城市轨道交通站台门电源系统应用分析

刘艳荣

城市轨道交通站台门电源系统应用分析

刘艳荣

摘 要：详细介绍城市轨道交通站台门电源系统基本组成，常用电源系统解决方案以及工作原理，从失效模式、单点故障、模块转换、蓄电池使用、以及维护管理等方面对不同电源解决方案进行了分析比较，提出站台门电源系统的建议方案。

关键词：站台门；电源；驱动电源；控制电源

刘艳荣：北京市地铁运营有限公司，高级工程师，北京 100044

1　站台门应用概述

随着城市轨道交通的快速发展，站台门在新线地铁建设及老线改造中得到广泛应用。设置站台门可增大站台候车区域，提高乘客乘降安全，改善车站环境以及节能等作用。但站台门设置后，站台门与列车门实现了联动控制，与信号系统建立了联锁关系，因此，也相应增加了行车运行控制的复杂性，一旦站台门设备发生故障，将直接影响行车秩序。在实际应用中，站台门故障的主要形式为单个门开关门故障，该故障一般对运营影响较小；而整侧门开关门故障，对运营秩序影响极大，其故障原因除信号系统故障外，站台门电源系统故障，是其中主要原因之一。2014年北京地铁6号线呼家楼站因站台门电源故障造成车站两侧站台门开关门失效，乘客只能通过手动解锁开门，导致整个车站运营秩序混乱，线路多次列车晚点。因此，站台门电源系统安全可靠性十分重要，是站台门设备系统设计和产品选型的关键。

本文对站台门电源系统应用情况进行了全面梳理，从电源系统可靠性、可维护性等方面进行分析，提出适应于轨道交通站台门运营要求的电源系统配置方案。

2.1驱动电源

驱动电源根据站台门驱动电机设计，为门机驱动设备供电，驱动电源应满足直流电机启动的冲击特性需求。在国内城市轨道交通应用中，门机驱动电机通常有DC110V、DC48V和DC24V 3种电压等级。

2.2控制电源

控制电源主要是给屏蔽门控制系统设备主控机（PSC）、原地控制盒（PSL）、中央接口盘（PEDC）、单门控制开关（LCB）等供电，其电压等级根据站台门生产厂家不同，控制电源电压等级有不同选择，一般有DC110V、DC24V和AC220V 3种电压等级。

2　站台门电源系统的构成

站台门电源系统由驱动电源和控制电源组成；驱动电源及控制电源的蓄电池组、电源模块及配电回路为独立配置，由1套监控系统集中管理。

3　电源负载特性及供电系统要求

3.1电源负载特性

地铁正常运营时，站台门开门时间为2～3 s可调，关门时间为2.5 ～3.5 s可调，按照2 min列车间隔计算，开关循环1次为120 s。门控制单元（DCU）在开启和关闭循环动作工程中，瞬间电机电流剧增，负载冲击特性十分明显。

现以车站每侧24扇门体，门机驱动工作电压DC110V为例，开关门最大驱动电流有以下4种情况。

（1）两侧门体均处于开关门情况

ID1=3×24×2=144 A

（2）一侧门体处于开关门瞬间，同时另一侧门体处于开关门过程情况

ID2=3×24＋0.6×24=86.4 A

（3）两侧门体同时处于开关门过程情况

ID3=0.6×24×2=28.8 A （4）两侧门体同时处于开关门保持情况

ID4=0.23×24×2=11.04 A

由此可知，站台门在实际开关门循环动作过程中，其驱动电源负载始终变化较大，其站台门负载特性呈现出冲击电流大、间隙工作的特点。鉴于站台门驱动负载冲击大的特性，目前站台门一般选用直流电机作为驱动机构，直流电机具有良好的启动机械性能，可以满足站台门反复间歇开关门的动作要求。

3.2供电系统要求

站台门是轨道交通重要的运营设备，其供电等级为1级用电负荷，具体要求如下。

（1）正常情况下，由车站低压配电系统通过双电源切换箱提供2路独立三相380 V交流电源，为站台门供电。当主电源故障时，自动切换到备用回路，由备用电源供电。

（2）当主备电源均发生故障时，站台门不间断电源（UPS）的蓄电池组作为备用电源，向站台门供电，其电池容量满足驱动系统开关门5次/h的要求。当市电恢复供电时，系统自动恢复到正常交流电供电方式。

（3）站台门电源设计和电源部件选择应满足高可靠性要求，系统供电从起点到终点无单点故障。

（4）电源系统应具备快速故障恢复能力，监控系统可实现对电源运行状态的监视，对故障及时准确报警。对故障部件更换不影响系统正常工作。

4　站台门电源系统应用分析

4.1驱动电源

共有110 V直流UPS、交流UPS+门头转换模块(DC110V)、48 V直流UPS、直流UPS+门头转换模块(DC48V)、交流UPS+门头转换模块(DC48V)5种应用方式。4.1.1 110 V直流UPS电源

系统由驱动整流模块、驱动充电模块、隔离二极管、蓄电池组、配电单元等组成（图1）。

系统工作方式：正常情况下，市电三相AC380V电源分别给驱动整流模块和驱动充电模块供电，经驱动整流模块（模块采用N+1冗余备份）转换成DC110V给站台门驱动门机供电；同时经驱动充电模块（模块采用N+1冗余备份）转换成DC108V给蓄电池组充电。市电停电后，隔离二极管导通，蓄电池组通过隔离二极管直接给站台门驱动门机供电。

系统的特点：驱动整流模块和充电模块采用模块化冗余设计，无单点故障。蓄电池组通过隔离二极管与驱动母线直接相连，市电停电后隔离二极管导通，蓄电池组直接为门机供电，无转换环节。系统供电可靠性高。正常时，隔离二极管处于截止状态，蓄电池组不参与供电，驱动充电模块可实现独立对蓄电池进行自动充放电管理，不影响驱动母线的供电；市电停电后，蓄电池直接供电。电池容量不损失，利用率高。模块可采用带电插拔方式，便于系统故障维护。

系统失效模式：当交流停电，同时电池组损坏时，无法提供直流驱动电源。

4.1.2交流U P S+门头转换模块(DC110V)

系统由整流模块、逆变模块、隔离变压器、蓄电池组、站台门门头AC/DC转换模块和配电单元等组成（图2）。

系统工作方式：正常情况下，市电三相AC380V电源通过经过整流、逆变、隔离变压器后，输出稳定的AC380 V或AC220V电源到站台门门头，再经站台门门头AC/DC转换模块转换成DC110V，给驱动门机系统供电；同时通过充电模块对蓄电池组进行充电。市电停电后，隔离二极管导通，蓄电池组通过升压模块、逆变模块、隔离变压器提供AC380 V或AC220V电源到站台门门头，再由门头AC/DC转换模块转换成DC110V，给驱动门机系统供电。

图1　110 V直流UPS电源系统框图

系统特点：停电后蓄电池需通过升压、逆变模块、隔离变压器再由门头转换模块给驱动门机供电，通过了2次转换环节，增加了系统的故障率及损失蓄电池容量，降低了利用率。交流UPS如采用整机型的UPS，系统存在单点故障，降低了系统的可靠性。同时整机型UPS不能做到带电插拔和在线维护，增加了后期维护成本和工作量。若每个驱动电机由单独的门头转换模块供电，无冗余，降低了可靠性。

系统主要失效模式：①驱动AC ／DC转换模块损坏（无冗余配置时），由于电池不是接在驱动母线上，无法提供驱动电源；②交流停电，UPS逆变模块损坏、或电池升压部分损坏、或电池组损坏，均无法提供驱动电源。

4.1.348 V直流UPS电源

系统电源由AC/DC整流模块、蓄电池组及配电单元组成（图3）。未设置电池隔离的二极管。

系统工作方式：①市电经驱动整流模块转换成DC48V直接供给驱动门机供电，同时经驱动充电模块给蓄电池组充电；②当市电停电后，蓄电池组直接给驱动门机供电。

系统特点：采用模块化冗余设计，无单点故障，系统可靠性高。可带电插拔可在线维护。停电后蓄电池直接给驱动门机供电，无转换环节，不损失蓄电池容量，利用率更高。但由于电压低、冲击电流大、电线路长，线路的压降会很大。工程上通常采用加大电池容量、增加线缆面积，因而配电成本较高，不适合布线较长、车辆编组较多的系统。同时蓄电池组直接接在驱动母线上，当蓄电池组深度放电再充电时，电源系统为保护蓄电池，会进行限流充电，拉低驱动母线电压，将会影响屏蔽门系统正常工作。

系统主要失效模式：当交流停电，同时电池组损坏时，无法提供直流驱动电源。

图2　交流UPS+门头转换模块(DC110V)电源系统框图

图3　48 V直流UPS电源系统框图

图4　直流UPS+门头转换模块(DC48V)电源系统框图

4.1.4直流U P S+门头转换模块(DC48V)

系统由驱动整流模块、驱动充电模块、隔离二极管、蓄电池组、站台门门头转换模块及配电单元组成（图4）。

系统工作方式：①市电分别给整流模块（N+1冗余配置）和充电模块（N+1冗余配置）供电，经整流模块转换成DC110V到站台门门头，再经门头转换模块转换成DC48V后给驱动门机供电；充电模块转换成DC108V给蓄电池组充电；②当市电停电后，蓄电池组通过门头转换模块转换成DC48V后给驱动门机供电。

系统特点：模块化冗余设计，保证系统的可靠性。可带电插拔可在线维护。正常运行时蓄电池不参与供电，能独立对蓄电池进行自动充放电管理，保证蓄电池的使用寿命。停电后，蓄电池需通过门头转换模块给驱动门机供电，通过了1次转换环节，增加了系统故障几率，损失了蓄电池容量，降低了蓄电池利用率。

系统主要失效模式：①当交流停电，同时电池组损坏时，无法提供直流驱动电源；②当每个驱动电机由单独的门头转换模块供电时，无冗余，降低了可靠性，如果转换模块损坏，无法开关门。

图5　交流UPS+门头转换模块(DC48V)电源系统框图

图6　直流UPS+DC/AC+DC/DC电源系统框图

4.1.5交流UPS+门头转换模块(DC48V)

系统由整流模块、逆变模块、隔离变压器、蓄电池组、门头转换模块及配电单元组成（图5）。

系统工作方式：①市电经整流模块、逆变模块、隔离变压器后输出AC380V或AC220V到站台门门头，再经门头转换模块转换成DC48V后给驱动门机供电。同时通过充电模块给蓄电池组充电。②当市电停电后，蓄电池组通过升压、逆变模块、隔离变压器后输出AC380V或AC220V交流到站台门门头，再由门头转换模块转换成DC48V给驱动门机供电。

系统特点：停电后，蓄电池需通过升压、逆变模块、隔离变压器再由门头转换模块给驱动门机供电，通过了2次转换环节，增加了系统的故障几率，损失了蓄电池容量，降低了蓄电池的利用率。

系统主要失效模式：①交流UPS如采用整机型的UPS，系统存在单点故障，降低系统的可靠性，同时整机型UPS不能做到带电插拔和在线维护，增加后期维护成本和工作量；②当每个驱动电机由单独的门头转换模块供电时，无冗余，降低了可靠性，如果模块损坏，无法开关门。

4.2控制电源

控制电源主要是直流UPS+DC/ AC+DC/DC和交流UPS+AC/DC两种供电方式 。

4.2.1直流UPS+DC/AC+DC/DC方案

系统由整流模块、DC/AC模块、DC/DC模块、蓄电池组及配电单元组成（图6）。

系统工作方式：①市电经整流模块（N+1冗余配置）转换成DC110V，分别给DC/AC及DC/ DC模块供电，同时给蓄电池组充电。②当市电停电后，蓄电池组直接给DC/AC及DC/DC模块供电。

系统特点：关键模块采用冗余设计，无单点故障，系统可靠性高。可带电插拔可在线维护。市电失电后，蓄电池组直接给DC/AC及DC/DC模块供电，无中间环节。

系统主要失效模式：当市电失效时，同时蓄电池组故障后，控制电源无法输出。

4.2.2交流UPS+AC/DC方案

系统由整流模块、逆变模块、隔离变压器、AC/DC模块、蓄电池组及配电单元组成（图7）。

系统工作方式：①市电经交流UPS的整流、逆变模块及隔离变压器后输出AC380V或AC220V给AC/DC模块供电；②当市电停电后，蓄电池组通过升压、逆变模块及隔离变压器后输出AC380V或AC220V 给AC/DC模块供电。

系统特点：停电后，蓄电池需通过升压、逆变模块及隔离变压器，再给AC/DC转换模块，通过了2次转换环节，增加了系统的故障几率，损失了蓄电池容量，降低了利用率。

系统主要失效模式：交流UPS如采用整机型，系统存在单点故障，降低系统可靠性，同时整机型UPS不能做到带电插拔和在线维护，增加后期维护成本和工作量。24 V采用AC/DC方式，交流UPS故障时，站台门无法正常工作。

5　方案比较

5.1驱动电源方案比较

针对直流110 V、48 V驱动电机采用直流UPS和交流UPS两种供电方案，从系统可靠性、可用性、可维护性进行比较。

（1）系统供电可靠性。直流UPS方案，其整流模块采用N+1配置，只需要1次交直流转换，无单点故障；交流UPS方案做不到全部N+1配置，停电时蓄电池组需要通过升压、逆变和隔离变压器后才能供到母线，存在单点故障。因此，在可靠性方面，直流方案优于交流方案。

（2）可使用效率。直流UPS方案蓄电池不需要经过转换，交流UPS方案需要通过逆变、隔离变压器、AC/DC转换，因此，转换效率和蓄电池使用率方面直流方案优于交流方案。

（3）可维护性。直流UPS可方便实现对蓄电池组的充放电管理，模块可带电插拔，便于系统维护；交流UPS电源做不到所有模块都带电插拔，维护周期较长。

（4）占用空间。直流UPS与交流UPS方案相比，由于转换数量少，不需要旁路系统；而且直流UPS系统的需要的空间小，可方便配置标准柜体。

综上所述，直流UPS在使用效率、可靠性、可维护性、运营成本、产品标准化等方面比交流UPS有优势。

5.2控制电源方案比较

针对控制电源采用直流UPS+ DC/AC+DC/DC和交流UPS+AC/ DC方案，从系统可靠性、可用性、可维护性进行比较。

（1）系统可靠性。直流UPS+ DC/AC+DC/DC模块均采用冗余设计，市电失电后，蓄电池组直接给DC/AC及DC/DC模块供电，无中间环节，系统可靠性高。交流UPS+ AC/DC如采用整机型，系统存在单点故障，市电失电后，蓄电池组需要经过逆变、隔离变压器等中间环节，降低了系统可靠性。

（2）可使用效率。直流UPS+ DC/AC+DC/DC方案只经过1次转换，其转换效率高；交流UPS+ AC/DC方案需要通过逆变、隔离变压器、AC/DC转换，因此，转换效率和蓄电池使用率方面直流方案优于交流方案。

（3）可维护性。直流UPS+DC/ AC+DC/DC方案可带电插拔可在线维护，优于交流UPS+AC/DC方案。

6　结语

通过分析、比较以上站台门电源系统应用方案，相对交流UPS方案，直流UPS方案供电可靠性高、投资少、方便维护和使用，其中驱动电源110 V直流UPS供电方案和控制电源直流UPS+DC/AC+DC/ DC供电方案在城市轨道交通站台门系统应用中又有比较明显的优势，因此，推荐选用。

图7　交流UPS+AC/DC电源系统框图

参考文献

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责任编辑 冒一平

Analysis on Application of Power System in Transit Platform Door

Liu Yanrong

Abstract:The paper gives a detailed description of the basic composition of platform door power system in urban transit, the commonly used solutions for power supply system and working principle, comparison and analysis carried out from aspects of failure mode, single point failure, module conversion, battery use, maintenance & management etc. for different power supply solutions, and it suggests solutions for platform door power supply system.

Keywords:platform door, power supply, driving power, power control

收稿日期2015-03-09

基金项目：北京市科技计划课题 (Z131100004113004)

中图分类号：U231.8