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(dòng)控制)系統(tǒng)，它由ATP(列車自動(dòng)保護(hù))、ATO(列車自動(dòng)駕駛)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)和ATS(列車自動(dòng)監(jiān)視)等子系統(tǒng)有機(jī)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(jì)劃時(shí)刻表運(yùn)行，運(yùn)行的安全完全由信號系統(tǒng)負(fù)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(dāng)?shù)姆椒ㄅc整個(gè)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(jìn)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(hù)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(jī)等供電，交流三相380 V為轉(zhuǎn)轍機(jī)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(jī)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(hù)

1.2.1 漏電檢測

各路輸出電源信號引入至漏電保護(hù)裝置中的檢測電路，當(dāng)檢測到漏電流大于設(shè)定值時(shí)，則相應(yīng)的保護(hù)電路動(dòng)作。此時(shí)面板上的指示燈亮且蜂鳴器嗚叫。可以分別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(fù)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(hù)

電源模塊本身具有過壓過流保護(hù)措施：模塊輸出過電壓時(shí)，自身處于保護(hù)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(shí)，即進(jìn)入限流輸出狀態(tài)。直流電源模塊的輸出電壓嚴(yán)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(jī)柜外面，C、D級防雷包含于機(jī)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(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)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(jìn)行監(jiān)控。UPS的干接點(diǎn)信息通過電源屏接點(diǎn)排集中轉(zhuǎn)接，并與電源屏本身的干接點(diǎn)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(fù)載之間的工作方式來區(qū)分，可分為后備UPS、互動(dòng)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(jià)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(dāng)市電正常時(shí)，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(shí)充電回路停止工作。在這種情況下，UPS的逆變電路不工作。當(dāng)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(shí)間內(nèi)維持UPS的輸出。可見UPS存在一個(gè)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(shí)現(xiàn)，因此會有轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間一般小于15 ms，不會影響普通計(jì)算機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

2.1.2 互動(dòng)式UPS

互動(dòng)式UPS示意圖見圖3。

互動(dòng)式UPS電源也稱為準(zhǔn)在線式UPS電源，市電供電在220 V±20％時(shí)，UPS認(rèn)為電網(wǎng)基本正常，交流電通過工頻變壓器直接輸送給負(fù)載；當(dāng)市電超出上述范圍，但在150 V～276 V之間時(shí)，UPS通過邏輯控制，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，使變壓器抽頭升壓或降壓，然后向負(fù)載供電。若市電低于150 V或高于276 V，UPS將啟動(dòng)逆變器工作，由電池逆變向負(fù)載供電。市電在150 V～276 V之間時(shí)，身兼充電器／逆變器的變換器同時(shí)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(fù)載供電。變換器時(shí)刻處于熱備份狀態(tài)，因此市電／逆變切換時(shí)間比后備式要短。在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，由于它是直接通過工頻變壓器供電給負(fù)載，所以負(fù)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(shí)，也存在切換時(shí)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(shí)，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(dāng)市電中斷或不能滿足UPS的輸入要求時(shí)，UPS的輸入AC／DC整流器將關(guān)閉，蓄電池將以無切換時(shí)間的方式向逆變器供電。當(dāng)市電重新恢復(fù)供電時(shí)，蓄電池便停止向逆變器供電，此時(shí)機(jī)內(nèi)充電器向蓄電池組補(bǔ)充消耗的電能，以備再次使用。

當(dāng)市電存在且在UPS輸入允許范圍內(nèi)時(shí)，由于DC／AC逆變器發(fā)生故障或負(fù)載功率大于逆變器輸出額定功率時(shí)，為保證負(fù)載仍能正常工作，靜態(tài)開關(guān)切換到旁路供電狀態(tài)。當(dāng)逆變器恢復(fù)正?；蜇?fù)載功率降到逆變器輸出額定功率之內(nèi)時(shí)，輸出靜態(tài)開關(guān)將自動(dòng)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(diǎn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)的正弦波形；

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

正是因?yàn)殡p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(shí)保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

因?yàn)樾盘栯娫雌烈呀?jīng)采用了模塊化的冗余設(shè)計(jì)，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(jī)，將使整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護(hù)性大大提高。同時(shí)，應(yīng)選擇高品質(zhì)的鉛酸蓄電池，不能因?yàn)樾铍姵囟档碗娫聪到y(tǒng)的品質(zhì)。

3 電源監(jiān)控組網(wǎng)方式

為便于維護(hù)和管理，將對全線各個(gè)站點(diǎn)的電源設(shè)備進(jìn)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(diǎn)是設(shè)備簡單、容易實(shí)現(xiàn)、投資少，缺點(diǎn)是速度慢、實(shí)時(shí)性差、穩(wěn)定性差。

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

c) 通過通信專業(yè)傳輸網(wǎng)的時(shí)隙插入方式組網(wǎng)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(jià)成本中占的比例是很低的，但不能因?yàn)槠渌汲杀颈壤投鲆晫λ暮侠砼渲?。既不要盲目地追求高配置而造成浪費(fèi)，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(fù)荷供電，蓄電池僅在兩路主電源切換過程中的瞬間斷電時(shí)才放電，因此，對蓄電池的后備時(shí)間不應(yīng)不切實(shí)際地要求過高，以免造成蓄電池成本不必要的增加。