寧波軌道交通3號線信號系統電源設備加強措施

朵建華

(寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，315101，寧波//工程師)

電源設備是軌道交通信號系統的基礎設備和重要組成部分，能保證信號設備穩定、可靠、連續地運行。本文主要針對信號電源系統常規設備及LTE(長期演進)設備的供電方案進行技術分析。

1 信號電源系統設計

寧波軌道交通3號線信號系統采用的是不間斷電源(UPS)系統并聯蓄電池，經智能電源屏輸出給用電負載的方式，同時結合系統薄弱環節及可靠性，設計了非集中站兩臺小功率UPS組成的雙母線方案,并采用交流模塊并聯技術、分時下電等技術，大大降低了故障概率，進而更好地保障了整條線路的正常運營。其信號電源系統主要由電源架、UPS、電源屏1、電源屏2、電源屏3等組成。

寧波軌道交通3號線對于用電量較少的非集中站采用了單進三出/三進單出的小功率UPS；集中站等用電量偏大的供電，均采用中大功率的三進三出UPS為信號的電源系統進行不間斷供電。除UPS外其他電能變換環節采用模塊式結構，智能信號電源設備的模塊對后端N個負載采用N+1并聯冗余工作熱備份技術。任何模塊單元出現故障可自動退出并報警，任意單一功率模塊故障均不影響本路電源的正常容量輸出。并且信號電源屏內功率模塊具備無損傷熱插拔功能，更換時間小于1 min，維護快捷方便。

獨特的兩路交流電源輸入自動切換裝置和配套的系統方案，通過接觸器搭接及高可靠控制電路，可保障UPS前端的市電源源不斷。當Ⅰ路輸入電源故障(包括過壓、欠壓、缺相、錯相、停電等)，電源系統將自動切換至Ⅱ路輸入電源工作，并通過監控單元進行告警并上傳；如果Ⅰ路輸入電源故障恢復，電源系統可手動切換回Ⅰ路輸入電源。

信號電源系統具有完善的隔離、凈化、分配，以及漏電監測功能；配備完善的防雷擊和過電壓、過電流、短路保護等電路，保證系統在惡劣條件下工作的可靠性、人身安全的可靠性、電氣火災防護系統的可靠性。系統設備符合國際安全標準EN 60950(對應GB 4943)以及其他相關行業標準；電源設備可以向信號維護監測子系統提供準確的報警信息。

此外，寧波軌道交通3號線信號系統工程為了更好地實現LTE綜合承載功能，采取了非集中站設雙套UPS、蓄電池供電分時下電、LTE設備綜合供電等加強措施。

寧波軌道交通3號線的非集中站UPS 系統工作原理如圖1所示。

注:RRU為射頻拉遠單元圖1 信號電源非集中站系統供電原理圖

寧波軌道交通3號線的非集中站采用2臺單機UPS輸出雙母線的配置,即系統由電源屏輸出2臺獨立的UPS，2臺UPS的輸出獨立工作、互不影響，為冗余的后級設備分別供電。同時，為避免UPS與穩壓器串聯造成單個設備故障，使后級設備供電中斷，寧波軌道交通3號線的非集中站在2臺UPS輸出端采用冗余并聯，經具備穩壓的交流模塊為交流負載進行供電，取消了UPS旁路/輸出穩壓器。交流模塊的輸入取自不同的UPS后，交流模塊的輸出給互為備份的信號負載設備。因單個交流模塊故障，不會影響后級信號設備供電。同樣，因單臺UPS故障，2套UPS分別為冗余的信號系統設備供電，也不影響正常的列車運營。

寧波軌道交通3號線的集中站采用了分時下電技術。即在蓄電池供電狀態下，針對負載的用電重要程度，將非重要負載優先斷開，以保障重要負載獲得更長的后備時間。軌道交通項目要求外電故障后信號系統部分負載仍需維持不小于30 min的供電時間。針對寧波軌道交通3號線專用無線通信系統及信號系統中的DCS(數據傳輸系統)部分UPS供電時間不小于2 h的特殊要求，采用分時下電的解決方案來實現此功能。分時下電控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 分時斷電控制流程圖

分時下電主要部件包括以下幾部分：① 觸發元件,即蓄電池工作狀態的檢測裝置，在本系統中指的是UPS本身。當市電斷電時，UPS采集到此信息，啟動蓄電池逆變工作模式的同時把此信息發送給電源屏監控單元。② 控制器,即采集信息、處理信息和輸出指令的裝置，在本系統中指的是監控單元。監控單元輸入模塊采集UPS蓄電池逆變信號，經由輸出模塊發出下電的驅動信號。③ 下電執行機構,完成下電功能的具體元件，本系統中指的是斷路器和電動操作裝置。通過控制電動操作裝置的驅動電源開關，當電動操作裝置電源開關閉合時，觸發電動操作裝置分閘信號，電動操作裝置動作使斷路器斷開，完成下電。

當市電異常、蓄電池投入瞬間，UPS發送蓄電池逆變工作信號，此時監控單元開始計時。在計時過程中如果市電恢復，則計時指令取消。本項目設分時段0.5 h和2 h兩種。信號電源設備的監控單元發出下電指令，由分勵脫扣器驅動對應斷路器動作，實現后端對應負載回路的下電動作。未被下電的負載將通過UPS及蓄電池維持至電池組的截止電壓為止。當輸出下電指令后，同時通過斷路器的輔助觸點檢測該斷路器是否完成下電；如果下電未完成，則提示下電失敗的告警信息。若分時下電故障,后端0.5 h和2 h的負載將通過UPS維持至電池組能量耗盡到截止電壓為止，不會因此而影響電池供電，并且監控單元會即時觸發故障告警。

2 正線LTE設備供電方案

寧波軌道交通3號線正線的LTE設備由BBU(基帶處理單元)、RRU(射頻拉遠單元)、LTE交換機和固定臺等組成，其基本參數如表1所示。

表1 LTE電源設備電源需求參數一覽表

由于采用LTE綜合承載信號系統及專用無線系統，供電方案應保證任一車站信號電源故障不會導致信號系統及專用無線系統同時不可用。存在LTE設備由本站信號、通信兩個專業綜合供電或由信號專業本站、鄰站兩個車站供電兩種方案可供選擇。

2.1 綜合供電

LTE部分綜合供電由通信專業和信號專業分別提供A網和B網設備的電源輸入。其中，通信設備房電源屏提供A網的2路220 V輸入，而信號設備房電源屏提供B網的2路220 V輸入。以ZC4(區域控制器4)為例具體說明： ① 通信專業供電設備，在集中站(A網)為BBU、RRU、LTE交換機和固定臺，在非集中站(A網)為RRU和固定臺；② 信號專業供電設備，在集中站(B網)為BBU、RRU和LTE交換機，在非集中站(B網)為RRU。

綜合供電配置如圖3所示。由于LTE本站設備供電距離不遠，分別位于信號設備室和站臺區域，以表2中截面積為1.5～4.0 mm2的線纜為計算基數。

圖3 LTE綜合供電及網絡配置方案表2 電源線徑計算參考表格

導線直徑/mm電線截面積/mm2銅的電阻率/(Ω·m)<1.0<1.50.018 2[1.0,2.5)[1.5,4.0)0.018 0≥2.5≥4.00.017 9

選取銅電阻率ρCu=0.018 0 Ω·m；選取極端情況下，通信機房至信號機房BBU和LTE交換機的距離為100 m,通信機房至車控室固定臺的距離為100 m,通信及信號機房至軌旁RRU的距離為925 m。

考慮到電纜的老化，因此BBU、LTE交換機、RRU和固定臺工作電壓分別選取200 V、120 V、110 V和110 V。

R=ρL/S=Ud max/lmax

(1)

式中：

R——導線電阻；

ρ——電阻率；

L——供電距離；

S——線纜截面積；

Ud max——線路允許最大壓降；

Imax——線路最大電流。

由式(1)可計算各情況下線纜的截面積：① BBU電纜,S=0.45 mm2;② LTE交換機電纜,S=0.072 mm2;③ RRU電纜,S=0.963 mm2;④ 固定臺電纜,S=0.029 7 mm2。根據計算結果，電纜截面積最大不超過1 mm2即可。

2.2 鄰站供電

LTE部分鄰站供電由集中站和非集中站分別提供A網和B網設備的電源輸入。其中,集中站設備房電源屏需提供A網的LTE設備220 V輸入，而非集中站設備房電源屏提供B網220 V輸入。現以ZC4為例作具體說明：① 集中站(A網)為BBU、RRU和LTE交換機；② 非集中站(B網)為BBU、RRU和LTE交換機；③ 固定臺和站廳RRU由本站供電。

臨站供電配置如圖4所示，由于LTE設備供電距離長，且電纜衰減壓降嚴重，因此以表2中截面積大于等于4 mm2的線纜為計算基數。

選取ρCu=0.017 9 Ω·m；選取極端情況下，信號集中站機房至信號非集中站機房BBU和LTE交換機的距離為1 826 m,信號機房至車控室固定臺的距離為100 m,信號非集中站機房至信號集中站處軌旁RRU的距離為2 239 m。

考慮到電纜老化，因此BBU工作電壓選取200 V，LTE交換機工作電壓選取120 V，RRU工作電壓選取110 V，固定臺工作電壓選取110 V。

由式(1)可計算得各情況下線纜的截面積：① BBU電纜計算，S=8.171 mm2；② LTE交換機電纜計算，S=1.307 mm2；③ RRU電纜計算，S=2.319 mm2；④ 固定臺電纜計算，S=0.029 6 mm2。根據計算結果，BBU電纜需要使用8 mm2以上電纜。寧波軌道交通3號線有部分車站間距大于4 km，電纜截面積可能要大于20 mm2。

圖4 LTE鄰站供電方案

3 運營控制中心的LTE設備供電方案

3.1 綜合供電

運營控制中心(OCC)的LTE設備也可和軌旁一樣采用綜合供電方式。按表3,供電設計分析電源故障對系統的影響如下：① 如果信號輸入電源故障，集群業務可以通過LTE-A網進行通信，LTE-B網無法正常工作，集群接入交換機2下連調度臺無法正常工作，集群接入交換機1下連調度臺均能正常工作，不影響集群調度功能；② 如果通信輸入電源故障，CBTC(基于通信的列車控制)業務可以通過LTE-B網進行通信，LTE-A網無法正常工作，集群業務無法正常工作，不影響CBTC的功能。

表3 通信及信號供電設計一覽表

OCC設備連接見圖5,圖5中虛線框圈出部分為通信專業供電，其余為信號供電。

3.2 單獨供電

該方案由信號電源屏單獨給OCC的LTE設備供電。

4 方案比較

如表4所示，目前如果采用BBU鄰站供電，輸出電壓220 V時，室外電纜線徑太粗且防雷防護要求高,致使可行性不強；另外，如果不用粗線徑電纜，采用輸出端調高電壓的方式，需將輸入電壓調到300 V，這個方案也較難實現。因此，采用綜合供電的方案相對更加合理，既保證了LTE設備的供電冗余性，又節約了室外電纜的成本，也便于施工單位施工和后期維護。

表4 綜合供電與鄰站供電對比表

圖5 OCC設備連接圖