地铁信号电源设计方案及故障应对办法
摘 要: 面对城市轨道交通信号系统电源在整个轨道交通中的重要性，电源设计方案首先保证合理、电源故障时应对办法得力，才能保证电源质量稳定可靠，行车安全高效。阐述了信号电源设计原则，遵循的规范和标准，列举了目前城市轨道交通信号电源的设计方案，提出了优化设计方案，另外从电源的故障情况出发，从运营保障的角度提出了电源故障的保障措施和应对办法。
关键词: 地铁信号; 电源设计方案; 故障应对办法
1 信号电源的重要性
信号系统作为行车指挥的重要系统，离不开信号电源的保障供应及信号系统电源子系统的安全。信号系统电源设计方案的合理性、信号电源故障后的应对办法，越来越受到轨道交通设计和运营部门的高度重视。一方面要求设计方案合理，另一方面，要求一旦电源故障能够形成高效保障解决方案。轨道交通的单一线路及其形成路网后的线路，都对系统的安全性、可靠性、稳定性要求极高，因为一旦发生故障后不能及时恢复正常运营，就会由于客流量相对较大较集中，而给客流疏导带来非常巨大的压力，容易发生拥挤踩踏事件。所以，信号系统的电源至关重要。 《地铁运营安全评价标准》规定: “信号系统的供电等级为一级负荷，设 2 路独立电源，并有自动切换装置，确保信号电源的不间断供给”。
2 信号系统电源子系统设计方案
2. 1 电源设计的技术要求
1． 智能化和网络化。实现实时集中监测和远程监控，故障时及时显示和告警，并具有故障记忆的功能。
2． 模块化设计。实现系统的免维修，少维护，各电源模块采用 “1 + 1”方式热机备份，确保系统的高可靠性。
3． 电源模块采用无损伤热插拔技术，在线更换时间小于 3 min，维护快捷方便。
4． 独特的 2 路交流输入自动切换装置，保证系统的直流电源不间断输出。
5． 超宽的工作电压范围。输入电压范围为AC165 ～ 275 V，整流模块的效率不低于 90% 。
6． 具有完善的防雷击和过电压防护措施，保证系统在恶劣的条件下可靠工作。
2. 2 电源设计遵循的规范和规程
就城市轨道交通而言，电源系统的设计主要是参考和比照国铁的技术标准和规范，结合具体的项目建设情况，提出电源的设计标准。主要参照的规范如表 1 中所示，规范中有对信号供电电源相应章节的描述。
2. 3 电源系统方案
信号系统的电源设备，称之为电源系统，主要包括三大部分: ①电源屏; ②UPS ( 不间断电源)；③蓄电池。
信号系统负荷主要由计算机类负载、动力设备负载组成。地铁信号系统的供电特点是: 一级负荷，由来自变电所的 2 段母线分别馈出一路电源，末端自动切换，再配送到 UPS 输入端，由 UPS 再进入电源屏，然后由电源模块输出到负载端。
方案一: 一级负荷直接引入电源屏 。在早年继电联锁系统应用过程中，由于对电源的品质要求较低，一级负荷引入后直接由电源屏输出到相关的负载。
方案二: 一级负荷 + UPS。信号系统设备的用电，均采用一级负荷，配置信号系统使用单独的UPS，设旁路开关，UPS 故障时自动或手动切换到市电。信号系统中的计算机及电子设备采用 UPS保障，动力设备 ( 如转辙机) 不采用 UPS，个别城市也有将转辙机采用 UPS 的实施方案，但转辙机作为动力操作设备，对 UPS 容量有一定的要求，需要扩大 UPS 的容量。
方案三: 一级负荷 + 综合 UPS。近年来，为满足整合 UPS 的需要，轨道交通弱电系统 UPS 整合为综合 UPS，UPS 向着环保、节能、高效的方向迈进。在弱电 UPS 整合过程中，信号电源也作为弱电系统的一部分，将信号系统用 UPS 的容量也整合在弱电系统中，弱电 UPS 为通信、信号、AFC、综合监控 ( 含 FAS BAS) 等弱电专业供电。
2. 4 电源系统方案优化设计
信号电源系统的优化，主要是对 UPS 部分进行优化设计。采用 UPS 并机技术提高整个 UPS 电源的可靠性，成为目前设计主推的设计方案，并从技术上进一步探索提高可靠性的方案。UPS 的冗余主要有 2 种: 串联冗余和并联冗余。串联冗余是采用同机型的 2 套 UPS 设备串联，实现主从热备，主机一直满载，备机蓄电池长期浮充，有一定的转换时间，扩展较困难，可适用性较小。并联冗余指采用 2 套或 2 套以上的 UPS 设备并联均分负载，相比串联冗余优势明显，在轨道交通信号系统中推荐采用并联冗余。
并联 UPS 有单机方案、并机方案 2 种。单机方案: 所有负载均可做到互为备份，2 台 UPS 分别为各自负载供电，如红网电源、蓝网电源，UPS 1/2 分别为红 / 蓝网电源供电，2 台 UPS 之间不关联，可 允许2 台UPS带载不一样。并机方案: 经UPS供电的所有负载的进线电源均来自 2 台 UPS，当其中任何一台 UPS 故障时，另一个 UPS 可继续为经UPS 供电的所有负载继续供电。2 台 UPS 的输出端经母排输出，为后端负载供电。如图 1 所示。
比较而言，单机较并机方案，其 UPS 容量可减少一半，节省成本; 而并机时，即使其中一台UPS 故障，另一台 UPS 可继续为经 UPS 供电的负载提供纯净稳定、安全、可靠的不间断电源，不影响后端负载供电，提高了系统可靠性，并允许负载无备份。
3 电源故障的分类及影响范围
轨道交通线路，一般由高架或者地下线路组成，数据传输系统保证在线路范围内车-地通信的畅通、及时，保证系统通信的稳定性和可靠性。
3. 1 引入电源故障
引入电源故障，可以分为 2 类: ①一级负荷引入电源屏的部分故障; ②UPS 电源输出到电源屏的故障。这类故障多由连接线缆的接头松动造成，个别情况下是由线缆断裂造成。此类故障一旦酿成，信号设备将全部或部分失电，对运营的危害较大。度的功能。逆变器具有恒压输出功能，当外电发生变化时 ( 该变化应满足系统要求) ，输出幅度基本不变。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲，储能电池除可存储直流直能外，对整流器来说就像接了一只大容量电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。
图 2 为 UPS 工作原理示意图。断路器 K1 控制主路交流电源输入; 整流器将交流电源变成直流电源; 逆变器进行 DC/AC 变换，将整流器和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源输出; 蓄电池组在交流停电时通过逆变器向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电。另外，在对负载供电不间断情况下而对 UPS 内部进行维修时，可使用维修旁路开关 K3。
3. 3 电源模块故障
现在通用的智能电源屏，其电源输出都采用模块化输出，电源可以从一个模块输出，也可以由一个模块输出多路电源。电源模块故障后，由该模块提供的相关电源将被切断。电源模块化智能化的实施，提高了电源的可靠性，一旦模块出现故障，故障的判断和定位都相当准确，直接更换对应的模块即可。
3. 4 电源分路故障
若电源只是某一分路故障，首先检查分路的上下级开关，同时检查连接线缆的完好性。分路故障，也可能是该分路所在模块产生的故障。
4 电源运行过程中可靠性保障措施
4. 1 加强维修培训和实际操作
随着信息技术和计算机通信技术的快速发展，电源设备的可靠性大大提高，为日常的设备维修、设备运转都打下了坚实的基础。同时，设备的自动化程度高、运行状态稳定，以前由人来完成的工作，现在由计算机来完成，因此长期以来，人们都对设备的应急处置觉得非常棘手和应对茫然。
在设备正常运行过程中，在保障系统正常运营的基础上，需要加强实际维修的能力，定制故障场景，有针对性地进行维修培训和实际操作，达到故障时快速决策、准确判断、立即到位的效果，最大限度地缩短维修时间，保障运营。
4. 2 完善日常监测手段
从监测手段来说，目前电源监测一般是联网后实现在中心监测。监测起到的作用和效果主要是事后分析，而在平时的工作中电源的状态被关心较少。一方面，监测机在中心，大家关心不到; 另一方面，常规报警信息多，致命报警一般较少，这样一来，导致监测在日常工作中成为了可有可无的一项功能。对此采取如下的完善手段: ①将电源监测功能集成到控制中心的调度员工作站、车站值班员工作站，扩大电源监测的人群，共同对管辖范围内的电源信息进行有效反馈; ②周期性分析电源监测的数据，对一个周期内的电源数据进行实测和抽检，对数据进行分析后作出阶段性评价，并归纳今后维修电源的应对策略。
5 信号电源故障应对办法
5. 1 增设电源视频监控
在信号设备室或者信号电源室，安装视频监控，方便电源故障时设备状态的判定。一般来说，目前运用在城市轨道交通的电源都具有电源监测系统，可对设备的电源参数、设备状态进行实时监测，但增加视频监控可以作为对电源设备及系统设备的全程监视，为设备运转及维修决策提供依据，同时也可以对设备的人为误动起到一定的监视作用。
5. 2 建立电源应急机制
信号系统电源设备故障影响的范围是区域性的，对正常行车危害极大。为保证行车安全，从设备的可靠性入手，已经做了大量卓有成效的工作，但设备故障的应急处理，仍然是日常维修保障的重要环节。为此，在维修保障队伍中，针对电源故障，建立高效准确的维修队伍，势在必行。毕竟电源故障，不同于其他故障，引起区域性行车中断会造成经济损失，影响正常交通出行，这些情况非常关键。
5. 3 信号维保人员对调度的辅助
按照信号系统的特点，设备集中站故障，会使3 ～ 5 个车站信号设备停止工作; 非设备集中站故障，影响本站及相关区间设备的供电。发生区域性供电故障，影响信号设备非正常工作时，信号维保的高级技术人员，此时应进入调度中心，从设备运用的特点、影响范围、故障涉及的安全因素出发，为调度员及调度主任提供决策参考，确保设备非正常运转或者设备停止工作的情况下，线上运营的安全。
参 考 文 献
［1］ 徐金祥 . 上海轨道交通 10 号线“9. 27”列车追尾事故发生后的思考［J］. 城市轨道交通研究，2011.
［2］ 李在州，王兴旺，张西宁． 地铁 ATP/ATO 信号系统电源解决方案［J］. 地铁与轻轨，2003．
［3］ 李堂成． 地铁信号系统电源配置方案探讨［J］. 电子工程师，2007．
［4］ 国家质量技术监督局． GB/T50438 －2007 建设部地铁运营安全评价标准［M］． 中国建筑工业出版社，2007．
京公网安备 11010202007575号