既有線信號設(shè)備供電系統(tǒng)改造研究

譚波，甘鵬

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部，廣東 廣州 510310）

1 背景

早期的信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對于關(guān)鍵機(jī)柜功能通常已考慮到冗余設(shè)計(jì)（三取二、二乘二取二），但對于所有設(shè)備供電的電源系統(tǒng)未考慮冗余設(shè)計(jì)，關(guān)鍵機(jī)柜的供電鏈路未考慮冗余設(shè)計(jì)，若該供電鏈路出現(xiàn)故障，將出現(xiàn)大面積設(shè)備失電和區(qū)域性系統(tǒng)故障，對列車運(yùn)營造成巨大影響。對此，本文提供供電系統(tǒng)改造的思路及解決方案，解決該隱患。

2 設(shè)備現(xiàn)狀

信號設(shè)備供電系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為單UPS單總線供電系統(tǒng)，由1臺UPS、1套蓄電池、1套電源屏（含多個(gè)交流、直流模塊）組成。

2.1 隱患識別

結(jié)合設(shè)備原理及實(shí)際故障案例，單UPS單總線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，存在如下3個(gè)方面的設(shè)備隱患：

2.1.1 UPS故障

當(dāng)出現(xiàn)UPS故障且無法自動(dòng)切換到靜態(tài)旁路時(shí)，下級所有設(shè)備將掉電，導(dǎo)致出現(xiàn)區(qū)域性信號系統(tǒng)故障，對正常運(yùn)營造成巨大影響。以廣州地鐵為例，2021年在一號線、二號線、四號線均發(fā)生UPS故障，其中2次發(fā)生在運(yùn)營期間，均造成30min以上的晚點(diǎn)事件，教訓(xùn)慘痛。

2.1.2 電源屏故障

當(dāng)出現(xiàn)電源屏內(nèi)部總線接地或短路故障時(shí)，也將造成下級所有設(shè)備將掉電，導(dǎo)致出現(xiàn)區(qū)域性信號系統(tǒng)故障，對正常運(yùn)營造成巨大影響。且該故障應(yīng)急處置相對復(fù)雜，對故障的影響會(huì)進(jìn)一步加劇。

2.1.3 負(fù)載供電鏈路故障

電源屏至設(shè)備機(jī)柜通常為單鏈路供電，若該鏈路出現(xiàn)輸出空開故障、電纜故障或機(jī)柜輸入保險(xiǎn)故障等，均會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的機(jī)柜掉電，相關(guān)功能失效，若發(fā)生在核心機(jī)柜，將對正常運(yùn)營造成巨大影響。以廣州地鐵為例，2020年在二號線、四號線均發(fā)生該類故障，均造成10min以上的晚點(diǎn)事件，教訓(xùn)深刻。

2.2 改造思路

從源頭上提高設(shè)備的可用性，避免單一部件或回路的故障，不出現(xiàn)區(qū)域性、大面積設(shè)備掉電故障，可從2方面開展改造。

2.2.1 供電系統(tǒng)改造

將傳統(tǒng)的單UPS單總線供電系統(tǒng)改造為雙總線冗余供電系統(tǒng)，單點(diǎn)故障只會(huì)造成供電系統(tǒng)單系故障，不會(huì)出現(xiàn)所有設(shè)備掉電，減少了故障影響。

2.2.2 負(fù)載端供電改造

關(guān)鍵機(jī)柜供電回路由單回路供電改為多回路冗余供電，單鏈路故障不會(huì)導(dǎo)致該核心機(jī)柜功能失效，提高設(shè)備可用性。

3 冗余供電改造方案

3.1 雙總線冗余供電系統(tǒng)改造

將原單母線、單電源屏、單UPS電源系統(tǒng)拆除，新增1套雙總線冗余配電電源系統(tǒng)（具體原理見圖1）。電源系統(tǒng)須組成2個(gè)相互獨(dú)立的、物理隔離的互為冗余A、B系統(tǒng)。

圖1 既有供電系統(tǒng)“四級變換”和一體化信號電源系統(tǒng)設(shè)備簡圖

基于既有線改造受設(shè)備房安裝空間限制，同時(shí)考慮傳統(tǒng)的信號供電系統(tǒng)存在的一些問題，如，變換層級多、能耗和故障點(diǎn)增多（UPS內(nèi)的兩層變換：第一層AC-DC，將外部市電轉(zhuǎn)化為直流電進(jìn)入電池母線。第二層DC-AC，將電池電能逆變?yōu)榻涣麟娸?。信號電源屏?nèi)的兩層變換：第一層AC-DC，將UPS或市電所提供的交流電轉(zhuǎn)化為直流電進(jìn)入模塊內(nèi)部母線；第二層DC-AC或DC-DC，將直流電能逆變?yōu)樨?fù)載所需的電壓輸出）；非并聯(lián)模塊切換問題（切換時(shí)負(fù)載反向沖擊大，埋下故障隱患）；各容量UPS備件不通用問題等。

考慮以上幾方面問題，建議采用雙總線冗余配電電源系統(tǒng)選取鼎漢公司最新的產(chǎn)品（一體化信號電源系統(tǒng)設(shè)備），可較好克服以上問題；以廣州地鐵為例，已完成八號線萬勝圍站、四號線大學(xué)城南站一體化信號電源系統(tǒng)設(shè)備的改造投用，運(yùn)行情況良好，正在推進(jìn)其他站供電系統(tǒng)的改造。

3.2 關(guān)鍵機(jī)柜冗余供電改造

本文以西門子信號系統(tǒng)（LZB700M準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)和TGMT移動(dòng)閉塞系統(tǒng)）為例，提出關(guān)鍵機(jī)柜冗余供電改造解決方案。

3.2.1 LZB700M準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)

LZB700M準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)原設(shè)計(jì)中，聯(lián)鎖機(jī)柜、ATP機(jī)柜、STEKOP/DSTT機(jī)柜的供電鏈路均為單通道，本文以60V供電改造為例進(jìn)行說明。

60V電源供電改造的思路是聯(lián)鎖機(jī)柜、ATP機(jī)柜各從其他機(jī)柜并聯(lián)一路60V以單獨(dú)供各自通道運(yùn)行，以達(dá)到三通道電源冗余的目的，需在各機(jī)柜間敷設(shè)新的供電電纜。

存在風(fēng)險(xiǎn)：由于聯(lián)鎖機(jī)柜的對應(yīng)原設(shè)計(jì)保險(xiǎn)容量為6A，ATP機(jī)柜對應(yīng)原設(shè)計(jì)保險(xiǎn)容量為16A，如需按上述方案改造，需將聯(lián)鎖機(jī)柜的保險(xiǎn)容量增大，這將與原設(shè)計(jì)不符，存在安全風(fēng)險(xiǎn)及隱患，但未超過上級保險(xiǎn)容量，風(fēng)險(xiǎn)可控，已于2021年完成該，運(yùn)行效果良好。

3.2.2 TGMT移動(dòng)閉塞系統(tǒng)

目前信號聯(lián)鎖/ATP/TTS（時(shí)刻表管理系統(tǒng)）機(jī)柜以及ECC機(jī)柜的24Vdc供電模式存在缺陷：SIMIS-PC機(jī)柜中，雙通道赫斯曼交換機(jī)（以下簡稱“小交換機(jī)”）以及ECC組匣均由電源屏同一個(gè)24Vdc空開供電。當(dāng)電源屏空開或電源電纜出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖/ATP/TTS以及ECC宕機(jī)，功能失效，存在較大隱患。

3.2.2.1 聯(lián)鎖站

聯(lián)鎖站改造分為2方面：

交換機(jī)：通過增加一路24Vdc電源單獨(dú)為多個(gè)機(jī)柜（聯(lián)鎖鎖、ATP、TTS）的B通道小交換同時(shí)供電，將A、B通道的小交換機(jī)供電電源分離，有效避免24Vdc供電故障/單通道負(fù)載端短路導(dǎo)致的故障。

圖2 60V關(guān)鍵機(jī)柜供電電路改造前、后簡圖

機(jī)柜：通過增加一路24Vdc電源與聯(lián)鎖機(jī)柜A通道輸入并聯(lián)，確保電源屏空開故障或電源屏-機(jī)柜線纜斷路故障后，SIMIS-PC、ECC及其附屬設(shè)備仍能正常工作。

3.2.2.2 ECC站

通過增加一路24Vdc電源與ECC柜既有的24V輸入并聯(lián)，確保電源屏空開故障或電源屏-機(jī)柜線纜斷路故障后，ECC及其附屬設(shè)備仍能正常工作。

以廣州地鐵廣佛線為例，核查各聯(lián)鎖站電源屏備用輸出空開可以滿足此改造方案；改造后既有24V空開及A通道啟用的備用24V空開的負(fù)載均小于原負(fù)載，容量滿足；B通道啟用的備用24V空開比原有負(fù)載增加0.16A的負(fù)載電流，總電流到達(dá)0.24A，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空開的額定電流值16A；綜上，具備改造的可行性，2021年已完成廣佛線全線冗余供電改造，運(yùn)用效果良好。

4 改造風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對

在既有運(yùn)營設(shè)備上進(jìn)行改造，改造風(fēng)險(xiǎn)較大，為避免改造對運(yùn)營產(chǎn)生影響，對過程中主要的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識別和梳理，具體如下：

4.1 供電冗余改造完成前的保障措施

梳理各類電源應(yīng)急接入點(diǎn)，并標(biāo)注顯眼的標(biāo)識，在各站點(diǎn)放置應(yīng)急電纜，制定并簡化應(yīng)急處置流程，若在改造完成前發(fā)生設(shè)備供電故障，可立即使用應(yīng)急電纜按操作指引拉電臨時(shí)恢復(fù)設(shè)備供電，降低故障影響。

4.2 施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)

4.2.1 搬運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)

因電源屏、UPS改造設(shè)備搬抬大型機(jī)柜，搬運(yùn)過程中，尤其是在上下樓梯或出入設(shè)備房期間，可能出現(xiàn)砸人、砸公共設(shè)施、砸相關(guān)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對措施：（1）提前規(guī)劃好搬運(yùn)路線，熟悉路線，確保有足夠搬運(yùn)空間；（2）設(shè)備進(jìn)場前，設(shè)置安全隔離帶，做好安全交底，統(tǒng)一指揮；（3）提前清掉設(shè)備房除在用設(shè)備外的其他機(jī)柜，預(yù)留充足搬運(yùn)及設(shè)備安裝空間。

4.2.2 施工工藝不良埋下隱患

應(yīng)對措施：（1）提前編制并審查配線工藝；（2）作業(yè)中嚴(yán)格按照接線工藝接線；（3）施工過程中各接線按既有線纜的工藝壓好線鼻，并互控好萬可端子的接線深度，完成接線后進(jìn)行各項(xiàng)電氣參數(shù)及絕緣測試，驗(yàn)證改造工藝。

4.2.3 接錯(cuò)線風(fēng)險(xiǎn)

應(yīng)對措施：（1）拆卸接線前對全部接線做好標(biāo)簽；（2）測試確認(rèn)輸出相序是否和既有標(biāo)簽一致；（3）干接點(diǎn)報(bào)警測試，需做好LOW、MMI、電源屏監(jiān)控單元一致性測試。

4.2.4 人員觸電風(fēng)險(xiǎn)

應(yīng)對措施：（1）作業(yè)前，打下對應(yīng)供電電纜的輸出空開，操作前需首先進(jìn)行驗(yàn)電；（2）施工人員施工期間需配電合格的絕緣手套，穿絕緣鞋、使用絕緣工器具；（3）如人員觸電時(shí)，必須先斷電源，方可去接觸傷者，在使傷者脫離電源后，根據(jù)傷者情況要立即采取人工呼吸和胸外心臟擠壓方法進(jìn)行搶救。

4.2.5 設(shè)備倒切調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)

電源倒接作業(yè)期間，聯(lián)鎖站站所有信號設(shè)備需停電，信號設(shè)備可能會(huì)在上電后出現(xiàn)無法正常啟動(dòng)的情況。

應(yīng)對措施：（1）熟練掌握該站信號設(shè)備的重啟操作；（2）作業(yè)開始后需要斷電時(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)定流程進(jìn)行設(shè)備停電操作，先關(guān)閉停用設(shè)備，再關(guān)閉設(shè)備電源，最后關(guān)閉電源屏輸出空開；（3）作業(yè)完畢需要恢復(fù)設(shè)備供電時(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)定流程進(jìn)行設(shè)備上電操作，先合上電源屏輸出空開，測試輸出穩(wěn)定達(dá)標(biāo)后，再開啟設(shè)備電源，最后啟用設(shè)備；（4）提前準(zhǔn)備好各設(shè)備相關(guān)板塊的備件（涉及數(shù)據(jù)配置及撥碼設(shè)置的板件提前設(shè)置好），發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)立即進(jìn)行更換。

4.3 改造后的風(fēng)險(xiǎn)防控

改造后設(shè)備由一路供電變?yōu)閮陕饭╇姶嬖跀嚯姴粡氐椎娘L(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對措施：改造完成后在電源屏做好標(biāo)識標(biāo)簽，如需斷機(jī)柜24或60Vdc電源，需要兩個(gè)空開同時(shí)打下，并全員做好培訓(xùn)。

5 結(jié)語

采取以上改造后，信號設(shè)備供電系統(tǒng)由單母線單USP供電升級為雙母線冗余供電系統(tǒng)，設(shè)備機(jī)柜供電由單一回路變化為多回路供電，基本杜絕了單一部件故障（如保險(xiǎn)、空開、線纜等）導(dǎo)致的大面積設(shè)備故障的發(fā)生，極大的提升了電源系統(tǒng)的可用性。