城市軌道交通信號UPS電源系統(tǒng)優(yōu)化配置方案

王 穎，李 新，馮前進(jìn)，曾祥進(jìn)

（蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司，江蘇蘇州 215000）

信號系統(tǒng)作為城市軌道交通列車運(yùn)行的指揮系統(tǒng)，為列車運(yùn)營的安全性、舒適性以及準(zhǔn)點(diǎn)性提供強(qiáng)有力的保障。從運(yùn)營、安全角度考慮，信號系統(tǒng)的正常平穩(wěn)運(yùn)行遠(yuǎn)比其他系統(tǒng)重要。因此，為實(shí)現(xiàn)信號設(shè)備的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，其電源系統(tǒng)需要提供穩(wěn)定、安全以及優(yōu)質(zhì)的電能[1-2]。

隨著城市軌道交通信號設(shè)備的不斷更新改造，信號電源系統(tǒng)也逐步進(jìn)入智能化、模塊化的時代，促使信號電源系統(tǒng)的適應(yīng)性與可維護(hù)性得到明顯的提升。信號系統(tǒng)的電源設(shè)備主要由信號智能電源屏、不間斷電源（UPS）、蓄電池組以及穩(wěn)壓器等部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)為信號設(shè)備持續(xù)地提供品質(zhì)較高且純凈的電源。而UPS作為電源設(shè)備的核心組成部分，可以保證供電質(zhì)量、供電連續(xù)性，為軌道交通安全運(yùn)營提供有效保障[3-4]。本文通過對蘇州軌道交通2號線信號UPS電源系統(tǒng)進(jìn)行分析，并結(jié)合運(yùn)行中出現(xiàn)的故障情況，提出相應(yīng)的配置優(yōu)化方案，確保能夠?yàn)樾盘栂到y(tǒng)可持續(xù)性供電，為各項(xiàng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，從而減少故障發(fā)生的可能性，提高列車運(yùn)行的效率與安全性。

1 電源設(shè)備工作原理

電源設(shè)備的輸入來自供電專業(yè)配置的兩路獨(dú)立的市電，經(jīng)過信號配電盤，送至信號電源屏，再由內(nèi)部的Y型切換裝置，進(jìn)行輸入總配電。然后送至UPS，再經(jīng)UPS輸出到電源屏進(jìn)行各路交/直流輸出的分配和檢測。其工作原理如圖1所示。

圖1 電源設(shè)備工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of working principle of power supply equipment

電源系統(tǒng)不僅能提供列車自動控制（ATC）系統(tǒng)及其子系統(tǒng)計算機(jī)用的電源，還可以為信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計軸、繼電器、站間聯(lián)系等設(shè)備提供電源[5]。

UPS電源系統(tǒng)供電單元通常采用3種方案[6]：第一種是單機(jī)UPS結(jié)合穩(wěn)壓器供電方案，其外電網(wǎng)的兩路獨(dú)立市電作為輸入，經(jīng)過電源屏切換單元切換后，送至UPS，再輸入到穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器輸出給各種負(fù)載單元，常用于非集中站、培訓(xùn)中心、試車線等站點(diǎn)。第二種是UPS并機(jī)方案，外電網(wǎng)兩路獨(dú)立的輸入電源，經(jīng)過電源屏切換單元切換后，分別送至兩臺UPS，再由UPS向電源屏供電，輸出穩(wěn)定純凈的電流。兩臺UPS分別設(shè)置兩條獨(dú)立的輸出母線，兩條母線通過交/直流電源模塊輸出給負(fù)載供電。常用于聯(lián)鎖設(shè)備集中站、車輛段信號設(shè)備室、控制中心等站點(diǎn)。第三種則是雙UPS雙母線方案，兩路市電獨(dú)立輸入，經(jīng)兩套獨(dú)立切換單元，分別向各主、備用電源模塊及兩臺UPS供電。兩路外電源通過兩套進(jìn)線的雙電源切換裝置，可進(jìn)行手動、自動切換，兩臺UPS相互獨(dú)立，任意一臺UPS故障，不影響另一臺正常工作，保證后端服務(wù)器負(fù)載供電始終正常輸出。此項(xiàng)方案的供電穩(wěn)定性最優(yōu)，但涉及既有電源屏改造，實(shí)施難度大，施工周期長，因此目前蘇州軌道交通2號線暫未使用此項(xiàng)方案。

2 UPS配置方案及優(yōu)化改造

蘇州市軌道交通2號線信號電源系統(tǒng)在設(shè)計之初采用并機(jī)NXR系列、單機(jī)NXR系列以及20 kVA以下單機(jī)ITA系列共3種不同類型UPS進(jìn)行電源系統(tǒng)配置，即分別在信號聯(lián)鎖集中站、控制中心、車輛段采用并機(jī)高頻NXR型UPS，信號集中站采用單機(jī)高頻NXR型UPS，信號非集中站、試車線及培訓(xùn)室等信號用房采用單機(jī)高頻ITA型UPS。

然而，自2號線開通以來，并機(jī)NXR系列、單機(jī)NXR系列、20 kVA以下ITA系列UPS多次發(fā)生故障，對運(yùn)營造成不同程度的影響，甚至造成列車大面積晚點(diǎn)。針對信號電源故障頻發(fā)，采取2號線信號電源整體配置優(yōu)化工作。

2.1 并機(jī)NXR型UPS配置方案優(yōu)化

故障情況：2017年8月2日，某聯(lián)鎖設(shè)備集中站信號設(shè)備房并機(jī)NXR型UPS設(shè)備UPS1發(fā)生故障，使UPS并機(jī)系統(tǒng)無法向信號系統(tǒng)輸出供電，導(dǎo)致該站信號設(shè)備房內(nèi)所有機(jī)柜設(shè)備失電，該站聯(lián)鎖區(qū)發(fā)生信號設(shè)備故障，后續(xù)并機(jī)NXR型UPS多次發(fā)生故障。

分析與處理：改造之前聯(lián)鎖站使用的并機(jī)NXR高頻機(jī)，通過對輸出模塊進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其功率模塊發(fā)生逆變橋短路故障，造成UPS故障，導(dǎo)致信號設(shè)備失電，直接影響列車運(yùn)行。因NXR型高頻機(jī)在正常工作時極易產(chǎn)生高頻電流，在環(huán)形線圈內(nèi)會引起極性瞬間改變的強(qiáng)磁束，磁束易貫通線圈內(nèi)的金屬物體，從而產(chǎn)生較大的大渦電流，致使功率模塊短路。針對并機(jī)NXR型UPS故障，通過對比分析，工頻UL33型UPS利用數(shù)字電路系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的模擬電路，克服高頻機(jī)UPS的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了過載性能。

因此，通過對比分析高頻NXR型UPS與工頻UL33型UPS的工作優(yōu)勢可知，工頻UL33型UPS更加穩(wěn)定，從而決定將蘇州軌道交通2號線聯(lián)鎖站采用的并機(jī)高頻NXR型UPS更換為并機(jī)工頻UL33型UPS。UL33型工頻機(jī)具有更強(qiáng)的短路保護(hù)能力，顯著提升了UPS正常工作的可靠性、安全性，同時也給信號設(shè)備的穩(wěn)定性提供了強(qiáng)有力的保障，截至目前未發(fā)生一起故障。

2.2 單機(jī)NXR系列配置方案優(yōu)化

故障情況：2018年6月30日，某一聯(lián)鎖區(qū)信號設(shè)備故障，故障區(qū)域內(nèi)所有信號設(shè)備失電，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)列車緊急制動、無法實(shí)現(xiàn)列車自動監(jiān)控。

分析與處理：借鑒并機(jī)高頻NXR系列UPS相關(guān)故障的分析與處理過程，首先對單機(jī)NXR系列UPS進(jìn)行評估，結(jié)合NXR系列UPS內(nèi)部構(gòu)造原理，檢測出該型號UPS存在單個功率模塊故障后導(dǎo)致UPS整體故障。

對防護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化，即對UPS模塊單板加強(qiáng)三防處理，三防漆干膜的厚度不低于70 μm（原40 μm）；MOS管引腳加套管處理，加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力，避免器件短路性失效。其次對并機(jī)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行優(yōu)化，即在UPS功率模塊輸出端増加快熔保險，如圖2所示位置。

當(dāng)功率模塊發(fā)生短路故障時，根據(jù)圖2所示短路電流回路，短路電流流經(jīng)快熔保險、旁路開關(guān)，該快熔保險能迅速熔斷，使故障模塊脫離并機(jī)系統(tǒng)，避免旁路開關(guān)跳閘造成系統(tǒng)斷電。

圖2 新增保險位置Fig.2 New fuse location map

通過對單機(jī)高頻NXR型UPS進(jìn)行內(nèi)部功率模塊優(yōu)化（三防處理）及對UPS增加快熔保險措施，實(shí)現(xiàn)對單機(jī)高頻NXR系列UPS改造，提高模塊供電的可靠性，大大提高了電源UPS運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.3 單機(jī)ITA系列配置方案優(yōu)化

故障情況：2018年9月12日，蘇州火車站信號設(shè)備室ITA型高頻機(jī)UPS故障，該故障造成該站所有信號設(shè)備失電，使第一聯(lián)鎖區(qū)軌旁ATP信息無法傳輸至軌旁無線服務(wù)器，導(dǎo)致第一聯(lián)鎖區(qū)內(nèi)的列車產(chǎn)生緊急制動及部分列車OBCU顯紅。

分析與處理：通過拆機(jī)分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)器內(nèi)部母線銅箔處存在炸毀情況，測量輔助電源電路二極管，發(fā)現(xiàn)二極管已經(jīng)短路，輔助電源已經(jīng)無法正常輸出12 V輔助電。故障部位如圖3所示。炸毀部分位于PFC母線銅箔上，分析結(jié)果為電路板器件防護(hù)等級不達(dá)標(biāo)，少許灰塵導(dǎo)致電路和器件間絕緣間距和爬電距離縮小，引起母線短路炸機(jī)。母線短路故障發(fā)生后，會導(dǎo)致整流、逆變部分的保護(hù)，并且短路后的拉弧擴(kuò)大了故障范圍，導(dǎo)致周邊輔助電源電路損壞，無法正常輸出，在整流、逆變保護(hù)的情況下，無法轉(zhuǎn)旁路輸出，最終導(dǎo)致信號電源系統(tǒng)輸出斷電。因此，根據(jù)該型號UPS故障造成的失電影響及該型號UPS歷年發(fā)生的故障情況，決定將高頻ITA型UPS更換為工頻GD系列UPS，相較于ITA型UPS，工頻GD系列UPS優(yōu)勢明顯，供電更加穩(wěn)定，故障率更低。

圖3 故障部位Fig.3 Fault location

綜上所述，蘇州軌道交通2號線信號電源系統(tǒng)根據(jù)車站信號系統(tǒng)的屬性及功能不同，分別采取3種不同類型的電源系統(tǒng)布置方案進(jìn)行配置，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營中出現(xiàn)的故障情況，做出相應(yīng)的升級優(yōu)化，UPS優(yōu)化改造配置方案如表1所示。

表1 UPS優(yōu)化改造配置方案Tab.1 UPS optimization schem

3 信號電源系統(tǒng)UPS、穩(wěn)壓器優(yōu)化改造策略

經(jīng)過對不同類型UPS配置進(jìn)行優(yōu)化后，大大降低了信號設(shè)備失電性故障率，然而，UPS與穩(wěn)壓器之間的連接方式也影響電源系統(tǒng)供電的可靠性[7]。因此，需結(jié)合相應(yīng)的故障，對UPS、穩(wěn)壓器進(jìn)行優(yōu)化改造。

3.1 故障情況

2019年7月12日，某一信號非集中站信號電源系統(tǒng)輸出掉電，造成該聯(lián)鎖區(qū)多列車晚點(diǎn)，影響嚴(yán)重。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓器原廠內(nèi)部空開接線端子及接線頭有氧化灼燒痕跡，并發(fā)現(xiàn)該處配線存在夾線皮情況，測量發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器的輸出電壓為零，斷定穩(wěn)壓器故障導(dǎo)致電源系統(tǒng)輸出掉電?，F(xiàn)場信號電源系統(tǒng)UPS穩(wěn)壓器配置接線原理如圖4所示。

在圖4中，穩(wěn)壓器對UPS的輸出量進(jìn)一步優(yōu)化，然后再提供給各種信號設(shè)備。同時，當(dāng)UPS處于旁路工作模式時，輸入的市電直接經(jīng)旁路進(jìn)電輸出至穩(wěn)壓器。

圖4 現(xiàn)場信號電源系統(tǒng)UPS穩(wěn)壓器配置Fig.4 UPS voltage regulator configuration diagram of field signaling power system

3.2 UPS、穩(wěn)壓器工作性能分析

UPS系統(tǒng)主要包括由整流模塊和逆變模塊組成的AC-DC-AC變換主回路、維修旁路空開、逆變靜態(tài)開關(guān)、蓄電池組以及輸入/輸出空開等[8]。其系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 UPS工作原理Fig.5 UPS working principle diagram

當(dāng)交流電源正常供電時，且UPS系統(tǒng)正常工作，輸入的電源既向蓄電池組充電又向逆變器供電，逆變器輸出潔凈的交流電源。停電時由蓄電池組經(jīng)逆變器為負(fù)載提供純凈的交流電源，UPS能夠起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓作用。

穩(wěn)壓器同樣具有對輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)定的功能，其主要包括調(diào)壓電路、控制電路、補(bǔ)償變壓器及顯示電路等。其工作性能如圖6所示。

圖6 穩(wěn)壓器工作原理Fig.6 Working principle diagram of voltage regulator

穩(wěn)壓器在正常工作時，由智能控制電路監(jiān)測輸入、輸出電壓，然后控制調(diào)壓電路，調(diào)整線圈匝數(shù)比，確保能夠輸出穩(wěn)定的交流電源。

3.3 UPS、穩(wěn)壓器優(yōu)化改造

通過對現(xiàn)場信號電源系統(tǒng)的排查，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器輸入開關(guān)跳閘，而穩(wěn)壓器的輸出負(fù)載設(shè)備僅因失電無法工作。由UPS穩(wěn)壓器配置圖及電源屏告警信息，可斷定故障時穩(wěn)壓器輸入開關(guān)跳閘導(dǎo)致穩(wěn)壓器輸出停電，由于穩(wěn)壓器輸出接電源屏輸入，穩(wěn)壓器輸出停電導(dǎo)致電源屏停電，最終導(dǎo)致電源屏輸出全部失電。同時由圖4可知，非設(shè)備集中站穩(wěn)壓器設(shè)置于UPS后，此項(xiàng)配置方案若穩(wěn)壓器發(fā)生故障，UPS主路、旁路、蓄電池供電均不可用。經(jīng)過對UPS、穩(wěn)壓器工作性能分析，當(dāng)UPS正常工作時，UPS能夠起到穩(wěn)頻、穩(wěn)壓作用。僅在旁路工作模式時，輸入的市電需要由穩(wěn)壓器確保能夠輸出穩(wěn)定的交流電源。

因此，經(jīng)過相關(guān)專家對UPS與穩(wěn)壓器輸出電壓的穩(wěn)定性進(jìn)行測量分析，決定對信號電源系統(tǒng)UPS穩(wěn)壓器進(jìn)行整改，將穩(wěn)壓器統(tǒng)一設(shè)置在UPS旁路輸入前，起到對旁路進(jìn)電調(diào)節(jié)的作用，再供給信號設(shè)備。改造后的信號電源系統(tǒng)UPS穩(wěn)壓器配置如圖7所示。

圖7 改造后的信號電源系統(tǒng)UPS穩(wěn)壓器配置Fig.7 UPS voltage regulator configuration diagram of signaling power system after optimization

經(jīng)現(xiàn)場改造之后，有效避免了由于穩(wěn)壓器故障導(dǎo)致所有供電被切斷的隱患。當(dāng)穩(wěn)壓器故障時，UPS可自動切換1、2路提供不間斷供電，該項(xiàng)工作與UPS整改同時進(jìn)行，并已全部整改完成。信號電源系統(tǒng)配置單獨(dú)穩(wěn)壓器，即便是在UPS旁路情況下，仍然可以保證輸出電壓的精度，使信號系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

4 結(jié)束語

信號系統(tǒng)是保證城市軌道交通秩序井然的核心，是涉及行車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，在任何情況下，信號系統(tǒng)電源的可靠性都至關(guān)重要。與此同時，城市軌道交通土建造價與日俱增，在保障行車安全的前提下必須更加合理地配置資源。本文通過對蘇州軌道交通2號線信號電源設(shè)備結(jié)構(gòu)及屬性功能的分析研究，分別針對單機(jī)型、并機(jī)型UPS以及UPS與穩(wěn)壓器的連接方式，提出信號UPS電源系統(tǒng)優(yōu)化改造配置方案，配置高品質(zhì)的電源設(shè)備，從而提高信號設(shè)備電源供電可靠性，確保現(xiàn)場信號電源設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。各地城市軌道交通建設(shè)應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，然后選擇合適的信號供電方案，為日后的正常運(yùn)行打下良好的基礎(chǔ)。