高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统电源改造方案探讨

喻珊珊

（广铁集团电务处，广州 510088）

大多高速铁路易受大风、暴雨、大雪、地震的影响，为了保障行车安全，提高运输效率，需要建设包括风、雨、雪、地震的自然灾害监测系统，使高速铁路具备在大风、暴雨、大雪、地震气象条件下抵御灾害的能力。过去列车低速运行时，以人为驾驶为主，当线路上有障碍物时，从目视发现到列车制动停止，时间和距离上尚可保证安全，意外较少。当高速铁路列车以200km/h及以上的速度运行时，目视瞭望已不能保证行车安全，危险大大增加。因此，需要考虑异物侵限对行车的影响。高速铁路自然灾害及异物侵限监测（以下简称防灾）技术引进，能有效防止自然灾害及突发事件对铁路行车造成的影响。

1 防灾系统总体结构

防灾系统总体结构由现场层设备、监控单元、监控数据处理设备与应用层设备四层组成。现场层设备用于现场灾害信息采集，主要由各种灾害信息采集传感器（风速风向仪、雨量计、雪深计、地震传感器）和异物现场监测设备组成。基站层设备用于现场采集信息分析处理，主要由监控单元组成。监控数据处理设备用于对实时数据进行存储、运算、分析、转发等工作，主要由应用服务器、数据库服务器、网络设备等组成。应用层设备用于对监测数据的实时显示、报警、数据统计等工作，是人机界面的接口，主要由各种应用终端组成。如图1所示。

图1 防灾系统总体架构

2 存在问题

高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统自开通以来，充分发挥了该系统防灾减灾的设计目的，提高了动车组列车运行的安全性。但受设备早期无标准、工期紧的条件限制，产品存在某些缺陷。京广高铁广局段既有防灾监测系统监控单元电源子系统采用常规双套UPS系统，冗余切换采用STS 静态转换开关实现，即监控单元UPS电源为两路220V市电输入，220V交流电源进入UPS后通过交直流转换为直流电，挂载电池充放电。而后再将直流电逆变为交流220伏输出。两路220V交流电输出后进入STS 静态转换开关进行冗余切换为一路交流电输出。切换后的220V交流电作为监控单元系统内部的母线电源，内部功能模块设备的电源通过此路交流电转换后使用。带有异物侵限监控报警的防灾监控单元用电有两部分，一部分是异物控制器和继电逻辑使用AC-DC 转换电源的直流24 伏电源，另外一部分是驱动列控继电器的电源，这部分电源采用铁路专用的硅整流电源进行转换，交流220V输入直流28 伏输出。改造前防灾电源子系统构成如下图2。

图2 改造前防灾电源子系统图

京广高速（广铁集团范围）防灾系统原来的电源子系统以交流为核心的设计理念已经被目前更先进的以直流为核心的设计理念所替换。原有的电源子系统，用STS 作为双UPS的冗余切换单元，如果STS 本身故障，容易导致双冗余系统失效。原有的电源子系统，到风雨监测传感器的供电使用柜内220V 母线供电，将柜内的220V母线拉远到风雨监测点，如果此线路上受到了外界的干扰，势必影响柜内220V 母线。如果此监控单元还存在异物监测子系统，也会影响到异物监测子系统的供电。带有异物侵限监测报警功能的UPS 就会存在安全冗余不足风险，并机单元一旦出现故障，将导致2 路电源中断，导致红光带产生，严重影响行车。综合以上分析，需要对带有异物侵限监测报警功能的监控单元机柜电源进行更新改造，提高设备可靠性，有效保障防灾监控系统的安全运行。

3 解决方案

采用集成化模块式电源，即采用防灾综合电源替代既有UPS。单台防灾综合电源构成原理如图3。

图3 改造后防灾电源子系统图

防灾综合电源采用通信电源模块加扩展电源模块的方式进行供电，电池组挂接到整流模块上，形成多路扩展电源。系统具备自检监控功能，可采集各个电源模块的工作状态，并且通过RS-485 接口上报到监控单元主机。列控供电采用双路冗余隔离方式，抽屉模块化箱体结构。

4 电源系统改造前后效果对比

（1）电源系统集成化。原有的UPS 电源为一体机，当电源设备故障后，需要整体更换，维护成本高。新电源系统采用集成模块化设计，采用整体架构模块组成；模块化设计采用机框框架架构，当某个模块产生故障时，只需将故障模块从机框拔下替换即可，大大减少了故障处理更换时间。

（2）两路电源冗余并机切换。原有系统的电源并机采用STS 静态转换开关实现，由于UPS 输出为交流，无法直接进行并机冗余，需加装静态转换开关实现两路交流电的冗余切换。当静态转换开关发生故障，整个后级供电全部中断，造成监控单元掉电。新电源系统采用标准通信模块电源，将交流220V市电转换为直流48V进行后级供电，电池充放电直接挂接在48 伏输出上，解决了当UPS 电源故障时整个系统失电的问题。另外由于输出为直流，两套电源的输出可以直接进行并机使用，实现冗余无缝切换，减少了通过STS 并机故障点。

（3）减少电源中间转换过程。常规UPS 系统采用交流转直流，直流再转交流的过程，电池在直流环节挂接，环节多，电源效率低下，且当电源发生故障，整个后级都会失电。新电源系统简化过程，使用交流220V输入转换为直流48V，48V直接作为后级母线电源，电池系统也挂接在48V母线上；这种使用方法采用多级保护，当通信电源模块故障后，电池系统会直接无缝给后级供电。

（4）系统内部电源模块集成及自检。新电源系统对监控单元内部分路电源做了集中处理，按照功能使用多路输出，对各路电压，电池充放电电流进行集中监测，便于维护管理部门集中监控。

5 结束语

广铁集团管内京广高速线共有61处带有异物侵限监控报警的防灾安全监控单元。改造前，因为防灾电源设计缺陷，故障造成红光带的有十几起，其中很大部分都是静态转换开关不良造成。自从对带有异物侵限监控报警功能的防灾安全监控单元电源改造后，大大提高了防灾系统设备的可靠性，有效保障了防灾系统的安全运行。

[1] 高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统维护试行办法（铁总运[2013]142号）.

[2] 铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程施工及验收标准Q/CR 9745-2014.