城市軌道交通信號電源子系統不對稱雙母線冗余方案探討

謝 橋

（南寧軌道交通運營有限公司，南寧 530025）

城市軌道交通信號系統是實現行車指揮、列車運行監控和管理所需技術措施及配套裝備的集合，信號系統不論是整體設備失電或局部設備失電均會對運營服務造成不同程度的安全威脅和準點影響。因此，如何配備一套能保證從外電網端到信號系統設備端可靠供電的電源子系統一直是行業內研究的重點課題，下面以南寧軌道交通信號電源子系統為例進行分析探討。

1 南寧軌道交通運營線路信號電源子系統配置情況

經過前兩輪規劃建設，南寧市已開通城市軌道交通運營線路5 條，分別是南寧軌道交通1 號線、2 號線（含東延長線）、3 號線、4 號線、5 號線，運營里程達到128 km，形成了“十”字軌道骨架和“井”字放射網絡，為廣大市民乘客提供安全舒適準點的交通方式，極大地舒緩了市區地面交通壓力，為后續南寧城市軌道交通線路建設規劃和大都市區空間布局奠定基礎。在已建成運營線路中，1號線至4 號線為列車自動運行（Automatic Train Operation，ATO）線路，5 號線為無人值守全自動運行（Unattended Train Opertion，UTO）線路，每條線路配備的信號電源子系統包含智能電源屏、不間斷電源（Uninterrupted Power System，UPS）、蓄電池組、交流穩壓柜、配電箱等設備，以上設備以不同的結構組合方案，通過整流、逆變、隔離變壓等技術手段確保輸出信號系統設備所需的高品質電源，承載著南寧軌道交通信號系統的供電安全。

1.1 南寧軌道交通1號線至4號線設備集中站、控制中心、車輛段/停車場供電方案

如圖1 所示，南寧軌道交通1 號線至4 號線設備集中站、控制中心、車輛段/停車場采用單UPS+旁路交流穩壓柜+單供電母線供電方案，由智能電源屏（含兩路電源自動切換裝置）、UPS、交流穩壓柜、配電箱等功能單元組成。該方案的兩路輸入市電由配電箱轉接，經電源自動切換裝置后，分別給UPS 主路、交流穩壓柜供電（由交流穩壓柜輸出至UPS 旁路），經UPS 輸出給電源模塊和隔離變壓器后向各類信號設備供電，同時UPS 給蓄電池進行充電。電源子系統提供三級集散式監控體系，具備模塊級、設備級、線路級（線網級）監控功能，各級監控自成體系，互不影響，滿足運營維護人員實時監控電源子系統工作狀態的需求。

該方案優缺點分析如下。

1）可對外電網輸入電壓進行采樣檢測，實現外部供電的自動切換功能，同時具備手動切換功能。不論何種切換，其響應完成時間不大于150 ms。

2）配備的UPS 提供主路、穩壓旁路、后備逆變、維修旁路4 種工作模式，保證在外電網停電、UPS 整流器（或逆變器、靜態開關）等內部部件故障等多場景下不間斷供電的功能。

3）可根據用戶用電需求靈活配置電源屏交/直流模塊、隔離變壓器，單獨模塊化設計保證更換模塊耗時少，更換過程不影響系統輸出。

4）受限于單UPS 和單供電母線結構，缺乏冗余功能，UPS 整機故障、后端短路損毀母線、母線線纜接觸不良等故障將造成無電源輸出，導致信號設備失電，嚴重影響行車。

1.2 南寧軌道交通5號線設備集中站、控制中心、備用控制中心、車輛段/停車場供電方案

如圖2 所示，南寧軌道交通5 號線設備集中站、控制中心、備用控制中心、車輛段/停車場采用“雙UPS+雙旁路交流穩壓柜+雙供電母線供電方案”，該方案在南寧軌道交通1 號線至4 號線設備集中站供電方案的基礎上，增加一套電源屏（含兩路電源自動切換裝置）、一套UPS 和輸出母線。該方案的兩路市電輸入經配電箱轉接，經電源自動切換裝置后，分別給一系的UPS 和另一系的電源模塊提供電源，兩系互為冗余。UPS 與另一系的電源模塊輸出物理隔離，故障時相互不影響。當其中一系設備出現故障時，切換由另外一系設備承擔起所有信號設備供電，該方案同樣具備三級集散式監控功能。

圖2 設備集中站雙UPS+雙旁路交流穩壓柜+雙供電母線供電方案Fig.2 Power supply solution of double UPS + double bypass AC voltage regulator cabinet + double bus in centralized station

該方案優缺點分析如下。

1）該方案為“單UPS+旁路交流穩壓柜+單供電母線”供電方案的優化升級版，不僅具備前述方案的優點，而且克服了單UPS 和單供電母線的缺點，具有較高的供電可靠性。

2）由于配備冗余設備，建設前期應充分考慮更大的地下空間布局和較高的設備采購成本。

1.3 南寧軌道交通1號線至5號線非集中站電源子系統結構

如圖3 所示，南寧軌道交通1 號線至5 號線非集中站采用“單UPS+交流穩壓柜+單供電母線供電”方案。該方案與南寧軌道交通1 號線至4 號線設備集中站供電方案的不同之處在于UPS 與交流穩壓柜的連接方式、容量，該方案的UPS 主路、靜態旁路和維修旁路均與交流穩壓柜串聯連接，僅使用單相電源經穩壓、隔離變壓后供負載使用，因非集中站負荷低，其容量較集中站而言也較小，一般小于15 kVA。該方案兩路輸入市電經配電箱轉接，經電源自動切換裝置后給UPS 供電，UPS 輸出至交流穩壓柜，最終交流穩壓柜輸出至隔離變壓器后向各類信號設備供電，該方案同樣具備三級集散式監控功能。

圖3 非設備集中站單UPS+交流穩壓柜+單供電母線供電方案Fig.3 Power supply solution of single UPS + AC voltage regulator cabinet + single bus in non-centralized station

該方案優缺點分析如下。

1）受限于單UPS 和單供電母線結構，對UPS整機故障、后端短路損毀母線、母線線纜接觸不良等故障無抵御能力，但由于非集中站信號負載一般為監視工作站、發車計時器、軌旁車-地通信等設備，且相鄰軌旁車-地通信設備布置點交叉供電，范圍可冗余覆蓋，上述設備失電對運營安全影響較小。

2）該方案對地下空間布局和設備采購成本要求較低。

2 電源子系統供電情況及整體信號設備失電影響情況

南寧軌道交通各條線路均采用基于通信的 列 車 控 制（Communication Based Train Control，CBTC）信號系統，包含列車自動監控（Automatic Train Supervision，ATS）、列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）、ATO、計算機聯鎖（Computer Interlocking，CI）、數據傳輸（Data Communications System，DCS）、信號集中監測等子系統，各子系統采用國內外不同廠商的設備，這些設備按不同需求分布在控制中心、設備集中站、車輛段/停車場、非設備集中站等不同場所，因此不同場所的電源子系統故障后造成整體信號設備失電的影響范圍也不同。一般而言，設備集中站/車輛段/停車場整體信號設備失電會造成本聯鎖區信號功能喪失、線路降級運營等影響，控制中心整體信號設備失電會造成線路降級運營、線路集中控制功能喪失等影響，非集中站整體信號設備失電會造成本站行車監視和輔助設備功能喪失、軌旁車-地通信設備物理位置冗余失效等影響。如表1 所示，下面以南寧軌道交通2 號線為例，闡述不同場所信號電源子系統供電情況和整體設備失電造成的影響。

表1 南寧軌道交通2號線信號電源子系統供電情況及整體信號設備失電對運營造成的影響Tab.1 Power supply situation of power subsystem for signal system of Nanning Rail Transit Line 2 and impacts of power failure of all signal equipment on train operation

3 改造方案

綜上所述，控制中心、設備集中站、車輛段/停車場信號設備失電將對線路運營造成重大影響，因此對于使用單UPS+旁路交流穩壓柜+單供電母線供電方案的控制中心、設備集中站、車輛段/停車場來說，研究一種可用于實踐并克服單點故障造成信號設備失電缺點的供電方案十分必要。前文已分析“雙UPS+雙旁路交流穩壓柜+雙供電母線供電”方案供電可靠性較高，“單UPS+旁路交流穩壓柜+單供電母線”供電方案在某些不利條件下會造成信號設備失電，因此通過改造增加電源子系統的冗余功能為可行之策。現提出3 種冗余改造方案并說明各種改造方案的適用場景。

3.1 雙UPS并機冗余改造方案

雙UPS 并機方案設置雙套相同的UPS 設備，一套電源自動切換裝置和一套交流穩壓柜，雙套UPS 的靜態旁路共用一套交流穩壓柜。該方案在正常運行方式和非正常運行方式下均能可靠工作，有效克服單UPS+旁路交流穩壓柜方案下UPS 整機故障造成信號設備失電的缺點，但仍無法具備抵御母線類故障的能力。該方案需要新增一套UPS，宜在空間布局寬裕和設備失電后影響范圍小的非集中站使用。

3.2 雙UPS+雙旁路交流穩壓柜+雙供電母線冗余改造方案

“雙UPS+雙旁路交流穩壓柜+雙供電母線”方案目前尚未大范圍普及使用，多用于國內各城市新建設的UTO 線路。該方案要求更大的地下空間布局和更高的設備采購成本，從空間布局方面考慮不宜在既有線空間緊湊的設備集中站使用，從設備失電影響程度較小和運營成本更高方面考慮，不宜在既有線非集中站使用。從規劃建設和開通運營后成本考慮，長期成本較雙UPS 并機方案低，宜在新建線路使用。

3.3 不對稱雙母線冗余改造方案

如圖4 所示，不對稱雙母線冗余方案在單UPS+旁路交流穩壓柜+單供電母線供電方案的基礎上，增加一套電源自動切換裝置、一套母線和按需配置的交流電源模塊。不對稱雙母線方案的兩路市電輸入經電源自動切換裝置后，正常情況下給一系的UPS 和電源模塊提供電源，另一系經新增的自動切換裝置經新增母線直連電源模塊后輸出至負載，兩系互為冗余。UPS 與另一系的電源模塊輸出物理隔離，故障時相互不影響。當其中一系設備出現故障時，切換由另外一系設備承擔起所有負載的供電需求。該方案主要優點是無需新增機柜，僅增加較少的設備，可以利用原有電源屏補空位置和旁路交流穩壓柜進行設置，采用雙總線冗余方式，有效抵御母線類故障，提升電源子系統整體可靠性。但該方案未設置UPS，缺少穩壓、穩頻、濾波、抗電磁和射頻干擾等凈化作用和后備供電功能，存在因外電網污染造成后端設備發生干擾、損傷的潛在風險，在切換至該方案工作的情況下，如外電網停電會造成整體信號設備失電，對正常運營造成影響。宜在既有線設備集中站和非設備集中站使用，且不建議長期使用該方案對信號設備進行供電。

圖4 不對稱雙母線冗余方案Fig.4 Asymmetric double bus redundancy scheme

4 結束語

本文提出的城市軌道交通信號電源子系統不對稱雙母線冗余方案僅增加少量模塊化設備，可以有效利用既有設備機柜的空間進行布置安裝。該方案設計簡約，易于施工，不僅降低了需投入的成本，而且便于后期運維人員開展維保工作，可為行業內電源子系統的設計、建設和既有線改造等工作提供參考依據。