通信高频开关电源改进方案研究

徐德龙 中国铁路上海局集团有限公司电务处

通信系统是铁路运行的基础设施，一旦通信系统大面瘫痪，会造成运输秩序大乱，有时会造成行车安全事故。铁路通信系统按物理分布可分为室内机房设备、室外缆线和各类终端设备，室内机房设备主要可分为信息传输系统、调度指挥系统、视频监控系统等，其中信息传输系统承担了为其他各专业提供信息传递的重任。因此通信系统安全，尤其是机房设备运行安全，对保障铁路运输秩序起到了极为重要的作用。

近几年来，铁路通信发展迅速，形成了较为健壮的通信网络，缆线、终端设备基本已实现了冗余；各专业系统在系统设计时也已完善了各种场景下的冗余。因此单个设备故障不会造成铁路系统运行瘫痪。造成运输指挥系统瘫痪的唯一可能是通信系统大面积瘫痪，而机房通信电源故障是可能造成通信系统大面积瘫痪的原因之一。

为确保铁路通信系统可靠运行，供电专业为铁路通信机房均提供了独立的两路以上的电源，该两路电源来自于不同的电厂和供电系统，且在电力设备检修时也严格执行不在同一时间段内实施，各种措施确保了通信机房不断电。但尽管外供电得到了保证，如果通信机房电源系统自身出现故障，或缺少冗余手段，依然会造成通信机房失电，致使通信系统大面积瘫痪。

1 通信电源系统运行安全分析

虽然通信机房交流供电是可靠的，但自身电源系统故障还会造成通信系统大面积瘫痪。2016年5月13日总公司通报了兰州北站通信机房电源故障造成兰州局GSM-R交换系统瘫痪，致使该局GSM-R系统瘫痪，严重影响铁路运输秩序的案例。类似的案例已发生了多次，其中也包括我局2013年3月27日蚌埠南通信机房电源故障。

梳理我局近年来类似问题，据不完全统计，从2011年至今，发生了21件，其中11年3件，13年5件，14年1件，15年4件，16年4件，17年4件。我局发生的21件通信机房电源故障，大都发生在沿线通信机房，都造成了本站和邻站CTC系统、GSM-R系统、防灾系统、视频监控等系统故障，虽然影响范围较兰州局故障小些，但2013年3月27日蚌埠南通信机房电源故障，也造成了京沪高铁定远至徐州东站间行车控制系统和指挥系统瘫痪，严重干扰了京沪高铁运输秩序。

2 电源故障原因调查分析

针对上述通信系统安全问题，对我局的通信机房和故障情况进行统计分析。我局通信机房共计3 849个，通信电源设备3 146套。发生通信电源设备故障的机房，有些是有人值守机房，例如2013年上海通信段网管中心发生了4件电源故障，造成CTC系统、GSM-R等行车控制指挥系统故障；也有无人值守机房，例如2013年3月27日的蚌埠南机房电源故障。分析这些故障都有一个共同特点，均是由于供电系统对其中某一路电源进行检修或某一路电源故障，造成通信机房电源系统电源转换装置(交流接触器)动作。经进一步分析，每次故障时外电源至少有一路电源是可靠且连续供电，机房配置的蓄电池均放完后造成通信机房内传输设备、调度指挥设备、视频监控设备等故障，继而造成CTC等行车指挥系统故障，每次故障都在行车指挥人员或网管监控人员报告后才发现机房电源系统故障。

3 安全问题点分析

（1）造成通信机房电源故障的原因是高频开关电源结构设计不合理，通过技术革新可解决。

图1 机房内开关电源系统示意图

通信机房内通信设备都采用-48 V直流供电，采用集中供电方式由通信机房内的高频开关电源柜供给。根据通信设计规范，机房内开关电源系统示意图见图1。

开关电源系统由交流配电盘（含切换装置）、整流器(数量有若干个，根据用电量大小确定)、直流配电盘、蓄电池等组成。切换装置通常用控制电路加交流接触器实现两路电自动切换，当某路交流电断电时，由控制电路驱动自动切换到另一路供电；当两路交流电同时断电时，由蓄电池供电。上述接线示意图是目前通信高频开关电源的设计规范接法，因此目前全路通信机房均采用上述方案。

通过对我局21件电源故障分析，均因为两路电源中主用电源断电后，交流转换装置转换至另一路电源时，由于机械转换装置动作出现机械卡阻，造成交流切换不到位使各整流模块失电；当主用电源恢复后，因触点被卡死不能恢复到原先触点状态。此状态下，蓄电池放电。当一段时间蓄电池放空后，造成机房设备失电，造成大面积通信中断。在这类故障处理中，都是通过对接触器开关反复手动拨动后，接触器又能正常工作。

针对交流接触器转换不可靠情况，我们对全局的通信开关电源进行了全面分析，每套开关电源系统至少配有2个30 A或50 A整流模块，而实际使用的电流均不超过20 A。某些较大的机房，实际耗电也没超过设计或配置总容量的30%。因此一组交流电源只需2个模块就能承担全部设备的供电。

（1）对交流接电模式进行改进，改进后的线路图见图2。

图2 改进后的交流接电模式线路图

通过对高频开关电源设备进行技术改造，把整流模块分成两组，其中一组接交流1路，另一组接交流2路。

（2）改造后的开关电源系统安全性分析

按上述方案改造后交流配电盘至整流模块输入间不再通过两路转换装置（交流接触器），避免了转换装置故障的可能性。对绝大部分机房开关电源系统来讲，由于实际耗电量不足单个模块额定功率，因此在蓄电池均充时，也能保证通信机房设备正常供电。但对某些耗电量较大，而实际配置的开关电源整流模块较小时，可适当增加整流模块的数量解决。

（3）改造后的安全和经济效益

由于铁路两路交流电供电可靠，又实现了电源设备正真的双套冗余，因此电源系统的安全性得到了保障。同时由于各类设备和缆线均有可靠的冗余，因此通信系统安全性得到了可靠的保障。另一方面，由于交流电源可靠性得到了保障，可取消蓄电池的断电保护，即取消机房蓄电池。

我局每年对机房蓄电池更新投入费用约为800万。

（4）实际效果及下一步工作计划

2017年下半年起，在我局上海通信段机房进行了逐线改造，已完成了京沪高铁、杭深线、金温线、宁安线等线路机房改造，改造后的电源系统未发生过电源中断或蓄电池放电的事件，说明系统运行可靠。2018年继续对剩余电源设备进行改造。

我局的技术改造实践取得了良好的效果，已向各设计院发出倡议并被采纳。在以后的通信电源设计中采用该方案，并在全路推广。