地鐵信號系統(tǒng)電源配置方案探討

0 引 言

地鐵信號系統(tǒng)即ATC(Automatic Train Control，列車自動控制)系統(tǒng)，它由ATP(列車自動保護)、ATO(列車自動駕駛)、CI(計算機聯(lián)鎖)和ATS(列車自動監(jiān)視)等子系統(tǒng)有機地組成在一起。信號設(shè)備分布在控制中心、軌道沿線設(shè)備房、室外軌旁及列車上，其中列車上的ATC車載設(shè)備由車輛提供110 V直流電源。在正常情況下，由信號系統(tǒng)以ATO模式按照ATS的計劃時刻表運行，運行的安全完全由信號系統(tǒng)負責(zé)。信號系統(tǒng)的控制設(shè)備出于安全性和可靠性的考慮，采取了三取二平臺或冗余熱備配置。為了確保信號系統(tǒng)控制設(shè)備正常工作，系統(tǒng)的電源配置也應(yīng)采取適當?shù)姆椒ㄅc整個系統(tǒng)相適應(yīng)。信號系統(tǒng)的電源設(shè)備包括信號電源屏、UPS(不間斷電源)和蓄電池等。

本文就信號系統(tǒng)地面部分設(shè)備集中站的電源方案進行探討。

1 信號電源屏

1.1 原理

目前地鐵中使用的模塊化信號電源屏示意圖如圖1所示。

過去使用的單體分立元件式的信號電源屏由于不方便使用維護和占地面積較大而逐漸被淘汰，現(xiàn)在使用的是模塊化信號電源屏，即信號系統(tǒng)需要的各種直流電源通過高頻開關(guān)電源模塊提供。直流24 V電源為CI、光連接模塊、繼電器等供電，直流60 V電源為CI、ATP等供電，交流230 V為軌道電路、信號機等供電，交流三相380 V為轉(zhuǎn)轍機供電。直流模塊采用N+1均流并聯(lián)方式，交流三相轉(zhuǎn)轍機模塊采用1+1熱備，交流230 V通過UPS輸出配電直接輸出。

1.2 安全防護

1.2.1 漏電檢測

各路輸出電源信號引入至漏電保護裝置中的檢測電路，當檢測到漏電流大于設(shè)定值時，則相應(yīng)的保護電路動作。此時面板上的指示燈亮且蜂鳴器嗚叫?？梢苑謩e檢測被測交流電源相線到地和零線到地的漏電流，或分別檢測到被測直流電源正極到地和負極到地的漏電流。

1.2.2 電源隔離

向室外設(shè)備、繼電電路供電電源回路輸出端采取隔離措施，交流供電采用變壓器隔離方式，直流供電單元采用高頻隔離方式。

1.2.3 過壓／過流保護

電源模塊本身具有過壓過流保護措施：模塊輸出過電壓時，自身處于保護狀態(tài)，切斷對外部的電源供給，保障設(shè)備的安全；模塊輸出電流超出額定值時，即進入限流輸出狀態(tài)。直流電源模塊的輸出電壓嚴格限制其輸出不超出其額定電壓的20％。

1.2.4 防雷

輸人采用三級防雷系統(tǒng)，B級防雷位于機柜外面，C、D級防雷包含于機柜中?？紤]到信號設(shè)備復(fù)雜的工作環(huán)境，在每路輸出還設(shè)有一級輸出防雷，保證信號系統(tǒng)室外設(shè)備在惡劣的環(huán)境下可靠工作。防雷具有智能監(jiān)測功能，在防雷器失效時給出告警信息。

1.3 接口

兩路外部輸入三相四線制電源經(jīng)信號電源屏的自動切換裝置后提供給UPS(不間斷電源)。電源屏與UPS監(jiān)測單元采用RS-232串行接口通過屏蔽通信電纜連接，電源屏的監(jiān)控單元實時采集或接收UPS的狀態(tài)信息，通過電源屏集中組網(wǎng)對全線電源設(shè)備進行監(jiān)控。UPS的干接點信息通過電源屏接點排集中轉(zhuǎn)接，并與電源屏本身的干接點信息一起提供給信號系統(tǒng)的ATS子系統(tǒng)。

2 UPS

2.1 UPS的工作方式

從UPS的發(fā)展歷史來看，它經(jīng)歷了由旋轉(zhuǎn)型工作方式到現(xiàn)在大量使用的靜止轉(zhuǎn)換工作方式的轉(zhuǎn)變。旋轉(zhuǎn)型工作方式的UPS基本上已經(jīng)淘汰，現(xiàn)在基本上采用靜止轉(zhuǎn)換工作方式的UPS。靜止式UPS從其位于市電與負載之間的工作方式來區(qū)分，可分為后備UPS、互動式UPS和雙變換式UPS等3種。

2.1.1 后備式UPS

后備式UPS示意圖見圖2所示。

后備式UPS是一種價格低廉、僅能滿足一般客戶要求的普及型UPS，容量一般只有0.5 kVA～2 kVA左右。功率變換回路的構(gòu)成比較簡單，主要由濾波電路、電池充電及逆變電路組成。

當市電正常時，UPS一方面通過濾波電路向用電設(shè)備供電，另一方面通過充電回路給電池充電，電池充滿時充電回路停止工作。在這種情況下，UPS的逆變電路不工作。當市電發(fā)生故障，逆變電路開始工作，后備電池放電，在一定時間內(nèi)維持UPS的輸出?？梢奤PS存在一個從市電供電到電池供電的轉(zhuǎn)換過程，這種轉(zhuǎn)換一般通過繼電器來實現(xiàn)，因此會有轉(zhuǎn)換時間，切換期間UPS的輸出會出現(xiàn)瞬間掉電的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)換時間一般小于15 ms，不會影響普通計算機的正常工作，但對服務(wù)器等高端設(shè)備來說，后備式UPS的供電質(zhì)量是遠遠不夠的。

2.1.2 互動式UPS

互動式UPS示意圖見圖3。

互動式UPS電源也稱為準在線式UPS電源，市電供電在220 V±20％時，UPS認為電網(wǎng)基本正常，交流電通過工頻變壓器直接輸送給負載；當市電超出上述范圍，但在150 V～276 V之間時，UPS通過邏輯控制，驅(qū)動繼電器動作，使變壓器抽頭升壓或降壓，然后向負載供電。若市電低于150 V或高于276 V，UPS將啟動逆變器工作，由電池逆變向負載供電。市電在150 V～276 V之間時，身兼充電器／逆變器的變換器同時還給電池充電，處于熱備份狀態(tài)，一旦市電異常，馬上轉(zhuǎn)換為逆變狀態(tài)給負載供電。變換器時刻處于熱備份狀態(tài)，因此市電／逆變切換時間比后備式要短。在電網(wǎng)電壓正常時，由于它是直接通過工頻變壓器供電給負載，所以負載使用的是充斥著諧波和尖峰的交流電，不利于高端設(shè)備的使用，市電逆變切換時，也存在切換時間。

2.1.3 雙變換式UPS

雙變換式UPS示意圖見圖4。

市電正常供電時，交流輸入經(jīng)AC／DC轉(zhuǎn)換成直流，一方面給蓄電池充電，另一方面給逆變器供電，逆變器自始至終都處于工作狀態(tài)，將直流電壓經(jīng)DC／AC逆變成交流電壓給用電設(shè)備供電。

當市電中斷或不能滿足UPS的輸入要求時，UPS的輸入AC／DC整流器將關(guān)閉，蓄電池將以無切換時間的方式向逆變器供電。當市電重新恢復(fù)供電時，蓄電池便停止向逆變器供電，此時機內(nèi)充電器向蓄電池組補充消耗的電能，以備再次使用。

當市電存在且在UPS輸入允許范圍內(nèi)時，由于DC／AC逆變器發(fā)生故障或負載功率大于逆變器輸出額定功率時，為保證負載仍能正常工作，靜態(tài)開關(guān)切換到旁路供電狀態(tài)。當逆變器恢復(fù)正?；蜇撦d功率降到逆變器輸出額定功率之內(nèi)時，輸出靜態(tài)開關(guān)將自動由旁路供電切換到逆變供電狀態(tài)。 2.2 UPS的選擇

通過對上面3種工作方式UPS特點的了解，雙變換UPS具有如下優(yōu)越電氣特性：

a) 具有微處理器控制的電壓負反饋電路，使其輸出電壓具有高精度；

b) 鎖相同步電路確保電源在UPS所允許的同步窗口與市電電源保持鎖定的同步關(guān)系；

c) 采用高頻正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，從逆變器輸出的電源具有非常標準的正弦波形；

d) 采用雙變換在線設(shè)計，可完全消除市電電網(wǎng)的電壓波動、波形畸變、頻率波動及干擾產(chǎn)生的影響； e) 時刻處于不間斷向負載供電的狀態(tài)。

正是因為雙變換式UPS具有優(yōu)越的電氣特性，而信號系統(tǒng)又是與行車安全密切相關(guān)的控制系統(tǒng)，因此，信號系統(tǒng)應(yīng)采用雙變換式UPS以切實保障系統(tǒng)的安全運行。

因為信號電源屏已經(jīng)采用了模塊化的冗余設(shè)計，為了與信號電源屏相適應(yīng)，如果能采用帶有一定冗余的模塊化的UPS或采用UPS并機，將使整個電源系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護性大大提高。同時，應(yīng)選擇高品質(zhì)的鉛酸蓄電池，不能因為蓄電池而降低電源系統(tǒng)的品質(zhì)。

3 電源監(jiān)控組網(wǎng)方式

為便于維護和管理，將對全線各個站點的電源設(shè)備進行集中組網(wǎng)監(jiān)控，一般有以下3種方式：

a) 通過公共電活交換網(wǎng)撥號組網(wǎng)。這種方式的優(yōu)點是設(shè)備簡單、容易實現(xiàn)、投資少，缺點是速度慢、實時性差、穩(wěn)定性差。

b) 后臺計算機通過專用局域網(wǎng)組網(wǎng)。這種方式的優(yōu)點是可靠性高、傳輸速率快、穩(wěn)定性好，缺點是投資大。

c) 通過通信專業(yè)傳輸網(wǎng)的時隙插入方式組網(wǎng)。這種方式的優(yōu)點是傳輸速度快、穩(wěn)定性好、接口簡單。

上述3種組網(wǎng)方式中，第1種方式利用了通信專業(yè)既有傳輸網(wǎng)的時隙插入設(shè)備，信號電源屏只需提供RS-485／RS-422就可接入傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接點中，是上述3種組網(wǎng)方式中最好的。

4 結(jié)束語

電源設(shè)備在地鐵信號系統(tǒng)的造價成本中占的比例是很低的，但不能因為其所占成本比例低而忽視對它的合理配置。既不要盲目地追求高配置而造成浪費，也不要不加思索地簡單隨便配置而造成對信號系統(tǒng)整體性能的影響。比如，地鐵信號系統(tǒng)已經(jīng)使用的是國家一級負荷供電，蓄電池僅在兩路主電源切換過程中的瞬間斷電時才放電，因此，對蓄電池的后備時間不應(yīng)不切實際地要求過高，以免造成蓄電池成本不必要的增加。