城市軌道交通信號電源系統可靠性分析

牛振宇

城市軌道交通信號電源系統可靠性分析

牛振宇

（上海申通地鐵集團有限公司，201103，上海//工程師）

城市軌道交通信號電源系統為信號系統提供可靠穩定的供電，其可靠性需納入信號系統進行考慮，以實現系統整體的可靠性目標。對目前信號系統常見的電源系統結構進行了分析，并建立了相應的可靠性模型。比較了不同方案的可靠性及主要影響因素，為提升信號系統整體可靠性提供參考。

城市軌道交通；信號系統；不間斷電源；可靠性

AbstractThe power sub-system provides stable power supply to signaling system in urban transit，the reliability of which needs to be taken into consideration with the signaling equipment，to achieve the reliability target of the whole system.In this paper，the common power supply structure in signaling system is analyzed，corresponding models with reliability are established.In the end，the reliability and influential factors of every signaling system configuration are compared in order to provide advice for the enhancement of signaling system reliability.

Key wordsurban rail transit； signaling system； uninterruptible power system（UPS）；reliability

Author′s addressShanghai Shentong Metro Group Co.，Ltd.，201103，Shanghai，China

城市軌道交通信號系統是保障列車行車安全，實現行車自動化的關鍵系統，其整體可靠性需得到保障。電源系統為信號設備提供電源輸入，其供電可靠性直接關系到信號系統的正常工作，需予以重點關注。

本文對目前常見的3種電源系統配置方案進行了分析，并結合電源系統模塊與信號系統各設備的對應關系，建立可靠性模型，進行可靠性指標的計算；在此基礎上，分析了各方案的優缺點。應根據不同的應用場景來選取合適的配置方案，以實現信號系統的整體可靠性。

1 電源系統組成

城市軌道交通信號電源系統主要由電源屏及UPS（不間斷電源）設備組成。

（1）電源屏：電源屏為信號系統各設備提供直流電源和交流電源，其主要模塊包括主副電源切換模塊、交流模塊、直流模塊、隔離變壓器及防雷模塊等。當2路外電網中的主路發生故障時，主副電源切換模塊可自動將外電網切換到另1路；同時，主副電源切換模塊還提供手動切換和直供功能。交流模塊將外部輸入的交流電經整流逆變，轉換為負載所需頻率和電壓的交流電。直流模塊通過對外部電源的整流和功率變換，提供不同電壓的直流電源，為直流負載供電。隨著電源屏的智能化程度不斷提高，主副電源切換模塊還設置了狀態監測模塊。這有助于相關人員及時了解設備狀態，提高了維修效率。

（2）UPS設備：UPS為信號系統各設備提供不間斷的高質量電源，并在外電網發生故障時可提供一定時間的供電輸出。其主要模塊包括濾波模塊、整流模塊、逆變模塊及蓄電池。當外電網輸入正常時，UPS通過整流器和逆變器為設備提供穩定的電源，同時向蓄電池充電；當外電網輸入中斷時，UPS通過蓄電池和逆變器向設備供電，提供不間斷的電源輸出，以確保設備不會因突然斷電而損壞，為運營維護人員保存重要數據、完成應急處理提供時間。

2 電源系統配置方案

目前，城市軌道交通信號系統常見的電源配置方案有單UPS方案、雙UPS方案及綜合UPS方案。

2.1 單UPS方案

單UPS方案系統結構如圖1所示。信號系統設置獨立的電源屏及UPS，外電網兩路輸入接入電源屏切換模塊，通過UPS整流逆變后，接入電源屏的交流屏和直流屏。

冗余交流負載（如聯鎖A、B機）或配置了冗余電源模塊的交流負載（如區域控制器），分別由2個隔離變壓器輸出交流電源供電。這樣，即使單路交流電源發生故障，也只會造成設備冗余喪失或電源模塊冗余喪失，而不會影響整個信號系統的正常運行。直流負載（如計軸機柜、繼電器等）通過1+1直流模塊并聯供電。這樣，即使單個直流模塊發生故障，也不會造成信號系統斷電。

圖1 單UPS方案系統結構示意圖

2.2 雙UPS方案

該方案配置了雙套UPS，相應的電源屏也設置了雙套的輸入切換單元。雙UPS方案系統結構如圖2所示。2路外電網分別接入2套電源屏輸入切換單元，形成兩路輸出，分別經UPS1和UPS2后接入電源屏的交流屏和直流屏。

冗余的交流負載或帶有冗余電源模塊的交流負載通過UPS1、UPS2各自連接的隔離變壓器供電，故單個UPS故障或隔離變壓器故障均不會影響系統正常工作。直流負載通過UPS1、UPS2各自連接的直流模塊形成1+1冗余并聯供電，故單個UPS故障或直流模塊故障也不會導致設備斷電。

2.3 綜合UPS方案

綜合UPS方案是將信號、通信、FAS（防災報警系統）及BAS（車站設備監控系統）等弱電系統集中設置UPS的電源配置方案。弱電系統共用冗余的大功率UPS，并通過STS（靜態轉換開關）接入各系統的電源屏為設備供電。綜合UPS方案系統結構如圖3所示。

該方案的負載連接方式與單UPS方案類似。當單個UPS發生故障時，可通過STS切換至另一臺UPS，確保負載的供電不被中斷。但STS發生故障，將導致整個信號系統失去供電。

圖2 雙UPS方案系統結構示意圖

圖3 綜合UPS方案系統結構示意圖

3 可靠性分析

3.1 可靠性模型建立

電源系統是為信號系統設備提供電源輸出的關鍵設備，其可靠性最終體現在能否為信號系統各設備可靠供電。電源系統指標需納入信號系統的可靠性指標中，以實現整個信號系統的可靠性。

信號系統可靠性分析要根據電源系統與信號系統各設備的連接關系建立相應的可靠性模型來進行分析。本文以冗余交流負載（如聯鎖系統）供電為例，根據3種電源配置方案建立相應的可靠性模型（見圖4～圖6）。

圖4 單UPS方案電源系統的聯鎖可靠性模型

圖5 雙UPS方案電源系統的聯鎖可靠性模型

圖6 綜合UPS方案電源系統的聯鎖可靠性模型

3.2 可靠性指標分析

假設各方案中相同設備的失效率相同，則單UPS方案的聯鎖系統失效率λ1為：

λ1=（λ外2+ λ切）λ蓄+ λUPS+（λ隔+ λ聯）2式中：

λ外——外電網失效率；

λ切——輸入切換單元失效率；λUPS——UPS失效率；

λ蓄——蓄電池的失效率；

λ隔——隔離變壓器的失效率；

λS——STS靜態開關的失效率；

λ聯——聯鎖設備的失效率。

λ1對應的系統平均無故障時間t1為：

雙UPS方案的整體失效率λ2為：

λ2對應的系統平均無故障時間t2為：

綜合UPS方案的整體失效率λ3為：

λ3對應的系統平均無故障時間t3為：

3.3 方案比較分析

對上述可靠性建模進行定性分析可見，各設備失效率均較小，在進行相乘或平方后基本可忽略不計；故影響系統整體可靠性指標的主要因素是未相乘或平方的設備失效率。

在單UPS方案中，對聯鎖子系統整體可靠性影響較大的因素是UPS設備。由于采用單UPS供電，一旦UPS（包括靜態旁路）發生故障，將導致其所連接的負載失電；故在采用該方案時，應重點關注UPS設備的可靠性。選用高可靠性的UPS設備是提高整個聯鎖系統可靠性的有效措施。該方案電源系統配置的設備較少，故障總數量也較少，在設備維護工作量方面具有一定的優勢。同時，該電源系統所占用的設備房空間較小，經濟性較優。

雙UPS方案采用了雙套UPS，電源系統均為冗余配置，其系統整體失效率為多個設備失效率平方后的結果，整體失效率較低，可靠性較高。但該方案的電源系統設備較單UPS方案多，因而故障數量會上升，后期的維護工作量較多；設備占用空間也較大，費用相對較高。

綜合UPS方案同樣配置了雙套的冗余UPS。由于該冗余UPS為多個弱電系統共用，故UPS容量較大，可靠性較高。從可靠性計算分析可以看出，STS的可靠性對整個電源系統的可靠性影響較大。從影響范圍來看，STS一旦發生故障將導致整個信號系統失電。綜合UPS方案不需要信號系統單獨設置電源，從資源共享和減少設備用房面積方面占有一定優勢。

4 結語

信號電源系統是為信號系統設備提供電源輸出的關鍵設備。在進行信號系統的可靠性分析時，需將電源系統納入一并考慮，最終實現整個信號系統可靠性目標。本文對目前常見的3種電源配置方案進行了可靠性建模分析，并對3種方案的可靠性影響因素、方案利弊以及實際使用中存在的問題進行了總結。在工程建設過程中，可結合具體的可靠性要求及工程費用等條件，選擇合適的電源系統配置方案。

［1］鄧志翔.城市軌道交通信號電源系統配置方案研究［J］.城市軌道交通研究，2012，15（6）：66-69.

［2］蔡旭東.鐵路通信信號采用UPS供電的可靠性與可用性［J］.電氣化鐵道，2005（2）：42-43.

［3］董長青.安全冗余結構鐵路信號配電系統研究［J］.鐵道通信信號，2007，43（8）：7-9.

［4］馮金洲,沈培生.智能電源屏可靠性初探［J］.鐵道通信信號，2005，41（12）：4-5.

［5］王小峰.城市軌道交通車站不間斷電源整合的可行性分析［J］.城市軌道交通研究，2015（6）：62-66.

Reliability Analysis of Power Sub-system in Urban Transit Signaling System

NIU Zhenyu

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.09.017

2015-11-19）