地铁信号电源系统冗余配置方案研究

凌 力

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉//高级工程师)

信号系统设备的供电为一级负荷中特别重要的负荷[1]。因此，信号电源系统的安全、可靠非常重要。

1 单套设备配置方案

地铁信号电源系统主要设置在信号设备集中站，由电源切换单元、不间断电源(UPS)、稳压器、蓄电池组及电源屏等功能单元组成。国内地铁建设的相关标准和规范并未对信号电源设备的冗余性做明确要求。一般建设初期地铁信号电源系统普遍采用单套电源切换单元+单台UPS的单套设备配置方案，其系统结构如图1所示。

图1 单套设备配置下信号电源系统结构图

信号电源系统由动力照明系统分别提供2路独立的三相五线制交流电源(380/220 V，50 Hz)至信号设备室配电盘的电源输入端子上。信号电源切换单元从配电盘引入2路交流电源输入，经切换同时为UPS输入回路、稳压器及转辙机等设备供电。UPS主回路电源经UPS整流、逆变后输出给各类重要的交、直流信号负载，同时为蓄电池充电。

各类信号设备中，交流转辙机电源的2路外电输入一般直接经过电源屏切换后通过隔离变压器输出，而非经过UPS设备。而其他交流电源(如信号机、联锁机、计轴主机、轨道电路等信号设备电源)均由UPS稳压后经过不同类型隔离变压器进行回路分配。

2 冗余配置方案

2.1 冗余配置的必要性

单套设备配置方案的电源切换单元均设有手动切换装置。当电源切换单元发生故障时，可通过直供模式供电。而UPS等关键产品的技术成熟度非常高，其可用性指标一般在99.99%以上，平均无故障时间一般为50万h左右，一年内的故障时间不超过30 min。此外，UPS设备均配有旁路静态开关及手动检修旁路开关，可在UPS内部模块发生故障及维修时自动或手动触发旁路回路向负载供电。

从理论数据来看，单套设备配置方案能满足地铁信号系统正常运行的需要，同时由于投资小、配套少等优点适合在线网建设初期采用。但近两年间，由于存在设备缺陷，故发生了若干起因信号电源系统故障进而影响地铁正常运行的不良事件。

信号电源设备缺陷引起的单点故障成为信号系统稳定运行的重大隐患，有必要通过提高系统冗余配置的手段来克服设备缺陷所带来的不利影响。

信号电源设备冗余配置以杜绝设备单点失效为目的，可采用UPS并机冗余方案及双切换、双UPS、双母线供电冗余方案。

2.2 UPS并机方案

文献[3- 4]提出了目前采用相对广泛的一种UPS并机方案。UPS并机方案包含1套电源切换单元，1套稳压器，2套蓄电池，以及2台容量相同，输出电压幅值、频率、相位和相序均相同，且具有相同的软、硬件版本的UPS设备。单套UPS的容量及单套蓄电池的容量均满足全部负载供电的要求。

2台UPS设备分别引接电源切换单元输出，经UPS整流、逆变后，再并联输送至交、直流配电屏输出，共同为所有信号设备供电。配电屏内根据不同负载需求配置不同的电源模块。并机UPS设备统一设置静态旁路。当2台UPS主机均退出运行时，可转至静态旁路供电。静态旁路设置了稳压器和隔离变压器，可在静态旁路投入运行时为负载供电。

2.3 双切换、双UPS、双母线供电方案

该方案信号电源系统均配置2套设备冗余独立运行，严格避免单点故障对系统造成的风险。该方案设备主要包括2套电源切换单元、2台UPS设备、2套稳压器、2套蓄电池以及电源屏设备。方案示意如图2所示。

图2 双切换、双UPS、双母线分系供电示意图

2.3.1 负载接入方式

在除转辙机外的交、直流负载前端配置相应的电源模块，既可提供隔离电源，也可初步吸收信号负荷发生故障时对电源的冲击。

对于自身采取冗余配置的交、直流负载，按冗余配置的主、备设备范围经电源模块分别接入2台UPS设备的输出母线。

对于未冗余配置但采用双电源输入的交、直流负载，其两路电源输入分别经电源模块连接2台UPS设备的输出母线。

对于未冗余配置且采用单电源输入的交、直流负载，设置专用的“1+1”冗余电源模块分别连接2台UPS设备的输出母线。

2.3.2 故障场景分析

(1)当1路外电源停电时，由双电源切换装置切换到另1路外电源，以维持为UPS电源系统供电。

(2)当2路外电源均停电时，蓄电池放电，经由逆变器向各负载供电。

(3)当单台电源切换单元或稳压器发生故障时，由另1台工作正常的单台电源切换单元或稳压器配合相关UPS设备向各负载供电。当2套电源切换单元或稳压器均出现故障时，蓄电池放电，经由逆变器向各个负载供电。。

(4)当UPS逆变器发生故障时，自动切换到静态旁路供电；当UPS整流器发生故障时，故障UPS装置先由蓄电池为系统负载供电，待蓄电池放电结束后，自动切换到静态旁路供电。当1台UPS逆变器或者整流器发生故障，而静态旁路无法自动切换时，故障UPS所供负载断电，退出运行，另1台UPS维持供电，保证信号系统的正常运行。如2台UPS均出现故障，则自动切换到静态旁路供电。

(5)当2路进线均停电，且1台UPS发生故障时，故障UPS所供负载断电，退出运行，另1台UPS维持供电，保证信号系统的大部分功能正常运行。

(6)当系统需要进行蓄电池维护或蓄电池发生故障时，应退出需要维护的蓄电池组或故障蓄电池组，以便进行维护或检修；此时，1套UPS无蓄电池工作，另1套UPS正常工作。

2.3.3 方案对比

(1)可靠性对比：相比UPS并机方案，双切换、双UPS、双母线方案增加了冗余的电源切换单元和稳压器，避免了上述设备单点失效风险，其系统可靠性略高。

(2)经济性对比：相比UPS并机方案，采用2台100%负载容量的UPS设备，双切换、双UPS、双母线方案虽增加了冗余的电源切换单元和稳压器设备投资，但UPS电源设备、蓄电池组容量得到了优化,每台UPS设备、蓄电池组的容量可按信号负载需求的60%考虑，不仅减少了UPS设备、蓄电池组的初期建设投资，而且节省了配套机房面积、荷载，以及建设成本和后期运营成本。以单站容量需求为30 kVA的信号电源设备为例进行计算可得：传统单套设备方案建设成本约为30万元；UPS并机方案成本约为60万元；双切换、双UPS、双母线方案如采用2套容量较小的UPS设备，则其建设成本可控制在45万元左右，比UPS并机方案节省约15万元。

3 结语

本文从分析信号电源系统设备自身缺陷对运营的不利情况出发，分析了通过系统冗余配置加以改进的必要性。在较广泛使用的双UPS并机方案基础上，研究提出了相对优化的双切换、双UPS、双母线冗余实施方案。对于地铁建设而言，信号电源系统也可按照统筹规划、分步实施的思路：项目前期可在线网规模较小、投资有限的情况下暂时采用单套设备配置方案；项目后期可根据运营需求逐步完善成双切换、双UPS、双母线的冗余配置方案。

[1] 中华人民共和国住房与城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013[S] .北京：中国建筑工业出版社，2013: 1.

[2] 中国城市轨道交通协会. 城市轨道交通2016年度统计和分析报告[R].北京：中国城市轨道交通协会，2017.

[3] 孙志强.简谈地铁信号电源的双UPS并机方案[J].铁路通信信号工程技术，2016，13(5): 76.

[4] 马军民.地铁信号电源的双UPS并机方案[J].科研，2016(12): 255.