常 寧

（濟南軌道交通集團第一運營有限公司，山東 濟南 250013）

0 引 言

城市軌道交通信號系統(tǒng)是保證列車運行安全，提高運輸效率的關鍵系統(tǒng)。信號系統(tǒng)為一級供電負荷中的特別重要負荷，對供電電源的可靠性、穩(wěn)定性提出更高要求。為進一步提高信號系統(tǒng)電源設備的可靠性，可結合實際需求對信號單UPS電源設備進行優(yōu)化，形成信號電源雙UPS運行方案。在實際軌道交通運營中具有積極影響。

1 UPS電源基本工作原理

UPS電源是連接在市電輸入和負載之間，為信號系統(tǒng)設備提供不受電網(wǎng)干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的電力供應的電源設備。

當主路正常時，市電經(jīng)UPS整流后將交流電轉變?yōu)橹绷麟?，一方面給蓄電池充電，另一方面經(jīng)逆變處理轉變?yōu)榻涣麟姙殡娫雌撂峁﹥?yōu)質電源，此時旁路處于備用狀態(tài)。

當市電掉電或整流器故障后，UPS可將電池能量逆變給負載，繼續(xù)提供優(yōu)質電源。

當主路逆變功能喪失時，主路不再工作，在靜態(tài)開關作用下自動無間斷轉至UPS旁路供電，旁路輸入經(jīng)過穩(wěn)壓器的處理，仍然可以保證輸出電源的穩(wěn)壓精度。

另外，UPS提供維修旁路模式，即將UPS主機停電隔離，用于設備內(nèi)部檢修或故障處理，以保證檢修人員人身安全。

2 信號系統(tǒng)對UPS電源的要求

城市軌道交通信號系統(tǒng)是行車安全的核心系統(tǒng)，而UPS作為信號電源系統(tǒng)的心臟，必須滿足高可靠性、高安全性的要求，故選用采取在線式雙變換設計，應用先進的全數(shù)字控制技術，在負載保護方面和性能方面都是目前最優(yōu)的，同時具備完備的網(wǎng)絡管理功能的UPS產(chǎn)品。

從目前國內(nèi)軌道交通運營實際角度來看，信號系統(tǒng)對UPS電源的要求通常包含以下特征。

（1）信號系統(tǒng)宜設置完全獨立的UPS電源，保證其安全性方面要求[1]。

（2）當外電網(wǎng)2路電源掉電時，UPS電源能夠在既定時間內(nèi)承載信號系統(tǒng)設備正常供電，為運營行車組織創(chuàng)造有利條件。

（3）當2路電源切換過程中或信號系統(tǒng)瞬時停電時能夠毫秒級切換，輸出穩(wěn)定且精度高的電源波形，確保信號設備不掉電、不宕機。

（4）具備自身監(jiān)控功能，將系統(tǒng)狀態(tài)及報警信息通過數(shù)字通信的方式傳至電源監(jiān)測系統(tǒng)。

（5）具備可靠的分散式自主并聯(lián)技術，可實現(xiàn)多機并聯(lián)和后期擴展。

（6）系統(tǒng)結構布局合理，易掌握、易操作、易維護。

3 目前國內(nèi)軌道交通信號系統(tǒng)UPS配置方案及應用現(xiàn)狀

我國軌道交通建設標準暫未對具體配置作明確要求，實際工程中，UPS的設計方案并未完全按照《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》（GB 50174—2008）的A或B級機房要求進行設計，而是以地方建設單位招投標要求為準[2]。

目前國內(nèi)城市軌道交通信號UPS電源系統(tǒng)主流配置方案有2種，即單UPS配置和雙UPS并機配置。此外，UPS廠家結合不同業(yè)主實際需求，在信號電源系統(tǒng)配置上不斷提升和優(yōu)化產(chǎn)品，如有針對性地定制UPS配置方案或者在設計時預留雙UPS的配置條件，便于后期擴展。

3.1 單UPS電源配置

信號電源系統(tǒng)中配置1臺UPS、1臺穩(wěn)壓器和蓄電池組。

3.1.1 正常工作模式

2路市電輸入經(jīng)切換單元后接入UPS，UPS一方面通過整流器、逆變器給負載提供高品質交流電源；另一方面通過整流器為電池充電，將能量儲存在電池中。

3.1.2 非正常工作模式

（1）2路市電停電。自動無間斷地啟用蓄電池，逆變后為負載供電。此時運營人員需時刻關注蓄電池組電量，立即開展設備搶修工作，排查停電原因，同時啟動相關應急預案，密切關注信號設備運行狀態(tài)直至恢復正常供電。

（2）UPS內(nèi)部功能模塊故障。當UPS整流器發(fā)生故障，則UPS對應蓄電池組自動啟用，經(jīng)逆變后不間斷為負載供電。此時運營人員需密切監(jiān)視電池電量或直接手動將UPS切換至靜態(tài)旁路供電。

當UPS逆變器發(fā)生故障，則UPS會自動無間斷地切換到靜態(tài)旁路電源向負載供電。此時運營人員需關注UPS及穩(wěn)壓器設備運行狀態(tài)，查看UPS運行參數(shù)、過載保護等情況，確保信號設備用電不受影響。

（3）UPS緊急關機。當遇到火災、水災等緊急狀況時，長按面板上的EPO按鈕2 s，系統(tǒng)將關閉整流器、逆變器，并迅速切斷負載供電，同時停止蓄電池組的充放電。

（4）UPS內(nèi)部控制板卡故障、設備檢修維護等。影響UPS正常功能的核心控制板卡故障往往導致設備無法正常工作，對信號設備用電構成較大威脅，信號系統(tǒng)癱瘓將直接對運營造成嚴重影響。運營人員需結合實際故障情況及影響采取不同處置措施，組織開展設備搶修工作，同時啟動相關應急預案，以先通后復的原則最大限度地降低設備故障對運營的影響。

設備年檢時需將模式切至維修旁路，該工作模式用于UPS內(nèi)部電子元器件檢查、清灰等場景。此時運營人員需做好監(jiān)控操作，嚴禁違規(guī)操作，作業(yè)前必須確認供電專業(yè)無電源倒切及停電施工作業(yè)。

3.2 雙UPS并機電源配置

與單UPS電源配置的主要區(qū)別在于配備2臺相同型號和容量的UPS和電池組，每臺UPS均具備單獨為全部負載供電的能力。

3.2.1 正常工作模式

2路市電輸入經(jīng)切換單元后，分別接入并聯(lián)的2臺UPS，每臺UPS承擔50%的負載，市電經(jīng)UPS整流、逆變等處理后為電源屏交、直流單元提供優(yōu)質電源，同時給后端對應電池組充電[3]。

3.2.2 非正常工作模式

（1）2路市電停電。自動無間斷地啟用蓄電池，逆變后為負載供電。此時運營人員需時刻關注蓄電池組電量，關注信號設備運行狀態(tài)直至恢復正常供電。

（2）單臺UPS故障。當單臺UPS整流器故障時，故障側UPS對應蓄電池組自動啟用，經(jīng)逆變后不間斷為負載供電，電池儲能耗盡后故障側UPS退出服務，正常側UPS設備承擔信號系統(tǒng)設備全部負載。此時運營人員需時刻關注2個UPS設備運行狀態(tài)，查看UPS運行參數(shù)、過載保護等情況，確保信號設備不受影響。

當單臺UPS逆變器故障時，故障側UPS退出服務，正常側UPS設備承擔信號系統(tǒng)設備全部負載。此時運營人員需重點關注正常側UPS設備運行狀態(tài)，查看UPS運行參數(shù)、過載保護等情況，確保信號設備不受影響。

（3）2臺UPS故障。當2臺UPS整流器同時出現(xiàn)故障，則2臺UPS對應蓄電池組自動啟用，經(jīng)逆變后不間斷為負載供電，此時運營人員需密切監(jiān)視電池電量或直接手動將UPS切換至靜態(tài)旁路供電。

當2臺UPS逆變器同時出現(xiàn)故障，則2臺UPS會自動無間斷地切換到靜態(tài)旁路電源向負載供電。此時運營人員需關注UPS及穩(wěn)壓器設備運行狀態(tài)，查看UPS運行參數(shù)、過載保護等情況，確保信號設備不受影響。

（4）UPS緊急關機。當遇到火災、水災等緊急狀況時，長按面板上的EPO按鈕2 s，系統(tǒng)將關閉整流器、逆變器，并迅速切斷負載供電，同時停止蓄電池組的充放電。

（5）UPS控制單元故障、設備檢修維護等。通常單臺UPS設備故障或檢修不會對運營造成影響，運行方式同上述模式類似，在此不做過多陳述。2臺UPS設備同時故障時，運營人員需結合實際故障情況及影響采取不同處置措施，組織開展設備搶修工作，同時啟動相關應急預案，以先通后復的原則最大限度地降低設備故障對運營的影響。

3.3 UPS電源應用現(xiàn)狀

單UPS配置方案廣泛應用于北京、深圳、青島、成都、大連以及鄭州等大部分城市軌道交通線路。雙UPS配置方案廣泛應用于上海、蘇州、無錫等城市部分軌道交通線路。從國內(nèi)既有軌道交通線路實際情況看，單UPS配置方案應用占比遠高于雙UPS配置方案[4]。

雖然單UPS配置的可靠程度已經(jīng)滿足運營條件，但是隨著運營年限的增加，UPS內(nèi)部板卡及電子元器件逐漸老化。另外，受設備房環(huán)境不恒定和運營人員檢修維護不到位等因素影響，UPS設備故障及告警隨之增多，如板卡故障、模塊故障、監(jiān)控故障等，給運營維護人員帶來很大困擾。為解決設備故障給運營帶來的影響，運營方不得不制定一系列措施和應急預案來應對UPS未知風險，管理層面嘗試探索技術改造或電壓系統(tǒng)委外等方式。

近些年，隨著技術的不斷進步，UPS廠家已結合業(yè)主需求有針對性地對配置方案進行提升和優(yōu)化。以筆者所在的濟南地鐵為例，既有3條線路均采用單UPS+2組蓄電池組的配置方案，同時預留雙UPS的配置條件，便于后期擴展。

4 2種UPS配置方案對比分析

4.1 優(yōu)勢分析

單UPS配置方案：（1）結構簡單易部署，在滿足可靠性的同時較大限度地降低建設采購成本；（2）從運營維護角度看，無論在檢修工作量還是在故障排查難度上都要小很多；（3）從系統(tǒng)角度看，具備后期擴展條件，可結合運營深入和維護需求有條件地技術改造。

雙UPS配置方案：（1）因為配備了2臺并聯(lián)的UPS互為冗余，電源供應更有保障；（2）每臺UPS均可獨立承擔全部負載用電，整體可用性更高；（3）任何一臺UPS功能故障甚至停止服務都不會對信號系統(tǒng)用電造成影響，只有當2臺UPS核心控制功能均喪失時才會影響設備用電，所以故障構成威脅程度更低；（4）正常情況下每臺UPS只承擔一半負載，即使負載驟時增大，系統(tǒng)仍能維持逆變側供電而不會轉至旁路；（5）配套2組蓄電池，電池儲能量提高，后備模式為行車組織爭取更多時間。

4.2 劣勢分析

單UPS配置方案：（1）相對雙UPS配置方案，整體可靠性較低；（2）主路逆變功能喪失時，后備電池組失去價值；（3）旁路模式下，穩(wěn)壓器作用效果有限，只能起到穩(wěn)壓作用，不具備電源凈化功能；（4）運營維護角度看，UPS檢修時須避開供電專業(yè)停電作業(yè)，防止市電掉電導致設備失電，故存在一定風險；（5）從系統(tǒng)角度看，雖具備后期擴展條件，但設備投入運營后技術改造難度大、風險高。

雙UPS配置方案：（1）結構相對復雜，系統(tǒng)造價提高；（2）2臺UPS同時運行，分別承擔50%的負載，所以設備利用率不高、功耗大；（3）從運營維護角度看，日常檢修工作量有所增加。

4.3 可靠性分析

4.3.1 平均無故障時間

在UPS電源系統(tǒng)中，平均無故障時間（Mean Time Between Failure，MTBF）是UPS電源的可靠性的考量值，MTBF的數(shù)值越大表示可靠性越高。MTBF的大小不僅受控于UPS電源中各種元件和部件的失效率λ，還受控于UPS電源設計方案和制備工藝。即使UPS電源廠家采用相同的設備工藝，但由于設計方案不同，也會影響MTBF的大小。平均無故障工作時間（tMTBF）與失效率（λ）之間的關系為tMTBF=1/λ。

4.3.2 單UPS配置MTBF

對于單UPS電源來說，平均無故障工作時間表示在UPS電源因故導致逆變功能喪失并自動切換到旁路工作模式后，又遇到輸入電源因故發(fā)生“停電”事故或因旁路“靜態(tài)開關”失效而最終導致UPS電源進入“輸出停電”故障的平均無故障工作時間。因此，MTBF值大小不僅與UPS電源的質量高低有關，還與市電的停電幾率密切相關。

4.3.2 雙UPS并機配置MTBF

該配置方式下，只有在市電輸入停電、2個UPS逆變功能喪失和旁路靜態(tài)開關失效等故障同時出現(xiàn)時才會造成信號設備失電。根據(jù)UPS廠家提供的某款產(chǎn)品手冊數(shù)據(jù)：UPS(不含蓄電池)的tMTBF≥2×105h(不含通過旁路供電的情況)。則并機UPS平均無故障時間計算公式：tMTBF總=1/λ+1/λ+1/(λ+λ)=2.5/λ=2.5tMTBF=2.5×2×105=5×105h。即并機UPS平均無故障時間為單機UPS的2.5倍，極大地提高了UPS電源供電的MTBF值[5]。

綜上所述，盡管單UPS配置方案的可靠性已經(jīng)很高，但雙UPS并機配置方案仍能顯著提高平均無故障時間。

5 結 論

電源系統(tǒng)作為信號系統(tǒng)正常運行的基礎子系統(tǒng)，其重要性不言而喻。運營中一旦發(fā)生電源系統(tǒng)故障，其影響范圍和程度往往是巨大的，所以在軌道交通信號系統(tǒng)建設中應考慮選用成熟可靠的雙UPS配置方案，在提升運營服務質量和保證高效行車上都大有裨益。