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周胜利 中国铁路上海局集团有限公司合肥电务段
随着铁路信号机房内智能化设备逐步增多，对电源设备稳定性、集成性、智能性的要求也越来越高。铁路信号电源系统为信号联锁、闭塞和列控等关键设备提供源源不断的动力，在增加其可靠性的同时，也增加了对大系统统筹和监控，而一体化信号电源系统整合了不间断电源、配电、机柜、数据采集、干接点告警、漏电保护、信号电源模块等多个系统，通过监控系统对全部子系统实现统筹管理，打造成为一体化产品，简化了设计、采购、建设流程，成本更低，管理更方便，可靠性更高，维护更便捷，将逐步取代传统信号电源屏。
一体化信号电源系统拓展了新思路，改变了传统信号电源系统的供电结构，采用直流供电形式，使供电系统干扰小，工作更加可靠，另外供电模块代替UPS，在扩容和维护上占据了明显的优势，符合现代化信号电源系统的发展要求。
1.1 系统组成
（1）输入切换单元
切换单元为两路进电，两路输入电源间具有自动转换、手动转换功能，每路输入均具备手动直供功能，系统优先选选取更优质的一路输入电源供电。当一路进电发生严重的过载或者短路等故障时，该路中对应的断路器能自动切断电路，保护设备。两路输入电源的转换时间（包括手动和自动）不应大于0.15 s。
（2）不间断供电单元
不间断供电单元主要包括高压直流模块和蓄电池两部分，承担隔离、配电、检测、续流的作用，在电源切换单元无输出的情况下维持后端负载工作较长时间。
（3）稳压电源模块及隔离单元
稳压电源模块包括交流模块和直流模块，可将高压直流模块TU1 后端输出的电源进行相应的转换和控制，应用中需根据现场负载情况对信号电源模块进行合理配备。电源屏各输出电源模块设有冗余模块，当任一电源模块出现故障或进行维修时，另一模块可担负后端负载全部用电量。隔离方式有两种，部分模块采用工频变压器隔离，部分模块采用电源内部高频隔离的隔离方式。
（4）监控单元
监控单元主要包括工控机及其配件，用于对信号电源系统设备的工作状态和系统运行参数进行采集、处理、显示、报警、记录和故障定位，形成规范化的数据和报警信息并提供通信接口等完成监测功能的装置。
1.2 方案介绍
一体化系统在进行系统设计时，采用的是双母线冗余式配电架构，不同于传统信号电源系统采用UPS 作为不间断电源，UPS体积大，质量重，种类繁复，维护不便。一体化信号电源系统采用高压直流TU 模块作为不间断电源，模块化结构更简单，双母线方案有效解决了单点故障问题，可靠性更高，维护更便捷。一体化信号电源系统如图1所示。
图1 一体化信号电源系统图
一体化系统主要工作原理如下：
（1）系统设置两套Y 型切换系统，两套切换系统互相独立、互不影响，其中一路设定为1 路市电输出，另外一路设定2路市电输出。
（2）两路市电经两套Y 型切换系统分别输出两路母线，后端电源模块按照N+N的配置方式分别均匀挂在两路母线上。
（3）50 Hz 交流模块功率较大，设计为三相输入，输出可并联、实现零中断切换。
（4）当市电任意一路发生缺相时，模块发出相应的市电异常告警，但模块仍可正常输出。
（5）各直流模块功率相对较小，设计为单相输入，分挂不同相位，避免断相时同时崩溃。
（6）主备模块并联输出，实现零中断切换。
（7）环节出现单点故障时均能够实现有效的零中断输出。
1.3 关键技术
（1）采用双电源供电方案，可提高电源系统的安全性和可靠性，能够保证系统不间断输入。
（2）采用HVDC 供电方案，HVDC 电源模块使用模块化结构，拓扑简单、可靠性高、效率高，可提升系统输入抗冲击能力。
（3）采用DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理器，以下简称DSP）技术，系统构成简单、可靠性高，控制速率快、精度高，灵活性强、兼容性好，易于实时监控。
（4）采用智能化电池管理技术，具备可扩展性，支持配备不同电池巡检模块并实现不同节数，不同组数电池的巡检及管理。
1.4 系统维护
信号电源设备在运行中出现故障，不需要现场维修，供电模块均遵循备份原则，且支持热插拔，维护人员现场切换或适时更换即可。现场遇到疑难问题可及时拨打用服人员电话求助。
（1）设备巡检。为了保证设备长时间稳定运行，需要对系统设备分阶段进行巡检，目前主要检查方式分为日检、月检、季检、年检几个阶段，分别如表1所示。
表1 设备检修周期及内容
（2）关键器件寿命。电源模块、UPS、系统单板、参稳模块等中使用的关键器件，为了防止器件因工作磨损失效而导致系统故障，建议定期检查，在预期的寿命年限内进行更换（见表2）。
表2 关键器件寿命参数和建议更换时间
（3）常见故障处理步骤及方法。一体化电源系统的集成度更高，现场维护人员的故障处理更为简单。首先观察系统整体灯光告警显示（包括模块指示灯，系统指示灯等），状态显示（包括温度，湿度，开关和交流接触状态等），记录故障状态；
进一步观察电源屏监控单元文字告警信息，记录故障状态；
最终确定告警位置，针对故障信息进行对应处理。
①某路输入电源故障。检查接线是否正常，条件许可测试电网情况（如电压、频率、相序等），若有异常，及时联系供电部门处理。
②切换电源或辅助电源故障。检查对应指示灯和各处电压，若有异常及时更换。
③防雷故障。检查各防雷输入开关和状态显示，若防雷器件故障，及时断开开关更换。
④模块故障或告警。若模块发生告警，及时查询故障表，根据处理方法进行处理。确认模块故障时及时更换模块。
⑤监控模块故障。先将监控模块断电重启，若扔异常及时联系相关技术工程师。
⑥TU模块故障。若TU模块发生告警，及时查询故障表，其处理方法与信号电源模块处理方法一致。确认模块故障时及时更换模块。
目前在用的高铁线路电源系统标准配置为集中式UPS搭配电源屏，普铁线路电源系统基本采用带稳压功能的电源屏，并在后级各电子设备负责中配置小型UPS，UPS 容量1 kVA～5 kVA 不等。根据《铁路信号维护规则》要求，UPS 内电池、电容以及整机轮修周期高普不一致，无形中增加了设备管理单位的管理任务，同时设备管理单位对UPS 基本不具备维修的能力，完全依靠厂家。一体化电源屏的供电模块具备UPS 功能，而且更换方便，具备冗余功能的集成化模块大大降低了现场维护成本。
2.1 一体化电源系统与传统电源系统对比
传统信号电源系统采用UPS 作为不间断电源，一体化信号电源系统采用高压直流模块TU1 为不间断电源，模块供电采用直流供电的形式，主要具有以下优点：
（1）不间断电源TU1 模块本身体积小，结构简单，占用空间小，其外形为铁标要求的1/4 模块大小，支持热插拔，便于扩容。该模块与相同容量UPS尺寸对比如表3。
表3 TU1与UPS体积对比
（2）不同型号不同容量的UPS，因母线电压的不同，导致配置的电池数量也不同，对于维护造成了困难，相对比一体化信号电源，统一了电池的数量，并且做到了统一的的电池管理，提高了维护的效率。
（3）UPS 输出至电源模块前端为单母线，会造成单点故障；
电压变换环节冗余，系统整体可靠性降低。一体化信号电源系统删除了部分冗余的功能，将变换层级由4 级降低到2 级，精简了系统，有效减少了系统损耗，同样也降低了因系统复杂而产生的故障点。
（4）一体化电源系统设计了多重冗余备份，保证双母线互相独立，有效解决系统单点故障，提高了系统的可靠性，任一子系统出现故障，均可以隔离出来进行处理，不会影响系统正常工作。
（5）一体化采用直流供电的供电方式，具有抗冲击能力强、拓扑简单、扩容方便、稳定性高等优点，另外，TU1 模块针对的铁路电网适应性进行了专项设计优化，TU1 检测标准采用铁标TB1528 的标准，UPS 检测标准采用YD/T1095，YD/T944及YD/T983标准，UPS的部分测试要求和判据偏低，TU1可靠性更高，相对于传统UPS 更适应严苛的铁路应用环境，最高谐波耐受达到30%，更适应现场实际情况。
2.2 优化信号大系统供电结构
从一体化信号电源系统图可看出，作为新型供电设备它自身具备UPS 相关功能，可直接取消集中式UPS 和后级小型UPS，传统信号电源系统简图如图2 和图3 所示，UPS 与电源屏都是独立的设备，来自不同厂家，存在结合部，一旦出现故障，可能出现定责界限难划分问题。而一体化电源系统可以同时提供所有信号设备电源，整体性更强，减少了供电设备的故障点，符合未来电源集成化的趋势。
图2 高铁线路信号电源系统简图
图3 普铁线路信号电源系统简图
2.3 降低维修成本
根据维护规则要求，小型UPS的电池轮修周期为2～3年，整机更换周期为10年，一台小UPS在寿命周期内至少需要轮修3 次电池。下面以一个普铁站场为例从设备成本、天窗资源、作业风险三个方面分析使用一体化电源系统节约的成本。
（1）设备成本。一般情况下在各系统电子设备使用的小UPS 数量可能多达8 台/站，具体见表2 所示。按常规每台UPS 电池数为6 节计算（目前有的UPS 可能有16 节电池），多达48 节，在寿命周期内一个站需要换144 节电池，按平均价计算130 元/节，轮修电池共需要投入1.872 万元/站；
小UPS寿命周期为10年，机房内各系统电子设备的寿命周期为15年，一台小UPS按均价8 000 元/台，更换整机需投入6.4 万元/站。每年更换电池还要产生不菲的运杂费（见表4）。
表4 电子设备UPS配置举例
（2）天窗资源。更换一台小UPS 的电池至少需要30 min的垂直天窗，2人配合完成，在寿命周期内至少需要720 min/站，从人工劳效计算需要1 440 min/人。
（3）作业风险。轮修作业过程中需要拆解主机箱并更换旧电池，存在因作业过程中配线连接不牢等因素导致的故障；
电池厂家变更，电池接线端子存在不匹配问题；
作业人员对UPS内结构不清楚，产生劳动安全。
如果采用一体化信号电源系统，一套电源系统具备UPS所有功能，可以取消后级各负载系统配置的UPS，降低了设备投入的成本；
设备管理单位避免了因UPS 电池轮修和整机更换的后期设备投入，同时节省了劳动力；
设备管理单位成功避免因频繁更换UPS 电池带来的作业风险；
降低设备故障率，目前无论集中式UPS还是小UPS，故障率偏高，
2.4 提高应急处理能力
应急处理方法仅能保证系统的输出正常。传统集中式UPS 故障，现场职工基本不敢操作，主要依靠厂家远程指导，缺乏应急处置的能力。集合UPS 功能的一体化电源屏采用插拔式电源模块，只需更换同类型模块已可完全恢复，方便现场维修更换，大大提高现场应急处置能力。主要故障应急处理步骤及方法如下。
（1）电源模块应急处理。当电源模块故障后会由其冗余模块进行供电，及时拔出故障模块更换为同型号备用模块。
（2）交流接触器故障应急处理。通过转换开关，转换到旁路供电。
（3）系统正常却发生报警应急处理。监控模块只是进行监控和故障定位，若设备正常时发生报警，可见对应告警进行暂时屏蔽，不会影响系统功能。
（4）TU1 模块故障应急处理。TU1 模块故障时处理防范与信号电源模块处理方法类似，当TU1 模块故障后会由其冗余模块进行供电，及时拔出故障模块更换为同型号备用模块。
双母线冗余一体化信号电源系统是轨道交通信号电源行业目前的前沿技术领域，实现信号电源的双母线冗余设计，以及一体化HVDC 供电方案，为面向轨道交通信号系统的多种设备提供持续稳定的电源。该系统采用双母线冗余结构，可靠性更高，并采用高压直流模块及电池作为不间断电源，配置更便捷，扩容更便利，便于维护操作与更换配件，在信号电源应用领域占有很大的技术优势。从维修角度来看，节约了现场投入成本、维修成本，简化整个系统供电配置结构，充分考虑现场实际困难，提高现场应急处置能力，最大化减少了因前沿技术承担的风险，是一种开拓性的创新。
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