地鐵信號電源系統冗余配置方案研究

凌 力

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢//高級工程師)

信號系統設備的供電為一級負荷中特別重要的負荷[1]。因此，信號電源系統的安全、可靠非常重要。

1 單套設備配置方案

地鐵信號電源系統主要設置在信號設備集中站，由電源切換單元、不間斷電源(UPS)、穩壓器、蓄電池組及電源屏等功能單元組成。國內地鐵建設的相關標準和規范并未對信號電源設備的冗余性做明確要求。一般建設初期地鐵信號電源系統普遍采用單套電源切換單元+單臺UPS的單套設備配置方案，其系統結構如圖1所示。

圖1 單套設備配置下信號電源系統結構圖

信號電源系統由動力照明系統分別提供2路獨立的三相五線制交流電源(380/220 V，50 Hz)至信號設備室配電盤的電源輸入端子上。信號電源切換單元從配電盤引入2路交流電源輸入，經切換同時為UPS輸入回路、穩壓器及轉轍機等設備供電。UPS主回路電源經UPS整流、逆變后輸出給各類重要的交、直流信號負載，同時為蓄電池充電。

各類信號設備中，交流轉轍機電源的2路外電輸入一般直接經過電源屏切換后通過隔離變壓器輸出，而非經過UPS設備。而其他交流電源(如信號機、聯鎖機、計軸主機、軌道電路等信號設備電源)均由UPS穩壓后經過不同類型隔離變壓器進行回路分配。

2 冗余配置方案

2.1 冗余配置的必要性

單套設備配置方案的電源切換單元均設有手動切換裝置。當電源切換單元發生故障時，可通過直供模式供電。而UPS等關鍵產品的技術成熟度非常高，其可用性指標一般在99.99%以上，平均無故障時間一般為50萬h左右，一年內的故障時間不超過30 min。此外，UPS設備均配有旁路靜態開關及手動檢修旁路開關，可在UPS內部模塊發生故障及維修時自動或手動觸發旁路回路向負載供電。

從理論數據來看，單套設備配置方案能滿足地鐵信號系統正常運行的需要，同時由于投資小、配套少等優點適合在線網建設初期采用。但近兩年間，由于存在設備缺陷，故發生了若干起因信號電源系統故障進而影響地鐵正常運行的不良事件。

信號電源設備缺陷引起的單點故障成為信號系統穩定運行的重大隱患，有必要通過提高系統冗余配置的手段來克服設備缺陷所帶來的不利影響。

信號電源設備冗余配置以杜絕設備單點失效為目的，可采用UPS并機冗余方案及雙切換、雙UPS、雙母線供電冗余方案。

2.2 UPS并機方案

文獻[3- 4]提出了目前采用相對廣泛的一種UPS并機方案。UPS并機方案包含1套電源切換單元，1套穩壓器，2套蓄電池，以及2臺容量相同，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設備。單套UPS的容量及單套蓄電池的容量均滿足全部負載供電的要求。

2臺UPS設備分別引接電源切換單元輸出，經UPS整流、逆變后，再并聯輸送至交、直流配電屏輸出，共同為所有信號設備供電。配電屏內根據不同負載需求配置不同的電源模塊。并機UPS設備統一設置靜態旁路。當2臺UPS主機均退出運行時，可轉至靜態旁路供電。靜態旁路設置了穩壓器和隔離變壓器，可在靜態旁路投入運行時為負載供電。

2.3 雙切換、雙UPS、雙母線供電方案

該方案信號電源系統均配置2套設備冗余獨立運行，嚴格避免單點故障對系統造成的風險。該方案設備主要包括2套電源切換單元、2臺UPS設備、2套穩壓器、2套蓄電池以及電源屏設備。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 負載接入方式

在除轉轍機外的交、直流負載前端配置相應的電源模塊，既可提供隔離電源，也可初步吸收信號負荷發生故障時對電源的沖擊。

對于自身采取冗余配置的交、直流負載，按冗余配置的主、備設備范圍經電源模塊分別接入2臺UPS設備的輸出母線。

對于未冗余配置但采用雙電源輸入的交、直流負載，其兩路電源輸入分別經電源模塊連接2臺UPS設備的輸出母線。

對于未冗余配置且采用單電源輸入的交、直流負載，設置專用的“1+1”冗余電源模塊分別連接2臺UPS設備的輸出母線。

2.3.2 故障場景分析

(1)當1路外電源停電時，由雙電源切換裝置切換到另1路外電源，以維持為UPS電源系統供電。

(2)當2路外電源均停電時，蓄電池放電，經由逆變器向各負載供電。

(3)當單臺電源切換單元或穩壓器發生故障時，由另1臺工作正常的單臺電源切換單元或穩壓器配合相關UPS設備向各負載供電。當2套電源切換單元或穩壓器均出現故障時，蓄電池放電，經由逆變器向各個負載供電。。

(4)當UPS逆變器發生故障時，自動切換到靜態旁路供電；當UPS整流器發生故障時，故障UPS裝置先由蓄電池為系統負載供電，待蓄電池放電結束后，自動切換到靜態旁路供電。當1臺UPS逆變器或者整流器發生故障，而靜態旁路無法自動切換時，故障UPS所供負載斷電，退出運行，另1臺UPS維持供電，保證信號系統的正常運行。如2臺UPS均出現故障，則自動切換到靜態旁路供電。

(5)當2路進線均停電，且1臺UPS發生故障時，故障UPS所供負載斷電，退出運行，另1臺UPS維持供電，保證信號系統的大部分功能正常運行。

(6)當系統需要進行蓄電池維護或蓄電池發生故障時，應退出需要維護的蓄電池組或故障蓄電池組，以便進行維護或檢修；此時，1套UPS無蓄電池工作，另1套UPS正常工作。

2.3.3 方案對比

(1)可靠性對比：相比UPS并機方案，雙切換、雙UPS、雙母線方案增加了冗余的電源切換單元和穩壓器，避免了上述設備單點失效風險，其系統可靠性略高。

(2)經濟性對比：相比UPS并機方案，采用2臺100%負載容量的UPS設備，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壓器設備投資，但UPS電源設備、蓄電池組容量得到了優化,每臺UPS設備、蓄電池組的容量可按信號負載需求的60%考慮，不僅減少了UPS設備、蓄電池組的初期建設投資，而且節省了配套機房面積、荷載，以及建設成本和后期運營成本。以單站容量需求為30 kVA的信號電源設備為例進行計算可得：傳統單套設備方案建設成本約為30萬元；UPS并機方案成本約為60萬元；雙切換、雙UPS、雙母線方案如采用2套容量較小的UPS設備，則其建設成本可控制在45萬元左右，比UPS并機方案節省約15萬元。

3 結語

本文從分析信號電源系統設備自身缺陷對運營的不利情況出發，分析了通過系統冗余配置加以改進的必要性。在較廣泛使用的雙UPS并機方案基礎上，研究提出了相對優化的雙切換、雙UPS、雙母線冗余實施方案。對于地鐵建設而言，信號電源系統也可按照統籌規劃、分步實施的思路：項目前期可在線網規模較小、投資有限的情況下暫時采用單套設備配置方案；項目后期可根據運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建設部.地鐵設計規范：GB 50157—2013[S] .北京：中國建筑工業出版社，2013: 1.

[2] 中國城市軌道交通協會. 城市軌道交通2016年度統計和分析報告[R].北京：中國城市軌道交通協會，2017.

[3] 孫志強.簡談地鐵信號電源的雙UPS并機方案[J].鐵路通信信號工程技術，2016，13(5): 76.

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