軌道交通信號電源系統雙UPS并機技術研究

王 霏，屈 桐

（北京市地鐵運營有限公司 通信信號分公司維修七項目部，北京 100080）

0 引 言

本文主要介紹現有軌道交通中信號電源系統UPS應用方案，結合現有UPS并機方案進行分析，采用“N+X”熱備份并機方式進行改進，為單機UPS運行的信號電源系統提供了一種冗余度大、擴容性能好的UPS并機方案，并對其工作原理、系統方案、運行特性以及維護注意事項等方面進行了詳細介紹，突出了該方案的工作優勢[1]。本項目的目的在于加強軌道交通信號系統的穩定性，降低因設備電源類故障對安全運營產生的影響。

1 軌道交通中單機UPS運行概述

1.1 軌道交通信號電源使用狀況

現有部分地鐵信號電源系統線路使用單不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）供電，其中包含兩路市電供電，負載置于單臺UPS之后。

各站點依據采用的設備分布方式特點可以分為設備集中站和非設備集中站。設備集中站的電源容量為20～60 kW，所使用的單機UPS一般為三相輸入、三相輸出，并具備主路UPS工作開關、旁路電源工作開關、手動檢修旁路開關以及電池開關，可以實現在主路UPS的整流模塊和逆變器等故障、負載過載或電池放電結束時自動倒切至旁路電源供電，當故障修復后再自動倒切至主路UPS供電模式。非設備集中站的電源容量一般為6 kW，所使用的單機UPS多采用單相輸入、單相輸出的方式。現場配置中需要根據電源容量配置UPS輸入輸出方式，UPS工作原理一致，實際應用中電源容量以20～60 kW為主。

1.2 單機UPS工作原理

采用單機UPS的信號電源系統連接方式有兩種，第一種連接方式如圖1所示，兩路輸入市電經切換單元后，分別為UPS主路與穩壓器供電，經UPS輸出后給所有負載（含轉轍機）供電，同時對蓄電池進行充電，穩壓器輸出為UPS旁路提供電源。

第二種連接方式如圖2所示，兩路輸入市電經切換單元后，通過穩壓器為UPS提供穩壓電源，經UPS輸出后給交流負載供電，同時對蓄電池進行充電，穩壓器輸出為UPS旁路和主路提供供電電源。

正常工作方式下，UPS將輸入電源分別經過整流單元和逆變單元進行電壓轉換后，通過變壓器隔離后輸出，蓄電池接于整流單元與逆變電源之間的直流母線上，在UPS輸入斷電的情況下為后端負載提供不間斷電源。當UPS故障或負荷超載時，自動旁路開關閉合，輸入電源直接通過旁路供電給負載。

現場需要對UPS進行維修或更換時，可閉合手動檢修旁路開關維持輸出負載工作不間斷，并將UPS不間斷電源的輸入、旁路輸入、內部直流電池開關、輸出開關都打開，然后對該UPS的內部進行檢修或更換。

1.3 單機UPS使用缺點

采用單機UPS的信號電源系統的冗余程度低，當發生單機UPS故障、輸入掉電等不利情況時，僅依靠自動旁路維持供電容易引起電路失電，進而對軌道交通系統造成極大壓力。

結合線路的應用情況以及用電重要性，考慮到電源故障可能導致信號設備全部失電，影響正常行車安全及行車效率，造成極其惡劣的影響，為了提高UPS設備的可靠性和可用性，需對單機UPS方案進行優化。

2 軌道交通中UPS并機改進方案介紹

2.1 通用UPS并機方案

目前，軌道交通行業，尤其是信號電源系統對UPS供電可靠性的要求非常高。UPS供電的可靠性直接影響到信號電源設備的安全穩定運行，已成為保證軌道交通安全的重要前提。相比于單UPS系統，并機UPS系統更穩定，可實現擴容及冗余配置，瞬時過載能力更強，可靠性更高，更加適應軌道交通的發展需要。最為常見的幾種并機控制方法如下文所述。

2.1.1 主從熱備份

主從熱備份方案的工作原理為主機帶負載，從機只起到熱備份的作用，并不帶載運行。當主機出現故障時會自動退出工作，系統跳轉到從機供電，實現不間斷供電[2,3]。連接示意如圖3所示。

圖3 主從熱備份方案連接示意

該方案的優點為兩臺UPS獨立運行，互不影響，不受設備品牌限制，不需要進行額外的調試。缺點為擴容不方便，需要單臺容量大或配置的模塊數量多，模塊承受瞬時過載能力低，且其中一個長期運行，另一臺長期空載，利用率較低，電池壽命也相對較低。

2.1.2 串機互動熱備份

串機互動熱備份方案是兩臺機器分別帶負載，每臺機器的輸出分別接入另一臺機器的旁路輸入端，組成互為主備的UPS系統，是主從熱備份的改進型，連接示意如圖4所示。

圖4 串機互動熱備份方案連接示意

串機互動熱備份方案需要人工分配負載，相對于主從熱備份方案具有瞬間過載能力強、從機利用率高、電池壽命較長等特點。缺點為必須應用于可人工分配負載功率的方案。

2.1.3 并機互動熱備份

并機互動熱備份方案兩機單體并行運行，通過靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS）接入負載，如圖5所示。此方案中的兩臺UPS采用單元互動形式，通過STS開關的預先設置來選擇負載由UPS1或者UPS2供電，實現負載分配。當任何一臺UPS故障無輸出時，STS開關會在幾毫秒之內轉換到另一臺UPS為負載供電，無故障UPS承擔全部負載。

圖5 并機互動熱備份方案連接示意

方案的優點為兩臺UPS通過STS開關進行并聯分配，調整兩臺UPS輪換工作，可減少預設調試，增加電池和UPS使用壽命，而且切換過程中沒有瓶頸故障點。缺點為STS有額定容量限制，擴容不方便，增加系統故障點，降低整體可靠性。

2.1.4 “N+X”并機熱備份

“N+X”并機熱備份方案為交流并聯方案[4]。正常工作時，并聯的N+X個UPS穩定協調工作，均分負載運行。當并聯的任一臺UPS發生故障時，會自動退出并機，由剩余的UPS均分負載繼續運行，若剩余的UPS超載，則系統將自動跳轉到旁路工作。

圖6 “N+X”并機互動熱備份方案連接示意

方案優點為多臺UPS并聯，可實現自動均分負載，瞬間過載能力強，單臺UPS故障無縫切換，擴容方便，沒有瓶頸故障點。缺點為存在部分環流，無功損耗大，需要并聯的UPS為相同品牌。

2.2 軌道交通中UPS并機改進工作原理

本文中主要研究采用“N+X”并機熱備份工作方式對原有單機UPS進行改進，連接間增加并機板[5]。UPS并機原理如圖7所示。

圖7 “N+X”并機熱備份系統原理

該控制方法通過增加并機板實現多臺UPS之間通信。多臺單機并聯組成的UPS系統相當于一個大的UPS系統，但具有更高的系統可靠性。該系統支持多臺UPS并聯工作，主路、自動旁路和手動維修旁路均設置多路冗余，便于維護，沒有瓶頸故障點，當任一UPS出現故障時，可實現后端負載供電不間斷，瞬間過載能力強，穩定性更高。

2.3 軌道交通中UPS并機系統方案詳細介紹

本方案以兩套完全相同的UPS并機為例進行介紹，采用雙UPS并聯冗余方案的信號電源系統如圖8所示，該系統由一套雙電源切換單元、兩套UPS、一臺穩壓器、兩套蓄電池、若干電源模塊組成[6]。并機中要求兩套UPS的容量相同，輸出的電壓幅值相同、頻率相同、相位相同、相序相同，以便更好地均分負載。

圖8 采用雙UPS并聯冗余方案的信號電源系統

系統有兩路市電輸入，互為冗余，經過雙電源切換裝置后分別接入兩個UPS；兩路市電可通過雙電源切換裝置進行手動和自動切換，設置優先級[7]；兩個UPS均配置并機板進行并機，電源屏內根據現場需求選配電源模塊；UPS輸出電源通過各種電源模塊進行轉換供給各路負載[8]；UPS內部有自動旁路，當兩臺UPS均無法正常工作時，可自動切換至旁路供電；UPS設置維修旁路，當出現故障需要維修或更換時，可切換到維修旁路后進行操作；UPS外接蓄電池作為不間斷電源供電。

3 軌道交通中UPS并機方案特性

3.1 并機方案的運行方式

3.1.1 正常模式運行方式

在正常模式時，軌道交通信號電源系統外部接兩路市電為UPS電源系統提供供電電源[9]。兩路市電可設置供電優先級，實現故障時自動切換。兩臺UPS裝置分別增加并機板實現并機運行，均分負載。每套UPS包含整流單元、逆變單元、隔離變壓器、靜態開關以及開關幾部分，蓄電池組置于整流單元和逆變單元之間的直流母線上，作為不間斷電源[10]。

3.1.2 故障模式運行方式

當軌道交通信號電源系統存在故障時，雙UPS并機單元運行方式如下：一是系統有兩路市電輸入，當一路市電停電，而另一路正常時，系統自動切換到正常市電供電，維持UPS穩定供電；二是兩路市電均停電時，UPS中由蓄電池提供不間斷電源，經過逆變單元轉換后向各個負載供電；三是當任意一臺UPS發生故障無輸出時，將自動退出并機系統，由剩下的UPS承擔全部負載，若超載則轉換到旁路供電；四是當一臺UPS僅整流器發生故障時，由掛在該母線上的蓄電池組供電，當蓄電池組放電結束時，若另一臺UPS正常，則故障UPS退出系統，由正常UPS供電，若另一臺UPS故障無輸出，則系統切換至旁路供電；五是當兩臺UPS均發生故障無輸出時，系統自動轉換到旁路維持負載穩定運行。

3.2 負載連接方式

軌道交通中采用UPS并機信號電源系統負載分為交流負載、直流負載兩種。

3.2.1 交流負載

信號電源系統中的交流負載主要有雙路交流負載、單路交流負載以及轉轍機負載3種。對于雙路和單路交流負載，均在UPS后端配置交流電源模塊與隔離變壓器進行供電，以減少負載短路時對UPS造成沖擊，有利于延長UPS使用壽命，使系統更穩定。對于轉轍機負載，其具有短時間功率較大，間歇工作的特點，目前配置于UPS或者穩壓器之后，供電電源為三相交流電。

3.2.2 直流負載

軌道交通信號電源系統的直流負載主要包括直流220 V、直流110 V、直流60 V、直流24 V以及直流24～60 V多種供電方式，由于負載種類較多，系統中為每個回路均配置相應的直流電源模塊，將UPS輸出的交流電壓轉換為對應電壓進行供電，直流負載不需額外配置變壓器。

3.3 并機方案維護注意事項

一是當蓄電池故障或亟需維護時，需先斷開蓄電池組與UPS直流母線的連接，再進行檢修或維護；二是對UPS維護時，需要閉合手動維修開關維持負載不間斷供電，并斷開UPS輸入開關、輸出開關及蓄電池開關，使UPS裝置徹底無電，再進行維護；三是當UPS系統由兩個以上的UPS單元并聯組成時，閉合UPS內部維修旁路開關，則并機負載可能全部經由其內部維修旁路供電，因此并機時建議使用外部維修旁路開關而不建議使用內部維修旁路開關；四是當其他UPS運行時，已關閉的本機UPS輸出端子上仍然存在電壓，需等待5 min使UPS母線電容放電完成，操作前用萬用表測試是否存在危險電壓。

4 結 論

根據軌道交通系統信號電源系統不間斷電源的工作需求，本文對比各種現有并機方案優缺點，采用“N+X”并機熱備份的并機方式進行改進，為軌道交通信號電源系統提供了一種冗余度大、擴容性能好的UPS并機方案，并對該方案從工作原理和方案特性以及操作注意事項進行的詳細描述，突出了該方案切換速度快、可靠性高、擴容便利、維護便捷的優勢，可有效降低軌道交通在極端運行狀況下發生失電的概率。