西安地鐵1號線信號電源系統(tǒng)方案分析

摘要：隨著城市軌道交通的發(fā)展，信號系統(tǒng)的技術(shù)及功能也在不斷地提高和增強。基于城市軌道交通信號系統(tǒng)具有高度智能化、自動化、信息化的特點，同時對信號設(shè)備的安全性、可靠性要求很高的考慮，信號系統(tǒng)必須采用高可靠性的供電系統(tǒng)。為此，西安地鐵1號線信號系統(tǒng)配置了智能化、模塊化、網(wǎng)絡化的智能電源系統(tǒng)，以滿足西安地鐵1號線信號設(shè)備的要求。介紹了西安地鐵1號線信號電源系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，闡明了信號電源系統(tǒng)對于地鐵安全、可靠運營的重要性，并對其實現(xiàn)方案進行了探討。
關(guān)鍵詞：地鐵；信號；電源系統(tǒng)；電源屏；UPS

    信號系統(tǒng)作為地鐵安全運行的關(guān)鍵設(shè)備，在保障列車安全、可靠運行，以及提高運營效率等方面發(fā)揮著重要作用。西安地鐵1號線信號系統(tǒng)采用具有先進技術(shù)的基于無線通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)，其中列車自動監(jiān)督系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)由北京全路通信信號研究設(shè)計院提供，列車自動防護系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)從德國西門子公司引進。由于信號系統(tǒng)采用了先進的計算機、通信及自動控制技術(shù)，因此對信號電源系統(tǒng)的性能指標、可靠性要求很高。文中針對西安地鐵1號線信號電源系統(tǒng)實現(xiàn)方案進行了分析。

1 電源系統(tǒng)方案
    為了保證信號系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定、可靠和連續(xù)地運行，西安地鐵1號線控制中心、設(shè)備集中站、車輛段／停車場均配置了信號電源系統(tǒng)，其主要由電源屏、UPS及蓄電池等組成，如圖1所示。設(shè)備室低壓箱兩路獨立的交流供電引至電源屏，經(jīng)電源屏切換單元切換后引入UPS，UPS向電源屏連續(xù)輸出AC380V交流電源，再由電源屏為信號設(shè)備提供穩(wěn)定的交流電源和直流電源。

2 電源屏
    西安地鐵1號線信號電源系統(tǒng)采用了鼎漢技術(shù)股份有限公司的PZG系列智能信號電源屏。該設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，是具有集PFC、熱插拔等先進技術(shù)于一體的智能高頻開關(guān)電源，具有綜合化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡化的特點。
2．1 輸入切換單元
    智能信號電源屏配置智能輸入切換單元，采用可靠的智能切換控制，實現(xiàn)對兩路引入交流供電進行切換控制。輸入切換單元工作原理如圖2所示。

    1)QF1、QF2為I、Ⅱ路外電網(wǎng)輸入開關(guān)；
    2)KM1、KM2為交流接觸器。KM1、KM2具有電氣和機械互鎖特性；
    3)K1、K2為切換系統(tǒng)直供選擇開關(guān)。K1作用是對直供I和Ⅱ路外電網(wǎng)進行選擇，K2作用是決定是否直供。
    外電網(wǎng)輸入開關(guān)OF1和QF2分別與交流接觸器KM1和KM2對應相連，切換單元通過控制兩個交流接觸器(KM1、KM2)以實現(xiàn)主回路切換。
在供電正常情況下，K2處于自動切換狀態(tài)。當自動切換失效時可操作K2，使其處于直供狀態(tài)。切換單元處于自動切換狀態(tài)時，可以選擇I路優(yōu)先、Ⅱ路優(yōu)先或無優(yōu)先。
    在I路優(yōu)先的情況下，KM1吸合，KM2斷開。當?shù)谝宦份斎氤迺r，KM1斷開，KM2吸合，由第二路輸入向系統(tǒng)供電。同樣在第一路輸入恢復正常時，KM2斷開、KM1吸合，仍然由第一路輸入向系統(tǒng)供電。
    Ⅱ路優(yōu)先的情況與I路優(yōu)先情況相反，KM2吸合，KM1斷開。當?shù)诙份斎氤迺r，KM2斷開，KM1吸合，由第一路輸入向系統(tǒng)供電。同樣在第二路輸入恢復正常時，KM1斷開，KM2吸合，仍然由第二路輸入向系統(tǒng)供電。
    在無優(yōu)先的情況下，先上電的一路作為主用電源，后上電的作為備用電源，兩路沒有優(yōu)先級。
    自動切換系統(tǒng)可以對外電網(wǎng)輸入設(shè)定門限值，包括電網(wǎng)過壓、欠壓、缺相、錯相、停電。外電網(wǎng)處于任何一種狀態(tài)時，都會被限制接入電源系統(tǒng)。
2．2 智能電源模塊
    電源系統(tǒng)的各個組成部分均采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，多種電源模塊可靈活配置，模塊智能自診斷功能可實現(xiàn)系統(tǒng)的免維修，少維護。
    智能電源模塊采用無損傷熱插拔技術(shù)，其輸出和輸入都有軟起動和電流限制裝置，帶電插拔不會引起系統(tǒng)輸出電壓的擾動。模塊本身具有獨立的內(nèi)嵌式CPU監(jiān)控板，可自我監(jiān)控模塊的工作狀態(tài)，從而成為一個真正的智能電源模塊。模塊工作的所有信息均可通過RS485接口傳輸?shù)奖O(jiān)控模塊，方便后臺實時監(jiān)控各模塊狀態(tài)。
    智能電源模塊分為直流模塊、交流模塊：
    直流模塊采用高頻開關(guān)電源功率因數(shù)自動調(diào)整技術(shù)(PFC技術(shù))，輸出采用自主均流“N+1”冗余配置的高頻開關(guān)電源模塊，保證了系統(tǒng)切換時直流電源不間斷輸出。直流DC24V電源為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、光連接模塊、繼電器等設(shè)備提供供電，直流DC60V電源為ATP系統(tǒng)等設(shè)備供電。
    交流模塊輸出采用“1+1”電子互鎖主備配置，提高了系統(tǒng)可靠性、靈活性。交流AC220V電源經(jīng)過在線UPS穩(wěn)壓后，再經(jīng)過隔離變壓器，對輸出進行隔離，為軌道電路等設(shè)備提供供電。交流AC380V不經(jīng)過在線式UPS，經(jīng)過隔離變壓器單獨輸出，為轉(zhuǎn)轍機AC380V等設(shè)備提供供電。
2．3 安全防護
2．3．1 漏電檢測
    漏電保護裝置檢測電路對各路電源輸出進行檢測?？梢詸z測交流電源相線到地和零線到地的漏電流，或檢測直流電源正極到地及負極到地的漏電流。當檢測到漏電流大于設(shè)定值時報警，保護電路動作。
2．3．2 電源隔離
    電源屏對室外設(shè)備、繼電電路供電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。
2．3．3 過壓／過流保護
    為保障設(shè)備安全，電源模塊具有過壓過流保護措施。當模塊輸出過電壓時，自身處于保護狀態(tài)，切斷對外部電源供電。當模塊輸出電流超出額定值時，即進入限流輸出狀態(tài)。
2．3．4 防雷措施
    PZG系列信號電源系統(tǒng)具有完善的交、直流側(cè)防雷措施。防雷系統(tǒng)由輸入防雷和輸出防雷兩部分組成，輸入采用三級防雷系統(tǒng)，B級防雷位于機柜外面，C、D級防雷包含于機柜中。為保證室外信號設(shè)備能在惡劣環(huán)境下可靠工作，每路輸出均配置一級輸出防雷。
    防雷裝置具有智能監(jiān)測功能，防雷器失效時報警。防雷系統(tǒng)如圖3所示。

2．4 智能監(jiān)控系統(tǒng)
    智能監(jiān)控系統(tǒng)可實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，故障及時顯示和報警，并具有故障記憶功能。
    監(jiān)控系統(tǒng)采用配電監(jiān)控和模塊監(jiān)控、監(jiān)控單元及后臺監(jiān)控三級監(jiān)控。模塊監(jiān)控和配電監(jiān)控為第一級監(jiān)控，監(jiān)控單元為第二級監(jiān)控，后臺監(jiān)控為第三級監(jiān)控。下級監(jiān)控保證在上級監(jiān)控故障或不存在時能獨立工作，產(chǎn)生報警信息；上級監(jiān)控可以對下級監(jiān)控的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行匯總處理。
    各車站電源屏的配電監(jiān)控和模塊監(jiān)控采用RS-232串行接口方式與檢測單元連接，并通過以太網(wǎng)組網(wǎng)后，與后臺監(jiān)控工作站連接，實現(xiàn)全線電源設(shè)備輸入輸出參數(shù)、運行狀態(tài)監(jiān)控和故障報警功能，如圖4所示。智能監(jiān)控系統(tǒng)各級的作用如下：

    1)配電監(jiān)控：交流輸入監(jiān)控、系統(tǒng)告警、輸出空開監(jiān)控；
    2)模塊監(jiān)控：模塊輸出電壓電流、運行狀態(tài)監(jiān)控，上報監(jiān)控單元；
    3)監(jiān)控單元：電源屏系統(tǒng)監(jiān)控、UPS監(jiān)測、向后臺監(jiān)控上報消息、向微機監(jiān)測輸出信息；
    4)后臺監(jiān)控：遠程集中監(jiān)控。

3 UPS
    UPS主要功能是將從設(shè)備室低壓箱引入的交流供電經(jīng)過整流和逆變，為設(shè)備提供持續(xù)、穩(wěn)定和純凈的電源，保證信號設(shè)備數(shù)據(jù)和控制的安全。
    UPS可分為三種，即后備UPS、互動式UPS和雙變換式UPS。西安地鐵1號線信號系統(tǒng)采用美國艾默生公司雙變換式UPS產(chǎn)品，其工作模式主要包括3種：正常工作模式、電池工作模式、旁路工作模式，如圖5所示。

    1)正常工作模式
    當?shù)蛪合涔╇娬r，交流電源輸入經(jīng)AC／DC整流器轉(zhuǎn)換為直流，一方面向逆變器供電，將直流電壓經(jīng)DC／AC逆變成交流電壓向設(shè)備提供高品質(zhì)交流電源，另一方面通過整流器向電池充電，將能量儲存在電池中。
    2)電池工作模式
    當?shù)蛪合涔╇姰惓r，AC／DC整流器停止工作，系統(tǒng)不間斷自動切換到電池工作模式，由電池通過逆變器輸出交流電向設(shè)備供電。當供電恢復后，蓄電池便停止向逆變器供電，系統(tǒng)自動無間斷地恢復到正常工作模式。
    3)旁路工作模式
    當?shù)蛪合涔╇娀駾C／AC逆變器過載或發(fā)生故障時，逆變器停止工作。為保證負載仍能正常工作，靜態(tài)開關(guān)切換到旁路。當逆變器恢復正常或負載功率控制在逆變器輸出額定功率范圍內(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)ade。

4 結(jié)束語
    地鐵信號系統(tǒng)作為一級負荷，對供電質(zhì)量要求很高，需要為信號設(shè)備選擇高可靠性的供電方案，以及配置高品質(zhì)的電源設(shè)備。西安地鐵1號線信號電源系統(tǒng)方案具有一定的技術(shù)先進性，同時具有高可靠性、適用性和可維護性，能保證為信號設(shè)備提供高可靠性、高安全性、高質(zhì)量的供電，實現(xiàn)地鐵安全、可靠、高效地運行。