大连地铁信号电源系统配置方案分析

杜晓菲

（大连地铁运营有限公司，辽宁 大连 116000）

0 引 言

大连地铁1号线和2号线的信号系统均采用基于无线通信的CBTC移动闭塞制式，由列车自动监控系统（Automatic Train Supervision System，ATS）、列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）、列车自动驾驶（Automatic Train Operation，ATO）、计算机联锁（Computer Based Interlocking，CBI）以及数据通信系统（Data Communication System，DCS）组成。系统内设备分布于控制中心、车辆段、各正线车站设备室、轨旁以及列车上，除车载设备是由车辆提供110 V直流电外，其他设备由专门的电源系统进行供电，大连地铁信号电源设备包括智能电源屏（含稳压器）、UPS以及蓄电池组[1]。

1 智能电源屏

1.1 电源屏的基本概述

大连地铁1号线和2号线信号电源设备选用北京鼎汉技术股份有限公司研发生产的PZG系列智能信号电源屏，该系列电源屏具有高可靠性、高效率、免维修以及少维护等优点，可以为信号系统负载提供不间断的交流电或直流电。电源屏各部分均为模块化结构，采用“1+1”或“N+1”热机备份冗余技术，具有较高的可靠性，任意模块故障均不影响系统正常运行，并且故障模块可自行退出，同时支持热插拔维护。该系列电源屏具有智能监控单元，采用稳定的Linux操作系统，可实现对模块输入/输出电压、工作状态、系统配置数据及告警信息的采集和显示，并可通过RJ45以太网接口将故障信息上传至控制中心[2]。

1.2 电源屏的工作原理

两路外部输入三相三线制电源（380/220 V±15%、50 Hz±1 Hz）经电源屏的自动切换单元，为UPS（不间断电源）提供外部供电，如图1所示。电源屏具有自动切换功能，两路切换时间小于0.15 s。正常情况下，两路电源经自动切换后，选择一路给UPS供电，UPS一方面给蓄电池充电，另一方面稳压并联后输出至电源屏，在电源屏内部进行重新配电和稳压隔离后输出给模块，模块电源经过整流和逆变向信号负载输出配电[3]。

图1 电源屏正常工作原理图

2 UPS

2.1 UPS基本概述

大连地铁1号线和2号线信号电源设备选用艾默生网络能源有限公司研发生产的UL33系列产品。该系列产品连接在电源屏输入端与信号负载设备中间，为信号设备提供不受电网干扰、稳压且稳频的电力。在市电断电的情况下，UPS可将蓄电池电能逆变输出给信号负载，维持一段时间的电力供应，待市电重新恢复供电后可恢复正常工作模式[4]。

2.2 UPS工作原理

UPS主要包括整流器和逆变器、旁路静态开关、输出隔离变压器和逆变静态开关、维修旁路空开、蓄电池组以及输入/输出空开。UPS工作原理如图2所示。

图2 UPS工作原理图

根据图2，市电经由主路开关Q1输入，整流模块REC将三相交流电源变换为稳定的直流电源给蓄电池充电，整流电路采用了DSP实时处理的全数字控制与软启动控制技术，提高了电源系统的抗冲击能力和直流母线电压的稳定性，可延长蓄电池的使用寿命[5]。逆变模块INV进行直流/交流变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成三相交流电源，经过隔离变压器TR2和静态开关后输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。此外，电源的输入也可以通过旁路静态开关Q2从旁路回路向负载供电。如果在信号负载供电不间断的前提下对UPS内部进行维修，可使用维修旁路开关Q3BP[6]。

2.3 蓄电池

目前，广泛应用于城市轨道交通的蓄电池为胶体电池或铅酸蓄电池。大连地铁信号系统采用海志牌阀控式密封胶体电池，该蓄电池一般采用6块2 V的蓄电池串联起来组成一个12 V的电池体，然后多块12 V电池体并联成一个电池组，各电池组再串联构成了信号系统的后备电源。根据技术标准，大连地铁信号系统蓄电池后备时间为30 min（试车线和维修中心蓄电池后备时间为15 min）[7]。

3 信号电源系统配置方案

信号系统在城市轨道交通中承担控制列车的任务。为保证信号系统重要设备的稳定运行，在电源系统设计过程中很多单元都会采用冗余设计来提高电源系统的可靠性，例如两路三相四线的输入电源设计、UPS旁路输入设计、UPS及蓄电池配置以及电源屏模块冗余配置等，这些设计目前已成为大部分轨道交通信号系统的常用电源配置设计，发展较为成熟。

3.1 大连地铁信号电源系统配置方案介绍

信号电源系统配置如图3所示，两路市电经防雷单元输入至电源屏，由电源屏两路自动切换单元选择一路作为主路输入，另外一路作为旁路输入备用。主路输入电源进入UPS（单机UPS配置）后，一方面整流后给蓄电池充电，另一方面稳压后输出到电源屏，充电配电后输出到各交流支路和直流支路给信号负载供电。其中交流380 V转辙机不由UPS供电，直接在电源屏内部进行稳压隔离后给转辙机配电[8]。

图3 信号电源系统配置

3.2 特殊情况下的配电保障措施

3.2.1 主路断电

正常供电的情况下，主路输入给UPS供电。主路输入不正常时，由旁路给UPS供电。两路电源切换时间小于0.15 s，虽然输入端会有短时间的断电，但是由于电源模块采用了三相功率因数校正技术设计，装备该技术的模块具有短时的记忆存储功能，因此保证了输入端切换时模块对外输出的不间断，待两路电源切换完成后，电源模块由一路供电，系统照常工作。此外，在电源屏切换单元发生故障时，直供开关可以实现直供供电。

3.2.2 UPS故障

大连地铁电源系统中采用UPS和稳压器互为稳压冗余，各部分正常工作的情况下由UPS主路提供逆变后的稳压电源，当UPS转旁路工作时由稳压器提供稳压电源，从而保证输入电源的稳定性[9]。

3.2.3 电源屏输入断电

当电源屏两路输入断电时，在UPS正常工作的情况下蓄电池组经UPS逆变输出AC/DC电源给信号负载设备进行相应短时间内的配电。

3.3 电源监控系统方案

电源监控系统主要采用三级监控体系。第一级主要是对模块进行监控，全方位监控模块的运行状态和系统的配电情况；第二级是对监控单元进行监控，监控电源系统的人机界面和交互接口，实时定位和显示故障情况；第三级是对电源的具体信息进行监控，通过网络监控网管进行实时的动态监控，当故障发生时可以自动触发报警并显示故障，维修人员可以根据网管显示来确认电源系统故障点，从而及时采取有效的解决措施[10]。

4 结 论

轨道交通信号系统需要保证24 h不间断稳定运行，要求供电系统具有非常高的稳定性和可靠性。目前大多数城市的轨道交通信号电源系统均采用UPS单机配置方案，这样虽然可以减少电源系统的投入预算，但存在一定安全隐患。根据相关资料，北京、上海、武汉以及西安等地铁线路曾出现因UPS故障导致信号设备全部失电的情况，影响范围较大。因此，为提高电源系统的稳定性和可用性，可在原单机UPS配置的基础上根据各站情况适当增加1台UPS冗余配置，增加的配置在整个信号系统的造价成本中所占比例极低，但却可以大大提高设备稳定性。