鐵路信號一體化 UPS方案探討

喻偉巍

*上海鐵路城市軌道交通設計研究院 高級工程師,200070上海

在以往的鐵路信號工程中,車站各控制系統分別配置自己的電源,存在設備間重復配置、利用率低、占地面積大、經濟上不合理等缺點。在運營維護中,由于各系統沒有專業的電源維護人員,造成電源系統維護少或維護不當,導致蓄電池容量降低、不能達到備用時間要求。國內鐵路車站也曾發生由于蓄電池的原因,導致設備停用造成行車中斷的情況。

隨著電力電子設備制造工藝和應用技術的發展,大功率逆變電源系統和計算機控制技術在工業控制系統中成熟使用,為鐵路信號工程實現對各個后備電源系統的整合提供了基礎。本文將介紹一種采用 N+1冗余的一體化 UPS方案。

1 信號機械室 UPS使用現狀

隨著我國鐵路的不斷提速,為保證鐵路列車安全高效運行,信號機械室內的各種控制系統越來越多,如計算機聯鎖系統、信號微機監測系統、分散自律調度集中系統 (CTC)、列控中心、列車調度指揮系統 (TDCS)等相繼投入運行。目前為確保各系統安全運行,均各自配備了獨立的 UPS不間斷電源,由于缺乏統一的工程設計,在實際運行中暴露出以下問題。

1.目前采用的 UPS大部分是 1～3 kW的小型在線式商用 UPS,后備時間一般為 15 min,后備時間較短。

2.UPS的電池管理功能較差,沒有對電池的充放電精確管理,也沒有電池故障檢測及電池放電保護功能,一般在使用 2年后,其后備時間就會大幅變短,放電電流下降甚至完全失效。

3.目前小型商用 UPS基本上采用功率晶體管輸出 PWM脈寬調制信號,通過電感和電容形成50 Hz、220 V的正弦波輸出,為節省成本,減輕重量,都沒有輸出隔離變壓器,并不適合信號設備和工業設備使用,會導致系統間隔離設計困難,對雷電浪涌的防護能力下降,UPS設備容易損壞。

4.采用獨立供電,每套設備都要配置自己的UPS,不同設備的 UPS不能互相冗余,并且不同廠家的 UPS型號不同,設備重復投資,性能有限,使用單位維護工作量大,可靠性低。

2 N+1冗余的一體化 UPS方案

根據調查,國內專業一體化不間斷電源設備在電力行業已經發展使用了十多年,電力部的最新行業標準 《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》DL/T 1074-2007,對設備的技術要求、檢測規則、試驗方法等有詳細的規定,包括配置方案,負荷計算等都有論述和建議。國產的一體化不間斷電源在發電廠、變電所、水電站、核電站大量使用,各種產品已經相對成熟,已經可以為不同需求提供專業化的解決方案。

N+1冗余的一體化 UPS方案,通過采用成熟的電力電子技術產品進行設計,可以滿足鐵路信號的可靠性和安全性要求,具有優越的性能和良好的性價比。圖1為一個典型車站的電源系統結構圖。

系統由 1個整流充電模塊、1組電池、5個逆變器輸出模塊、1個后備逆變器模塊以及 1套監控管理系統 (圖中沒有畫出)組成。可以為車站的計算機聯鎖系統 (2路電源),CTC系統 (2路電源)和微機監測系統提供 5路獨立的隔離電源。一路外電網的交流 220V電壓經過整流充電模塊轉化為直流電壓,向直流母線提供電流,同時向蓄電池供電。當外電網斷電時,由蓄電池直接向直流母線提供電源,保證對直流母線連續供電。逆變器模塊由直流母線提供電流,轉化成穩定的 220 V,50 Hz的工頻電壓輸出,每個逆變器模塊提供隔離變壓器,保證 5路輸出電壓互相隔離。

圖1 車站一體化UPS電源系統結構圖

整流充電模塊通過改變直流母線的電壓,可以控制電池的充電電流,在電池處于充電初始狀態時,采用大電流均充方式充電;當電池快充滿時,降低直流母線的電壓轉為浮充方式。當電池過放電時,模塊會自動切斷蓄電池組的電流輸出,保護電池。通過監控器可以定期啟動放電試驗,用于電池維護和檢測,并可以發現損壞的電池,指示維護人員及時更換電池。普通 UPS在放電檢測時,如果電池已經損壞,UPS會立即停止工作,導致負載斷電,設備停用事故。而該系統采用逐步降低直流母線電壓的方法,一旦發現電池損壞,立即恢復直流母線的電壓,防止設備停用事故發生,這種方式大大減少了放電監測的操作風險。

正常情況下,直流母線的電壓波動小于20 V,逆變器可以自動調整電流,保證輸出電壓的穩定。輸出模塊的旁路輸入接至備用模塊的輸出,當逆變器故障或輸出電流過大時,自動轉為旁路方式,由備用模塊提供電流輸出。如果此時備用模塊也損壞,或輸出電流超過負載能力,備用模塊也轉為旁路輸出,由二路外電網直接向負載提供電流。在負載發生過載和短路時,逆變器不會關閉輸出,而是轉到旁路狀態,由外電網直接供電,保證了電流的連續輸出。

監控器通過傳感器和各模塊的 RS-485總線,可以詳細監測模塊的工作狀態和電池的狀態,判斷故障和報警,同時通過 RS-485總線與信號微機監測系統連接,實現遠程監測和故障診斷。

3 幾種 UPS方案優缺點比較

目前信號工程的不間斷電源方案主要有以下2種:一是大部分設備廠家都是自己采購小型 UPS用于自己設備配套;二是在要求較高的場合,采用雙機、雙電池組的方法組成雙后備電源系統,對各種系統集中供電,提高可靠性。上述 2種方案與本方案對比見表1。

從表 1中可以看出,本方案在系統性能、能量轉化效率、配置擴充、可靠性、故障保護及系統維護上有明顯優勢,價格略高于小型 UPS,由于少配置 1組電池,價格低于雙機、雙電池的配置方案,但全壽命的使用成本則最低。

4 總結

N+1冗余的一體化 UPS方案依靠現代電力電子技術,通過選用市場上成熟的產品模塊,通過工程化的方法進行系統集成,從而滿足使用對象的要求。相對于市場的商用 UPS方案,具有配置靈活、可靠性高、性能全面等優點,實現了不間斷電源在設計、制造、安裝、維護過程的工程化和標準化,節約成本,降低能耗,可以滿足鐵路工程的各種不同需求,具有良好的推廣前景。