地铁信号系统电源配置方案探讨

0 引 言 地铁信号系统即ATC(Automatic Train Control，列车自动控制)系统，它由ATP(列车自动保护)、ATO(列车自动驾驶)、CI(计算机联锁)和ATS(列车自动监视)等子系统有机地组成在一起。信号设备分布在控制中心、轨道沿线设备房、室外轨旁及列车上，其中列车上的ATC车载设备由车辆提供110 V直流电源。在正常情况下，由信号系统以ATO模式按照ATS的计划时刻表运行，运行的安全完全由信号系统负责。信号系统的控制设备出于安全性和可靠性的考虑，采取了三取二平台或冗余热备配置。为了确保信号系统控制设备正常工作，系统的电源配置也应采取适当的方法与整个系统相适应。信号系统的电源设备包括信号电源屏、UPS(不间断电源)和蓄电池等。 本文就信号系统地面部分设备集中站的电源方案进行探讨。 1 信号电源屏 1.1 原理 目前地铁中使用的模块化信号电源屏示意图如图1所示。 过去使用的单体分立元件式的信号电源屏由于不方便使用维护和占地面积较大而逐渐被淘汰，现在使用的是模块化信号电源屏，即信号系统需要的各种直流电源通过高频开关电源模块提供。直流24 V电源为CI、光连接模块、继电器等供电，直流60 V电源为CI、ATP等供电，交流230 V为轨道电路、信号机等供电，交流三相380 V为转辙机供电。直流模块采用N+1均流并联方式，交流三相转辙机模块采用1+1热备，交流230 V通过UPS输出配电直接输出。 1.2 安全防护 1.2.1 漏电检测 各路输出电源信号引入至漏电保护装置中的检测电路，当检测到漏电流大于设定值时，则相应的保护电路动作。此时面板上的指示灯亮且蜂鸣器呜叫。可以分别检测被测交流电源相线到地和零线到地的漏电流，或分别检测到被测直流电源正极到地和负极到地的漏电流。 1.2.2 电源隔离 向室外设备、继电电路供电电源回路输出端采取隔离措施，交流供电采用变压器隔离方式，直流供电单元采用高频隔离方式。 1.2.3 过压／过流保护 电源模块本身具有过压过流保护措施：模块输出过电压时，自身处于保护状态，切断对外部的电源供给，保障设备的安全；模块输出电流超出额定值时，即进入限流输出状态。直流电源模块的输出电压严格限制其输出不超出其额定电压的20％。 1.2.4 防雷 输人采用三级防雷系统，B级防雷位于机柜外面，C、D级防雷包含于机柜中。考虑到信号设备复杂的工作环境，在每路输出还设有一级输出防雷，保证信号系统室外设备在恶劣的环境下可靠工作。防雷具有智能监测功能，在防雷器失效时给出告警信息。 1.3 接口 两路外部输入三相四线制电源经信号电源屏的自动切换装置后提供给UPS(不间断电源)。电源屏与UPS监测单元采用RS-232串行接口通过屏蔽通信电缆连接，电源屏的监控单元实时采集或接收UPS的状态信息，通过电源屏集中组网对全线电源设备进行监控。UPS的干接点信息通过电源屏接点排集中转接，并与电源屏本身的干接点信息一起提供给信号系统的ATS子系统。 2 UPS 2.1 UPS的工作方式 从UPS的发展历史来看，它经历了由旋转型工作方式到现在大量使用的静止转换工作方式的转变。旋转型工作方式的UPS基本上已经淘汰，现在基本上采用静止转换工作方式的UPS。静止式UPS从其位于市电与负载之间的工作方式来区分，可分为后备UPS、互动式UPS和双变换式UPS等3种。 2.1.1 后备式UPS 后备式UPS示意图见图2所示。 后备式UPS是一种价格低廉、仅能满足一般客户要求的普及型UPS，容量一般只有0.5 kVA～2 kVA左右。功率变换回路的构成比较简单，主要由滤波电路、电池充电及逆变电路组成。 当市电正常时，UPS一方面通过滤波电路向用电设备供电，另一方面通过充电回路给电池充电，电池充满时充电回路停止工作。在这种情况下，UPS的逆变电路不工作。当市电发生故障，逆变电路开始工作，后备电池放电，在一定时间内维持UPS的输出。可见UPS存在一个从市电供电到电池供电的转换过程，这种转换一般通过继电器来实现，因此会有转换时间，切换期间UPS的输出会出现瞬间掉电的现象。转换时间一般小于15 ms，不会影响普通计算机的正常工作，但对服务器等高端设备来说，后备式UPS的供电质量是远远不够的。 2.1.2 互动式UPS 互动式UPS示意图见图3。 互动式UPS电源也称为准在线式UPS电源，市电供电在220 V±20％时，UPS认为电网基本正常，交流电通过工频变压器直接输送给负载；当市电超出上述范围，但在150 V～276 V之间时，UPS通过逻辑控制，驱动继电器动作，使变压器抽头升压或降压，然后向负载供电。若市电低于150 V或高于276 V，UPS将启动逆变器工作，由电池逆变向负载供电。市电在150 V～276 V之间时，身兼充电器／逆变器的变换器同时还给电池充电，处于热备份状态，一旦市电异常，马上转换为逆变状态给负载供电。变换器时刻处于热备份状态，因此市电／逆变切换时间比后备式要短。在电网电压正常时，由于它是直接通过工频变压器供电给负载，所以负载使用的是充斥着谐波和尖峰的交流电，不利于高端设备的使用，市电逆变切换时，也存在切换时间。 2.1.3 双变换式UPS 双变换式UPS示意图见图4。 市电正常供电时，交流输入经AC／DC转换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面给逆变器供电，逆变器自始至终都处于工作状态，将直流电压经DC／AC逆变成交流电压给用电设备供电。 当市电中断或不能满足UPS的输入要求时，UPS的输入AC／DC整流器将关闭，蓄电池将以无切换时间的方式向逆变器供电。当市电重新恢复供电时，蓄电池便停止向逆变器供电，此时机内充电器向蓄电池组补充消耗的电能，以备再次使用。 当市电存在且在UPS输入允许范围内时，由于DC／AC逆变器发生故障或负载功率大于逆变器输出额定功率时，为保证负载仍能正常工作，静态开关切换到旁路供电状态。当逆变器恢复正常或负载功率降到逆变器输出额定功率之内时，输出静态开关将自动由旁路供电切换到逆变供电状态。 2.2 UPS的选择 通过对上面3种工作方式UPS特点的了解，双变换UPS具有如下优越电气特性： a) 具有微处理器控制的电压负反馈电路，使其输出电压具有高精度； b) 锁相同步电路确保电源在UPS所允许的同步窗口与市电电源保持锁定的同步关系； c) 采用高频正弦脉宽调制技术，从逆变器输出的电源具有非常标准的正弦波形； d) 采用双变换在线设计，可完全消除市电电网的电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的影响； e) 时刻处于不间断向负载供电的状态。 正是因为双变换式UPS具有优越的电气特性，而信号系统又是与行车安全密切相关的控制系统，因此，信号系统应采用双变换式UPS以切实保障系统的安全运行。 因为信号电源屏已经采用了模块化的冗余设计，为了与信号电源屏相适应，如果能采用带有一定冗余的模块化的UPS或采用UPS并机，将使整个电源系统的可靠性、可用性和可维护性大大提高。同时，应选择高品质的铅酸蓄电池，不能因为蓄电池而降低电源系统的品质。 3 电源监控组网方式 为便于维护和管理，将对全线各个站点的电源设备进行集中组网监控，一般有以下3种方式： a) 通过公共电活交换网拨号组网。这种方式的优点是设备简单、容易实现、投资少，缺点是速度慢、实时性差、稳定性差。 b) 后台计算机通过专用局域网组网。这种方式的优点是可靠性高、传输速率快、稳定性好，缺点是投资大。 c) 通过通信专业传输网的时隙插入方式组网。这种方式的优点是传输速度快、稳定性好、接口简单。 上述3种组网方式中，第1种方式利用了通信专业既有传输网的时隙插入设备，信号电源屏只需提供RS-485／RS-422就可接入传输网的网络接点中，是上述3种组网方式中最好的。 4 结束语 电源设备在地铁信号系统的造价成本中占的比例是很低的，但不能因为其所占成本比例低而忽视对它的合理配置。既不要盲目地追求高配置而造成浪费，也不要不加思索地简单随便配置而造成对信号系统整体性能的影响。比如，地铁信号系统已经使用的是国家一级负荷供电，蓄电池仅在两路主电源切换过程中的瞬间断电时才放电，因此，对蓄电池的后备时间不应不切实际地要求过高，以免造成蓄电池成本不必要的增加。