大連地鐵信號電源系統配置方案分析

杜曉菲

（大連地鐵運營有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

大連地鐵1號線和2號線的信號系統均采用基于無線通信的CBTC移動閉塞制式，由列車自動監控系統（Automatic Train Supervision System，ATS）、列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）、列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）、計算機聯鎖（Computer Based Interlocking，CBI）以及數據通信系統（Data Communication System，DCS）組成。系統內設備分布于控制中心、車輛段、各正線車站設備室、軌旁以及列車上，除車載設備是由車輛提供110 V直流電外，其他設備由專門的電源系統進行供電，大連地鐵信號電源設備包括智能電源屏（含穩壓器）、UPS以及蓄電池組[1]。

1 智能電源屏

1.1 電源屏的基本概述

大連地鐵1號線和2號線信號電源設備選用北京鼎漢技術股份有限公司研發生產的PZG系列智能信號電源屏，該系列電源屏具有高可靠性、高效率、免維修以及少維護等優點，可以為信號系統負載提供不間斷的交流電或直流電。電源屏各部分均為模塊化結構，采用“1+1”或“N+1”熱機備份冗余技術，具有較高的可靠性，任意模塊故障均不影響系統正常運行，并且故障模塊可自行退出，同時支持熱插拔維護。該系列電源屏具有智能監控單元，采用穩定的Linux操作系統，可實現對模塊輸入/輸出電壓、工作狀態、系統配置數據及告警信息的采集和顯示，并可通過RJ45以太網接口將故障信息上傳至控制中心[2]。

1.2 電源屏的工作原理

兩路外部輸入三相三線制電源（380/220 V±15%、50 Hz±1 Hz）經電源屏的自動切換單元，為UPS（不間斷電源）提供外部供電，如圖1所示。電源屏具有自動切換功能，兩路切換時間小于0.15 s。正常情況下，兩路電源經自動切換后，選擇一路給UPS供電，UPS一方面給蓄電池充電，另一方面穩壓并聯后輸出至電源屏，在電源屏內部進行重新配電和穩壓隔離后輸出給模塊，模塊電源經過整流和逆變向信號負載輸出配電[3]。

圖1 電源屏正常工作原理圖

2 UPS

2.1 UPS基本概述

大連地鐵1號線和2號線信號電源設備選用艾默生網絡能源有限公司研發生產的UL33系列產品。該系列產品連接在電源屏輸入端與信號負載設備中間，為信號設備提供不受電網干擾、穩壓且穩頻的電力。在市電斷電的情況下，UPS可將蓄電池電能逆變輸出給信號負載，維持一段時間的電力供應，待市電重新恢復供電后可恢復正常工作模式[4]。

2.2 UPS工作原理

UPS主要包括整流器和逆變器、旁路靜態開關、輸出隔離變壓器和逆變靜態開關、維修旁路空開、蓄電池組以及輸入/輸出空開。UPS工作原理如圖2所示。

圖2 UPS工作原理圖

根據圖2，市電經由主路開關Q1輸入，整流模塊REC將三相交流電源變換為穩定的直流電源給蓄電池充電，整流電路采用了DSP實時處理的全數字控制與軟啟動控制技術，提高了電源系統的抗沖擊能力和直流母線電壓的穩定性，可延長蓄電池的使用壽命[5]。逆變模塊INV進行直流/交流變換，將整流模塊和蓄電池提供的直流電源變換成三相交流電源，經過隔離變壓器TR2和靜態開關后輸出。蓄電池組在交流停電時通過逆變向負載供電。此外，電源的輸入也可以通過旁路靜態開關Q2從旁路回路向負載供電。如果在信號負載供電不間斷的前提下對UPS內部進行維修，可使用維修旁路開關Q3BP[6]。

2.3 蓄電池

目前，廣泛應用于城市軌道交通的蓄電池為膠體電池或鉛酸蓄電池。大連地鐵信號系統采用海志牌閥控式密封膠體電池，該蓄電池一般采用6塊2 V的蓄電池串聯起來組成一個12 V的電池體，然后多塊12 V電池體并聯成一個電池組，各電池組再串聯構成了信號系統的后備電源。根據技術標準，大連地鐵信號系統蓄電池后備時間為30 min（試車線和維修中心蓄電池后備時間為15 min）[7]。

3 信號電源系統配置方案

信號系統在城市軌道交通中承擔控制列車的任務。為保證信號系統重要設備的穩定運行，在電源系統設計過程中很多單元都會采用冗余設計來提高電源系統的可靠性，例如兩路三相四線的輸入電源設計、UPS旁路輸入設計、UPS及蓄電池配置以及電源屏模塊冗余配置等，這些設計目前已成為大部分軌道交通信號系統的常用電源配置設計，發展較為成熟。

3.1 大連地鐵信號電源系統配置方案介紹

信號電源系統配置如圖3所示，兩路市電經防雷單元輸入至電源屏，由電源屏兩路自動切換單元選擇一路作為主路輸入，另外一路作為旁路輸入備用。主路輸入電源進入UPS（單機UPS配置）后，一方面整流后給蓄電池充電，另一方面穩壓后輸出到電源屏，充電配電后輸出到各交流支路和直流支路給信號負載供電。其中交流380 V轉轍機不由UPS供電，直接在電源屏內部進行穩壓隔離后給轉轍機配電[8]。

圖3 信號電源系統配置

3.2 特殊情況下的配電保障措施

3.2.1 主路斷電

正常供電的情況下，主路輸入給UPS供電。主路輸入不正常時，由旁路給UPS供電。兩路電源切換時間小于0.15 s，雖然輸入端會有短時間的斷電，但是由于電源模塊采用了三相功率因數校正技術設計，裝備該技術的模塊具有短時的記憶存儲功能，因此保證了輸入端切換時模塊對外輸出的不間斷，待兩路電源切換完成后，電源模塊由一路供電，系統照常工作。此外，在電源屏切換單元發生故障時，直供開關可以實現直供供電。

3.2.2 UPS故障

大連地鐵電源系統中采用UPS和穩壓器互為穩壓冗余，各部分正常工作的情況下由UPS主路提供逆變后的穩壓電源，當UPS轉旁路工作時由穩壓器提供穩壓電源，從而保證輸入電源的穩定性[9]。

3.2.3 電源屏輸入斷電

當電源屏兩路輸入斷電時，在UPS正常工作的情況下蓄電池組經UPS逆變輸出AC/DC電源給信號負載設備進行相應短時間內的配電。

3.3 電源監控系統方案

電源監控系統主要采用三級監控體系。第一級主要是對模塊進行監控，全方位監控模塊的運行狀態和系統的配電情況；第二級是對監控單元進行監控，監控電源系統的人機界面和交互接口，實時定位和顯示故障情況；第三級是對電源的具體信息進行監控，通過網絡監控網管進行實時的動態監控，當故障發生時可以自動觸發報警并顯示故障，維修人員可以根據網管顯示來確認電源系統故障點，從而及時采取有效的解決措施[10]。

4 結 論

軌道交通信號系統需要保證24 h不間斷穩定運行，要求供電系統具有非常高的穩定性和可靠性。目前大多數城市的軌道交通信號電源系統均采用UPS單機配置方案，這樣雖然可以減少電源系統的投入預算，但存在一定安全隱患。根據相關資料，北京、上海、武漢以及西安等地鐵線路曾出現因UPS故障導致信號設備全部失電的情況，影響范圍較大。因此，為提高電源系統的穩定性和可用性，可在原單機UPS配置的基礎上根據各站情況適當增加1臺UPS冗余配置，增加的配置在整個信號系統的造價成本中所占比例極低，但卻可以大大提高設備穩定性。