城市軌道交通信號(hào)UPS供電方案研究

鄺香琦

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430073）

0 引 言

信號(hào)電源屏作為信號(hào)系統(tǒng)的供電設(shè)備，其供出電源的質(zhì)量將影響到信號(hào)設(shè)備的正常工作，進(jìn)而影響到行車(chē)的效率和安全，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選取合適的信號(hào)電源配置方案。

1 城市軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)的構(gòu)成

城市軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)主要由智能電源屏、UPS以及蓄電池組成。來(lái)自配電箱的兩路可靠且獨(dú)立的交流380 V/220 V電源，引入城市軌道信號(hào)電源系統(tǒng)，經(jīng)處理后分別向聯(lián)鎖、區(qū)域控制器以及列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)等供電。

傳統(tǒng)信號(hào)電源屏存在穩(wěn)定性差、可靠性差以及難以維護(hù)等問(wèn)題。信號(hào)智能電源屏的出現(xiàn)改善了機(jī)械電源屏存在的這些問(wèn)題。它采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)施工時(shí)可通過(guò)增加或減少模塊來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的用電需求。當(dāng)確定某一模塊故障時(shí)，只需更換對(duì)應(yīng)的模塊即可，大大降低了電源屏維護(hù)工作量。

UPS是指不間斷供電系統(tǒng)，為地鐵信號(hào)設(shè)備提供穩(wěn)定不間斷的電源。它由變流器、開(kāi)關(guān)以及蓄電池組成，在輸入電源故障時(shí)能通過(guò)蓄電池為負(fù)載供電。蓄電池是一種可以反復(fù)充放電的電池，與UPS配套使用時(shí)，通過(guò)UPS中的逆變器將其儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)換成市電，使得信號(hào)設(shè)備在停電的情況下能夠正常工作一定的時(shí)間。

2 城市軌道交通信號(hào)UPS供電的配置方案

我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的建設(shè)規(guī)范和準(zhǔn)則未對(duì)信號(hào)電源配置的冗余性質(zhì)做出明確規(guī)定，故不同軌道交通線路的信號(hào)電源配置方案可能存在差別。通過(guò)分析整合運(yùn)行線路，確定如下的信號(hào)電源系統(tǒng)配置方案。

2.1 單UPS

單UPS是指信號(hào)電源系統(tǒng)配置方案中只設(shè)置一套UPS設(shè)備，包括兩種情況。

2.1.1 單UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器

單UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器方案配置如圖1所示。由配電箱引入兩路可靠的獨(dú)立電源，經(jīng)電源切換單元處理后，輸出一路送入后續(xù)模塊。計(jì)軸、信號(hào)機(jī)以及聯(lián)鎖機(jī)等設(shè)備對(duì)供電電源的穩(wěn)定性有要求，其所需的電源需經(jīng)穩(wěn)壓器處理后送至UPS，然后經(jīng)過(guò)后續(xù)對(duì)應(yīng)模塊處理供電。對(duì)于其他一些對(duì)電源穩(wěn)定性要求不高的設(shè)備，其所需的電源直接由電源切換單元送至UPS，經(jīng)過(guò)后續(xù)模塊處理送入設(shè)備[1]。

圖1 單UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器方案

I、II路電源正常的情況下，由電源切換單元選擇哪一路供電。若正在工作的一路輸入電源故障，則電源切換單元自動(dòng)倒向另外一路電源供電。若兩路電源均故障，則由蓄電經(jīng)UPS向外圍設(shè)備供電，保證外圍設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)正常工作。這種配置方案應(yīng)用于大連地鐵1號(hào)線和2號(hào)線、福州地鐵1號(hào)線、蘭州地鐵1號(hào)線以及鄭州地鐵2號(hào)線等。

2.1.2 單UPS（帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器

單UPS（帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器配置方案與單UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器配置方案的區(qū)別在于，交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電源模塊所需的電源由UPS向轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊供給，而不是由電源切換模塊直接供給的。這種配置方案應(yīng)用在南昌地鐵1號(hào)線和2號(hào)線、北京地鐵昌平線以及石家莊地鐵1號(hào)線等。

2.2 雙UPS

雙UPS是指信號(hào)電源系統(tǒng)配置方案中設(shè)置兩套UPS設(shè)備，具體有以下3種情況。

2.2.1 雙UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）

雙UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）方案配置如圖2所示。該配置方案中設(shè)置了兩套UPS，互為熱備。一套UPS故障后，另一臺(tái)UPS能夠接替故障機(jī)向后續(xù)設(shè)備供電。這種供電方式的可靠性較單UPS供電方式有很大提高，目前已應(yīng)用于蘇州地鐵1號(hào)線和長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線等。

圖2 雙UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）方案

2.2.2 雙UPS（帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）

雙UPS（帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）配置方案與雙UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）配置方案的區(qū)別在于轉(zhuǎn)轍機(jī)電源模塊的供給是從UPS送入的，工作原理與雙UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）相同，應(yīng)用于天津地鐵6號(hào)線等。

2.2.3 雙UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器

雙UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）+穩(wěn)壓器配置方案如圖3所示。這種配置方案的工作原理同雙UPS（帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）的區(qū)別在于，輸入U(xiǎn)PS的電源可根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)穩(wěn)壓器集中穩(wěn)壓，有來(lái)自于經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器處理后的和直接輸入U(xiǎn)PS的兩種電源。該配置方案應(yīng)用無(wú)錫地鐵1號(hào)線和2號(hào)線，以及蘇州地鐵2號(hào)線和4號(hào)線等。

2.3 雙母線（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）

雙母線（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）配置方案如圖3所示。其中，兩臺(tái)UPS互為雙機(jī)熱備，每一套UPS通過(guò)自身母線向外圍模塊供電。當(dāng)兩UPS中任一個(gè)UPS模塊或者供電母線線路出現(xiàn)故障時(shí)，互不影響，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。該配置方案應(yīng)用于廣州地鐵7號(hào)線以及上海地鐵5號(hào)線、8號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線、13號(hào)線等。

圖3 雙母線(不帶轉(zhuǎn)轍機(jī))方案

2.4 UPS整合

UPS電源整合是軌道交通UPS電源的開(kāi)展方案。整合弱電體系UPS有利于對(duì)各UPS電源體系的硬件整合和匯集放置，便于統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)資源共享，減少設(shè)備占地面積，降低土建工程造價(jià)[2]。

2.4.1 UPS整合（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）

UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）配置方案如圖4所示。系統(tǒng)輸入的電源經(jīng)UPS后向外圍弱電系統(tǒng)供出所需要的電源，但交流轉(zhuǎn)轍機(jī)所需的電源需通過(guò)電源切換單元處理，然后送入電源屏模塊并經(jīng)其處理后，最后送給交流轉(zhuǎn)轍機(jī)。這種配電方案對(duì)UPS設(shè)備的要求較高，應(yīng)用于天津地鐵2號(hào)線、天津地鐵3號(hào)線以及新津有軌電車(chē)等。

圖4 UPS整合(不帶轉(zhuǎn)轍機(jī))方案

2.4.2 UPS整合（帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）

UPS（帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）配置方案與UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）配置方案的區(qū)別在于轉(zhuǎn)轍機(jī)電源模塊的輸入來(lái)源于UPS，其工作原理與UPS（不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)）相同。該配置方案應(yīng)用于北京地鐵6號(hào)線。

3 配置方案分析

3.1 單UPS、雙UPS、雙母線以及UPS整合分析

單UPS的配置方案中，若UPS單點(diǎn)故障，則將會(huì)影響信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作。雙UPS的配置方案中設(shè)置了兩套UPS，當(dāng)一套UPS故障時(shí)，另外一套UPS能代替其工作，從而提升了系統(tǒng)的可靠性和可用性，但兩者共用同一條母線，若母線故障，則將會(huì)導(dǎo)致UPS整個(gè)供電系統(tǒng)的癱瘓。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了雙母線UPS的配置，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和可用性。UPS整合將通信和信號(hào)等系統(tǒng)的供電整合在一起，由UPS集中供電。這種配置方案一方面節(jié)約了施工成本，另一方面降低了維保復(fù)雜度。

3.2 UPS不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)和UPS帶轉(zhuǎn)轍機(jī)配置方案分析

UPS不帶轉(zhuǎn)轍機(jī)和UPS帶轉(zhuǎn)轍機(jī)兩種配置方案中，當(dāng)I路和II路電源輸入均故障時(shí)，前者的交流轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備無(wú)法正常工作，將會(huì)影響到行車(chē)效率甚至行車(chē)安全，而后者的蓄電池可通過(guò)UPS處理向轉(zhuǎn)轍機(jī)供出電源，維持轉(zhuǎn)轍機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)正常動(dòng)作，對(duì)行車(chē)效率影響相對(duì)較小。

3.3 UPS+穩(wěn)壓器和UPS配置方案分析

UPS+穩(wěn)壓器和UPS兩種配置方案中，前者可根據(jù)實(shí)際需求采用穩(wěn)壓器集中穩(wěn)壓后送入U(xiǎn)PS，經(jīng)其處理后，送入對(duì)電壓穩(wěn)定性有較高要求的設(shè)備，便于維護(hù)保養(yǎng)，后者則是將穩(wěn)壓分散在UPS后續(xù)的各個(gè)模塊。

4 結(jié) 論

單UPS、雙UPS、雙母線以及UPS整合等不同UPS電源方案的配置，在可靠性和可用性不斷提升的同時(shí)，施工成本和技術(shù)要求等也有所提升，而且隨著軌道交通信號(hào)設(shè)備智能化程度的提升，對(duì)電源質(zhì)量的要求也越來(lái)越苛刻。電源屏配置方案的設(shè)計(jì)，不僅需要從軌道交通對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性3個(gè)方面出發(fā)，還需考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求、相關(guān)文件的要求以及工程造價(jià)等，以保證城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的供電安全。