牛振宇

城市軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)可靠性分析

牛振宇

（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，201103，上海//工程師）

城市軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)為信號(hào)系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的供電，其可靠性需納入信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行考慮，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的可靠性目標(biāo)。對(duì)目前信號(hào)系統(tǒng)常見的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并建立了相應(yīng)的可靠性模型。比較了不同方案的可靠性及主要影響因素，為提升信號(hào)系統(tǒng)整體可靠性提供參考。

城市軌道交通；信號(hào)系統(tǒng)；不間斷電源；可靠性

AbstractThe power sub-system provides stable power supply to signaling system in urban transit，the reliability of which needs to be taken into consideration with the signaling equipment，to achieve the reliability target of the whole system.In this paper，the common power supply structure in signaling system is analyzed，corresponding models with reliability are established.In the end，the reliability and influential factors of every signaling system configuration are compared in order to provide advice for the enhancement of signaling system reliability.

Key wordsurban rail transit； signaling system； uninterruptible power system（UPS）；reliability

Author′s addressShanghai Shentong Metro Group Co.，Ltd.，201103，Shanghai，China

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是保障列車行車安全，實(shí)現(xiàn)行車自動(dòng)化的關(guān)鍵系統(tǒng)，其整體可靠性需得到保障。電源系統(tǒng)為信號(hào)設(shè)備提供電源輸入，其供電可靠性直接關(guān)系到信號(hào)系統(tǒng)的正常工作，需予以重點(diǎn)關(guān)注。

本文對(duì)目前常見的3種電源系統(tǒng)配置方案進(jìn)行了分析，并結(jié)合電源系統(tǒng)模塊與信號(hào)系統(tǒng)各設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立可靠性模型，進(jìn)行可靠性指標(biāo)的計(jì)算；在此基礎(chǔ)上，分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景來選取合適的配置方案，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的整體可靠性。

1 電源系統(tǒng)組成

城市軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)主要由電源屏及UPS（不間斷電源）設(shè)備組成。

（1）電源屏：電源屏為信號(hào)系統(tǒng)各設(shè)備提供直流電源和交流電源，其主要模塊包括主副電源切換模塊、交流模塊、直流模塊、隔離變壓器及防雷模塊等。當(dāng)2路外電網(wǎng)中的主路發(fā)生故障時(shí)，主副電源切換模塊可自動(dòng)將外電網(wǎng)切換到另1路；同時(shí)，主副電源切換模塊還提供手動(dòng)切換和直供功能。交流模塊將外部輸入的交流電經(jīng)整流逆變，轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需頻率和電壓的交流電。直流模塊通過對(duì)外部電源的整流和功率變換，提供不同電壓的直流電源，為直流負(fù)載供電。隨著電源屏的智能化程度不斷提高，主副電源切換模塊還設(shè)置了狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。這有助于相關(guān)人員及時(shí)了解設(shè)備狀態(tài)，提高了維修效率。

（2）UPS設(shè)備：UPS為信號(hào)系統(tǒng)各設(shè)備提供不間斷的高質(zhì)量電源，并在外電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)可提供一定時(shí)間的供電輸出。其主要模塊包括濾波模塊、整流模塊、逆變模塊及蓄電池。當(dāng)外電網(wǎng)輸入正常時(shí)，UPS通過整流器和逆變器為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，同時(shí)向蓄電池充電；當(dāng)外電網(wǎng)輸入中斷時(shí)，UPS通過蓄電池和逆變器向設(shè)備供電，提供不間斷的電源輸出，以確保設(shè)備不會(huì)因突然斷電而損壞，為運(yùn)營維護(hù)人員保存重要數(shù)據(jù)、完成應(yīng)急處理提供時(shí)間。

2 電源系統(tǒng)配置方案

目前，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)常見的電源配置方案有單UPS方案、雙UPS方案及綜合UPS方案。

2.1 單UPS方案

單UPS方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號(hào)系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立的電源屏及UPS，外電網(wǎng)兩路輸入接入電源屏切換模塊，通過UPS整流逆變后，接入電源屏的交流屏和直流屏。

冗余交流負(fù)載（如聯(lián)鎖A、B機(jī)）或配置了冗余電源模塊的交流負(fù)載（如區(qū)域控制器），分別由2個(gè)隔離變壓器輸出交流電源供電。這樣，即使單路交流電源發(fā)生故障，也只會(huì)造成設(shè)備冗余喪失或電源模塊冗余喪失，而不會(huì)影響整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。直流負(fù)載（如計(jì)軸機(jī)柜、繼電器等）通過1+1直流模塊并聯(lián)供電。這樣，即使單個(gè)直流模塊發(fā)生故障，也不會(huì)造成信號(hào)系統(tǒng)斷電。

圖1 單UPS方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 雙UPS方案

該方案配置了雙套UPS，相應(yīng)的電源屏也設(shè)置了雙套的輸入切換單元。雙UPS方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2路外電網(wǎng)分別接入2套電源屏輸入切換單元，形成兩路輸出，分別經(jīng)UPS1和UPS2后接入電源屏的交流屏和直流屏。

冗余的交流負(fù)載或帶有冗余電源模塊的交流負(fù)載通過UPS1、UPS2各自連接的隔離變壓器供電，故單個(gè)UPS故障或隔離變壓器故障均不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。直流負(fù)載通過UPS1、UPS2各自連接的直流模塊形成1+1冗余并聯(lián)供電，故單個(gè)UPS故障或直流模塊故障也不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備斷電。

2.3 綜合UPS方案

綜合UPS方案是將信號(hào)、通信、FAS（防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)）及BAS（車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）等弱電系統(tǒng)集中設(shè)置UPS的電源配置方案。弱電系統(tǒng)共用冗余的大功率UPS，并通過STS（靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)）接入各系統(tǒng)的電源屏為設(shè)備供電。綜合UPS方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該方案的負(fù)載連接方式與單UPS方案類似。當(dāng)單個(gè)UPS發(fā)生故障時(shí)，可通過STS切換至另一臺(tái)UPS，確保負(fù)載的供電不被中斷。但STS發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)失去供電。

圖2 雙UPS方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 綜合UPS方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 可靠性分析

3.1 可靠性模型建立

電源系統(tǒng)是為信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備提供電源輸出的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性最終體現(xiàn)在能否為信號(hào)系統(tǒng)各設(shè)備可靠供電。電源系統(tǒng)指標(biāo)需納入信號(hào)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)中，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的可靠性。

信號(hào)系統(tǒng)可靠性分析要根據(jù)電源系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)各設(shè)備的連接關(guān)系建立相應(yīng)的可靠性模型來進(jìn)行分析。本文以冗余交流負(fù)載（如聯(lián)鎖系統(tǒng)）供電為例，根據(jù)3種電源配置方案建立相應(yīng)的可靠性模型（見圖4～圖6）。

圖4 單UPS方案電源系統(tǒng)的聯(lián)鎖可靠性模型

圖5 雙UPS方案電源系統(tǒng)的聯(lián)鎖可靠性模型

圖6 綜合UPS方案電源系統(tǒng)的聯(lián)鎖可靠性模型

3.2 可靠性指標(biāo)分析

假設(shè)各方案中相同設(shè)備的失效率相同，則單UPS方案的聯(lián)鎖系統(tǒng)失效率λ1為：

λ1=（λ外2+ λ切）λ蓄+ λUPS+（λ隔+ λ聯(lián)）2式中：

λ外——外電網(wǎng)失效率；

λ切——輸入切換單元失效率；λUPS——UPS失效率；

λ蓄——蓄電池的失效率；

λ隔——隔離變壓器的失效率；

λS——STS靜態(tài)開關(guān)的失效率；

λ聯(lián)——聯(lián)鎖設(shè)備的失效率。

λ1對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)平均無故障時(shí)間t1為：

雙UPS方案的整體失效率λ2為：

λ2對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)平均無故障時(shí)間t2為：

綜合UPS方案的整體失效率λ3為：

λ3對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)平均無故障時(shí)間t3為：

3.3 方案比較分析

對(duì)上述可靠性建模進(jìn)行定性分析可見，各設(shè)備失效率均較小，在進(jìn)行相乘或平方后基本可忽略不計(jì)；故影響系統(tǒng)整體可靠性指標(biāo)的主要因素是未相乘或平方的設(shè)備失效率。

在單UPS方案中，對(duì)聯(lián)鎖子系統(tǒng)整體可靠性影響較大的因素是UPS設(shè)備。由于采用單UPS供電，一旦UPS（包括靜態(tài)旁路）發(fā)生故障，將導(dǎo)致其所連接的負(fù)載失電；故在采用該方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注UPS設(shè)備的可靠性。選用高可靠性的UPS設(shè)備是提高整個(gè)聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠性的有效措施。該方案電源系統(tǒng)配置的設(shè)備較少，故障總數(shù)量也較少，在設(shè)備維護(hù)工作量方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該電源系統(tǒng)所占用的設(shè)備房空間較小，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

雙UPS方案采用了雙套UPS，電源系統(tǒng)均為冗余配置，其系統(tǒng)整體失效率為多個(gè)設(shè)備失效率平方后的結(jié)果，整體失效率較低，可靠性較高。但該方案的電源系統(tǒng)設(shè)備較單UPS方案多，因而故障數(shù)量會(huì)上升，后期的維護(hù)工作量較多；設(shè)備占用空間也較大，費(fèi)用相對(duì)較高。

綜合UPS方案同樣配置了雙套的冗余UPS。由于該冗余UPS為多個(gè)弱電系統(tǒng)共用，故UPS容量較大，可靠性較高。從可靠性計(jì)算分析可以看出，STS的可靠性對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性影響較大。從影響范圍來看，STS一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)失電。綜合UPS方案不需要信號(hào)系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置電源，從資源共享和減少設(shè)備用房面積方面占有一定優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

信號(hào)電源系統(tǒng)是為信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備提供電源輸出的關(guān)鍵設(shè)備。在進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)的可靠性分析時(shí)，需將電源系統(tǒng)納入一并考慮，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)可靠性目標(biāo)。本文對(duì)目前常見的3種電源配置方案進(jìn)行了可靠性建模分析，并對(duì)3種方案的可靠性影響因素、方案利弊以及實(shí)際使用中存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。在工程建設(shè)過程中，可結(jié)合具體的可靠性要求及工程費(fèi)用等條件，選擇合適的電源系統(tǒng)配置方案。

［1］鄧志翔.城市軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)配置方案研究［J］.城市軌道交通研究，2012，15（6）：66-69.

［2］蔡旭東.鐵路通信信號(hào)采用UPS供電的可靠性與可用性［J］.電氣化鐵道，2005（2）：42-43.

［3］董長青.安全冗余結(jié)構(gòu)鐵路信號(hào)配電系統(tǒng)研究［J］.鐵道通信信號(hào)，2007，43（8）：7-9.

［4］馮金洲,沈培生.智能電源屏可靠性初探［J］.鐵道通信信號(hào)，2005，41（12）：4-5.

［5］王小峰.城市軌道交通車站不間斷電源整合的可行性分析［J］.城市軌道交通研究，2015（6）：62-66.

Reliability Analysis of Power Sub-system in Urban Transit Signaling System

NIU Zhenyu

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.09.017

2015-11-19）