通信高頻開關(guān)電源改進(jìn)方案研究

徐德龍 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司電務(wù)處

通信系統(tǒng)是鐵路運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，一旦通信系統(tǒng)大面癱瘓，會(huì)造成運(yùn)輸秩序大亂，有時(shí)會(huì)造成行車安全事故。鐵路通信系統(tǒng)按物理分布可分為室內(nèi)機(jī)房設(shè)備、室外纜線和各類終端設(shè)備，室內(nèi)機(jī)房設(shè)備主要可分為信息傳輸系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，其中信息傳輸系統(tǒng)承擔(dān)了為其他各專業(yè)提供信息傳遞的重任。因此通信系統(tǒng)安全，尤其是機(jī)房設(shè)備運(yùn)行安全，對(duì)保障鐵路運(yùn)輸秩序起到了極為重要的作用。

近幾年來，鐵路通信發(fā)展迅速，形成了較為健壯的通信網(wǎng)絡(luò)，纜線、終端設(shè)備基本已實(shí)現(xiàn)了冗余；各專業(yè)系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也已完善了各種場景下的冗余。因此單個(gè)設(shè)備故障不會(huì)造成鐵路系統(tǒng)運(yùn)行癱瘓。造成運(yùn)輸指揮系統(tǒng)癱瘓的唯一可能是通信系統(tǒng)大面積癱瘓，而機(jī)房通信電源故障是可能造成通信系統(tǒng)大面積癱瘓的原因之一。

為確保鐵路通信系統(tǒng)可靠運(yùn)行，供電專業(yè)為鐵路通信機(jī)房均提供了獨(dú)立的兩路以上的電源，該兩路電源來自于不同的電廠和供電系統(tǒng)，且在電力設(shè)備檢修時(shí)也嚴(yán)格執(zhí)行不在同一時(shí)間段內(nèi)實(shí)施，各種措施確保了通信機(jī)房不斷電。但盡管外供電得到了保證，如果通信機(jī)房電源系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障，或缺少冗余手段，依然會(huì)造成通信機(jī)房失電，致使通信系統(tǒng)大面積癱瘓。

1 通信電源系統(tǒng)運(yùn)行安全分析

雖然通信機(jī)房交流供電是可靠的，但自身電源系統(tǒng)故障還會(huì)造成通信系統(tǒng)大面積癱瘓。2016年5月13日總公司通報(bào)了蘭州北站通信機(jī)房電源故障造成蘭州局GSM-R交換系統(tǒng)癱瘓，致使該局GSM-R系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸秩序的案例。類似的案例已發(fā)生了多次，其中也包括我局2013年3月27日蚌埠南通信機(jī)房電源故障。

梳理我局近年來類似問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從2011年至今，發(fā)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。我局發(fā)生的21件通信機(jī)房電源故障，大都發(fā)生在沿線通信機(jī)房，都造成了本站和鄰站CTC系統(tǒng)、GSM-R系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)故障，雖然影響范圍較蘭州局故障小些，但2013年3月27日蚌埠南通信機(jī)房電源故障，也造成了京滬高鐵定遠(yuǎn)至徐州東站間行車控制系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重干擾了京滬高鐵運(yùn)輸秩序。

2 電源故障原因調(diào)查分析

針對(duì)上述通信系統(tǒng)安全問題，對(duì)我局的通信機(jī)房和故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。我局通信機(jī)房共計(jì)3 849個(gè)，通信電源設(shè)備3 146套。發(fā)生通信電源設(shè)備故障的機(jī)房，有些是有人值守機(jī)房，例如2013年上海通信段網(wǎng)管中心發(fā)生了4件電源故障，造成CTC系統(tǒng)、GSM-R等行車控制指揮系統(tǒng)故障；也有無人值守機(jī)房，例如2013年3月27日的蚌埠南機(jī)房電源故障。分析這些故障都有一個(gè)共同特點(diǎn)，均是由于供電系統(tǒng)對(duì)其中某一路電源進(jìn)行檢修或某一路電源故障，造成通信機(jī)房電源系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換裝置(交流接觸器)動(dòng)作。經(jīng)進(jìn)一步分析，每次故障時(shí)外電源至少有一路電源是可靠且連續(xù)供電，機(jī)房配置的蓄電池均放完后造成通信機(jī)房內(nèi)傳輸設(shè)備、調(diào)度指揮設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等故障，繼而造成CTC等行車指揮系統(tǒng)故障，每次故障都在行車指揮人員或網(wǎng)管監(jiān)控人員報(bào)告后才發(fā)現(xiàn)機(jī)房電源系統(tǒng)故障。

3 安全問題點(diǎn)分析

（1）造成通信機(jī)房電源故障的原因是高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，通過技術(shù)革新可解決。

圖1 機(jī)房內(nèi)開關(guān)電源系統(tǒng)示意圖

通信機(jī)房內(nèi)通信設(shè)備都采用-48 V直流供電，采用集中供電方式由通信機(jī)房內(nèi)的高頻開關(guān)電源柜供給。根據(jù)通信設(shè)計(jì)規(guī)范，機(jī)房內(nèi)開關(guān)電源系統(tǒng)示意圖見圖1。

開關(guān)電源系統(tǒng)由交流配電盤（含切換裝置）、整流器(數(shù)量有若干個(gè)，根據(jù)用電量大小確定)、直流配電盤、蓄電池等組成。切換裝置通常用控制電路加交流接觸器實(shí)現(xiàn)兩路電自動(dòng)切換，當(dāng)某路交流電斷電時(shí)，由控制電路驅(qū)動(dòng)自動(dòng)切換到另一路供電；當(dāng)兩路交流電同時(shí)斷電時(shí)，由蓄電池供電。上述接線示意圖是目前通信高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)規(guī)范接法，因此目前全路通信機(jī)房均采用上述方案。

通過對(duì)我局21件電源故障分析，均因?yàn)閮陕冯娫粗兄饔秒娫磾嚯姾?，交流轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換至另一路電源時(shí)，由于機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置動(dòng)作出現(xiàn)機(jī)械卡阻，造成交流切換不到位使各整流模塊失電；當(dāng)主用電源恢復(fù)后，因觸點(diǎn)被卡死不能恢復(fù)到原先觸點(diǎn)狀態(tài)。此狀態(tài)下，蓄電池放電。當(dāng)一段時(shí)間蓄電池放空后，造成機(jī)房設(shè)備失電，造成大面積通信中斷。在這類故障處理中，都是通過對(duì)接觸器開關(guān)反復(fù)手動(dòng)撥動(dòng)后，接觸器又能正常工作。

針對(duì)交流接觸器轉(zhuǎn)換不可靠情況，我們對(duì)全局的通信開關(guān)電源進(jìn)行了全面分析，每套開關(guān)電源系統(tǒng)至少配有2個(gè)30 A或50 A整流模塊，而實(shí)際使用的電流均不超過20 A。某些較大的機(jī)房，實(shí)際耗電也沒超過設(shè)計(jì)或配置總?cè)萘康?0%。因此一組交流電源只需2個(gè)模塊就能承擔(dān)全部設(shè)備的供電。

（1）對(duì)交流接電模式進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的線路圖見圖2。

圖2 改進(jìn)后的交流接電模式線路圖

通過對(duì)高頻開關(guān)電源設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，把整流模塊分成兩組，其中一組接交流1路，另一組接交流2路。

（2）改造后的開關(guān)電源系統(tǒng)安全性分析

按上述方案改造后交流配電盤至整流模塊輸入間不再通過兩路轉(zhuǎn)換裝置（交流接觸器），避免了轉(zhuǎn)換裝置故障的可能性。對(duì)絕大部分機(jī)房開關(guān)電源系統(tǒng)來講，由于實(shí)際耗電量不足單個(gè)模塊額定功率，因此在蓄電池均充時(shí)，也能保證通信機(jī)房設(shè)備正常供電。但對(duì)某些耗電量較大，而實(shí)際配置的開關(guān)電源整流模塊較小時(shí)，可適當(dāng)增加整流模塊的數(shù)量解決。

（3）改造后的安全和經(jīng)濟(jì)效益

由于鐵路兩路交流電供電可靠，又實(shí)現(xiàn)了電源設(shè)備正真的雙套冗余，因此電源系統(tǒng)的安全性得到了保障。同時(shí)由于各類設(shè)備和纜線均有可靠的冗余，因此通信系統(tǒng)安全性得到了可靠的保障。另一方面，由于交流電源可靠性得到了保障，可取消蓄電池的斷電保護(hù)，即取消機(jī)房蓄電池。

我局每年對(duì)機(jī)房蓄電池更新投入費(fèi)用約為800萬。

（4）實(shí)際效果及下一步工作計(jì)劃

2017年下半年起，在我局上海通信段機(jī)房進(jìn)行了逐線改造，已完成了京滬高鐵、杭深線、金溫線、寧安線等線路機(jī)房改造，改造后的電源系統(tǒng)未發(fā)生過電源中斷或蓄電池放電的事件，說明系統(tǒng)運(yùn)行可靠。2018年繼續(xù)對(duì)剩余電源設(shè)備進(jìn)行改造。

我局的技術(shù)改造實(shí)踐取得了良好的效果，已向各設(shè)計(jì)院發(fā)出倡議并被采納。在以后的通信電源設(shè)計(jì)中采用該方案，并在全路推廣。