地鐵信號(hào)系統(tǒng)軌旁無(wú)線設(shè)備供電可靠性分析

華晟蘇阿峰

地鐵信號(hào)系統(tǒng)軌旁無(wú)線設(shè)備供電可靠性分析

華晟蘇阿峰

（卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海//第一作者，工程師）

軌旁無(wú)線設(shè)備（TRE）是地鐵信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線通信的重要組成部分，TRE供電系統(tǒng)是確保車(chē)地?zé)o線通信連續(xù)的重要系統(tǒng)。從地鐵供電系統(tǒng)、信號(hào)電源屏系統(tǒng)、TRE及其電纜布置方式三方面著手，采用常規(guī)分析法和故障樹(shù)分析法，定性、定量地分析常規(guī)結(jié)構(gòu)下TRE供電系統(tǒng)的可靠性，以論證其可靠性是否滿足要求，并探尋其短板。

地鐵；車(chē)地?zé)o線通信；軌旁無(wú)線設(shè)備；供電可靠性；故障樹(shù)分析

Author′s addressCASCO Signal Ltd.，200071，Shanghai，China

軌旁無(wú)線設(shè)備（TRE）在基于通信的列車(chē)控制（CBTC）信號(hào)系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色，是車(chē)地通信系統(tǒng)中的重要一環(huán)。而TRE供電系統(tǒng)直接決定了TRE能否工作。以往的探討局限于TRE電纜布置原則是否合理，但實(shí)際上TRE供電的可靠性不僅由軌旁TRE電纜布置原則（即狹義上的TRE供電方式）決定，還取決于前端的信號(hào)電源屏和變電站（地鐵供電系統(tǒng)）以及后端的TRE，它們之間是串聯(lián)關(guān)系。即λ總=λ市電+λ鐵電+λ電源屏+λTRE。其中λ總表示任何導(dǎo)致TRE失電這一事件的總故障率。因此，TRE失電不能孤立地只考慮TRE電纜布置本身，若前、后端故障率相差了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，那么單獨(dú)討論其中某一個(gè)系統(tǒng)的故障率是沒(méi)有意義的。本文按照整體結(jié)構(gòu)將TRE供電系統(tǒng)分為變電站、電源屏和TRE電纜布置（含TRE）三部分，進(jìn)行常規(guī)分析和故障樹(shù)分析法（FTA）分析，得出可靠性方面的結(jié)論。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作方式

TRE的供電鏈路為：市電—地鐵供電系統(tǒng)（主變電站—牽降混合變電站及降壓站）—信號(hào)電源屏—TRE，為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。地鐵供電系統(tǒng)、電源屏系統(tǒng)、TRE供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1～4所示。在TRE供電鏈路中，若市電輸出無(wú)電，則地鐵所有系統(tǒng)將無(wú)電，這種情況在國(guó)內(nèi)未曾發(fā)生過(guò)，因此故障率記為0。此外，單個(gè)主變、環(huán)網(wǎng)分段同時(shí)故障會(huì)造成部分分區(qū)失電，按國(guó)內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，一般一條地鐵線中一半的車(chē)站將無(wú)電，這種情況在國(guó)內(nèi)也未曾發(fā)生過(guò)，因此故障率也記為0。

1.1地鐵供電系統(tǒng)及其工作方式

某地鐵線（本文對(duì)站名做了替換）設(shè)置體育館和人民公園兩座110 kV/35 kV主變電站，采用集中供電方式對(duì)全線進(jìn)行供電。35 kV中壓供電網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)方式。全線設(shè)6個(gè)供電分區(qū)，變電站35 kV母線采用單母線分段接線方式。上述結(jié)構(gòu)也是目前國(guó)內(nèi)主流設(shè)計(jì)。各變電站的設(shè)置見(jiàn)圖1，35 kV環(huán)網(wǎng)分段開(kāi)關(guān)設(shè)在魯迅公園降壓站。

以火車(chē)站牽降混合變400 V I段信號(hào)負(fù)荷為例，其正常工作方式為（暫不描述各斷路器和隔離開(kāi)關(guān)）：市變電站A I段進(jìn)線—體育館主變電站110 kV I段母線—110/35 kV變壓器—主變35 kV I段母線—牽降混合變35 kV I段母線—35/0.4 kV變壓器—400 V I段—信號(hào)負(fù)荷。

圖1 地鐵供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 信號(hào)電源屏系統(tǒng)

圖3 TRE電纜布置

圖4 TRE內(nèi)部供電結(jié)構(gòu)

1.2信號(hào)電源屏系統(tǒng)及其工作方式

本地鐵線信號(hào)系統(tǒng)電源屏采用單UPS（不間斷電源）方案，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。電源屏由I、II路切換單元、工作模式選擇開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓器、UPS（含整流器、逆變器、隔離變壓器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)等）、蓄電池組、隔離變壓器、防雷器、空開(kāi)等組成。

正常工作方式為：依次合上I、II路空開(kāi)，切換單元通過(guò)互鎖機(jī)構(gòu)按合閘順序?qū)⒑笠宦窋嚅_(kāi)，UPS主進(jìn)線得電，經(jīng)整流、逆變后輸出，經(jīng)隔離變壓器和空開(kāi)將電源分配給TRE。

1.3TRE及其電纜布置

按本公司常規(guī)設(shè)計(jì)，區(qū)間內(nèi)TRE連至最近車(chē)站信號(hào)設(shè)備室的電源屏上。TRE的供電電纜按圖3所示的鏈形結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置。軌旁每個(gè)TRE都連接到紅網(wǎng)電纜和藍(lán)網(wǎng)電纜上。每條供電電纜最多連接4個(gè)AP。

紅網(wǎng)供電電纜和藍(lán)網(wǎng)供電電纜布置在軌旁電纜托線支架的不同層上，經(jīng)電源盒分配后接入TRE（見(jiàn)圖4），經(jīng)濾波器、空開(kāi)、電源轉(zhuǎn)換模塊接入AP和EMCT（光電轉(zhuǎn)換器）。

2 常規(guī)分析

從設(shè)備和系統(tǒng)的冗余性、故障工作模式、故障影響范圍等常規(guī)角度來(lái)分析系統(tǒng)的可靠性。

2.1地鐵供電系統(tǒng)

地鐵供電系統(tǒng)故障工作模式：如圖1所示，地鐵供電系統(tǒng)各級(jí)設(shè)備均為冗余設(shè)置，各級(jí)分段開(kāi)關(guān)雖沒(méi)有冗余，但其僅作為一段母線失電時(shí)聯(lián)絡(luò)兩段母線由另一段母線送電救援用（市變電站設(shè)有110 kV分段開(kāi)關(guān)）。因此，各設(shè)備單個(gè)故障時(shí)，或者另一段有冗余，或者可由下一級(jí)的分段開(kāi)關(guān)閉合給下一級(jí)供電，部分設(shè)備甚至有雙重冗余，如魯迅公園降壓站35 kV有4路進(jìn)線開(kāi)關(guān)。

綜上所述，地鐵供電系統(tǒng)所有關(guān)鍵設(shè)備都有冗余，又有本站各級(jí)分段開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)分段開(kāi)關(guān)作為后備救援，對(duì)于從I段、II段各取一路電的信號(hào)系統(tǒng)，有多重冗余、交叉冗余保護(hù)，系統(tǒng)的可靠性極高。

2.2信號(hào)電源屏系統(tǒng)

信號(hào)電源屏系統(tǒng)故障工作模式：如圖2所示，當(dāng)切換單元故障時(shí)，I路或II路電源經(jīng)旁路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接入穩(wěn)壓器，經(jīng)濾波后輸出，經(jīng)隔離變壓器和空開(kāi)將電源分配給TRE；當(dāng)I、II路輸入無(wú)電時(shí)，由蓄電池組給UPS供電，經(jīng)逆變后輸出，經(jīng)隔離變壓器和空開(kāi)將電源分配給TRE，但此模式下蓄電池組僅能提供30m in的電源；當(dāng)UPS故障（指逆變器、整流器或靜態(tài)開(kāi)關(guān)故障）時(shí)，I、II路電源經(jīng)切換單元切換后，通過(guò)穩(wěn)壓器經(jīng)UPS旁路輸出，經(jīng)隔離變壓器和空開(kāi)將電源分配給TRE。

綜上所述，電源屏系統(tǒng)內(nèi)切換單元、UPS和穩(wěn)壓器未設(shè)置冗余設(shè)備，其它設(shè)備均為冗余配置，由其故障工作模式可知，切換單元、穩(wěn)壓器或UPS故障都不會(huì)導(dǎo)致電源屏輸出無(wú)電，要想造成3.2節(jié)所述的TRE雙路失電，需設(shè)備成對(duì)地?fù)p壞，而這種概率很低。但圖2中UPS內(nèi)主進(jìn)線和旁路進(jìn)線并聯(lián)后公共出線上的一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)及外部的QF11開(kāi)關(guān)沒(méi)有冗余設(shè)置，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)是關(guān)鍵設(shè)備，其一旦故障，將造成電源屏輸出無(wú)電，因此從可靠性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，更優(yōu)的方案是雙UPS并聯(lián)輸出設(shè)計(jì)。

2.3TRE及其電纜布置

TRE及其電纜故障工作模式：當(dāng)發(fā)生單點(diǎn)故障（如圖4中濾波器、空開(kāi)或電源模塊故障）時(shí)，AP會(huì)失電，但即使一個(gè)AP失電，還有互為冗余的另一個(gè)AP在工作，線路仍被無(wú)線覆蓋；當(dāng)發(fā)生雙點(diǎn)故障時(shí)，按照自由無(wú)線方案鏈路損耗，在直線區(qū)段，列車(chē)距AP 350m時(shí)場(chǎng)強(qiáng)余量在滿足國(guó)家規(guī)定的情況下仍有富裕，TRE布置原則據(jù)此按間距350 m來(lái)設(shè)置，因此以圖5所示TRE 2為例，即使一個(gè)TRE的兩個(gè)AP都失電，線路上無(wú)線覆蓋仍是連續(xù)的；當(dāng)發(fā)生單路故障（如圖3中藍(lán)網(wǎng)AP電源4主饋電電纜故障），則TRE 1、2、3、4的藍(lán)網(wǎng)將失電，但此時(shí)線路上仍有紅網(wǎng)無(wú)線覆蓋；當(dāng)發(fā)生雙路故障（如圖3中藍(lán)網(wǎng)AP電源4和紅網(wǎng)AP電源4兩根主饋電電纜同時(shí)故障），則TRE 1、2、3、4所覆蓋的區(qū)域沒(méi)有無(wú)線信號(hào)。

綜上所述，對(duì)于軌旁供電鏈路，各級(jí)均為冗余設(shè)計(jì)，僅在雙路故障時(shí)會(huì)使車(chē)地通信中斷。目前采用本公司CBTC方案在地鐵線路中運(yùn)行的TRE有幾千個(gè)，最早的已超過(guò)5年，對(duì)于軌旁供電鏈路，至今只發(fā)生過(guò)TRE電源模塊故障造成的單點(diǎn)和雙點(diǎn)故障。

圖5 TRE無(wú)線覆蓋區(qū)域示意圖

2.4常規(guī)分析總結(jié)

從上述分析中可以看到，TRE供電系統(tǒng)幾乎處處進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，有些甚至是多重的交叉冗余，因此系統(tǒng)的可靠性極高。從已開(kāi)通的項(xiàng)目中幾千個(gè)TRE的運(yùn)行情況來(lái)看，未出現(xiàn)過(guò)因TRE供電故障導(dǎo)致無(wú)線覆蓋故障而致CBTC運(yùn)營(yíng)中斷的案例。

TRE供電系統(tǒng)是信號(hào)系統(tǒng)的一部分，其最終目的是保證無(wú)線覆蓋的連續(xù)。光電轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)線、光纜、光模塊、交換機(jī)等雖不屬于TRE供電系統(tǒng)的設(shè)備，但其損壞均會(huì)造成無(wú)線覆蓋中斷，因此不能孤立地看待問(wèn)題，單一地不計(jì)代價(jià)地提高某一個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性是盲目的，整個(gè)系統(tǒng)的最短板將決定系統(tǒng)的整體可靠性。如本文案例中的電源屏設(shè)計(jì)為單UPS，在此結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)斷路器位于主饋線上沒(méi)有冗余配置，一旦其中之一故障，則此站整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)將無(wú)電，這是整個(gè)系統(tǒng)的短板。

3 FTA分析

可靠性分析法有很多，如可靠性框圖、馬爾可夫模型、GO模型、故障樹(shù)分析法（FTA），本文選用FTA分析TRE供電系統(tǒng)的故障率。FTA可直觀、清晰地顯示工作流程和各設(shè)備間的相互聯(lián)系，以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，能為排除故障提供指導(dǎo)，是較好的定性、定量分析法。

3.1地鐵供電系統(tǒng)

如上所述，將市電和主變的故障率視為0，以火車(chē)站牽降混合變?yōu)槔ㄒ?jiàn)圖6），其400 V I段信號(hào)出線故障的故障樹(shù)及各設(shè)備的代號(hào)如圖7所示。

圖6 火車(chē)站牽降混合變

3.1.1 定性分析

最易引起系統(tǒng)失效的一、二階最小割集為：

（X1），（X2），（X3），（X4，X13），（X4，X21），（X4，X22），（X5，X13），（X5，X21），（X5，X22），（X6，X13），（X6，X21），（X6，X22），（X7，X13），（X7，X21），（X7，X22），（X8，X13），（X8，X21），（X8，X22）。

圖7 火車(chē)站牽降混合變400 V I 段信號(hào)出線失電FTA 分析

結(jié)構(gòu)的重要度為：

I（X3）=I（X2）=I（X1）>I（X13）>I（X22）=I（X21）>I（X20）= I（X19）=I（X18）=I（X17）>I（X26）=I（X25）=I（X24）=I（X23）> I（X8）>I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）>I（X12）=I（X11）= I（X10）=I（X9）>I（X16）=I（X15）=I（X14）。

3.1.2 定量分析

代入已公開(kāi)的地鐵供電系統(tǒng)各類(lèi)設(shè)備的故障率（見(jiàn)表1），部分無(wú)法查知故障率的設(shè)備由相近設(shè)備代替，得出I段信號(hào)出線失電的故障率為1.65×10-4，與II段并聯(lián)后整個(gè)火車(chē)站牽降混合變400 V信號(hào)出線失電的故障率為2.72×10-8。

表1 地鐵供電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備故障率

3.2信號(hào)電源屏系統(tǒng)

參照1.2和2.2節(jié)，由圖2，不考慮蓄電池組的作用（因?yàn)槠鋬H能供電30m in），電源屏上某一路紅網(wǎng)AP電源與藍(lán)網(wǎng)AP電源同時(shí)故障情況下的故障樹(shù)如圖8所示。

3.2.1 定性分析

最易引起系統(tǒng)失效的一、二階最小割集為：

（X5），（X6），（X1，X19），（X1，X20），（X1，X21），（X1，X22），（X12，X13），（X2，X19），（X2，X20），（X2，X21），（X2，X22），（X3，X19），（X3，X20），（X3，X21），（X3，X22），（X4，X19），（X4，X20），（X4，X21），（X4，X22），（X7，X17），（X7，X18），（X8，X14），（X9，X14）。

結(jié)構(gòu)的重要度為：

I（X6）=I（X5）>I（X7）>I（X22）=I（X21）=I（X20）= I（X19）=I（X14）=I（X13）=I（X12）=I（X9）=I（X8）=I（X4）= I（X3）=I（X2）=I（X1）>I（X18）=I（X17）>I（X16）=I（X15）= I（X11）=I（X10）。

3.2.2 定量分析

代入電源屏各類(lèi)設(shè)備的故障率（見(jiàn)表2），得出因電源屏故障導(dǎo)致單個(gè)TRE紅藍(lán)AP同時(shí)失電的故障率為4×10-6。

3.3TRE電纜分布

參照2.3節(jié)，由圖3和圖4，TRE供電鏈路上最末端、故障率最高的TRE4的故障樹(shù)如圖9所示。

表2 電源屏相關(guān)設(shè)備故障率

3.3.1 定性分析

最易引起系統(tǒng)失效的一、二階最小割集為：

（X1，X10），（X1，X11），（X1，X12），（X1，X13），（X1，X14），（X1，X8），（X1，X9），（X2，X10），（X2，X11），（X2，X12），（X2，X13），（X2，X14），（X2，X8），（X2，X9），（X3，X10），（X3，X11），（X3，X12），（X3，X13），（X3，X14），（X3，X8），（X3，X9），（X4，X10），（X4，X11），（X4，X12），（X4，X13），（X4，X14），（X4，X8），（X4，X9），（X5，X10），（X5，X11），（X5，X12），（X5，X13），（X5，X14），（X5，X8），（X5，X9），（X6，X10），（X6，X11），（X6，X12），（X6，X13），（X6，X14），（X6，X8），（X6，X9），（X7，X10），（X7，X11），（X7，X12），（X7，X13），（X7，X14），（X7，X8），（X7，X9）。

結(jié)構(gòu)的重要度為：

I（X14）=I（X13）=I（X12）=I（X11）=I（X10）=I（X9）= I（X8）=I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）=I（X3）=I（X2）= I（X1）。

3.3.2 定量分析

代入TRE各類(lèi)設(shè)備的故障率（見(jiàn)表3），得出單個(gè)TRE紅藍(lán)AP同時(shí)失電的故障率為2.7×10-10。

表3 TRE相關(guān)設(shè)備故障率

3.4FTA分析總結(jié)

從分析計(jì)算的結(jié)果看，整個(gè)TRE供電系統(tǒng)的短板在電源屏系統(tǒng)，它與地鐵供電系統(tǒng)、TRE及其電纜布置相比差了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。從電源屏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重要度來(lái)看，QF11（X6）、UPS（X5）、QF8（X7）是結(jié)構(gòu)上最關(guān)鍵的3個(gè)設(shè)備，這是該線要求采用單UPS設(shè)計(jì)的緣故，若改為雙UPS架構(gòu)，則這3個(gè)設(shè)備都將有冗余，故障率將大為降低。不過(guò)即使是單UPS結(jié)構(gòu)，電源屏系統(tǒng)紅、藍(lán)AP電源不同時(shí)故障的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）仍能達(dá)到250 000 h（約28.5年），大大超出了20年的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因此，整個(gè)TRE供電系統(tǒng)是可靠的，完全能滿足系統(tǒng)功能需求。

圖8 電源屏FTA 分析

圖9 TRE電纜分布FTA分析（含TRE）

4 結(jié)語(yǔ)

近年我國(guó)各城市地鐵供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)絕大部分均與該線一樣，其也被理論和實(shí)踐證明是最可靠的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)故障率極低，完全能滿足系統(tǒng)需求，且不同廠商的設(shè)備的MTBF相差無(wú)幾，若想進(jìn)一步提高地鐵供電系統(tǒng)的可靠性，只能從人員素質(zhì)和管理方式上著手。對(duì)于信號(hào)電源屏系統(tǒng)，兩臺(tái)UPS并聯(lián)或者單UPS都是主流的做法，單UPS雖有明顯的短板，但計(jì)算后可知可靠性實(shí)際也較高，雙路AP的MTBF超過(guò)了信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用年限20年的要求，若不考慮性?xún)r(jià)比可設(shè)計(jì)為雙UPS來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于TRE電纜布置，從計(jì)算結(jié)果看可靠性是三個(gè)系統(tǒng)中最高的，沒(méi)有必要進(jìn)一步加強(qiáng)。

TRE供電是信號(hào)系統(tǒng)DCS（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）的一部分，TRE得電或失電問(wèn)題，最終影響的是車(chē)地?zé)o線通信。不單單是供電，光電轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)線、光纜、光纖跳線、光模塊、光交換機(jī)等故障都會(huì)導(dǎo)致TRE無(wú)法工作。該線合同中約定無(wú)線通信系統(tǒng)與列車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)合的MTBF是105h，TRE供電系統(tǒng)的MTBF比其高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此完全滿足要求。

DCS的某些設(shè)備故障雖不會(huì)導(dǎo)致TRE失電，但會(huì)造成TRE無(wú)法工作，其與TRE失電的結(jié)果是等效的。此外，電源屏某些設(shè)備故障影響到其他設(shè)備如本站的聯(lián)鎖或ATC（列車(chē)自動(dòng)控制）失電，或者本站信號(hào)系統(tǒng)失電了，那么TRE正常工作也無(wú)意義。因此，盲目地花大代價(jià)追求TRE供電的可靠是沒(méi)意義的，更何況TRE供電的可靠性遠(yuǎn)在標(biāo)準(zhǔn)之上。

一些人為的不可預(yù)料的因素（如施工挖斷電纜等人為的誤操作）無(wú)法經(jīng)由常規(guī)分析和FTA分析考量，運(yùn)營(yíng)方需從管理方式、操作規(guī)程、人員培養(yǎng)等方面著手，科學(xué)合理地規(guī)避人為故障的產(chǎn)生。

［1］曾德容.地鐵供電系統(tǒng)可靠性和安全性分析方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［2］張?zhí)@薔.故障樹(shù)分析在電力系統(tǒng)可靠性研究中的應(yīng)用［J］.華東電力，2005，33（2）：14-17.

［3］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157—2013［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014：140-180.

Reliability Analysis of TRE Power Supp ly of M etro Signal System

HUA Sheng，SU Afeng

TRE is one of the most important parts in metro signal train-ground w ireless communication system.TRE power supply is an important system to ensure the continuous communication between train and trackside.In this article, from aspects of metro power supply system,signal power supply panel system,and TRE w ith its′cable design layout,the conventional analysis and fault tree analysis are used to make a qualitative and quantitative analysis of the reliability of TRE power supply system.The purpose is to verify the system′s reliability inmeeting the demands and to explore itsweakness.

metro；train-ground w ireless communication；TRE（trackside radio equipment）；reliability of power supply；fault tree analysis

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.07.007

2016-11-03）