西安地铁1号线信号电源系统方案分析

摘要：随着城市轨道交通的发展，信号系统的技术及功能也在不断地提高和增强。基于城市轨道交通信号系统具有高度智能化、自动化、信息化的特点，同时对信号设备的安全性、可靠性要求很高的考虑，信号系统必须采用高可靠性的供电系统。为此，西安地铁1号线信号系统配置了智能化、模块化、网络化的智能电源系统，以满足西安地铁1号线信号设备的要求。介绍了西安地铁1号线信号电源系统的构成和工作原理，阐明了信号电源系统对于地铁安全、可靠运营的重要性，并对其实现方案进行了探讨。
关键词：地铁；信号；电源系统；电源屏；UPS

    信号系统作为地铁安全运行的关键设备，在保障列车安全、可靠运行，以及提高运营效率等方面发挥着重要作用。西安地铁1号线信号系统采用具有先进技术的基于无线通信的列车控制系统(CBTC)，其中列车自动监督系统、计算机联锁系统由北京全路通信信号研究设计院提供，列车自动防护系统和自动驾驶系统从德国西门子公司引进。由于信号系统采用了先进的计算机、通信及自动控制技术，因此对信号电源系统的性能指标、可靠性要求很高。文中针对西安地铁1号线信号电源系统实现方案进行了分析。

1 电源系统方案
    为了保证信号系统设备稳定、可靠和连续地运行，西安地铁1号线控制中心、设备集中站、车辆段／停车场均配置了信号电源系统，其主要由电源屏、UPS及蓄电池等组成，如图1所示。设备室低压箱两路独立的交流供电引至电源屏，经电源屏切换单元切换后引入UPS，UPS向电源屏连续输出AC380V交流电源，再由电源屏为信号设备提供稳定的交流电源和直流电源。

2 电源屏
    西安地铁1号线信号电源系统采用了鼎汉技术股份有限公司的PZG系列智能信号电源屏。该设备采用模块化结构设计，是具有集PFC、热插拔等先进技术于一体的智能高频开关电源，具有综合化、模块化、智能化、网络化的特点。
2．1 输入切换单元
    智能信号电源屏配置智能输入切换单元，采用可靠的智能切换控制，实现对两路引入交流供电进行切换控制。输入切换单元工作原理如图2所示。

    1)QF1、QF2为I、Ⅱ路外电网输入开关；
    2)KM1、KM2为交流接触器。KM1、KM2具有电气和机械互锁特性；
    3)K1、K2为切换系统直供选择开关。K1作用是对直供I和Ⅱ路外电网进行选择，K2作用是决定是否直供。
    外电网输入开关OF1和QF2分别与交流接触器KM1和KM2对应相连，切换单元通过控制两个交流接触器(KM1、KM2)以实现主回路切换。
在供电正常情况下，K2处于自动切换状态。当自动切换失效时可操作K2，使其处于直供状态。切换单元处于自动切换状态时，可以选择I路优先、Ⅱ路优先或无优先。
    在I路优先的情况下，KM1吸合，KM2断开。当第一路输入超限时，KM1断开，KM2吸合，由第二路输入向系统供电。同样在第一路输入恢复正常时，KM2断开、KM1吸合，仍然由第一路输入向系统供电。
    Ⅱ路优先的情况与I路优先情况相反，KM2吸合，KM1断开。当第二路输入超限时，KM2断开，KM1吸合，由第一路输入向系统供电。同样在第二路输入恢复正常时，KM1断开，KM2吸合，仍然由第二路输入向系统供电。
    在无优先的情况下，先上电的一路作为主用电源，后上电的作为备用电源，两路没有优先级。
    自动切换系统可以对外电网输入设定门限值，包括电网过压、欠压、缺相、错相、停电。外电网处于任何一种状态时，都会被限制接入电源系统。
2．2 智能电源模块
    电源系统的各个组成部分均采用模块化设计结构，多种电源模块可灵活配置，模块智能自诊断功能可实现系统的免维修，少维护。
    智能电源模块采用无损伤热插拔技术，其输出和输入都有软起动和电流限制装置，带电插拔不会引起系统输出电压的扰动。模块本身具有独立的内嵌式CPU监控板，可自我监控模块的工作状态，从而成为一个真正的智能电源模块。模块工作的所有信息均可通过RS485接口传输到监控模块，方便后台实时监控各模块状态。
    智能电源模块分为直流模块、交流模块：
    直流模块采用高频开关电源功率因数自动调整技术(PFC技术)，输出采用自主均流“N+1”冗余配置的高频开关电源模块，保证了系统切换时直流电源不间断输出。直流DC24V电源为计算机联锁系统、光连接模块、继电器等设备提供供电，直流DC60V电源为ATP系统等设备供电。
    交流模块输出采用“1+1”电子互锁主备配置，提高了系统可靠性、灵活性。交流AC220V电源经过在线UPS稳压后，再经过隔离变压器，对输出进行隔离，为轨道电路等设备提供供电。交流AC380V不经过在线式UPS，经过隔离变压器单独输出，为转辙机AC380V等设备提供供电。
2．3 安全防护
2．3．1 漏电检测
    漏电保护装置检测电路对各路电源输出进行检测。可以检测交流电源相线到地和零线到地的漏电流，或检测直流电源正极到地及负极到地的漏电流。当检测到漏电流大于设定值时报警，保护电路动作。
2．3．2 电源隔离
    电源屏对室外设备、继电电路供电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。
2．3．3 过压／过流保护
    为保障设备安全，电源模块具有过压过流保护措施。当模块输出过电压时，自身处于保护状态，切断对外部电源供电。当模块输出电流超出额定值时，即进入限流输出状态。
2．3．4 防雷措施
    PZG系列信号电源系统具有完善的交、直流侧防雷措施。防雷系统由输入防雷和输出防雷两部分组成，输入采用三级防雷系统，B级防雷位于机柜外面，C、D级防雷包含于机柜中。为保证室外信号设备能在恶劣环境下可靠工作，每路输出均配置一级输出防雷。
    防雷装置具有智能监测功能，防雷器失效时报警。防雷系统如图3所示。

2．4 智能监控系统
    智能监控系统可实时监测系统的工作状态，故障及时显示和报警，并具有故障记忆功能。
    监控系统采用配电监控和模块监控、监控单元及后台监控三级监控。模块监控和配电监控为第一级监控，监控单元为第二级监控，后台监控为第三级监控。下级监控保证在上级监控故障或不存在时能独立工作，产生报警信息；上级监控可以对下级监控的工作状态和数据进行汇总处理。
    各车站电源屏的配电监控和模块监控采用RS-232串行接口方式与检测单元连接，并通过以太网组网后，与后台监控工作站连接，实现全线电源设备输入输出参数、运行状态监控和故障报警功能，如图4所示。智能监控系统各级的作用如下：

    1)配电监控：交流输入监控、系统告警、输出空开监控；
    2)模块监控：模块输出电压电流、运行状态监控，上报监控单元；
    3)监控单元：电源屏系统监控、UPS监测、向后台监控上报消息、向微机监测输出信息；
    4)后台监控：远程集中监控。

3 UPS
    UPS主要功能是将从设备室低压箱引入的交流供电经过整流和逆变，为设备提供持续、稳定和纯净的电源，保证信号设备数据和控制的安全。
    UPS可分为三种，即后备UPS、互动式UPS和双变换式UPS。西安地铁1号线信号系统采用美国艾默生公司双变换式UPS产品，其工作模式主要包括3种：正常工作模式、电池工作模式、旁路工作模式，如图5所示。

    1)正常工作模式
    当低压箱供电正常时，交流电源输入经AC／DC整流器转换为直流，一方面向逆变器供电，将直流电压经DC／AC逆变成交流电压向设备提供高品质交流电源，另一方面通过整流器向电池充电，将能量储存在电池中。
    2)电池工作模式
    当低压箱供电异常时，AC／DC整流器停止工作，系统不间断自动切换到电池工作模式，由电池通过逆变器输出交流电向设备供电。当供电恢复后，蓄电池便停止向逆变器供电，系统自动无间断地恢复到正常工作模式。
    3)旁路工作模式
    当低压箱供电或DC／AC逆变器过载或发生故障时，逆变器停止工作。为保证负载仍能正常工作，静态开关切换到旁路。当逆变器恢复正常或负载功率控制在逆变器输出额定功率范围内时，输出静态开关将自动由旁路供电切换到逆变供电状态ade。

4 结束语
    地铁信号系统作为一级负荷，对供电质量要求很高，需要为信号设备选择高可靠性的供电方案，以及配置高品质的电源设备。西安地铁1号线信号电源系统方案具有一定的技术先进性，同时具有高可靠性、适用性和可维护性，能保证为信号设备提供高可靠性、高安全性、高质量的供电，实现地铁安全、可靠、高效地运行。