凌 力

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢//高級(jí)工程師)

信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的供電為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷[1]。因此，信號(hào)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(hào)電源系統(tǒng)主要設(shè)置在信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并未對(duì)信號(hào)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(hào)電源系統(tǒng)普遍采用單套電源切換單元+單臺(tái)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(hào)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)電源系統(tǒng)由動(dòng)力照明系統(tǒng)分別提供2路獨(dú)立的三相五線制交流電源(380/220 V，50 Hz)至信號(hào)設(shè)備室配電盤的電源輸入端子上。信號(hào)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(shí)為UPS輸入回路、穩(wěn)壓器及轉(zhuǎn)轍機(jī)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(hào)負(fù)載，同時(shí)為蓄電池充電。

各類信號(hào)設(shè)備中，交流轉(zhuǎn)轍機(jī)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(hào)機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)、計(jì)軸主機(jī)、軌道電路等信號(hào)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(jìn)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(dòng)切換裝置。當(dāng)電源切換單元發(fā)生故障時(shí)，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(biāo)一般在99.99%以上，平均無故障時(shí)間一般為50萬h左右，一年內(nèi)的故障時(shí)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(dòng)檢修旁路開關(guān)，可在UPS內(nèi)部模塊發(fā)生故障及維修時(shí)自動(dòng)或手動(dòng)觸發(fā)旁路回路向負(fù)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(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要，同時(shí)由于投資小、配套少等優(yōu)點(diǎn)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(hào)電源系統(tǒng)故障進(jìn)而影響地鐵正常運(yùn)行的不良事件。

信號(hào)電源設(shè)備缺陷引起的單點(diǎn)故障成為信號(hào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(hào)電源設(shè)備冗余配置以杜絕設(shè)備單點(diǎn)失效為目的，可采用UPS并機(jī)冗余方案及雙切換、雙UPS、雙母線供電冗余方案。

2.2 UPS并機(jī)方案

文獻(xiàn)[3- 4]提出了目前采用相對(duì)廣泛的一種UPS并機(jī)方案。UPS并機(jī)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(tái)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(fù)載供電的要求。

2臺(tái)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(hào)設(shè)備供電。配電屏內(nèi)根據(jù)不同負(fù)載需求配置不同的電源模塊。并機(jī)UPS設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置靜態(tài)旁路。當(dāng)2臺(tái)UPS主機(jī)均退出運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)為負(fù)載供電。

2.3 雙切換、雙UPS、雙母線供電方案

該方案信號(hào)電源系統(tǒng)均配置2套設(shè)備冗余獨(dú)立運(yùn)行，嚴(yán)格避免單點(diǎn)故障對(duì)系統(tǒng)造成的風(fēng)險(xiǎn)。該方案設(shè)備主要包括2套電源切換單元、2臺(tái)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(fù)載接入方式

在除轉(zhuǎn)轍機(jī)外的交、直流負(fù)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(hào)負(fù)荷發(fā)生故障時(shí)對(duì)電源的沖擊。

對(duì)于自身采取冗余配置的交、直流負(fù)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(tái)UPS設(shè)備的輸出母線。

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

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

2.3.2 故障場(chǎng)景分析

(1)當(dāng)1路外電源停電時(shí)，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(dāng)2路外電源均停電時(shí)，蓄電池放電，經(jīng)由逆變器向各負(fù)載供電。

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

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

(5)當(dāng)2路進(jìn)線均停電，且1臺(tái)UPS發(fā)生故障時(shí)，故障UPS所供負(fù)載斷電，退出運(yùn)行，另1臺(tái)UPS維持供電，保證信號(hào)系統(tǒng)的大部分功能正常運(yùn)行。

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

2.3.3 方案對(duì)比

(1)可靠性對(duì)比：相比UPS并機(jī)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(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)，其系統(tǒng)可靠性略高。

(2)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比：相比UPS并機(jī)方案，采用2臺(tái)100%負(fù)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(tái)UPS設(shè)備、蓄電池組的容量可按信號(hào)負(fù)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(jī)房面積、荷載，以及建設(shè)成本和后期運(yùn)營成本。以單站容量需求為30 kVA的信號(hào)電源設(shè)備為例進(jìn)行計(jì)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(jī)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(jī)方案節(jié)省約15萬元。

3 結(jié)語

本文從分析信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)備自身缺陷對(duì)運(yùn)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(jìn)的必要性。在較廣泛使用的雙UPS并機(jī)方案基礎(chǔ)上，研究提出了相對(duì)優(yōu)化的雙切換、雙UPS、雙母線冗余實(shí)施方案。對(duì)于地鐵建設(shè)而言，信號(hào)電源系統(tǒng)也可按照統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實(shí)施的思路：項(xiàng)目前期可在線網(wǎng)規(guī)模較小、投資有限的情況下暫時(shí)采用單套設(shè)備配置方案；項(xiàng)目后期可根據(jù)運(yùn)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(jì)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(huì). 城市軌道交通2016年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告[R].北京：中國城市軌道交通協(xié)會(huì)，2017.

[3] 孫志強(qiáng).簡(jiǎn)談地鐵信號(hào)電源的雙UPS并機(jī)方案[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2016，13(5): 76.

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