城市軌道交通信號電源子系統(tǒng)不對稱雙母線冗余方案探討

謝 橋

（南寧軌道交通運營有限公司，南寧 530025）

城市軌道交通信號系統(tǒng)是實現(xiàn)行車指揮、列車運行監(jiān)控和管理所需技術(shù)措施及配套裝備的集合，信號系統(tǒng)不論是整體設(shè)備失電或局部設(shè)備失電均會對運營服務造成不同程度的安全威脅和準點影響。因此，如何配備一套能保證從外電網(wǎng)端到信號系統(tǒng)設(shè)備端可靠供電的電源子系統(tǒng)一直是行業(yè)內(nèi)研究的重點課題，下面以南寧軌道交通信號電源子系統(tǒng)為例進行分析探討。

1 南寧軌道交通運營線路信號電源子系統(tǒng)配置情況

經(jīng)過前兩輪規(guī)劃建設(shè)，南寧市已開通城市軌道交通運營線路5 條，分別是南寧軌道交通1 號線、2 號線（含東延長線）、3 號線、4 號線、5 號線，運營里程達到128 km，形成了“十”字軌道骨架和“井”字放射網(wǎng)絡(luò)，為廣大市民乘客提供安全舒適準點的交通方式，極大地舒緩了市區(qū)地面交通壓力，為后續(xù)南寧城市軌道交通線路建設(shè)規(guī)劃和大都市區(qū)空間布局奠定基礎(chǔ)。在已建成運營線路中，1號線至4 號線為列車自動運行（Automatic Train Operation，ATO）線路，5 號線為無人值守全自動運行（Unattended Train Opertion，UTO）線路，每條線路配備的信號電源子系統(tǒng)包含智能電源屏、不間斷電源（Uninterrupted Power System，UPS）、蓄電池組、交流穩(wěn)壓柜、配電箱等設(shè)備，以上設(shè)備以不同的結(jié)構(gòu)組合方案，通過整流、逆變、隔離變壓等技術(shù)手段確保輸出信號系統(tǒng)設(shè)備所需的高品質(zhì)電源，承載著南寧軌道交通信號系統(tǒng)的供電安全。

1.1 南寧軌道交通1號線至4號線設(shè)備集中站、控制中心、車輛段/停車場供電方案

如圖1 所示，南寧軌道交通1 號線至4 號線設(shè)備集中站、控制中心、車輛段/停車場采用單UPS+旁路交流穩(wěn)壓柜+單供電母線供電方案，由智能電源屏（含兩路電源自動切換裝置）、UPS、交流穩(wěn)壓柜、配電箱等功能單元組成。該方案的兩路輸入市電由配電箱轉(zhuǎn)接，經(jīng)電源自動切換裝置后，分別給UPS 主路、交流穩(wěn)壓柜供電（由交流穩(wěn)壓柜輸出至UPS 旁路），經(jīng)UPS 輸出給電源模塊和隔離變壓器后向各類信號設(shè)備供電，同時UPS 給蓄電池進行充電。電源子系統(tǒng)提供三級集散式監(jiān)控體系，具備模塊級、設(shè)備級、線路級（線網(wǎng)級）監(jiān)控功能，各級監(jiān)控自成體系，互不影響，滿足運營維護人員實時監(jiān)控電源子系統(tǒng)工作狀態(tài)的需求。

該方案優(yōu)缺點分析如下。

1）可對外電網(wǎng)輸入電壓進行采樣檢測，實現(xiàn)外部供電的自動切換功能，同時具備手動切換功能。不論何種切換，其響應完成時間不大于150 ms。

2）配備的UPS 提供主路、穩(wěn)壓旁路、后備逆變、維修旁路4 種工作模式，保證在外電網(wǎng)停電、UPS 整流器（或逆變器、靜態(tài)開關(guān)）等內(nèi)部部件故障等多場景下不間斷供電的功能。

3）可根據(jù)用戶用電需求靈活配置電源屏交/直流模塊、隔離變壓器，單獨模塊化設(shè)計保證更換模塊耗時少，更換過程不影響系統(tǒng)輸出。

4）受限于單UPS 和單供電母線結(jié)構(gòu)，缺乏冗余功能，UPS 整機故障、后端短路損毀母線、母線線纜接觸不良等故障將造成無電源輸出，導致信號設(shè)備失電，嚴重影響行車。

1.2 南寧軌道交通5號線設(shè)備集中站、控制中心、備用控制中心、車輛段/停車場供電方案

如圖2 所示，南寧軌道交通5 號線設(shè)備集中站、控制中心、備用控制中心、車輛段/停車場采用“雙UPS+雙旁路交流穩(wěn)壓柜+雙供電母線供電方案”，該方案在南寧軌道交通1 號線至4 號線設(shè)備集中站供電方案的基礎(chǔ)上，增加一套電源屏（含兩路電源自動切換裝置）、一套UPS 和輸出母線。該方案的兩路市電輸入經(jīng)配電箱轉(zhuǎn)接，經(jīng)電源自動切換裝置后，分別給一系的UPS 和另一系的電源模塊提供電源，兩系互為冗余。UPS 與另一系的電源模塊輸出物理隔離，故障時相互不影響。當其中一系設(shè)備出現(xiàn)故障時，切換由另外一系設(shè)備承擔起所有信號設(shè)備供電，該方案同樣具備三級集散式監(jiān)控功能。

圖2 設(shè)備集中站雙UPS+雙旁路交流穩(wěn)壓柜+雙供電母線供電方案Fig.2 Power supply solution of double UPS + double bypass AC voltage regulator cabinet + double bus in centralized station

該方案優(yōu)缺點分析如下。

1）該方案為“單UPS+旁路交流穩(wěn)壓柜+單供電母線”供電方案的優(yōu)化升級版，不僅具備前述方案的優(yōu)點，而且克服了單UPS 和單供電母線的缺點，具有較高的供電可靠性。

2）由于配備冗余設(shè)備，建設(shè)前期應充分考慮更大的地下空間布局和較高的設(shè)備采購成本。

1.3 南寧軌道交通1號線至5號線非集中站電源子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，南寧軌道交通1 號線至5 號線非集中站采用“單UPS+交流穩(wěn)壓柜+單供電母線供電”方案。該方案與南寧軌道交通1 號線至4 號線設(shè)備集中站供電方案的不同之處在于UPS 與交流穩(wěn)壓柜的連接方式、容量，該方案的UPS 主路、靜態(tài)旁路和維修旁路均與交流穩(wěn)壓柜串聯(lián)連接，僅使用單相電源經(jīng)穩(wěn)壓、隔離變壓后供負載使用，因非集中站負荷低，其容量較集中站而言也較小，一般小于15 kVA。該方案兩路輸入市電經(jīng)配電箱轉(zhuǎn)接，經(jīng)電源自動切換裝置后給UPS 供電，UPS 輸出至交流穩(wěn)壓柜，最終交流穩(wěn)壓柜輸出至隔離變壓器后向各類信號設(shè)備供電，該方案同樣具備三級集散式監(jiān)控功能。

圖3 非設(shè)備集中站單UPS+交流穩(wěn)壓柜+單供電母線供電方案Fig.3 Power supply solution of single UPS + AC voltage regulator cabinet + single bus in non-centralized station

該方案優(yōu)缺點分析如下。

1）受限于單UPS 和單供電母線結(jié)構(gòu)，對UPS整機故障、后端短路損毀母線、母線線纜接觸不良等故障無抵御能力，但由于非集中站信號負載一般為監(jiān)視工作站、發(fā)車計時器、軌旁車-地通信等設(shè)備，且相鄰軌旁車-地通信設(shè)備布置點交叉供電，范圍可冗余覆蓋，上述設(shè)備失電對運營安全影響較小。

2）該方案對地下空間布局和設(shè)備采購成本要求較低。

2 電源子系統(tǒng)供電情況及整體信號設(shè)備失電影響情況

南寧軌道交通各條線路均采用基于通信的 列 車 控 制（Communication Based Train Control，CBTC）信號系統(tǒng)，包含列車自動監(jiān)控（Automatic Train Supervision，ATS）、列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）、ATO、計算機聯(lián)鎖（Computer Interlocking，CI）、數(shù)據(jù)傳輸（Data Communications System，DCS）、信號集中監(jiān)測等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)采用國內(nèi)外不同廠商的設(shè)備，這些設(shè)備按不同需求分布在控制中心、設(shè)備集中站、車輛段/停車場、非設(shè)備集中站等不同場所，因此不同場所的電源子系統(tǒng)故障后造成整體信號設(shè)備失電的影響范圍也不同。一般而言，設(shè)備集中站/車輛段/停車場整體信號設(shè)備失電會造成本聯(lián)鎖區(qū)信號功能喪失、線路降級運營等影響，控制中心整體信號設(shè)備失電會造成線路降級運營、線路集中控制功能喪失等影響，非集中站整體信號設(shè)備失電會造成本站行車監(jiān)視和輔助設(shè)備功能喪失、軌旁車-地通信設(shè)備物理位置冗余失效等影響。如表1 所示，下面以南寧軌道交通2 號線為例，闡述不同場所信號電源子系統(tǒng)供電情況和整體設(shè)備失電造成的影響。

表1 南寧軌道交通2號線信號電源子系統(tǒng)供電情況及整體信號設(shè)備失電對運營造成的影響Tab.1 Power supply situation of power subsystem for signal system of Nanning Rail Transit Line 2 and impacts of power failure of all signal equipment on train operation

3 改造方案

綜上所述，控制中心、設(shè)備集中站、車輛段/停車場信號設(shè)備失電將對線路運營造成重大影響，因此對于使用單UPS+旁路交流穩(wěn)壓柜+單供電母線供電方案的控制中心、設(shè)備集中站、車輛段/停車場來說，研究一種可用于實踐并克服單點故障造成信號設(shè)備失電缺點的供電方案十分必要。前文已分析“雙UPS+雙旁路交流穩(wěn)壓柜+雙供電母線供電”方案供電可靠性較高，“單UPS+旁路交流穩(wěn)壓柜+單供電母線”供電方案在某些不利條件下會造成信號設(shè)備失電，因此通過改造增加電源子系統(tǒng)的冗余功能為可行之策?，F(xiàn)提出3 種冗余改造方案并說明各種改造方案的適用場景。

3.1 雙UPS并機冗余改造方案

雙UPS 并機方案設(shè)置雙套相同的UPS 設(shè)備，一套電源自動切換裝置和一套交流穩(wěn)壓柜，雙套UPS 的靜態(tài)旁路共用一套交流穩(wěn)壓柜。該方案在正常運行方式和非正常運行方式下均能可靠工作，有效克服單UPS+旁路交流穩(wěn)壓柜方案下UPS 整機故障造成信號設(shè)備失電的缺點，但仍無法具備抵御母線類故障的能力。該方案需要新增一套UPS，宜在空間布局寬裕和設(shè)備失電后影響范圍小的非集中站使用。

3.2 雙UPS+雙旁路交流穩(wěn)壓柜+雙供電母線冗余改造方案

“雙UPS+雙旁路交流穩(wěn)壓柜+雙供電母線”方案目前尚未大范圍普及使用，多用于國內(nèi)各城市新建設(shè)的UTO 線路。該方案要求更大的地下空間布局和更高的設(shè)備采購成本，從空間布局方面考慮不宜在既有線空間緊湊的設(shè)備集中站使用，從設(shè)備失電影響程度較小和運營成本更高方面考慮，不宜在既有線非集中站使用。從規(guī)劃建設(shè)和開通運營后成本考慮，長期成本較雙UPS 并機方案低，宜在新建線路使用。

3.3 不對稱雙母線冗余改造方案

如圖4 所示，不對稱雙母線冗余方案在單UPS+旁路交流穩(wěn)壓柜+單供電母線供電方案的基礎(chǔ)上，增加一套電源自動切換裝置、一套母線和按需配置的交流電源模塊。不對稱雙母線方案的兩路市電輸入經(jīng)電源自動切換裝置后，正常情況下給一系的UPS 和電源模塊提供電源，另一系經(jīng)新增的自動切換裝置經(jīng)新增母線直連電源模塊后輸出至負載，兩系互為冗余。UPS 與另一系的電源模塊輸出物理隔離，故障時相互不影響。當其中一系設(shè)備出現(xiàn)故障時，切換由另外一系設(shè)備承擔起所有負載的供電需求。該方案主要優(yōu)點是無需新增機柜，僅增加較少的設(shè)備，可以利用原有電源屏補空位置和旁路交流穩(wěn)壓柜進行設(shè)置，采用雙總線冗余方式，有效抵御母線類故障，提升電源子系統(tǒng)整體可靠性。但該方案未設(shè)置UPS，缺少穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、濾波、抗電磁和射頻干擾等凈化作用和后備供電功能，存在因外電網(wǎng)污染造成后端設(shè)備發(fā)生干擾、損傷的潛在風險，在切換至該方案工作的情況下，如外電網(wǎng)停電會造成整體信號設(shè)備失電，對正常運營造成影響。宜在既有線設(shè)備集中站和非設(shè)備集中站使用，且不建議長期使用該方案對信號設(shè)備進行供電。

圖4 不對稱雙母線冗余方案Fig.4 Asymmetric double bus redundancy scheme

4 結(jié)束語

本文提出的城市軌道交通信號電源子系統(tǒng)不對稱雙母線冗余方案僅增加少量模塊化設(shè)備，可以有效利用既有設(shè)備機柜的空間進行布置安裝。該方案設(shè)計簡約，易于施工，不僅降低了需投入的成本，而且便于后期運維人員開展維保工作，可為行業(yè)內(nèi)電源子系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和既有線改造等工作提供參考依據(jù)。