铁路通信高频开关电源改造与实践

鲍节尔

(中国铁路上海局集团有限公司上海通信段，上海 200434)

1 概述

伴随我国铁路的大规模建设，铁路通信系统也得到迅猛发展，稳定可靠的开关电源设备对于铁路通信设备的正常运行越来越重要。开关电源设备主要由交流配电单元、整流单元、监控单元、直流配电单元等部分组成，通过配置多个整流模块和蓄电池实现冗余保护，通过配置ATSE完成两路输入交流电源的切换，切换后的一路交流电源为整流模块供电。

本文通过分析研究目前开关电源设备存在两路交流外电切换失效，导致通信设备失去供电宕机的案例，找出问题根本原因，提出合理有效的解决方案并实施，从而确保铁路通信设备正常运转。

2 既有开关电源现状

目前上海通信段共有开关电源3 600余套，安装在段管内的3 000余处通信机房中。除部分一、二类通信机房安装两套开关电源，实现两套直流电源系统供电外，其余通信机房均安装一套开关电源，单路直流电源系统供电。与两路直流电源系统供电相比，单路直流电源系统供电对开关电源的要求更高，若开关电源及其蓄电池组不能正常工作，将直接影响通信设备供电。

3 存在的不足

考虑供电安全性，铁路高频开关电源，均要求引入两路交流电源，在交流配电单元设置自动转换开关（ATSE），经切换后输出交流电源至整流模块或其他分路。整流模块经变压、滤波等工序后输出稳定的-48 V直流电源供通信设备使用，如图1所示。

从图1中可以看出，ATSE是交流配电单元中的关键节点设备，其性能质量决定了交流配电单元乃至整个供电系统的稳定性、可靠性。如果ATSE故障，不能正常切换或切换不到位会造成无交流输出的情况发生，必然由蓄电池向通信设备供电。此时，当因蓄电池劣化等原因造成蓄电池放电时间无法满足抢修处置时间时，将面临通信设备因无直流电而宕机的危险。

1）ATSE故障导致交流电无法对通信设备进行供电。2013年3月27日京沪高铁某通信机房开关电源在两路外电停电恢复供电后，由于该开关电源的ATSE切换时卡死，造成下部端子无交流输出，整流模块无法工作，致使蓄电池过放电欠压保护，造成直流供电中断，导致本站通信机房传输、接入、数据、交换、数调等相关通信设备宕机，影响京沪高铁本站及相邻站间的自动电话、调度电话、G网电话、CTC等业务，影响多趟高铁列车，定性为铁路一般D类事故。

2）特殊环境导致ATSE故障率较高。因一路交流电停电、供电部门检修供电线路、开关电源两路电倒换试验等原因，供铁路通信使用的两路电切换次数较多，造成ATSE机械装置频繁切换动作，加速机械装置老化。上海通信段管内每年都有ATSE在切换时发生故障导致不能对负载进行供电的案例。据统计，2013～2016年间共发生ATSE不能正常切换的故障35件，降低了铁路通信电源的整体可靠性，影响铁路通信网络畅通及铁路通信业务的稳定运用。

4 改造原理和方案

设备管理的核心任务是保证设备的安全可靠性，提高设备经济运行水平，实现杜绝设备事故、控制维修费用、确保劳动安全的根本目标。因此，降低或杜绝因ATSE故障造成的影响成为必须研究的课题。

为确保开关电源整流模块输出间并联后能正常运行，杜绝并联的各个整流模块因外特性不一致而造成的空载、降低分担电流多的模块的可靠性，实现完全稳定可靠的全冗余系统，必须采用并联模块均流技术，保证各模块间电应力和热应力的均匀、合理分配，均分负载电流，防止一个或多个模块工作与电流极限状态。常用的并联均流技术有输出阻抗法、主/从设置法、平均电流自动均流法、最大电流自动均流法、热应力自动均流法、外加均流控制器均流法等。

利用开关电源整流模块均流稳压的特点，通过对存在问题的分析和对不同厂家不同型号开关电源设备的研究，采用分布式电源系统的思路，结合铁路通信直流供电实际需求，我们对开关电源交流配电结构进行技术优化改造。将每台开关电源的整流模块均分成两组，使两路交流电不再经过ATSE切换，分别直接给每组整流模块供电，两组整流模块直流输出至同一直流母排上，共同对直流负载进行供电，改造后如图2所示。

图2 开关电源电路示意图Fig.2 Schematic diagram of switching power circuit after transformation

改造后的开关电源分成两组整流模块组，每组不少于两个模块，每组的模块输出并联，其容量可以按需扩容，每组实现了完整稳定可靠的全冗余系统，两组整流模块在一台开关电源内实现了“两台”开关电源的功能。由于输入交流电源不经过ATSE，只要任意一路交流有电，相应的整流模块组始终工作，杜绝因ATSE故障造成的整流模块停机，大大提高了电源系统的安全性，确保通信设备在线工作。

5 安全效益分析

2016～2018年间，上海通信段组织对管内京沪、宁杭、杭深、金温、宁安等多条高铁线1 000余套通信开关电源实施技术改造，方案简单易实施，改造成本较低，改造后的安全效益明显。

1）开关电源可靠性明显提升。通过技术改造可以有效解决高频开关电源内ATSE故障引起的直流供电系统中断的情况，提高开关电源安全可靠性。上海通信段管内实施技术改造后的1 000余套通信开关电源，未再发生因ATSE设备失效造成直流供电中断的情况，有效保障了铁路通信系统的安全运行，如图3所示。

图3 ATSE设备失效事件统计图Fig.3 ATSE equipment failure accident statistical diagram

2）改造成本较低。改造所涉及主要材料为防雷单元和电源配线，改造后开关电源的整流模块按“N+N”分两组进行配置，需要根据现场设备用电量对整流模块数量进行重新配置。一般情况下，对一套开关电源进行改造的防雷单元和配线材料成本，占整个开关电源成本的2%左右。

3）改造作业易实施。一台开关电源技术改造只涉及拆除和新增部分电源线，增加防雷单元，现场作业人员可以在30 min内完成作业。无论高速铁路还是普速铁路天窗时间，均满足作业要求，避免了通信作业对运输生产的干扰。作业时停用两路交流电，通信设备利用蓄电池组供电，既满足通信设备正常供电需求，又确保作业期间的劳动安全。且批量改造时，可提前制作配线，进一步降低作业难度并减少作业时间。

4）有效提高蓄电池寿命。改造前交流停电时ATSE切换动作都会有一定时延，在此期间所有整流模块有一个停机再起机的过程，并且蓄电池进行短暂放电。经过改造后只要有一路交流正常工作，其对应的一组整流模块就会正常工作，蓄电池就不会产生放电，减少蓄电池非正常充放电次数，提高了电池使用寿命。

6 结论

本文论述的铁路通信高频开关电源技术改造方案，简单易操作，安全可靠，成本低。改造后消除了因ATSE失效造成直流供电中断的可能性，直流供电系统更加安全可靠。经过在上海通信段管内实践证明，该方案的可行性、安全性得到验证，可供参考借鉴。