田永平 劉 延 賀密軍 付建華

為確保客運(yùn)專線信號(hào)電源設(shè)備的高可靠、高安全運(yùn)行，原鐵道部科技司下達(dá)了重點(diǎn)課題《客專信號(hào)設(shè)備電源系統(tǒng)技術(shù)方案研究》，主要對(duì)客專信號(hào)電源的技術(shù)方案進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以期從技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化的層面，對(duì)客專信號(hào)電源的總體技術(shù)方案進(jìn)行規(guī)范和系統(tǒng)化的闡述。繼2013年在《鐵道通信信號(hào)》期刊發(fā)表對(duì)廣鐵 (集團(tuán))公司、武漢鐵路局的調(diào)研報(bào)告后，現(xiàn)繼續(xù)對(duì)上海地鐵10號(hào)線虹橋地鐵站控制中心、上海虹橋高鐵站、上海虹橋RBC中心等信號(hào)電源的使用情況、存在問(wèn)題及改進(jìn)建議進(jìn)行介紹。

1 調(diào)研內(nèi)容

1.1 上海虹橋地鐵站

上海地鐵10號(hào)線虹橋地鐵站控制中心處于地鐵站負(fù)1層，信號(hào)與通信設(shè)備同設(shè)在一個(gè)機(jī)房。調(diào)研時(shí)，室內(nèi)溫度26℃，濕度54%。控制中心機(jī)房設(shè)置2套防雷配電箱，一套用于給交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電源供電，另一套給其他信號(hào)電源供電。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流較大，對(duì)UPS沖擊較大，故將其輸入電源單獨(dú)配置配電箱。在防雷配電箱外，還配置了WDCS-I型外電網(wǎng)質(zhì)量綜合測(cè)試儀，用于對(duì)外電網(wǎng)電源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到信號(hào)集中監(jiān)測(cè)設(shè)備顯示。

1.電源系統(tǒng)。虹橋地鐵站控制中心原采用通信信號(hào)綜合UPS的方案，使用單套 GE 80 kVA UPS為機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備供電。后為了提升信號(hào)電源的可靠性，將信號(hào)電源從UPS綜合供電中獨(dú)立出來(lái)，采用雙總線UPS的方式。信號(hào)供電系統(tǒng)采用30 kVA智能電源屏，配套雙套GE 20 kVA UPS，UPS為雙母線結(jié)構(gòu)。該站信號(hào)電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.電池。通信電源的蓄電池組采用了磷酸鐵鋰電池，而非目前通常使用的鉛酸電池。單組電池3.6 V，每節(jié)電池內(nèi)置監(jiān)測(cè)單元，可監(jiān)測(cè)電池單體電壓、溫度、總電流等數(shù)據(jù)，同時(shí)可通過(guò)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)預(yù)防修。電池柜防護(hù)等級(jí)IP54。

相比鉛酸電池，鐵鋰電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：①適應(yīng)范圍寬，使用環(huán)境要求低，能適應(yīng)0℃ ～40℃工作溫度，而鉛酸電池最優(yōu)的工作溫度是25℃，溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響其壽命和容量;②在正常使用范圍內(nèi)，鐵鋰電池壽命超過(guò)15年，而鉛酸電池由于受使用環(huán)境的影響，壽命一般為5～8年;③自放電率低，重量輕，體積小，約是同容量鉛酸電池的1/3。

磷酸鐵鋰電池也有不足：①對(duì)充電管理要求較高，需要防護(hù)單體過(guò)充;②價(jià)格較高，是同容量鉛酸電池的2～4倍;③應(yīng)用時(shí)間較短，可靠性有待驗(yàn)證。

為了保證UPS及電池運(yùn)行可靠，地鐵公司聘請(qǐng)專業(yè)公司每年檢修2次UPS主機(jī)，電池每年4次充放電，具有較為完善的周檢保障措施。

圖1 虹橋地鐵站控制中心信號(hào)電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 上海虹橋高鐵站

虹橋高鐵站的信號(hào)電源設(shè)備代表了京滬高鐵信號(hào)電源設(shè)備的典型應(yīng)用配置。該站單獨(dú)設(shè)置信號(hào)電源室，室內(nèi)采用“中央空調(diào)+分體工業(yè)空調(diào)機(jī)”的控溫方式，保證在中央空調(diào)不開(kāi)機(jī)的季節(jié)，使用分體工業(yè)空調(diào)維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。調(diào)研時(shí)，室內(nèi)溫度27℃，濕度70%。

信號(hào)電源入口端設(shè)置了防雷電源箱和信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外電網(wǎng)監(jiān)測(cè)單元 (TJWX-2006-HH型)，可將外電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給微機(jī)監(jiān)測(cè)，滿足對(duì)外電網(wǎng)供電質(zhì)量的分析要求。

該站的電源屏型號(hào)為PKX1-C70/380，容量為70kVA，整套設(shè)備采用“智能電源屏+雙UPS并聯(lián)冗余”的結(jié)構(gòu)，UPS采用艾默生Nxa6 0雙臺(tái)UPS，電池采用松下LC-X1265ST鉛酸電池，后備時(shí)間0.5 h。轉(zhuǎn)轍機(jī)電源不經(jīng)過(guò)UPS，由電網(wǎng)直接供電;繼電器、電碼化、區(qū)間移頻等直流負(fù)載電源采用高頻開(kāi)關(guān)N+1并聯(lián)冗余方式供電;25 Hz電源模塊采用高頻開(kāi)關(guān)電源1+1熱備切換方式供電;信號(hào)點(diǎn)燈、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、監(jiān)測(cè)、列控、TDCS等交流50 Hz電源，從并聯(lián)UPS電源后經(jīng)過(guò)隔離變壓器供電，虹橋高鐵站供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 虹橋高鐵站信號(hào)電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)輸入電源進(jìn)行了測(cè)試，三相諧波失真度均小于＜1%。

在設(shè)備維護(hù)管理方面，上海電務(wù)段在模塊面板和變壓器體上加貼了溫度顯示貼 (60℃、70℃、80℃)，可以隨時(shí)直觀了解電源模塊和變壓器的溫度狀態(tài)，并且根據(jù)使用說(shuō)明，制定了UPS及電池的維護(hù)規(guī)則，由專業(yè)公司代維，每年對(duì)UPS系統(tǒng)維護(hù)2次，電池充放電2次，每次半小時(shí);電源屏的備品備件每年進(jìn)行1次上電檢修。

1.3 上海虹橋高鐵站無(wú)線閉塞中心(RBC)

因RBC設(shè)備發(fā)熱量大，對(duì)環(huán)境要求很高，在每個(gè)機(jī)房均設(shè)置了主、備機(jī)空調(diào)方式。上海虹橋高鐵站RBC機(jī)房?jī)?nèi)安裝有京滬高鐵、滬寧城際、滬杭城際3條高鐵線的RBC控制設(shè)備，其RBC電源系統(tǒng)也對(duì)應(yīng)設(shè)有3套，且均采用“智能電源屏+雙UPS并聯(lián)冗余”的供電方式，典型供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.滬寧城際RBC電源系統(tǒng)的電源屏型號(hào)為PKXJX-I50/380，EMERSON雙 UPS并聯(lián)輸出，型號(hào)為Nxa40。

2.滬杭城際RBC電源系統(tǒng)的電源屏型號(hào)PKX1-JH50/380，EMERSON雙UPS并聯(lián)輸出，型號(hào)為Nxa30。

3.京滬高鐵RBC電源系統(tǒng)的電源屏型號(hào)PKX1-HH50/380，EMERSON雙UPS并聯(lián)輸出，型號(hào)為Nxa60。

3套電源系統(tǒng)的蓄電池組均無(wú)法在線監(jiān)測(cè);電源系統(tǒng)輸入口均獨(dú)立設(shè)置了防雷配電箱和外電網(wǎng)監(jiān)測(cè)單元 (TJWX-2006-HH型)，可將外電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給信號(hào)集中監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖3 上海虹橋高鐵站無(wú)線閉塞中心 (RBC)電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 完善及改進(jìn)建議

2.1 與上海鐵路局、上海地鐵公司技術(shù)交流

課題組與上海鐵路局、上海地鐵公司的相關(guān)技術(shù)專家和運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員，對(duì)信號(hào)電源設(shè)備使用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了交流，了解信號(hào)電源產(chǎn)品故障統(tǒng)計(jì)情況，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用及今后的技術(shù)方案提出了如下建議。

1.對(duì)有高可靠性供電要求的車站，應(yīng)采用高可靠性的技術(shù)方案，比如類似于虹橋地鐵站控制中心的全隔離雙總線系統(tǒng)，輸出電源均應(yīng)采用雙電源方式。

2.將UPS、電池、配電箱的監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)均傳至電源屏，由電源屏統(tǒng)一上傳。對(duì)于現(xiàn)有串口滿足不了數(shù)據(jù)傳輸速率要求的，可采用CAN總線或網(wǎng)絡(luò)總線等更快速的方式進(jìn)行傳輸。

3.針對(duì)不同負(fù)載制定不同的安全等級(jí)，對(duì)于等級(jí)高的電源采用獨(dú)立電源供電，不得與其他電源共用。

4.應(yīng)加強(qiáng)電池的管理，電池的壽命有明確規(guī)定，對(duì)電池要進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，做到預(yù)防修。

2.2 與中達(dá)電通公司技術(shù)交流

目前客專信號(hào)電源屏，無(wú)論樞紐車站，還是一般車站或中繼站，都采用了前置UPS作為如電網(wǎng)諧波、電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)等外電網(wǎng)問(wèn)題的解決方案，UPS在系統(tǒng)中處于關(guān)鍵的串聯(lián)環(huán)節(jié)。如果UPS出現(xiàn)問(wèn)題，則整個(gè)客專信號(hào)設(shè)備電源系統(tǒng)將整體失去供電而崩潰。因此UPS是方案的核心部分，其供電質(zhì)量及可靠性直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。而UPS在系統(tǒng)中的配置方案，既是系統(tǒng)整體可靠性的基礎(chǔ)，又關(guān)系到系統(tǒng)可維護(hù)性和系統(tǒng)成本。

課題組聽(tīng)取了中達(dá)電通技術(shù)專家對(duì)有關(guān)UPS技術(shù)發(fā)展，以及在可靠性需求較高的場(chǎng)合下，使用的UPS冗余方案等方面的介紹，總結(jié)了不同UPS配置方案的特點(diǎn)，如表1所示。

表1 不同UPS配置方案的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

3 總結(jié)

本次調(diào)研的上海虹橋地鐵站、高鐵站的信號(hào)電源設(shè)備，基本代表了國(guó)內(nèi)地鐵、高鐵信號(hào)電源系統(tǒng)的較高配置形式。為了保證信號(hào)設(shè)備的可靠供電，信號(hào)電源系統(tǒng)均采用了“智能電源屏+雙UPS”的工作方式，其中地鐵站還使用了雙總線供電方式，以提高信號(hào)電源系統(tǒng)供電可靠性。通過(guò)調(diào)研，對(duì)現(xiàn)用信號(hào)電源設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成、供電現(xiàn)狀、負(fù)載類型、UPS和電池使用維護(hù)等有了更深入的了解，為確定高可靠的信號(hào)設(shè)備供電系統(tǒng)方案，制定更加專業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范將有重大借鑒作用。

［1］ 中華人民共和國(guó).GB 50174-2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范(Code for design of electronic information system room)［S］.2008.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.科技運(yùn)［2008］客運(yùn)專線鐵路信號(hào)產(chǎn)品暫行技術(shù)條件匯編［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

［3］ 王憶潔，喬美荷.通信與信號(hào)UPS電源整合方案［J］.鐵道通信信號(hào)，2007，43(9)：

［4］ 張生鋮.通信行業(yè)UPS電源系統(tǒng)應(yīng)用方案［J］.UPS應(yīng)用，2008(1).

［5］ 衣斌，李新鵬，馬強(qiáng)，高磊.磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的應(yīng)用研究［J］.通信電源技術(shù)，2012，29(4)：27-30.