通信高頻開關電源改進方案研究

徐德龍 中國鐵路上海局集團有限公司電務處

通信系統是鐵路運行的基礎設施，一旦通信系統大面癱瘓，會造成運輸秩序大亂，有時會造成行車安全事故。鐵路通信系統按物理分布可分為室內機房設備、室外纜線和各類終端設備，室內機房設備主要可分為信息傳輸系統、調度指揮系統、視頻監控系統等，其中信息傳輸系統承擔了為其他各專業提供信息傳遞的重任。因此通信系統安全，尤其是機房設備運行安全，對保障鐵路運輸秩序起到了極為重要的作用。

近幾年來，鐵路通信發展迅速，形成了較為健壯的通信網絡，纜線、終端設備基本已實現了冗余；各專業系統在系統設計時也已完善了各種場景下的冗余。因此單個設備故障不會造成鐵路系統運行癱瘓。造成運輸指揮系統癱瘓的唯一可能是通信系統大面積癱瘓，而機房通信電源故障是可能造成通信系統大面積癱瘓的原因之一。

為確保鐵路通信系統可靠運行，供電專業為鐵路通信機房均提供了獨立的兩路以上的電源，該兩路電源來自于不同的電廠和供電系統，且在電力設備檢修時也嚴格執行不在同一時間段內實施，各種措施確保了通信機房不斷電。但盡管外供電得到了保證，如果通信機房電源系統自身出現故障，或缺少冗余手段，依然會造成通信機房失電，致使通信系統大面積癱瘓。

1 通信電源系統運行安全分析

雖然通信機房交流供電是可靠的，但自身電源系統故障還會造成通信系統大面積癱瘓。2016年5月13日總公司通報了蘭州北站通信機房電源故障造成蘭州局GSM-R交換系統癱瘓，致使該局GSM-R系統癱瘓，嚴重影響鐵路運輸秩序的案例。類似的案例已發生了多次，其中也包括我局2013年3月27日蚌埠南通信機房電源故障。

梳理我局近年來類似問題，據不完全統計，從2011年至今，發生了21件，其中11年3件，13年5件，14年1件，15年4件，16年4件，17年4件。我局發生的21件通信機房電源故障，大都發生在沿線通信機房，都造成了本站和鄰站CTC系統、GSM-R系統、防災系統、視頻監控等系統故障，雖然影響范圍較蘭州局故障小些，但2013年3月27日蚌埠南通信機房電源故障，也造成了京滬高鐵定遠至徐州東站間行車控制系統和指揮系統癱瘓，嚴重干擾了京滬高鐵運輸秩序。

2 電源故障原因調查分析

針對上述通信系統安全問題，對我局的通信機房和故障情況進行統計分析。我局通信機房共計3 849個，通信電源設備3 146套。發生通信電源設備故障的機房，有些是有人值守機房，例如2013年上海通信段網管中心發生了4件電源故障，造成CTC系統、GSM-R等行車控制指揮系統故障；也有無人值守機房，例如2013年3月27日的蚌埠南機房電源故障。分析這些故障都有一個共同特點，均是由于供電系統對其中某一路電源進行檢修或某一路電源故障，造成通信機房電源系統電源轉換裝置(交流接觸器)動作。經進一步分析，每次故障時外電源至少有一路電源是可靠且連續供電，機房配置的蓄電池均放完后造成通信機房內傳輸設備、調度指揮設備、視頻監控設備等故障，繼而造成CTC等行車指揮系統故障，每次故障都在行車指揮人員或網管監控人員報告后才發現機房電源系統故障。

3 安全問題點分析

（1）造成通信機房電源故障的原因是高頻開關電源結構設計不合理，通過技術革新可解決。

圖1 機房內開關電源系統示意圖

通信機房內通信設備都采用-48 V直流供電，采用集中供電方式由通信機房內的高頻開關電源柜供給。根據通信設計規范，機房內開關電源系統示意圖見圖1。

開關電源系統由交流配電盤（含切換裝置）、整流器(數量有若干個，根據用電量大小確定)、直流配電盤、蓄電池等組成。切換裝置通常用控制電路加交流接觸器實現兩路電自動切換，當某路交流電斷電時，由控制電路驅動自動切換到另一路供電；當兩路交流電同時斷電時，由蓄電池供電。上述接線示意圖是目前通信高頻開關電源的設計規范接法，因此目前全路通信機房均采用上述方案。

通過對我局21件電源故障分析，均因為兩路電源中主用電源斷電后，交流轉換裝置轉換至另一路電源時，由于機械轉換裝置動作出現機械卡阻，造成交流切換不到位使各整流模塊失電；當主用電源恢復后，因觸點被卡死不能恢復到原先觸點狀態。此狀態下，蓄電池放電。當一段時間蓄電池放空后，造成機房設備失電，造成大面積通信中斷。在這類故障處理中，都是通過對接觸器開關反復手動撥動后，接觸器又能正常工作。

針對交流接觸器轉換不可靠情況，我們對全局的通信開關電源進行了全面分析，每套開關電源系統至少配有2個30 A或50 A整流模塊，而實際使用的電流均不超過20 A。某些較大的機房，實際耗電也沒超過設計或配置總容量的30%。因此一組交流電源只需2個模塊就能承擔全部設備的供電。

（1）對交流接電模式進行改進，改進后的線路圖見圖2。

圖2 改進后的交流接電模式線路圖

通過對高頻開關電源設備進行技術改造，把整流模塊分成兩組，其中一組接交流1路，另一組接交流2路。

（2）改造后的開關電源系統安全性分析

按上述方案改造后交流配電盤至整流模塊輸入間不再通過兩路轉換裝置（交流接觸器），避免了轉換裝置故障的可能性。對絕大部分機房開關電源系統來講，由于實際耗電量不足單個模塊額定功率，因此在蓄電池均充時，也能保證通信機房設備正常供電。但對某些耗電量較大，而實際配置的開關電源整流模塊較小時，可適當增加整流模塊的數量解決。

（3）改造后的安全和經濟效益

由于鐵路兩路交流電供電可靠，又實現了電源設備正真的雙套冗余，因此電源系統的安全性得到了保障。同時由于各類設備和纜線均有可靠的冗余，因此通信系統安全性得到了可靠的保障。另一方面，由于交流電源可靠性得到了保障，可取消蓄電池的斷電保護，即取消機房蓄電池。

我局每年對機房蓄電池更新投入費用約為800萬。

（4）實際效果及下一步工作計劃

2017年下半年起，在我局上海通信段機房進行了逐線改造，已完成了京滬高鐵、杭深線、金溫線、寧安線等線路機房改造，改造后的電源系統未發生過電源中斷或蓄電池放電的事件，說明系統運行可靠。2018年繼續對剩余電源設備進行改造。

我局的技術改造實踐取得了良好的效果，已向各設計院發出倡議并被采納。在以后的通信電源設計中采用該方案，并在全路推廣。