一體化信號(hào)電源系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用分析

周勝利 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥電務(wù)段

隨著鐵路信號(hào)機(jī)房?jī)?nèi)智能化設(shè)備逐步增多，對(duì)電源設(shè)備穩(wěn)定性、集成性、智能性的要求也越來越高。鐵路信號(hào)電源系統(tǒng)為信號(hào)聯(lián)鎖、閉塞和列控等關(guān)鍵設(shè)備提供源源不斷的動(dòng)力，在增加其可靠性的同時(shí)，也增加了對(duì)大系統(tǒng)統(tǒng)籌和監(jiān)控，而一體化信號(hào)電源系統(tǒng)整合了不間斷電源、配電、機(jī)柜、數(shù)據(jù)采集、干接點(diǎn)告警、漏電保護(hù)、信號(hào)電源模塊等多個(gè)系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)全部子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌管理，打造成為一體化產(chǎn)品，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建設(shè)流程，成本更低，管理更方便，可靠性更高，維護(hù)更便捷，將逐步取代傳統(tǒng)信號(hào)電源屏。

1 一體化信號(hào)電源系統(tǒng)方案

一體化信號(hào)電源系統(tǒng)拓展了新思路，改變了傳統(tǒng)信號(hào)電源系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)，采用直流供電形式，使供電系統(tǒng)干擾小，工作更加可靠，另外供電模塊代替UPS，在擴(kuò)容和維護(hù)上占據(jù)了明顯的優(yōu)勢(shì)，符合現(xiàn)代化信號(hào)電源系統(tǒng)的發(fā)展要求。

1.1 系統(tǒng)組成

（1）輸入切換單元

切換單元為兩路進(jìn)電，兩路輸入電源間具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換、手動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，每路輸入均具備手動(dòng)直供功能，系統(tǒng)優(yōu)先選選取更優(yōu)質(zhì)的一路輸入電源供電。當(dāng)一路進(jìn)電發(fā)生嚴(yán)重的過載或者短路等故障時(shí)，該路中對(duì)應(yīng)的斷路器能自動(dòng)切斷電路，保護(hù)設(shè)備。兩路輸入電源的轉(zhuǎn)換時(shí)間（包括手動(dòng)和自動(dòng)）不應(yīng)大于0.15 s。

（2）不間斷供電單元

不間斷供電單元主要包括高壓直流模塊和蓄電池兩部分，承擔(dān)隔離、配電、檢測(cè)、續(xù)流的作用，在電源切換單元無輸出的情況下維持后端負(fù)載工作較長(zhǎng)時(shí)間。

（3）穩(wěn)壓電源模塊及隔離單元

穩(wěn)壓電源模塊包括交流模塊和直流模塊，可將高壓直流模塊TU1 后端輸出的電源進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和控制，應(yīng)用中需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載情況對(duì)信號(hào)電源模塊進(jìn)行合理配備。電源屏各輸出電源模塊設(shè)有冗余模塊，當(dāng)任一電源模塊出現(xiàn)故障或進(jìn)行維修時(shí)，另一模塊可擔(dān)負(fù)后端負(fù)載全部用電量。隔離方式有兩種，部分模塊采用工頻變壓器隔離，部分模塊采用電源內(nèi)部高頻隔離的隔離方式。

（4）監(jiān)控單元

監(jiān)控單元主要包括工控機(jī)及其配件，用于對(duì)信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集、處理、顯示、報(bào)警、記錄和故障定位，形成規(guī)范化的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息并提供通信接口等完成監(jiān)測(cè)功能的裝置。

1.2 方案介紹

一體化系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是雙母線冗余式配電架構(gòu)，不同于傳統(tǒng)信號(hào)電源系統(tǒng)采用UPS 作為不間斷電源，UPS體積大，質(zhì)量重，種類繁復(fù)，維護(hù)不便。一體化信號(hào)電源系統(tǒng)采用高壓直流TU 模塊作為不間斷電源，模塊化結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，雙母線方案有效解決了單點(diǎn)故障問題，可靠性更高，維護(hù)更便捷。一體化信號(hào)電源系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 一體化信號(hào)電源系統(tǒng)圖

一體化系統(tǒng)主要工作原理如下：

（1）系統(tǒng)設(shè)置兩套Y 型切換系統(tǒng)，兩套切換系統(tǒng)互相獨(dú)立、互不影響，其中一路設(shè)定為1 路市電輸出，另外一路設(shè)定2路市電輸出。

（2）兩路市電經(jīng)兩套Y 型切換系統(tǒng)分別輸出兩路母線，后端電源模塊按照N+N的配置方式分別均勻掛在兩路母線上。

（3）50 Hz 交流模塊功率較大，設(shè)計(jì)為三相輸入，輸出可并聯(lián)、實(shí)現(xiàn)零中斷切換。

（4）當(dāng)市電任意一路發(fā)生缺相時(shí)，模塊發(fā)出相應(yīng)的市電異常告警，但模塊仍可正常輸出。

（5）各直流模塊功率相對(duì)較小，設(shè)計(jì)為單相輸入，分掛不同相位，避免斷相時(shí)同時(shí)崩潰。

（6）主備模塊并聯(lián)輸出，實(shí)現(xiàn)零中斷切換。

（7）環(huán)節(jié)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)均能夠?qū)崿F(xiàn)有效的零中斷輸出。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用雙電源供電方案，可提高電源系統(tǒng)的安全性和可靠性，能夠保證系統(tǒng)不間斷輸入。

（2）采用HVDC 供電方案，HVDC 電源模塊使用模塊化結(jié)構(gòu)，拓?fù)浜?jiǎn)單、可靠性高、效率高，可提升系統(tǒng)輸入抗沖擊能力。

（3）采用DSP（Digital Signal Processing 數(shù)字信號(hào)處理器，以下簡(jiǎn)稱DSP）技術(shù)，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、可靠性高，控制速率快、精度高，靈活性強(qiáng)、兼容性好，易于實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）采用智能化電池管理技術(shù)，具備可擴(kuò)展性，支持配備不同電池巡檢模塊并實(shí)現(xiàn)不同節(jié)數(shù)，不同組數(shù)電池的巡檢及管理。

1.4 系統(tǒng)維護(hù)

信號(hào)電源設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，不需要現(xiàn)場(chǎng)維修，供電模塊均遵循備份原則，且支持熱插拔，維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)切換或適時(shí)更換即可?，F(xiàn)場(chǎng)遇到疑難問題可及時(shí)撥打用服人員電話求助。

（1）設(shè)備巡檢。為了保證設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)設(shè)備分階段進(jìn)行巡檢，目前主要檢查方式分為日檢、月檢、季檢、年檢幾個(gè)階段，分別如表1所示。

表1 設(shè)備檢修周期及內(nèi)容

（2）關(guān)鍵器件壽命。電源模塊、UPS、系統(tǒng)單板、參穩(wěn)模塊等中使用的關(guān)鍵器件，為了防止器件因工作磨損失效而導(dǎo)致系統(tǒng)故障，建議定期檢查，在預(yù)期的壽命年限內(nèi)進(jìn)行更換（見表2）。

表2 關(guān)鍵器件壽命參數(shù)和建議更換時(shí)間

（3）常見故障處理步驟及方法。一體化電源系統(tǒng)的集成度更高，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的故障處理更為簡(jiǎn)單。首先觀察系統(tǒng)整體燈光告警顯示（包括模塊指示燈，系統(tǒng)指示燈等），狀態(tài)顯示（包括溫度，濕度，開關(guān)和交流接觸狀態(tài)等），記錄故障狀態(tài)；進(jìn)一步觀察電源屏監(jiān)控單元文字告警信息，記錄故障狀態(tài)；最終確定告警位置，針對(duì)故障信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理。

①某路輸入電源故障。檢查接線是否正常，條件許可測(cè)試電網(wǎng)情況（如電壓、頻率、相序等），若有異常，及時(shí)聯(lián)系供電部門處理。

②切換電源或輔助電源故障。檢查對(duì)應(yīng)指示燈和各處電壓，若有異常及時(shí)更換。

③防雷故障。檢查各防雷輸入開關(guān)和狀態(tài)顯示，若防雷器件故障，及時(shí)斷開開關(guān)更換。

④模塊故障或告警。若模塊發(fā)生告警，及時(shí)查詢故障表，根據(jù)處理方法進(jìn)行處理。確認(rèn)模塊故障時(shí)及時(shí)更換模塊。

⑤監(jiān)控模塊故障。先將監(jiān)控模塊斷電重啟，若扔異常及時(shí)聯(lián)系相關(guān)技術(shù)工程師。

⑥TU模塊故障。若TU模塊發(fā)生告警，及時(shí)查詢故障表，其處理方法與信號(hào)電源模塊處理方法一致。確認(rèn)模塊故障時(shí)及時(shí)更換模塊。

2 一體化信號(hào)電源系統(tǒng)應(yīng)用遠(yuǎn)景

目前在用的高鐵線路電源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置為集中式UPS搭配電源屏，普鐵線路電源系統(tǒng)基本采用帶穩(wěn)壓功能的電源屏，并在后級(jí)各電子設(shè)備負(fù)責(zé)中配置小型UPS，UPS 容量1 kVA～5 kVA 不等。根據(jù)《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則》要求，UPS 內(nèi)電池、電容以及整機(jī)輪修周期高普不一致，無形中增加了設(shè)備管理單位的管理任務(wù)，同時(shí)設(shè)備管理單位對(duì)UPS 基本不具備維修的能力，完全依靠廠家。一體化電源屏的供電模塊具備UPS 功能，而且更換方便，具備冗余功能的集成化模塊大大降低了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本。

2.1 一體化電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)對(duì)比

傳統(tǒng)信號(hào)電源系統(tǒng)采用UPS 作為不間斷電源，一體化信號(hào)電源系統(tǒng)采用高壓直流模塊TU1 為不間斷電源，模塊供電采用直流供電的形式，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不間斷電源TU1 模塊本身體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，其外形為鐵標(biāo)要求的1/4 模塊大小，支持熱插拔，便于擴(kuò)容。該模塊與相同容量UPS尺寸對(duì)比如表3。

表3 TU1與UPS體積對(duì)比

（2）不同型號(hào)不同容量的UPS，因母線電壓的不同，導(dǎo)致配置的電池?cái)?shù)量也不同，對(duì)于維護(hù)造成了困難，相對(duì)比一體化信號(hào)電源，統(tǒng)一了電池的數(shù)量，并且做到了統(tǒng)一的的電池管理，提高了維護(hù)的效率。

（3）UPS 輸出至電源模塊前端為單母線，會(huì)造成單點(diǎn)故障；電壓變換環(huán)節(jié)冗余，系統(tǒng)整體可靠性降低。一體化信號(hào)電源系統(tǒng)刪除了部分冗余的功能，將變換層級(jí)由4 級(jí)降低到2 級(jí)，精簡(jiǎn)了系統(tǒng)，有效減少了系統(tǒng)損耗，同樣也降低了因系統(tǒng)復(fù)雜而產(chǎn)生的故障點(diǎn)。

（4）一體化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多重冗余備份，保證雙母線互相獨(dú)立，有效解決系統(tǒng)單點(diǎn)故障，提高了系統(tǒng)的可靠性，任一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，均可以隔離出來進(jìn)行處理，不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。

（5）一體化采用直流供電的供電方式，具有抗沖擊能力強(qiáng)、拓?fù)浜?jiǎn)單、擴(kuò)容方便、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，另外，TU1 模塊針對(duì)的鐵路電網(wǎng)適應(yīng)性進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，TU1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用鐵標(biāo)TB1528 的標(biāo)準(zhǔn)，UPS 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用YD/T1095，YD/T944及YD/T983標(biāo)準(zhǔn)，UPS的部分測(cè)試要求和判據(jù)偏低，TU1可靠性更高，相對(duì)于傳統(tǒng)UPS 更適應(yīng)嚴(yán)苛的鐵路應(yīng)用環(huán)境，最高諧波耐受達(dá)到30%，更適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

2.2 優(yōu)化信號(hào)大系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)

從一體化信號(hào)電源系統(tǒng)圖可看出，作為新型供電設(shè)備它自身具備UPS 相關(guān)功能，可直接取消集中式UPS 和后級(jí)小型UPS，傳統(tǒng)信號(hào)電源系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2 和圖3 所示，UPS 與電源屏都是獨(dú)立的設(shè)備，來自不同廠家，存在結(jié)合部，一旦出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)定責(zé)界限難劃分問題。而一體化電源系統(tǒng)可以同時(shí)提供所有信號(hào)設(shè)備電源，整體性更強(qiáng)，減少了供電設(shè)備的故障點(diǎn)，符合未來電源集成化的趨勢(shì)。

圖2 高鐵線路信號(hào)電源系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖3 普鐵線路信號(hào)電源系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.3 降低維修成本

根據(jù)維護(hù)規(guī)則要求，小型UPS的電池輪修周期為2～3年，整機(jī)更換周期為10年，一臺(tái)小UPS在壽命周期內(nèi)至少需要輪修3 次電池。下面以一個(gè)普鐵站場(chǎng)為例從設(shè)備成本、天窗資源、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)方面分析使用一體化電源系統(tǒng)節(jié)約的成本。

（1）設(shè)備成本。一般情況下在各系統(tǒng)電子設(shè)備使用的小UPS 數(shù)量可能多達(dá)8 臺(tái)/站，具體見表2 所示。按常規(guī)每臺(tái)UPS 電池?cái)?shù)為6 節(jié)計(jì)算（目前有的UPS 可能有16 節(jié)電池），多達(dá)48 節(jié)，在壽命周期內(nèi)一個(gè)站需要換144 節(jié)電池，按平均價(jià)計(jì)算130 元/節(jié)，輪修電池共需要投入1.872 萬(wàn)元/站；小UPS壽命周期為10年，機(jī)房?jī)?nèi)各系統(tǒng)電子設(shè)備的壽命周期為15年，一臺(tái)小UPS按均價(jià)8 000 元/臺(tái)，更換整機(jī)需投入6.4 萬(wàn)元/站。每年更換電池還要產(chǎn)生不菲的運(yùn)雜費(fèi)（見表4）。

表4 電子設(shè)備UPS配置舉例

（2）天窗資源。更換一臺(tái)小UPS 的電池至少需要30 min的垂直天窗，2人配合完成，在壽命周期內(nèi)至少需要720 min/站，從人工勞效計(jì)算需要1 440 min/人。

（3）作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。輪修作業(yè)過程中需要拆解主機(jī)箱并更換舊電池，存在因作業(yè)過程中配線連接不牢等因素導(dǎo)致的故障；電池廠家變更，電池接線端子存在不匹配問題；作業(yè)人員對(duì)UPS內(nèi)結(jié)構(gòu)不清楚，產(chǎn)生勞動(dòng)安全。

如果采用一體化信號(hào)電源系統(tǒng)，一套電源系統(tǒng)具備UPS所有功能，可以取消后級(jí)各負(fù)載系統(tǒng)配置的UPS，降低了設(shè)備投入的成本；設(shè)備管理單位避免了因UPS 電池輪修和整機(jī)更換的后期設(shè)備投入，同時(shí)節(jié)省了勞動(dòng)力；設(shè)備管理單位成功避免因頻繁更換UPS 電池帶來的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；降低設(shè)備故障率，目前無論集中式UPS還是小UPS，故障率偏高，

2.4 提高應(yīng)急處理能力

應(yīng)急處理方法僅能保證系統(tǒng)的輸出正常。傳統(tǒng)集中式UPS 故障，現(xiàn)場(chǎng)職工基本不敢操作，主要依靠廠家遠(yuǎn)程指導(dǎo)，缺乏應(yīng)急處置的能力。集合UPS 功能的一體化電源屏采用插拔式電源模塊，只需更換同類型模塊已可完全恢復(fù)，方便現(xiàn)場(chǎng)維修更換，大大提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置能力。主要故障應(yīng)急處理步驟及方法如下。

（1）電源模塊應(yīng)急處理。當(dāng)電源模塊故障后會(huì)由其冗余模塊進(jìn)行供電，及時(shí)拔出故障模塊更換為同型號(hào)備用模塊。

（2）交流接觸器故障應(yīng)急處理。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換到旁路供電。

（3）系統(tǒng)正常卻發(fā)生報(bào)警應(yīng)急處理。監(jiān)控模塊只是進(jìn)行監(jiān)控和故障定位，若設(shè)備正常時(shí)發(fā)生報(bào)警，可見對(duì)應(yīng)告警進(jìn)行暫時(shí)屏蔽，不會(huì)影響系統(tǒng)功能。

（4）TU1 模塊故障應(yīng)急處理。TU1 模塊故障時(shí)處理防范與信號(hào)電源模塊處理方法類似，當(dāng)TU1 模塊故障后會(huì)由其冗余模塊進(jìn)行供電，及時(shí)拔出故障模塊更換為同型號(hào)備用模塊。

3 結(jié)束語(yǔ)

雙母線冗余一體化信號(hào)電源系統(tǒng)是軌道交通信號(hào)電源行業(yè)目前的前沿技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電源的雙母線冗余設(shè)計(jì)，以及一體化HVDC 供電方案，為面向軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的多種設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電源。該系統(tǒng)采用雙母線冗余結(jié)構(gòu)，可靠性更高，并采用高壓直流模塊及電池作為不間斷電源，配置更便捷，擴(kuò)容更便利，便于維護(hù)操作與更換配件，在信號(hào)電源應(yīng)用領(lǐng)域占有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從維修角度來看，節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)投入成本、維修成本，簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)供電配置結(jié)構(gòu)，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際困難，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置能力，最大化減少了因前沿技術(shù)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，是一種開拓性的創(chuàng)新。