铁路信号一体化 UPS方案探讨

喻伟巍

*上海铁路城市轨道交通设计研究院 高级工程师,200070上海

在以往的铁路信号工程中,车站各控制系统分别配置自己的电源,存在设备间重复配置、利用率低、占地面积大、经济上不合理等缺点。在运营维护中,由于各系统没有专业的电源维护人员,造成电源系统维护少或维护不当,导致蓄电池容量降低、不能达到备用时间要求。国内铁路车站也曾发生由于蓄电池的原因,导致设备停用造成行车中断的情况。

随着电力电子设备制造工艺和应用技术的发展,大功率逆变电源系统和计算机控制技术在工业控制系统中成熟使用,为铁路信号工程实现对各个后备电源系统的整合提供了基础。本文将介绍一种采用 N+1冗余的一体化 UPS方案。

1 信号机械室 UPS使用现状

随着我国铁路的不断提速,为保证铁路列车安全高效运行,信号机械室内的各种控制系统越来越多,如计算机联锁系统、信号微机监测系统、分散自律调度集中系统 (CTC)、列控中心、列车调度指挥系统 (TDCS)等相继投入运行。目前为确保各系统安全运行,均各自配备了独立的 UPS不间断电源,由于缺乏统一的工程设计,在实际运行中暴露出以下问题。

1.目前采用的 UPS大部分是 1～3 kW的小型在线式商用 UPS,后备时间一般为 15 min,后备时间较短。

2.UPS的电池管理功能较差,没有对电池的充放电精确管理,也没有电池故障检测及电池放电保护功能,一般在使用 2年后,其后备时间就会大幅变短,放电电流下降甚至完全失效。

3.目前小型商用 UPS基本上采用功率晶体管输出 PWM脉宽调制信号,通过电感和电容形成50 Hz、220 V的正弦波输出,为节省成本,减轻重量,都没有输出隔离变压器,并不适合信号设备和工业设备使用,会导致系统间隔离设计困难,对雷电浪涌的防护能力下降,UPS设备容易损坏。

4.采用独立供电,每套设备都要配置自己的UPS,不同设备的 UPS不能互相冗余,并且不同厂家的 UPS型号不同,设备重复投资,性能有限,使用单位维护工作量大,可靠性低。

2 N+1冗余的一体化 UPS方案

根据调查,国内专业一体化不间断电源设备在电力行业已经发展使用了十多年,电力部的最新行业标准 《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》DL/T 1074-2007,对设备的技术要求、检测规则、试验方法等有详细的规定,包括配置方案,负荷计算等都有论述和建议。国产的一体化不间断电源在发电厂、变电所、水电站、核电站大量使用,各种产品已经相对成熟,已经可以为不同需求提供专业化的解决方案。

N+1冗余的一体化 UPS方案,通过采用成熟的电力电子技术产品进行设计,可以满足铁路信号的可靠性和安全性要求,具有优越的性能和良好的性价比。图1为一个典型车站的电源系统结构图。

系统由 1个整流充电模块、1组电池、5个逆变器输出模块、1个后备逆变器模块以及 1套监控管理系统 (图中没有画出)组成。可以为车站的计算机联锁系统 (2路电源),CTC系统 (2路电源)和微机监测系统提供 5路独立的隔离电源。一路外电网的交流 220V电压经过整流充电模块转化为直流电压,向直流母线提供电流,同时向蓄电池供电。当外电网断电时,由蓄电池直接向直流母线提供电源,保证对直流母线连续供电。逆变器模块由直流母线提供电流,转化成稳定的 220 V,50 Hz的工频电压输出,每个逆变器模块提供隔离变压器,保证 5路输出电压互相隔离。

图1 车站一体化UPS电源系统结构图

整流充电模块通过改变直流母线的电压,可以控制电池的充电电流,在电池处于充电初始状态时,采用大电流均充方式充电;当电池快充满时,降低直流母线的电压转为浮充方式。当电池过放电时,模块会自动切断蓄电池组的电流输出,保护电池。通过监控器可以定期启动放电试验,用于电池维护和检测,并可以发现损坏的电池,指示维护人员及时更换电池。普通 UPS在放电检测时,如果电池已经损坏,UPS会立即停止工作,导致负载断电,设备停用事故。而该系统采用逐步降低直流母线电压的方法,一旦发现电池损坏,立即恢复直流母线的电压,防止设备停用事故发生,这种方式大大减少了放电监测的操作风险。

正常情况下,直流母线的电压波动小于20 V,逆变器可以自动调整电流,保证输出电压的稳定。输出模块的旁路输入接至备用模块的输出,当逆变器故障或输出电流过大时,自动转为旁路方式,由备用模块提供电流输出。如果此时备用模块也损坏,或输出电流超过负载能力,备用模块也转为旁路输出,由二路外电网直接向负载提供电流。在负载发生过载和短路时,逆变器不会关闭输出,而是转到旁路状态,由外电网直接供电,保证了电流的连续输出。

监控器通过传感器和各模块的 RS-485总线,可以详细监测模块的工作状态和电池的状态,判断故障和报警,同时通过 RS-485总线与信号微机监测系统连接,实现远程监测和故障诊断。

3 几种 UPS方案优缺点比较

目前信号工程的不间断电源方案主要有以下2种:一是大部分设备厂家都是自己采购小型 UPS用于自己设备配套;二是在要求较高的场合,采用双机、双电池组的方法组成双后备电源系统,对各种系统集中供电,提高可靠性。上述 2种方案与本方案对比见表1。

从表 1中可以看出,本方案在系统性能、能量转化效率、配置扩充、可靠性、故障保护及系统维护上有明显优势,价格略高于小型 UPS,由于少配置 1组电池,价格低于双机、双电池的配置方案,但全寿命的使用成本则最低。

4 总结

N+1冗余的一体化 UPS方案依靠现代电力电子技术,通过选用市场上成熟的产品模块,通过工程化的方法进行系统集成,从而满足使用对象的要求。相对于市场的商用 UPS方案,具有配置灵活、可靠性高、性能全面等优点,实现了不间断电源在设计、制造、安装、维护过程的工程化和标准化,节约成本,降低能耗,可以满足铁路工程的各种不同需求,具有良好的推广前景。