一種提高城軌交通信號電源系統可靠性的計軸備用電源技術方案
信號系統是城市軌道交通中指揮列車安全運行的重要樞紐系統，由專門的信號電源屏為信號系統提供工作電源。信號電源屏每個輸出分路都由1+1冗余并聯的電源模塊組成，當其中一個模塊出現故障時，馬上由另外一個模塊輸出供電；當冗余控制系統出現故障或兩個模塊都損壞時，整個電源分路就會停止輸出。計軸設備是信號系統當中十分關鍵的信號檢測設備，當電源屏計軸電源分路出現掉電故障時，信號控制系統馬上將軌道區段鎖定為占用狀態并強令列車停止進入。為此，我們根據在線式UPS電源的供電原理，提出一種無間斷時間的并聯型計軸備用電源技術方案，與信號電源屏計軸電源分路并聯使用，能有效保障城市軌道交通信號系統計軸設備的供電安全。
計軸備用電源為獨立結構設計，輸出電壓為DC60V，額定電流25A，后備供電時間按90分鐘配置蓄電池，能滿足最大正線有岔站的供電需要。計軸備用電源通過逆止二極管隔離輸出，直接并聯在信號電源屏計軸電源分路輸出端上，處于在線的后備供電待命狀態。信號電源系統正常時，計軸設備由信號電源屏供電；當計軸電源分路輸出電壓出現瞬間下降或掉電故障時，計軸備用電源馬上不間斷向計軸設備持續供電，切換時間為0mS，令信號系統能保持正常工作狀態，有效保障信號計軸電源系統的供電安全。計軸備用電源采用先進技術及安全措施，包括模塊冗余并聯、在線式不間斷供電、過壓過流保護、智能通信監控、電感儲能升壓變換等多項優化設計，進一步保障設備的可靠運行。
2016年我們根據以上技術方案所研制的計軸備用電源設備在北京地鐵10號線信號系統已獲得成功應用，全線信號供電電源系統安裝使用了15套計軸備用電源，自投入運行以來，10號線沒有出現過由于信號電源屏計軸電源故障而導致的列車停運事故，令供電系統更加安全可靠，完全符合項目技術要求。
關鍵詞： 軌道交通，信號系統，計軸設備，智能電源屏，備用電源
為了更好緩解大中城市內的客流運送壓力，我國各地都如火如荼展開了城市軌道交通規劃建設，軌道交通的信號系統直接影響到列車運營的效率和安全。為了保障列車的安全運行,列車必須嚴格按照信號的指示運行，只有在列車運行前方的軌道區段處于空閑狀態、道岔位置正確、信號檢測設備正常、敵對或相抵觸的路軌鎖閉等條件滿足時,才向列車發出準許前行進入信號。而計軸系統則是整個信號系統中十分關鍵的行車信號檢測處理環節，負責供電給計軸設備的電源屏計軸電源分路的穩定可靠性就顯得極為重要。以德國西門子公司為代表的計算機連鎖計軸系統在我國軌道交通中的應用比較廣，安全性也較高，當電源屏計軸電源分路輸出出現掉電故障時，調度臺及列車運行顯示器馬上發出連續閉塞區段紅光帶告警，將該區段自動鎖定為占用狀態并禁止列車進入；計軸電源分路輸出恢復正常后，計軸系統不能自動復位，必須通過清掃車或人工模擬車輛從區段的一邊駛入，再從另一邊駛出，該區段才能恢復到正常空閑狀態，此故障操作會造成列車停運1～2個小時。即使目前部分最新設計的計算機連鎖計軸系統已具備自動復位功能，但信號計軸電源每次斷電故障，同樣還會造成列車停運半個小時以上。
為解決信號電源屏計軸電源的供電安全性問題，我們提出一種獨立于信號電源屏的計軸備用電源技術方案，與電源屏計軸電源分路并聯使用。信號電源系統正常時，計軸設備由信號電源屏計軸電源分路供電；當計軸電源分路輸出故障時，計軸備用電源馬上不間斷向計軸設備持續供電，令信號系統能保持正常工作狀態，有效保障信號計軸電源系統的供電安全。
我們所研制的計軸備用電源設備已成功應用于北京地鐵10號線的信號供電電源系統，自投入運行以來，信號系統計軸電源系統沒有出現過掉電故障，對信號系統計軸設備供電的安全保障作用十分明顯，也為城市軌道交通其它專業提高供電系統的可靠性起到一定的借鑒作用。
一、信號電源系統原理描述
1、信號電源屏工作原理
圖1-1 信號電源屏工作原理圖
信號電源屏工作原理圖如圖1-1所示，以北京地鐵某正線車站其中一個智能電源屏為例，電源屏主要由主控電路、LCD顯示屏、輸入輸出開關、輸入隔離變壓器、輸出電源模塊等構成。電源屏的供電由UPS電源送入，各輸出電源分路電壓、功率需根據車站信號設備的負荷特性來配置，包含交流、直流兩種電源輸出分路。
2、信號電源屏主要技術特點
1）電源屏輸出電源規格齊全，根據信號系統設備情況設置多種規格的輸出電源分路。
2）電源屏智能化程度高，液晶顯示屏幕實時顯示電源屏各項參數及工作狀態信息，具有遙測、遙信、遙控功能，能通過局域網向外發送三遙信息。
3） 電源屏可靠性較高，各路輸出電源都采用1+1冗余并聯輸出方式供電，其中一個電源模塊出現故障退出不會影響另一個模塊的繼續供電輸出。
4） 電源屏抗干擾能力強，各路輸出電源的供電均由隔離變壓器隔離供電，有效杜絕外部電網干擾雜訊對信號設備的工作影響。
5）電源屏保護功能完善，具有輸入輸出高低壓、過載、短路及過溫等告警保護功能。
6）傳統電源屏也存在一些功能缺陷，最突出的是當電源輸出控制切換電路出現故障，或當輸出電源的兩個冗余并聯模塊出現故障時，整個電源分路的輸出就會停止供電，會造成相應信號設備停止工作。在北京地鐵10號線的信號系統中，就曾經出現過由于電源屏十分重要的計軸電源分路輸出突然掉電，而導致列車停運超過1小時的停運事故。因此，對該項功能缺陷的改進及提升就十分迫切。
二、計軸備用電源技術方案原理描述
1、計軸備用電源工作原理
圖2-1 計軸備用電源工作原理圖
計軸備用電源工作原理圖如圖2-1所示，計軸備用電源主要由控制電路系統、LCD顯示屏、輸入隔離變壓器、整流充電模塊、輸出穩壓模塊、逆止二極管、后備電池組、輸入輸出開關及低壓保護切換裝置等部分構成，計軸備用電源直接從市電送入供電，輸出模塊為直流穩壓DC60V輸出。輸入隔離變壓器、整流充電模塊、輸出穩壓模塊及后備電池組均采用1+1冗余并聯方式，以提高計軸備用電源的可靠性和安全性。
2、高可靠信號計軸電源系統構成原理
圖2-2 高可靠信號計軸電源系統構成原理圖
高可靠信號計軸電源系統構成原理圖如圖2-2所示，電源系統由信號系統原有的的智能電源屏和新設計的計軸備用電源柜共同構成，對信號計軸設備具有智能電源屏主供電、計軸備用電源柜的備用供電及后備電池供電的三重供電保障。
1）信號電源屏正常工作時，信號計軸設備由智能電源屏計軸電源分路輸出供電給信號計軸設備。
2）當智能電源屏計軸電源分路輸出掉電時，計軸備用電源馬上投入輸出，備用供電給計軸設備。
3）當智能電源屏及計軸備用電源的交流輸入同時斷電時，計軸備用電源的電池組馬上投入輸出，由電池后備供電給計軸設備。
3、計軸電源系統正常供電狀態工作流程
圖2-3 計軸電源系統正常供電狀態工作流程圖
計軸電源系統正常供電狀態工作流程圖如圖2-2所示，以冗余并聯的兩路電源支路的其中一路做工作流程描述（下同），電源系統供電工作流程如下：。
1）信號系統智能電源屏工作正常時，UPS供電輸入通過輸入開關BK1送到隔離變壓器T1隔離后，再送到AC/DC穩壓電源模塊變換為DC60V高精度穩壓直流電源輸出，供電給信號計軸設備工作。
2）計軸備用電源的市電輸入通過輸入開關BK2送到隔離變壓器T2隔離后，再送到AC/DC整流充電模塊變換為DC41V直流電源輸出，給后備電池組充電，直到電池組充滿電為止。
3）計軸備用電源輸出DC60V經逆止二極管隔離后連接到智能電源屏計軸電源分路輸出端，并處于在線待命狀態。
4、計軸電源系統備用供電狀態工作流程
圖2-4 計軸電源系統備用供電狀態工作流程圖
計軸電源系統備用供電狀態工作流程圖如圖2-4所示，電源系統供電切換工作流程如下：
1）當智能電源屏的UPS供電輸入斷電，或智能電源屏的電源輸出控制切換電路出現故障，或計軸電源分路的兩個冗余并聯模塊出現故障時，計軸電源分路輸出均會馬上掉電停止對計軸設備供電。
2）當智能電源屏計軸電源分路出現輸出掉電故障時，計軸備用電源市電輸入馬上通過輸入開關BK3送到隔離變壓器T2隔離后，再送到AC/DC整流充電模塊AD2變換為DC41V直流電源分成兩路輸出，一路供電給DC/DC穩壓電源模塊DD1變換為DC60V高精度直流電源輸出，持續供電給信號計軸設備工作；從智能電源屏計軸電源分路主供電輸出切換計軸備用電源備用供電輸出，切換時間為0mS，實現對計軸設備的不間斷供電功能。
3）計軸備用電源的AC/DC整流充電模塊AD2輸出的另外一路DC41V電源，供電給后備電池組充電，直到電池組充滿電為止。
4）當智能電源屏恢復正常工作狀態時，電源系統馬上切換回智能電源屏計軸電源分路輸出主供電模式，計軸備用電源輸出則自動置于在線待命狀態，切換時間同樣為0mS。
5、計軸電源系統電池后備供電狀態工作流程
圖2-5 計軸電源系統電池后備供電狀態工作流程圖
計軸電源系統電池后備供電狀態工作流程圖如圖2-5所示，電源系統供電切換工作流程如下：
1）當智能電源屏計軸電源分路出現輸出掉電故障及計軸備用電源的市電輸入斷電時，計軸備用電源馬上切換為電池后備供電狀態繼續供電輸出。
2）后備電池組通過電池開關BK4給DC/DC穩壓電源模塊DD1變換為DC60V高精度直流電源輸出，持續供電給信號計軸設備工作；從計軸備用電源備用供電狀態輸出切換計軸備用電源電池后備供電狀態輸出，切換時間同樣為0mS，實現對計軸設備的不間斷供電功能。
3）當計軸備用電源的市電輸入恢復正常時，計軸備用電源馬上切換回備用供電狀態，切換時間同樣為0mS，并給后備電池組充電，直到電池組充滿電為止。
4）當智能電源屏恢復正常工作狀態時，電源系統馬上切換回智能電源屏計軸電源分路輸出主供電模式，計軸備用電源輸出則自動置于在線待命狀態，切換時間同樣為0mS。
5）計軸備用電源柜電池組的后備供電時間滿負荷時可以維持至少1.5小時，而按照目前大多數站點的實際負荷則可以維持3～4小時。
6、計軸后備電源主要技術特點
1）計軸備用電源具備人性化的智能管理功能，具有遙測、遙信、遙控功能，顯示屏幕及遠程監控中心可以實時顯示設備運行狀況及故障告警信息。
2）AC/DC整流充電模塊及DC/DC穩壓電源模塊都采用1+1冗余并聯方式供電，其中一個電源模塊出現故障退出不會影響另一個模塊的繼續供電輸出。
3）各AC/DC整流充電模塊的供電均由隔離變壓器隔離供電，抗干擾能力強，有效杜絕外部電網干擾雜訊對信號設備的工作影響。
4）計軸備用電源設有防短路保護檢測功能，當電池保險管過流或短路熔斷時能及時斷開與主機的電路連接，發出告警信號。
5）計軸備用電源設有電池輸出電流檢測監控功能，防止過放電損壞電池組或信號計軸設備。
6）電源設備的進、出風口均設置防塵過濾網，防止灰塵進入機內影響設備的正常運行。
7） 電源設備內安裝層設置防塵保護罩，防止積塵及異物掉落造成電路故障。
8）計軸備用電源具有故障退出功能，當設備發生故障后將自動退出，不會影響信號電源屏計軸電源的正常供電。
9）整流充電模塊及輸出穩壓模塊均參照軍用電源中應用較廣的電感儲能升壓變換方式及電路拓撲結構，抗干擾能力強，可靠性、安全性更高。
10）每個DC/DC穩壓電源模塊均設有獨立的輸出高壓鎖定保護電路，確保電源模塊出現故障引起輸出電壓持續超過60.0V時自動關閉其輸出。
11）計軸備用電源具有完善的保護措施及告警功能。
① 具有市電輸入高、低電壓檢測告警保護功能。
② 具有電池充放電高、低電壓檢測告警保護功能。
③ 具有穩壓輸出高、低電壓檢測告警保護功能。
④ 具有電源模塊工作狀態檢測告警保護功能。
⑤ 具有輸入、輸出及電池回路均設有熔絲過流保護裝置。
⑥ 具有輸入浪涌保護及輸出濾波電路裝置。
⑦ 所有AC分斷控制均選用工業級D型開關，電池及直流輸出均采用直流專用斷路器，確保正常供電時的可靠導通及短路保護時的快速分斷。
7、計軸后備電源電池容量計算方法
根據以往地鐵項目工程經驗并參考電池廠商提供的電池放電特性曲線，一般采取以下計算公式計算后備電池組總容量：
其中：Uo為計軸備用電源額定輸出電壓：60V；
Io為電源柜額定輸出電流：25A；
Ub為后備電池組額定電壓：36V；
t為電池后備放電時間：1.5h；
?為電池化學及物理轉換效率：0.6。
根據以上公式計算出備用電源后備電池需要總容量為：
C = 60V×25A×1.5h/(36V×0.6) = 104(Ah)
為了進一步提高蓄電池組的可靠性，這里選用2組湯淺公司65Ah/12V密封免維護鉛酸電池組冗余并聯使用，每組由3節單體電池串聯組成，兩組容量相加，總容量為130Ah，可以滿足滿載輸出1.5小時、半載3～4小時的后備供電需求，以及使用兩、三年后電池容量自然衰減時的后備供電時間保障。
三、計軸備用電源主要技術參數
計軸備用電源技術方案是根據北京地鐵線路曾多次出現信號電源系統計軸電源分路掉電故障，造成站點列車長時間停運事故而專門提出的設計方案，能為信號系統沿用的智能電源屏計軸電源系統提供多重安全供電保障，在不影響主線路的智能電源屏計軸電源給計軸設備正常供電的前提下，并聯輸出的計軸備用電源增加了備用供電、后備供電的額外兩重供電保障。信號電源系統正常工作時，計軸設備由智能電源屏計軸電源分路主供電；當主供電的智能電源屏計軸電源分路輸出出現掉電故障時，計軸備用電源柜馬上在0mS內不間斷供電給計軸設備，保持信號系統正常持續工作狀態，信號系統也不會出現紅光帶告警停運事故；當市電輸入斷電時，計軸備用電源的后備電池組還可以延時供電給計軸設備正常工作1.5小時以上。因此，推廣計軸備用電源設備的應用，對提高城市軌道交通信號電源系統的可靠性及列車運行的安全系數，是有著極大意義的。
根據以上技術方案所研制的計軸備用電源設備，在北京地鐵10號線的信號供電電源系統的應用取得了良好的效果，已成功解決了當前信號計軸電源系統經常出現掉電故障導致的列車停運問題，對信號系統的正常持續工作具有多重安全保障作用，也為城市軌道交通其它專業提高供電系統的可靠性起到一定的借鑒作用。
* 參考文獻
[1] 城市軌道交通信號電源系統可靠性分析[J]. 牛振宇.《城市軌道交通研究》.2017.20（09）
[2] 城市軌道交通信號電源系統計軸電源的可靠性研究[J]. 穆石.《鐵路通號信號工程技術》.2017.14（03）
聲明：本論文所闡述的技術方案乃作者多年的技術經驗成果，如需要引用及轉載的，請注明來源及出處。謝謝！
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