城市轨道交通信号电源子系统不对称双母线冗余方案探讨

谢 桥

（南宁轨道交通运营有限公司，南宁 530025）

城市轨道交通信号系统是实现行车指挥、列车运行监控和管理所需技术措施及配套装备的集合，信号系统不论是整体设备失电或局部设备失电均会对运营服务造成不同程度的安全威胁和准点影响。因此，如何配备一套能保证从外电网端到信号系统设备端可靠供电的电源子系统一直是行业内研究的重点课题，下面以南宁轨道交通信号电源子系统为例进行分析探讨。

1 南宁轨道交通运营线路信号电源子系统配置情况

经过前两轮规划建设，南宁市已开通城市轨道交通运营线路5 条，分别是南宁轨道交通1 号线、2 号线（含东延长线）、3 号线、4 号线、5 号线，运营里程达到128 km，形成了“十”字轨道骨架和“井”字放射网络，为广大市民乘客提供安全舒适准点的交通方式，极大地舒缓了市区地面交通压力，为后续南宁城市轨道交通线路建设规划和大都市区空间布局奠定基础。在已建成运营线路中，1号线至4 号线为列车自动运行（Automatic Train Operation，ATO）线路，5 号线为无人值守全自动运行（Unattended Train Opertion，UTO）线路，每条线路配备的信号电源子系统包含智能电源屏、不间断电源（Uninterrupted Power System，UPS）、蓄电池组、交流稳压柜、配电箱等设备，以上设备以不同的结构组合方案，通过整流、逆变、隔离变压等技术手段确保输出信号系统设备所需的高品质电源，承载着南宁轨道交通信号系统的供电安全。

1.1 南宁轨道交通1号线至4号线设备集中站、控制中心、车辆段/停车场供电方案

如图1 所示，南宁轨道交通1 号线至4 号线设备集中站、控制中心、车辆段/停车场采用单UPS+旁路交流稳压柜+单供电母线供电方案，由智能电源屏（含两路电源自动切换装置）、UPS、交流稳压柜、配电箱等功能单元组成。该方案的两路输入市电由配电箱转接，经电源自动切换装置后，分别给UPS 主路、交流稳压柜供电（由交流稳压柜输出至UPS 旁路），经UPS 输出给电源模块和隔离变压器后向各类信号设备供电，同时UPS 给蓄电池进行充电。电源子系统提供三级集散式监控体系，具备模块级、设备级、线路级（线网级）监控功能，各级监控自成体系，互不影响，满足运营维护人员实时监控电源子系统工作状态的需求。

该方案优缺点分析如下。

1）可对外电网输入电压进行采样检测，实现外部供电的自动切换功能，同时具备手动切换功能。不论何种切换，其响应完成时间不大于150 ms。

2）配备的UPS 提供主路、稳压旁路、后备逆变、维修旁路4 种工作模式，保证在外电网停电、UPS 整流器（或逆变器、静态开关）等内部部件故障等多场景下不间断供电的功能。

3）可根据用户用电需求灵活配置电源屏交/直流模块、隔离变压器，单独模块化设计保证更换模块耗时少，更换过程不影响系统输出。

4）受限于单UPS 和单供电母线结构，缺乏冗余功能，UPS 整机故障、后端短路损毁母线、母线线缆接触不良等故障将造成无电源输出，导致信号设备失电，严重影响行车。

1.2 南宁轨道交通5号线设备集中站、控制中心、备用控制中心、车辆段/停车场供电方案

如图2 所示，南宁轨道交通5 号线设备集中站、控制中心、备用控制中心、车辆段/停车场采用“双UPS+双旁路交流稳压柜+双供电母线供电方案”，该方案在南宁轨道交通1 号线至4 号线设备集中站供电方案的基础上，增加一套电源屏（含两路电源自动切换装置）、一套UPS 和输出母线。该方案的两路市电输入经配电箱转接，经电源自动切换装置后，分别给一系的UPS 和另一系的电源模块提供电源，两系互为冗余。UPS 与另一系的电源模块输出物理隔离，故障时相互不影响。当其中一系设备出现故障时，切换由另外一系设备承担起所有信号设备供电，该方案同样具备三级集散式监控功能。

图2 设备集中站双UPS+双旁路交流稳压柜+双供电母线供电方案Fig.2 Power supply solution of double UPS + double bypass AC voltage regulator cabinet + double bus in centralized station

该方案优缺点分析如下。

1）该方案为“单UPS+旁路交流稳压柜+单供电母线”供电方案的优化升级版，不仅具备前述方案的优点，而且克服了单UPS 和单供电母线的缺点，具有较高的供电可靠性。

2）由于配备冗余设备，建设前期应充分考虑更大的地下空间布局和较高的设备采购成本。

1.3 南宁轨道交通1号线至5号线非集中站电源子系统结构

如图3 所示，南宁轨道交通1 号线至5 号线非集中站采用“单UPS+交流稳压柜+单供电母线供电”方案。该方案与南宁轨道交通1 号线至4 号线设备集中站供电方案的不同之处在于UPS 与交流稳压柜的连接方式、容量，该方案的UPS 主路、静态旁路和维修旁路均与交流稳压柜串联连接，仅使用单相电源经稳压、隔离变压后供负载使用，因非集中站负荷低，其容量较集中站而言也较小，一般小于15 kVA。该方案两路输入市电经配电箱转接，经电源自动切换装置后给UPS 供电，UPS 输出至交流稳压柜，最终交流稳压柜输出至隔离变压器后向各类信号设备供电，该方案同样具备三级集散式监控功能。

图3 非设备集中站单UPS+交流稳压柜+单供电母线供电方案Fig.3 Power supply solution of single UPS + AC voltage regulator cabinet + single bus in non-centralized station

该方案优缺点分析如下。

1）受限于单UPS 和单供电母线结构，对UPS整机故障、后端短路损毁母线、母线线缆接触不良等故障无抵御能力，但由于非集中站信号负载一般为监视工作站、发车计时器、轨旁车-地通信等设备，且相邻轨旁车-地通信设备布置点交叉供电，范围可冗余覆盖，上述设备失电对运营安全影响较小。

2）该方案对地下空间布局和设备采购成本要求较低。

2 电源子系统供电情况及整体信号设备失电影响情况

南宁轨道交通各条线路均采用基于通信的 列 车 控 制（Communication Based Train Control，CBTC）信号系统，包含列车自动监控（Automatic Train Supervision，ATS）、列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）、ATO、计算机联锁（Computer Interlocking，CI）、数据传输（Data Communications System，DCS）、信号集中监测等子系统，各子系统采用国内外不同厂商的设备，这些设备按不同需求分布在控制中心、设备集中站、车辆段/停车场、非设备集中站等不同场所，因此不同场所的电源子系统故障后造成整体信号设备失电的影响范围也不同。一般而言，设备集中站/车辆段/停车场整体信号设备失电会造成本联锁区信号功能丧失、线路降级运营等影响，控制中心整体信号设备失电会造成线路降级运营、线路集中控制功能丧失等影响，非集中站整体信号设备失电会造成本站行车监视和辅助设备功能丧失、轨旁车-地通信设备物理位置冗余失效等影响。如表1 所示，下面以南宁轨道交通2 号线为例，阐述不同场所信号电源子系统供电情况和整体设备失电造成的影响。

表1 南宁轨道交通2号线信号电源子系统供电情况及整体信号设备失电对运营造成的影响Tab.1 Power supply situation of power subsystem for signal system of Nanning Rail Transit Line 2 and impacts of power failure of all signal equipment on train operation

3 改造方案

综上所述，控制中心、设备集中站、车辆段/停车场信号设备失电将对线路运营造成重大影响，因此对于使用单UPS+旁路交流稳压柜+单供电母线供电方案的控制中心、设备集中站、车辆段/停车场来说，研究一种可用于实践并克服单点故障造成信号设备失电缺点的供电方案十分必要。前文已分析“双UPS+双旁路交流稳压柜+双供电母线供电”方案供电可靠性较高，“单UPS+旁路交流稳压柜+单供电母线”供电方案在某些不利条件下会造成信号设备失电，因此通过改造增加电源子系统的冗余功能为可行之策。现提出3 种冗余改造方案并说明各种改造方案的适用场景。

3.1 双UPS并机冗余改造方案

双UPS 并机方案设置双套相同的UPS 设备，一套电源自动切换装置和一套交流稳压柜，双套UPS 的静态旁路共用一套交流稳压柜。该方案在正常运行方式和非正常运行方式下均能可靠工作，有效克服单UPS+旁路交流稳压柜方案下UPS 整机故障造成信号设备失电的缺点，但仍无法具备抵御母线类故障的能力。该方案需要新增一套UPS，宜在空间布局宽裕和设备失电后影响范围小的非集中站使用。

3.2 双UPS+双旁路交流稳压柜+双供电母线冗余改造方案

“双UPS+双旁路交流稳压柜+双供电母线”方案目前尚未大范围普及使用，多用于国内各城市新建设的UTO 线路。该方案要求更大的地下空间布局和更高的设备采购成本，从空间布局方面考虑不宜在既有线空间紧凑的设备集中站使用，从设备失电影响程度较小和运营成本更高方面考虑，不宜在既有线非集中站使用。从规划建设和开通运营后成本考虑，长期成本较双UPS 并机方案低，宜在新建线路使用。

3.3 不对称双母线冗余改造方案

如图4 所示，不对称双母线冗余方案在单UPS+旁路交流稳压柜+单供电母线供电方案的基础上，增加一套电源自动切换装置、一套母线和按需配置的交流电源模块。不对称双母线方案的两路市电输入经电源自动切换装置后，正常情况下给一系的UPS 和电源模块提供电源，另一系经新增的自动切换装置经新增母线直连电源模块后输出至负载，两系互为冗余。UPS 与另一系的电源模块输出物理隔离，故障时相互不影响。当其中一系设备出现故障时，切换由另外一系设备承担起所有负载的供电需求。该方案主要优点是无需新增机柜，仅增加较少的设备，可以利用原有电源屏补空位置和旁路交流稳压柜进行设置，采用双总线冗余方式，有效抵御母线类故障，提升电源子系统整体可靠性。但该方案未设置UPS，缺少稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰等净化作用和后备供电功能，存在因外电网污染造成后端设备发生干扰、损伤的潜在风险，在切换至该方案工作的情况下，如外电网停电会造成整体信号设备失电，对正常运营造成影响。宜在既有线设备集中站和非设备集中站使用，且不建议长期使用该方案对信号设备进行供电。

图4 不对称双母线冗余方案Fig.4 Asymmetric double bus redundancy scheme

4 结束语

本文提出的城市轨道交通信号电源子系统不对称双母线冗余方案仅增加少量模块化设备，可以有效利用既有设备机柜的空间进行布置安装。该方案设计简约，易于施工，不仅降低了需投入的成本，而且便于后期运维人员开展维保工作，可为行业内电源子系统的设计、建设和既有线改造等工作提供参考依据。