謝 橋

（南寧軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，南寧 530025）

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)行車指揮、列車運(yùn)行監(jiān)控和管理所需技術(shù)措施及配套裝備的集合，信號(hào)系統(tǒng)不論是整體設(shè)備失電或局部設(shè)備失電均會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)服務(wù)造成不同程度的安全威脅和準(zhǔn)點(diǎn)影響。因此，如何配備一套能保證從外電網(wǎng)端到信號(hào)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(diǎn)課題，下面以南寧軌道交通信號(hào)電源子系統(tǒng)為例進(jìn)行分析探討。

1 南寧軌道交通運(yùn)營(yíng)線路信號(hào)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(yùn)營(yíng)線路5 條，分別是南寧軌道交通1 號(hào)線、2 號(hào)線（含東延長(zhǎng)線）、3 號(hào)線、4 號(hào)線、5 號(hào)線，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)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(zhǔn)點(diǎn)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(yùn)營(yíng)線路中，1號(hào)線至4 號(hào)線為列車自動(dòng)運(yùn)行（Automatic Train Operation，ATO）線路，5 號(hào)線為無人值守全自動(dòng)運(yùn)行（Unattended Train Opertion，UTO）線路，每條線路配備的信號(hào)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(hào)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(hào)系統(tǒng)的供電安全。

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

如圖1 所示，南寧軌道交通1 號(hào)線至4 號(hào)線設(shè)備集中站、控制中心、車輛段/停車場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(hào)設(shè)備供電，同時(shí)UPS 給蓄電池進(jìn)行充電。電源子系統(tǒng)提供三級(jí)集散式監(jiān)控體系，具備模塊級(jí)、設(shè)備級(jí)、線路級(jí)（線網(wǎng)級(jí)）監(jiān)控功能，各級(jí)監(jiān)控自成體系，互不影響，滿足運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控電源子系統(tǒng)工作狀態(tài)的需求。

該方案優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

1）可對(duì)外電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行采樣檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)外部供電的自動(dòng)切換功能，同時(shí)具備手動(dòng)切換功能。不論何種切換，其響應(yīng)完成時(shí)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(chǎng)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(dú)模塊化設(shè)計(jì)保證更換模塊耗時(shí)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(jī)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(dǎo)致信號(hào)設(shè)備失電，嚴(yán)重影響行車。

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

如圖2 所示，南寧軌道交通5 號(hào)線設(shè)備集中站、控制中心、備用控制中心、車輛段/停車場(chǎng)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(hào)線至4 號(hào)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(dòng)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(dòng)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(shí)相互不影響。當(dāng)其中一系設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，切換由另外一系設(shè)備承擔(dān)起所有信號(hào)設(shè)備供電，該方案同樣具備三級(jí)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(diǎn)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(jí)版，不僅具備前述方案的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了單UPS 和單供電母線的缺點(diǎn)，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(yīng)充分考慮更大的地下空間布局和較高的設(shè)備采購(gòu)成本。

1.3 南寧軌道交通1號(hào)線至5號(hào)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(hào)線至5 號(hào)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(hào)線至4 號(hào)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(fù)載使用，因非集中站負(fù)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(dòng)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(hào)設(shè)備供電，該方案同樣具備三級(jí)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(diǎn)分析如下。

1）受限于單UPS 和單供電母線結(jié)構(gòu)，對(duì)UPS整機(jī)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(hào)負(fù)載一般為監(jiān)視工作站、發(fā)車計(jì)時(shí)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(diǎn)交叉供電，范圍可冗余覆蓋，上述設(shè)備失電對(duì)運(yùn)營(yíng)安全影響較小。

2）該方案對(duì)地下空間布局和設(shè)備采購(gòu)成本要求較低。

2 電源子系統(tǒng)供電情況及整體信號(hào)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(hào)系統(tǒng)，包含列車自動(dòng)監(jiān)控（Automatic Train Supervision，ATS）、列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）、ATO、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（Computer Interlocking，CI）、數(shù)據(jù)傳輸（Data Communications System，DCS）、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)采用國(guó)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(chǎng)、非設(shè)備集中站等不同場(chǎng)所，因此不同場(chǎng)所的電源子系統(tǒng)故障后造成整體信號(hào)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(chǎng)整體信號(hào)設(shè)備失電會(huì)造成本聯(lián)鎖區(qū)信號(hào)功能喪失、線路降級(jí)運(yùn)營(yíng)等影響，控制中心整體信號(hào)設(shè)備失電會(huì)造成線路降級(jí)運(yùn)營(yíng)、線路集中控制功能喪失等影響，非集中站整體信號(hào)設(shè)備失電會(huì)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(hào)線為例，闡述不同場(chǎng)所信號(hào)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(hào)線信號(hào)電源子系統(tǒng)供電情況及整體信號(hào)設(shè)備失電對(duì)運(yùn)營(yíng)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(chǎng)信號(hào)設(shè)備失電將對(duì)線路運(yùn)營(yíng)造成重大影響，因此對(duì)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(chǎng)來說，研究一種可用于實(shí)踐并克服單點(diǎn)故障造成信號(hào)設(shè)備失電缺點(diǎn)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(huì)造成信號(hào)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。現(xiàn)提出3 種冗余改造方案并說明各種改造方案的適用場(chǎng)景。

3.1 雙UPS并機(jī)冗余改造方案

雙UPS 并機(jī)方案設(shè)置雙套相同的UPS 設(shè)備，一套電源自動(dòng)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(yùn)行方式和非正常運(yùn)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(jī)故障造成信號(hào)設(shè)備失電的缺點(diǎn)，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(guó)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(gòu)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(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)后成本考慮，長(zhǎng)期成本較雙UPS 并機(jī)方案低，宜在新建線路使用。

3.3 不對(duì)稱雙母線冗余改造方案

如圖4 所示，不對(duì)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(dòng)切換裝置、一套母線和按需配置的交流電源模塊。不對(duì)稱雙母線方案的兩路市電輸入經(jīng)電源自動(dòng)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(dòng)切換裝置經(jīng)新增母線直連電源模塊后輸出至負(fù)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(shí)相互不影響。當(dāng)其中一系設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，切換由另外一系設(shè)備承擔(dān)起所有負(fù)載的供電需求。該方案主要優(yōu)點(diǎn)是無需新增機(jī)柜，僅增加較少的設(shè)備，可以利用原有電源屏補(bǔ)空位置和旁路交流穩(wěn)壓柜進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)，在切換至該方案工作的情況下，如外電網(wǎng)停電會(huì)造成整體信號(hào)設(shè)備失電，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)期使用該方案對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行供電。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的城市軌道交通信號(hào)電源子系統(tǒng)不對(duì)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(jī)柜的空間進(jìn)行布置安裝。該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約，易于施工，不僅降低了需投入的成本，而且便于后期運(yùn)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(jì)、建設(shè)和既有線改造等工作提供參考依據(jù)。