朵建華

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，315101，寧波//工程師)

電源設(shè)備是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備和重要組成部分，能保證信號(hào)設(shè)備穩(wěn)定、可靠、連續(xù)地運(yùn)行。本文主要針對(duì)信號(hào)電源系統(tǒng)常規(guī)設(shè)備及LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))設(shè)備的供電方案進(jìn)行技術(shù)分析。

1 信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧波軌道交通3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)采用的是不間斷電源(UPS)系統(tǒng)并聯(lián)蓄電池，經(jīng)智能電源屏輸出給用電負(fù)載的方式，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)及可靠性，設(shè)計(jì)了非集中站兩臺(tái)小功率UPS組成的雙母線方案,并采用交流模塊并聯(lián)技術(shù)、分時(shí)下電等技術(shù)，大大降低了故障概率，進(jìn)而更好地保障了整條線路的正常運(yùn)營(yíng)。其信號(hào)電源系統(tǒng)主要由電源架、UPS、電源屏1、電源屏2、電源屏3等組成。

寧波軌道交通3號(hào)線對(duì)于用電量較少的非集中站采用了單進(jìn)三出/三進(jìn)單出的小功率UPS；集中站等用電量偏大的供電，均采用中大功率的三進(jìn)三出UPS為信號(hào)的電源系統(tǒng)進(jìn)行不間斷供電。除UPS外其他電能變換環(huán)節(jié)采用模塊式結(jié)構(gòu)，智能信號(hào)電源設(shè)備的模塊對(duì)后端N個(gè)負(fù)載采用N+1并聯(lián)冗余工作熱備份技術(shù)。任何模塊單元出現(xiàn)故障可自動(dòng)退出并報(bào)警，任意單一功率模塊故障均不影響本路電源的正常容量輸出。并且信號(hào)電源屏內(nèi)功率模塊具備無損傷熱插拔功能，更換時(shí)間小于1 min，維護(hù)快捷方便。

獨(dú)特的兩路交流電源輸入自動(dòng)切換裝置和配套的系統(tǒng)方案，通過接觸器搭接及高可靠控制電路，可保障UPS前端的市電源源不斷。當(dāng)Ⅰ路輸入電源故障(包括過壓、欠壓、缺相、錯(cuò)相、停電等)，電源系統(tǒng)將自動(dòng)切換至Ⅱ路輸入電源工作，并通過監(jiān)控單元進(jìn)行告警并上傳；如果Ⅰ路輸入電源故障恢復(fù)，電源系統(tǒng)可手動(dòng)切換回Ⅰ路輸入電源。

信號(hào)電源系統(tǒng)具有完善的隔離、凈化、分配，以及漏電監(jiān)測(cè)功能；配備完善的防雷擊和過電壓、過電流、短路保護(hù)等電路，保證系統(tǒng)在惡劣條件下工作的可靠性、人身安全的可靠性、電氣火災(zāi)防護(hù)系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)設(shè)備符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)EN 60950(對(duì)應(yīng)GB 4943)以及其他相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；電源設(shè)備可以向信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的報(bào)警信息。

此外，寧波軌道交通3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)工程為了更好地實(shí)現(xiàn)LTE綜合承載功能，采取了非集中站設(shè)雙套UPS、蓄電池供電分時(shí)下電、LTE設(shè)備綜合供電等加強(qiáng)措施。

寧波軌道交通3號(hào)線的非集中站UPS 系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

注:RRU為射頻拉遠(yuǎn)單元圖1 信號(hào)電源非集中站系統(tǒng)供電原理圖

寧波軌道交通3號(hào)線的非集中站采用2臺(tái)單機(jī)UPS輸出雙母線的配置,即系統(tǒng)由電源屏輸出2臺(tái)獨(dú)立的UPS，2臺(tái)UPS的輸出獨(dú)立工作、互不影響，為冗余的后級(jí)設(shè)備分別供電。同時(shí)，為避免UPS與穩(wěn)壓器串聯(lián)造成單個(gè)設(shè)備故障，使后級(jí)設(shè)備供電中斷，寧波軌道交通3號(hào)線的非集中站在2臺(tái)UPS輸出端采用冗余并聯(lián)，經(jīng)具備穩(wěn)壓的交流模塊為交流負(fù)載進(jìn)行供電，取消了UPS旁路/輸出穩(wěn)壓器。交流模塊的輸入取自不同的UPS后，交流模塊的輸出給互為備份的信號(hào)負(fù)載設(shè)備。因單個(gè)交流模塊故障，不會(huì)影響后級(jí)信號(hào)設(shè)備供電。同樣，因單臺(tái)UPS故障，2套UPS分別為冗余的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備供電，也不影響正常的列車運(yùn)營(yíng)。

寧波軌道交通3號(hào)線的集中站采用了分時(shí)下電技術(shù)。即在蓄電池供電狀態(tài)下，針對(duì)負(fù)載的用電重要程度，將非重要負(fù)載優(yōu)先斷開，以保障重要負(fù)載獲得更長(zhǎng)的后備時(shí)間。軌道交通項(xiàng)目要求外電故障后信號(hào)系統(tǒng)部分負(fù)載仍需維持不小于30 min的供電時(shí)間。針對(duì)寧波軌道交通3號(hào)線專用無線通信系統(tǒng)及信號(hào)系統(tǒng)中的DCS(數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng))部分UPS供電時(shí)間不小于2 h的特殊要求，采用分時(shí)下電的解決方案來實(shí)現(xiàn)此功能。分時(shí)下電控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 分時(shí)斷電控制流程圖

分時(shí)下電主要部件包括以下幾部分：① 觸發(fā)元件,即蓄電池工作狀態(tài)的檢測(cè)裝置，在本系統(tǒng)中指的是UPS本身。當(dāng)市電斷電時(shí)，UPS采集到此信息，啟動(dòng)蓄電池逆變工作模式的同時(shí)把此信息發(fā)送給電源屏監(jiān)控單元。② 控制器,即采集信息、處理信息和輸出指令的裝置，在本系統(tǒng)中指的是監(jiān)控單元。監(jiān)控單元輸入模塊采集UPS蓄電池逆變信號(hào)，經(jīng)由輸出模塊發(fā)出下電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。③ 下電執(zhí)行機(jī)構(gòu),完成下電功能的具體元件，本系統(tǒng)中指的是斷路器和電動(dòng)操作裝置。通過控制電動(dòng)操作裝置的驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)，當(dāng)電動(dòng)操作裝置電源開關(guān)閉合時(shí)，觸發(fā)電動(dòng)操作裝置分閘信號(hào)，電動(dòng)操作裝置動(dòng)作使斷路器斷開，完成下電。

當(dāng)市電異常、蓄電池投入瞬間，UPS發(fā)送蓄電池逆變工作信號(hào)，此時(shí)監(jiān)控單元開始計(jì)時(shí)。在計(jì)時(shí)過程中如果市電恢復(fù)，則計(jì)時(shí)指令取消。本項(xiàng)目設(shè)分時(shí)段0.5 h和2 h兩種。信號(hào)電源設(shè)備的監(jiān)控單元發(fā)出下電指令，由分勵(lì)脫扣器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)斷路器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)后端對(duì)應(yīng)負(fù)載回路的下電動(dòng)作。未被下電的負(fù)載將通過UPS及蓄電池維持至電池組的截止電壓為止。當(dāng)輸出下電指令后，同時(shí)通過斷路器的輔助觸點(diǎn)檢測(cè)該斷路器是否完成下電；如果下電未完成，則提示下電失敗的告警信息。若分時(shí)下電故障,后端0.5 h和2 h的負(fù)載將通過UPS維持至電池組能量耗盡到截止電壓為止，不會(huì)因此而影響電池供電，并且監(jiān)控單元會(huì)即時(shí)觸發(fā)故障告警。

2 正線LTE設(shè)備供電方案

寧波軌道交通3號(hào)線正線的LTE設(shè)備由BBU(基帶處理單元)、RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)、LTE交換機(jī)和固定臺(tái)等組成，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 LTE電源設(shè)備電源需求參數(shù)一覽表

由于采用LTE綜合承載信號(hào)系統(tǒng)及專用無線系統(tǒng)，供電方案應(yīng)保證任一車站信號(hào)電源故障不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)及專用無線系統(tǒng)同時(shí)不可用。存在LTE設(shè)備由本站信號(hào)、通信兩個(gè)專業(yè)綜合供電或由信號(hào)專業(yè)本站、鄰站兩個(gè)車站供電兩種方案可供選擇。

2.1 綜合供電

LTE部分綜合供電由通信專業(yè)和信號(hào)專業(yè)分別提供A網(wǎng)和B網(wǎng)設(shè)備的電源輸入。其中，通信設(shè)備房電源屏提供A網(wǎng)的2路220 V輸入，而信號(hào)設(shè)備房電源屏提供B網(wǎng)的2路220 V輸入。以ZC4(區(qū)域控制器4)為例具體說明： ① 通信專業(yè)供電設(shè)備，在集中站(A網(wǎng))為BBU、RRU、LTE交換機(jī)和固定臺(tái)，在非集中站(A網(wǎng))為RRU和固定臺(tái)；② 信號(hào)專業(yè)供電設(shè)備，在集中站(B網(wǎng))為BBU、RRU和LTE交換機(jī)，在非集中站(B網(wǎng))為RRU。

綜合供電配置如圖3所示。由于LTE本站設(shè)備供電距離不遠(yuǎn)，分別位于信號(hào)設(shè)備室和站臺(tái)區(qū)域，以表2中截面積為1.5～4.0 mm2的線纜為計(jì)算基數(shù)。

圖3 LTE綜合供電及網(wǎng)絡(luò)配置方案表2 電源線徑計(jì)算參考表格

導(dǎo)線直徑/mm電線截面積/mm2銅的電阻率/(Ω·m)<1.0<1.50.018 2[1.0,2.5)[1.5,4.0)0.018 0≥2.5≥4.00.017 9

選取銅電阻率ρCu=0.018 0 Ω·m；選取極端情況下，通信機(jī)房至信號(hào)機(jī)房BBU和LTE交換機(jī)的距離為100 m,通信機(jī)房至車控室固定臺(tái)的距離為100 m,通信及信號(hào)機(jī)房至軌旁RRU的距離為925 m。

考慮到電纜的老化，因此BBU、LTE交換機(jī)、RRU和固定臺(tái)工作電壓分別選取200 V、120 V、110 V和110 V。

R=ρL/S=Ud max/lmax

(1)

式中：

R——導(dǎo)線電阻；

ρ——電阻率；

L——供電距離；

S——線纜截面積；

Ud max——線路允許最大壓降；

Imax——線路最大電流。

由式(1)可計(jì)算各情況下線纜的截面積：① BBU電纜,S=0.45 mm2;② LTE交換機(jī)電纜,S=0.072 mm2;③ RRU電纜,S=0.963 mm2;④ 固定臺(tái)電纜,S=0.029 7 mm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，電纜截面積最大不超過1 mm2即可。

2.2 鄰站供電

LTE部分鄰站供電由集中站和非集中站分別提供A網(wǎng)和B網(wǎng)設(shè)備的電源輸入。其中,集中站設(shè)備房電源屏需提供A網(wǎng)的LTE設(shè)備220 V輸入，而非集中站設(shè)備房電源屏提供B網(wǎng)220 V輸入。現(xiàn)以ZC4為例作具體說明：① 集中站(A網(wǎng))為BBU、RRU和LTE交換機(jī)；② 非集中站(B網(wǎng))為BBU、RRU和LTE交換機(jī)；③ 固定臺(tái)和站廳RRU由本站供電。

臨站供電配置如圖4所示，由于LTE設(shè)備供電距離長(zhǎng)，且電纜衰減壓降嚴(yán)重，因此以表2中截面積大于等于4 mm2的線纜為計(jì)算基數(shù)。

選取ρCu=0.017 9 Ω·m；選取極端情況下，信號(hào)集中站機(jī)房至信號(hào)非集中站機(jī)房BBU和LTE交換機(jī)的距離為1 826 m,信號(hào)機(jī)房至車控室固定臺(tái)的距離為100 m,信號(hào)非集中站機(jī)房至信號(hào)集中站處軌旁RRU的距離為2 239 m。

考慮到電纜老化，因此BBU工作電壓選取200 V，LTE交換機(jī)工作電壓選取120 V，RRU工作電壓選取110 V，固定臺(tái)工作電壓選取110 V。

由式(1)可計(jì)算得各情況下線纜的截面積：① BBU電纜計(jì)算，S=8.171 mm2；② LTE交換機(jī)電纜計(jì)算，S=1.307 mm2；③ RRU電纜計(jì)算，S=2.319 mm2；④ 固定臺(tái)電纜計(jì)算，S=0.029 6 mm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，BBU電纜需要使用8 mm2以上電纜。寧波軌道交通3號(hào)線有部分車站間距大于4 km，電纜截面積可能要大于20 mm2。

圖4 LTE鄰站供電方案

3 運(yùn)營(yíng)控制中心的LTE設(shè)備供電方案

3.1 綜合供電

運(yùn)營(yíng)控制中心(OCC)的LTE設(shè)備也可和軌旁一樣采用綜合供電方式。按表3,供電設(shè)計(jì)分析電源故障對(duì)系統(tǒng)的影響如下：① 如果信號(hào)輸入電源故障，集群業(yè)務(wù)可以通過LTE-A網(wǎng)進(jìn)行通信，LTE-B網(wǎng)無法正常工作，集群接入交換機(jī)2下連調(diào)度臺(tái)無法正常工作，集群接入交換機(jī)1下連調(diào)度臺(tái)均能正常工作，不影響集群調(diào)度功能；② 如果通信輸入電源故障，CBTC(基于通信的列車控制)業(yè)務(wù)可以通過LTE-B網(wǎng)進(jìn)行通信，LTE-A網(wǎng)無法正常工作，集群業(yè)務(wù)無法正常工作，不影響CBTC的功能。

表3 通信及信號(hào)供電設(shè)計(jì)一覽表

OCC設(shè)備連接見圖5,圖5中虛線框圈出部分為通信專業(yè)供電，其余為信號(hào)供電。

3.2 單獨(dú)供電

該方案由信號(hào)電源屏單獨(dú)給OCC的LTE設(shè)備供電。

4 方案比較

如表4所示，目前如果采用BBU鄰站供電，輸出電壓220 V時(shí)，室外電纜線徑太粗且防雷防護(hù)要求高,致使可行性不強(qiáng)；另外，如果不用粗線徑電纜，采用輸出端調(diào)高電壓的方式，需將輸入電壓調(diào)到300 V，這個(gè)方案也較難實(shí)現(xiàn)。因此，采用綜合供電的方案相對(duì)更加合理，既保證了LTE設(shè)備的供電冗余性，又節(jié)約了室外電纜的成本，也便于施工單位施工和后期維護(hù)。

表4 綜合供電與鄰站供電對(duì)比表

圖5 OCC設(shè)備連接圖