信號(hào)機(jī)房雙電源改造技術(shù)方案可行性研究

莊 維，凡振松，王 利

（1.卡斯柯信號(hào)有限公司, 北京 100070；2．上海市鐵路智能調(diào)度指揮系統(tǒng)工程研究中心，上海 200071）

電力系統(tǒng)是鐵路軌旁信號(hào)機(jī)房的最基本組成部分，也是鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)的基本保障，尤其是室內(nèi)供電系統(tǒng)更是承載著鐵路信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和安全穩(wěn)定的控制功能。隨著信號(hào)設(shè)備的密集化、多功能化的發(fā)展，對(duì)電力穩(wěn)定的輸出有更嚴(yán)格的要求。下面以2009年開(kāi)通的首條高速鐵路專(zhuān)線(xiàn)鄭西線(xiàn)洛陽(yáng)龍門(mén)站為例進(jìn)行探討。

1 機(jī)房信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)既有工程概況

1.1 現(xiàn)狀調(diào)查

該站采用鼎漢廠(chǎng)家的第三代智能電源屏PZG系列。系統(tǒng)以自動(dòng)控制為核心，技術(shù)上采用功率電子預(yù)熱電磁技術(shù)、使用高頻逆變開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓模塊（Power Factor Correction，PFC），設(shè)計(jì)上入口電源接外電網(wǎng)采用兩路三相交流電雙Y型切換輸入方式、先集中穩(wěn)壓后并聯(lián)輸出供電，同時(shí)模塊支持熱插拔。在電源工作過(guò)程中監(jiān)測(cè)模塊對(duì)各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，如有異常發(fā)出聲光報(bào)警。

該站智能電源屏按照功能由以下部分組成，系統(tǒng)示意如圖1所示。

1.2 雙電源的設(shè)備類(lèi)型介紹

站內(nèi)行車(chē)和調(diào)車(chē)作業(yè)安全的信號(hào)控制設(shè)備聯(lián)鎖系統(tǒng)、地面信號(hào)控制設(shè)備列控系統(tǒng)、集中調(diào)度控制車(chē)站CTC系統(tǒng)、軌道電路、通信機(jī)柜內(nèi)的通信組匣（通信接口板）和安全數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)的交換機(jī)設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)室內(nèi)的聯(lián)鎖操作終端和CTC/TDCS車(chē)站終端都需要智能電源屏變壓器模塊二對(duì)二冗余模式雙路供電。單電源常見(jiàn)的故障表現(xiàn)為電源模塊內(nèi)部故障、輸出電路器斷開(kāi)、單電源破皮接地等。當(dāng)電流電源欠壓時(shí)，電源模塊自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)，需人工故障排除后才能重啟模塊恢復(fù)工作。當(dāng)電流限流時(shí)，也會(huì)造成斷路器斷開(kāi)而無(wú)電壓電流輸出。一旦影響行車(chē)的設(shè)備斷電，會(huì)引發(fā)惡性事故。

在不影響既有系統(tǒng)使用情況下，鄭西線(xiàn)雙電源改造受限于大修年限和工程量的超時(shí)風(fēng)險(xiǎn)，需在一個(gè)施工天窗點(diǎn)內(nèi)完成。根據(jù)洛陽(yáng)電務(wù)段提出的方案需求，本次改造涉及到上述信號(hào)子系統(tǒng)中TDCS/CTC、安全數(shù)據(jù)網(wǎng)和通信接口板3種設(shè)備的供電電源。單電源系統(tǒng)供電可靠性差，雙電源供電的改造勢(shì)在必行。

圖1 電源屏供電示意圖Fig.1 Schematic diagram of power supply of power panel

2 改造技術(shù)方案與分析

2.1 方案一：負(fù)載電源改成雙電源輸出

由于每個(gè)站使用電源屏機(jī)柜數(shù)不同，安裝使用的電源模塊數(shù)也不同。在不影響既有供電模塊工作前提下，以洛陽(yáng)龍門(mén)站為例，在電源屏供電機(jī)柜上新增信號(hào)設(shè)備的二路電源模塊，即系統(tǒng)內(nèi)部配電單元的二路負(fù)載輸出，同時(shí)開(kāi)關(guān)電源模塊的額定功出電壓和電流有如下要求。

1）新增TDCS/CTC電源2模塊 AC220 V/10 A；

2）新增安全數(shù)據(jù)網(wǎng)電源2模塊 AC220 V/1.5 A；

3）新增通信組匣(通信接口板)電源2模塊AC220 V/7 A。

優(yōu)點(diǎn)：子系統(tǒng)設(shè)備輸入端市電可以直接接入電源模塊，電源模塊單獨(dú)處理，避免集中穩(wěn)壓帶來(lái)的共性失效問(wèn)題。模塊采用“1+1”熱備份，可靠性高。同時(shí)監(jiān)控內(nèi)容細(xì)分化便于用戶(hù)維護(hù)。

缺點(diǎn)：由于沒(méi)有在功率切換裝置控制，模塊的功率損耗高，效率低，并且外電故障還會(huì)引發(fā)設(shè)備系統(tǒng)斷電。

2.2 方案二：新增加系統(tǒng)外部UPS不間斷供電電源

在對(duì)電源有特別要求的信號(hào)系統(tǒng)中，以TDCS/CTC系統(tǒng)為例，采用電源屏和設(shè)備中間串聯(lián)一組不間斷供電設(shè)備UPS來(lái)滿(mǎn)足需求。本次設(shè)計(jì)探討擬采用雙套APC Smart-UPS RT 2000UXI型號(hào)240架裝式不間斷電源，電源主要功能是實(shí)現(xiàn)雙路UPS的負(fù)載自動(dòng)切換供電，保證負(fù)載UPS 故障情況下能夠自動(dòng)切換到備用UPS。雙套UPS故障或者UPS維護(hù)更換期間也可以切換為旁路由電源屏直接給CTC設(shè)備供電。UPS系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

當(dāng)CTC 系統(tǒng)I、II路正常供電，雙套UPS開(kāi)機(jī)后，切換器自動(dòng)選擇一路UPS輸出作為系統(tǒng)的電源，并對(duì)應(yīng)該路的APC設(shè)備工作指示燈亮；當(dāng)雙套UPS輸出都正常時(shí)，哪一套先輸出則選擇哪一套作為系統(tǒng)電源。UPS輸出電源優(yōu)先于旁路電源系統(tǒng)，只有在兩套UPS 輸出都沒(méi)有或都不正常時(shí)，才自動(dòng)切換到旁路，并且旁路工作指示燈亮。

圖2 UPS系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of UPS system

優(yōu)點(diǎn)：保障電源供應(yīng)的穩(wěn)定性，并應(yīng)對(duì)外部突發(fā)斷電等異常情況下仍能保障設(shè)備正常運(yùn)行，以便留有緩沖時(shí)間來(lái)應(yīng)急處理斷電故障。同時(shí)，利用既有排架報(bào)警盒盯控?cái)嗦菲鏖]合情況，傳給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便于日常巡檢。

缺點(diǎn)：UPS系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)備多，需要額外的空間來(lái)安裝，不利于空間不足的系統(tǒng)設(shè)備中，另外成本大，對(duì)于沒(méi)有必要的設(shè)備可選擇其他供電方式。

2.3 方案實(shí)施設(shè)計(jì)

整合上述兩種設(shè)計(jì)方案保障設(shè)備供電的可靠性，如圖3改造設(shè)計(jì)中雙虛點(diǎn)劃線(xiàn)所示。CTC車(chē)站分機(jī)系統(tǒng)設(shè)備在電源屏輸出端新增高頻逆變開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓模塊，在機(jī)柜輸入端加裝UPS不間斷電源和雙電源切換裝置系統(tǒng)，使得在一路供電異常后可以不影響設(shè)備工作下自動(dòng)切換另一路供電。當(dāng)兩路供電都異常后，啟用外接UPS電源可在短時(shí)間斷電內(nèi)仍保障設(shè)備系統(tǒng)正常工作。

通信機(jī)柜內(nèi)的通信組匣（通信接口板），受限于機(jī)柜內(nèi)部空間影響，接口板已經(jīng)是雙套板冗余工作，只增加兩個(gè)板子的二路電源供電即可，不需提供UPS系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)供電模塊的空開(kāi)狀態(tài)。

安全數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)的交換機(jī)設(shè)備，內(nèi)部自帶切換和穩(wěn)壓控制，不需要額外提供UPS系統(tǒng)，需增加二路電源模塊輸入即可，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)增加盯控電源屏模塊輸入端斷路器的開(kāi)閉狀態(tài)。

以洛陽(yáng)龍門(mén)為例，改造原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 監(jiān)測(cè)雙電源供電系統(tǒng)

當(dāng)改造過(guò)后應(yīng)當(dāng)對(duì)雙電源設(shè)計(jì)技術(shù)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，包括人為斷電，耗時(shí)斷電和故障斷電。查看電源屏報(bào)警顯示器是否有報(bào)警提示和聲響，此視為一級(jí)監(jiān)控；并且電源屏報(bào)警信息通過(guò)RS-485串口線(xiàn)發(fā)送報(bào)警信息給監(jiān)測(cè)站機(jī)進(jìn)行后臺(tái)監(jiān)控，以共線(xiàn)通信通道方式進(jìn)行集中組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，控制中心集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)閱遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端，查看是否有電源屏報(bào)警一級(jí)報(bào)警記錄和報(bào)警內(nèi)容。并且在模擬量上能準(zhǔn)確顯示新增二路的電壓值和電流值，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理，此視為二級(jí)監(jiān)控。

圖3 改造原理結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of reformation principle

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)探討鄭西線(xiàn)洛陽(yáng)龍門(mén)站信號(hào)機(jī)房的雙電源改造技術(shù)方案，認(rèn)為方案三提到的CTC信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)改造用雙電源控制具有可行性。在正常情況下，兩路電源同時(shí)供電，各承擔(dān)50%的負(fù)荷，當(dāng)任何一路電源斷電時(shí)，可自動(dòng)轉(zhuǎn)成另外一路承擔(dān)全部負(fù)荷，即使兩路電源都斷電，也能在一定時(shí)間內(nèi)保證設(shè)備的正常工作，能有效的解決單電源供電的不穩(wěn)定性問(wèn)題，并且在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控下，不僅實(shí)時(shí)盯控雙電源輸出的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，還能減輕維護(hù)人員的工作量，保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。具有對(duì)鄭西全線(xiàn)雙電源改造工程具有普遍指導(dǎo)意義。