的電池數量也不同，對于維護造成了困難，相對比一體化信號電源，統一了電池的數量，并且做到了統一的的電池管理，提高了維護的效率。

（3）UPS 輸出至電源模塊前端為單母線，會造成單點故障；電壓變換環節冗余，系統整體可靠性降低。一體化信號電源系統刪除了部分冗余的功能，將變換層級由4 級降低到2 級，精簡了系統，有效減少了系統損耗，同樣也降低了因系統復雜而產生的故障點。

（4）一體化電源系統設計了多重冗余備份，保證雙母線互相獨立，有效解決系統單點故障，提高了系統的可靠性，任一子系統出現故障，均可以隔離出來進行處理，不會影響系統正常工作。

（5）一體化采用直流供電的供電方式，具有抗沖擊能力強、拓撲簡單、擴容方便、穩定性高等優點，另外，TU1 模塊針對的鐵路電網適應性進行了專項設計優化，TU1 檢測標準采用鐵標TB1528 的標準，UPS 檢測標準采用YD/T1095，YD/T944及YD/T983標準，UPS的部分測試要求和判據偏低，TU1可靠性更高，相對于傳統UPS 更適應嚴苛的鐵路應用環境，最高諧波耐受達到30%，更適應現場實際情況。

2.2 優化信號大系統供電結構

從一體化信號電源系統圖可看出，作為新型供電設備它自身具備UPS 相關功能，可直接取消集中式UPS 和后級小型UPS，傳統信號電源系統簡圖如圖2 和圖3 所示，UPS 與電源屏都是獨立的設備，來自不同廠家，存在結合部，一旦出現故障，可能出現定責界限難劃分問題。而一體化電源系統可以同時提供所有信號設備電源，整體性更強，減少了供電設備的故障點，符合未來電源集成化的趨勢。

圖2 高鐵線路信號電源系統簡圖

圖3 普鐵線路信號電源系統簡圖

2.3 降低維修成本

根據維護規則要求，小型UPS的電池輪修周期為2～3年，整機更換周期為10年，一臺小UPS在壽命周期內至少需要輪修3 次電池。下面以一個普鐵站場為例從設備成本、天窗資源、作業風險三個方面分析使用一體化電源系統節約的成本。

（1）設備成本。一般情況下在各系統電子設備使用的小UPS 數量可能多達8 臺/站，具體見表2 所示。按常規每臺UPS 電池數為6 節計算（目前有的UPS 可能有16 節電池），多達48 節，在壽命周期內一個站需要換144 節電池，按平均價計算130 元/節，輪修電池共需要投入1.872 萬元/站；小UPS壽命周期為10年，機房內各系統電子設備的壽命周期為15年，一臺小UPS按均價8 000 元/臺，更換整機需投入6.4 萬元/站。每年更換電池還要產生不菲的運雜費（見表4）。

表4 電子設備UPS配置舉例

（2）天窗資源。更換一臺小UPS 的電池至少需要30 min的垂直天窗，2人配合完成，在壽命周期內至少需要720 min/站，從人工勞效計算需要1 440 min/人。

（3）作業風險。輪修作業過程中需要拆解主機箱并更換舊電池，存在因作業過程中配線連接不牢等因素導致的故障；電池廠家變更，電池接線端子存在不匹配問題；作業人員對UPS內結構不清楚，產生勞動安全。

如果采用一體化信號電源系統，一套電源系統具備UPS所有功能，可以取消后級各負載系統配置的UPS，降低了設備投入的成本；設備管理單位避免了因UPS 電池輪修和整機更換的后期設備投入，同時節省了勞動力；設備管理單位成功避免因頻繁更換UPS 電池帶來的作業風險；降低設備故障率，目前無論集中式UPS還是小UPS，故障率偏高，

2.4 提高應急處理能力

應急處理方法僅能保證系統的輸出正常。傳統集中式UPS 故障，現場職工基本不敢操作，主要依靠廠家遠程指導，缺乏應急處置的能力。集合UPS 功能的一體化電源屏采用插拔式電源模塊，只需更換同類型模塊已可完全恢復，方便現場維修更換，大大提高現場應急處置能力。主要故障應急處理步驟及方法如下。

（1）電源模塊應急處理。當電源模塊故障后會由其冗余模塊進行供電，及時拔出故障模塊更換為同型號備用模塊。

（2）交流接觸器故障應急處理。通過轉換開關，轉換到旁路供電。

（3）系統正常卻發生報警應急處理。監控模塊只是進行監控和故障定位，若設備正常時發生報警，可見對應告警進行暫時屏蔽，不會影響系統功能。

（4）TU1 模塊故障應急處理。TU1 模塊故障時處理防范與信號電源模塊處理方法類似，當TU1 模塊故障后會由其冗余模塊進行供電，及時拔出故障模塊更換為同型號備用模塊。

3 結束語

雙母線冗余一體化信號電源系統是軌道交通信號電源行業目前的前沿技術領域，實現信號電源的雙母線冗余設計，以及一體化HVDC 供電方案，為面向軌道交通信號系統的多種設備提供持續穩定的電源。該系統采用雙母線冗余結構，可靠性更高，并采用高壓直流模塊及電池作為不間斷電源，配置更便捷，擴容更便利，便于維護操作與更換配件，在信號電源應用領域占有很大的技術優勢。從維修角度來看，節約了現場投入成本、維修成本，簡化整個系統供電配置結構，充分考慮現場實際困難，提高現場應急處置能力，最大化減少了因前沿技術承擔的風險，是一種開拓性的創新。