一种提高城轨交通信号电源系统可靠性的计轴备用电源技术方案
信号系统是城市轨道交通中指挥列车安全运行的重要枢纽系统，由专门的信号电源屏为信号系统提供工作电源。信号电源屏每个输出分路都由1+1冗余并联的电源模块组成，当其中一个模块出现故障时，马上由另外一个模块输出供电；当冗余控制系统出现故障或两个模块都损坏时，整个电源分路就会停止输出。计轴设备是信号系统当中十分关键的信号检测设备，当电源屏计轴电源分路出现掉电故障时，信号控制系统马上将轨道区段锁定为占用状态并强令列车停止进入。为此，我们根据在线式UPS电源的供电原理，提出一种无间断时间的并联型计轴备用电源技术方案，与信号电源屏计轴电源分路并联使用，能有效保障城市轨道交通信号系统计轴设备的供电安全。
计轴备用电源为独立结构设计，输出电压为DC60V，额定电流25A，后备供电时间按90分钟配置蓄电池，能满足最大正线有岔站的供电需要。计轴备用电源通过逆止二极管隔离输出，直接并联在信号电源屏计轴电源分路输出端上，处于在线的后备供电待命状态。信号电源系统正常时，计轴设备由信号电源屏供电；当计轴电源分路输出电压出现瞬间下降或掉电故障时，计轴备用电源马上不间断向计轴设备持续供电，切换时间为0mS，令信号系统能保持正常工作状态，有效保障信号计轴电源系统的供电安全。计轴备用电源采用先进技术及安全措施，包括模块冗余并联、在线式不间断供电、过压过流保护、智能通信监控、电感储能升压变换等多项优化设计，进一步保障设备的可靠运行。
2016年我们根据以上技术方案所研制的计轴备用电源设备在北京地铁10号线信号系统已获得成功应用，全线信号供电电源系统安装使用了15套计轴备用电源，自投入运行以来，10号线没有出现过由于信号电源屏计轴电源故障而导致的列车停运事故，令供电系统更加安全可靠，完全符合项目技术要求。
关键词： 轨道交通，信号系统，计轴设备，智能电源屏，备用电源
为了更好缓解大中城市内的客流运送压力，我国各地都如火如荼展开了城市轨道交通规划建设，轨道交通的信号系统直接影响到列车运营的效率和安全。为了保障列车的安全运行,列车必须严格按照信号的指示运行，只有在列车运行前方的轨道区段处于空闲状态、道岔位置正确、信号检测设备正常、敌对或相抵触的路轨锁闭等条件满足时,才向列车发出准许前行进入信号。而计轴系统则是整个信号系统中十分关键的行车信号检测处理环节，负责供电给计轴设备的电源屏计轴电源分路的稳定可靠性就显得极为重要。以德国西门子公司为代表的计算机连锁计轴系统在我国轨道交通中的应用比较广，安全性也较高，当电源屏计轴电源分路输出出现掉电故障时，调度台及列车运行显示器马上发出连续闭塞区段红光带告警，将该区段自动锁定为占用状态并禁止列车进入；计轴电源分路输出恢复正常后，计轴系统不能自动复位，必须通过清扫车或人工模拟车辆从区段的一边驶入，再从另一边驶出，该区段才能恢复到正常空闲状态，此故障操作会造成列车停运1～2个小时。即使目前部分最新设计的计算机连锁计轴系统已具备自动复位功能，但信号计轴电源每次断电故障，同样还会造成列车停运半个小时以上。
为解决信号电源屏计轴电源的供电安全性问题，我们提出一种独立于信号电源屏的计轴备用电源技术方案，与电源屏计轴电源分路并联使用。信号电源系统正常时，计轴设备由信号电源屏计轴电源分路供电；当计轴电源分路输出故障时，计轴备用电源马上不间断向计轴设备持续供电，令信号系统能保持正常工作状态，有效保障信号计轴电源系统的供电安全。
我们所研制的计轴备用电源设备已成功应用于北京地铁10号线的信号供电电源系统，自投入运行以来，信号系统计轴电源系统没有出现过掉电故障，对信号系统计轴设备供电的安全保障作用十分明显，也为城市轨道交通其它专业提高供电系统的可靠性起到一定的借鉴作用。
一、信号电源系统原理描述
1、信号电源屏工作原理
图1-1 信号电源屏工作原理图
信号电源屏工作原理图如图1-1所示，以北京地铁某正线车站其中一个智能电源屏为例，电源屏主要由主控电路、LCD显示屏、输入输出开关、输入隔离变压器、输出电源模块等构成。电源屏的供电由UPS电源送入，各输出电源分路电压、功率需根据车站信号设备的负荷特性来配置，包含交流、直流两种电源输出分路。
2、信号电源屏主要技术特点
1）电源屏输出电源规格齐全，根据信号系统设备情况设置多种规格的输出电源分路。
2）电源屏智能化程度高，液晶显示屏幕实时显示电源屏各项参数及工作状态信息，具有遥测、遥信、遥控功能，能通过局域网向外发送三遥信息。
3） 电源屏可靠性较高，各路输出电源都采用1+1冗余并联输出方式供电，其中一个电源模块出现故障退出不会影响另一个模块的继续供电输出。
4） 电源屏抗干扰能力强，各路输出电源的供电均由隔离变压器隔离供电，有效杜绝外部电网干扰杂讯对信号设备的工作影响。
5）电源屏保护功能完善，具有输入输出高低压、过载、短路及过温等告警保护功能。
6）传统电源屏也存在一些功能缺陷，最突出的是当电源输出控制切换电路出现故障，或当输出电源的两个冗余并联模块出现故障时，整个电源分路的输出就会停止供电，会造成相应信号设备停止工作。在北京地铁10号线的信号系统中，就曾经出现过由于电源屏十分重要的计轴电源分路输出突然掉电，而导致列车停运超过1小时的停运事故。因此，对该项功能缺陷的改进及提升就十分迫切。
二、计轴备用电源技术方案原理描述
1、计轴备用电源工作原理
图2-1 计轴备用电源工作原理图
计轴备用电源工作原理图如图2-1所示，计轴备用电源主要由控制电路系统、LCD显示屏、输入隔离变压器、整流充电模块、输出稳压模块、逆止二极管、后备电池组、输入输出开关及低压保护切换装置等部分构成，计轴备用电源直接从市电送入供电，输出模块为直流稳压DC60V输出。输入隔离变压器、整流充电模块、输出稳压模块及后备电池组均采用1+1冗余并联方式，以提高计轴备用电源的可靠性和安全性。
2、高可靠信号计轴电源系统构成原理
图2-2 高可靠信号计轴电源系统构成原理图
高可靠信号计轴电源系统构成原理图如图2-2所示，电源系统由信号系统原有的的智能电源屏和新设计的计轴备用电源柜共同构成，对信号计轴设备具有智能电源屏主供电、计轴备用电源柜的备用供电及后备电池供电的三重供电保障。
1）信号电源屏正常工作时，信号计轴设备由智能电源屏计轴电源分路输出供电给信号计轴设备。
2）当智能电源屏计轴电源分路输出掉电时，计轴备用电源马上投入输出，备用供电给计轴设备。
3）当智能电源屏及计轴备用电源的交流输入同时断电时，计轴备用电源的电池组马上投入输出，由电池后备供电给计轴设备。
3、计轴电源系统正常供电状态工作流程
图2-3 计轴电源系统正常供电状态工作流程图
计轴电源系统正常供电状态工作流程图如图2-2所示，以冗余并联的两路电源支路的其中一路做工作流程描述（下同），电源系统供电工作流程如下：。
1）信号系统智能电源屏工作正常时，UPS供电输入通过输入开关BK1送到隔离变压器T1隔离后，再送到AC/DC稳压电源模块变换为DC60V高精度稳压直流电源输出，供电给信号计轴设备工作。
2）计轴备用电源的市电输入通过输入开关BK2送到隔离变压器T2隔离后，再送到AC/DC整流充电模块变换为DC41V直流电源输出，给后备电池组充电，直到电池组充满电为止。
3）计轴备用电源输出DC60V经逆止二极管隔离后连接到智能电源屏计轴电源分路输出端，并处于在线待命状态。
4、计轴电源系统备用供电状态工作流程
图2-4 计轴电源系统备用供电状态工作流程图
计轴电源系统备用供电状态工作流程图如图2-4所示，电源系统供电切换工作流程如下：
1）当智能电源屏的UPS供电输入断电，或智能电源屏的电源输出控制切换电路出现故障，或计轴电源分路的两个冗余并联模块出现故障时，计轴电源分路输出均会马上掉电停止对计轴设备供电。
2）当智能电源屏计轴电源分路出现输出掉电故障时，计轴备用电源市电输入马上通过输入开关BK3送到隔离变压器T2隔离后，再送到AC/DC整流充电模块AD2变换为DC41V直流电源分成两路输出，一路供电给DC/DC稳压电源模块DD1变换为DC60V高精度直流电源输出，持续供电给信号计轴设备工作；从智能电源屏计轴电源分路主供电输出切换计轴备用电源备用供电输出，切换时间为0mS，实现对计轴设备的不间断供电功能。
3）计轴备用电源的AC/DC整流充电模块AD2输出的另外一路DC41V电源，供电给后备电池组充电，直到电池组充满电为止。
4）当智能电源屏恢复正常工作状态时，电源系统马上切换回智能电源屏计轴电源分路输出主供电模式，计轴备用电源输出则自动置于在线待命状态，切换时间同样为0mS。
5、计轴电源系统电池后备供电状态工作流程
图2-5 计轴电源系统电池后备供电状态工作流程图
计轴电源系统电池后备供电状态工作流程图如图2-5所示，电源系统供电切换工作流程如下：
1）当智能电源屏计轴电源分路出现输出掉电故障及计轴备用电源的市电输入断电时，计轴备用电源马上切换为电池后备供电状态继续供电输出。
2）后备电池组通过电池开关BK4给DC/DC稳压电源模块DD1变换为DC60V高精度直流电源输出，持续供电给信号计轴设备工作；从计轴备用电源备用供电状态输出切换计轴备用电源电池后备供电状态输出，切换时间同样为0mS，实现对计轴设备的不间断供电功能。
3）当计轴备用电源的市电输入恢复正常时，计轴备用电源马上切换回备用供电状态，切换时间同样为0mS，并给后备电池组充电，直到电池组充满电为止。
4）当智能电源屏恢复正常工作状态时，电源系统马上切换回智能电源屏计轴电源分路输出主供电模式，计轴备用电源输出则自动置于在线待命状态，切换时间同样为0mS。
5）计轴备用电源柜电池组的后备供电时间满负荷时可以维持至少1.5小时，而按照目前大多数站点的实际负荷则可以维持3～4小时。
6、计轴后备电源主要技术特点
1）计轴备用电源具备人性化的智能管理功能，具有遥测、遥信、遥控功能，显示屏幕及远程监控中心可以实时显示设备运行状况及故障告警信息。
2）AC/DC整流充电模块及DC/DC稳压电源模块都采用1+1冗余并联方式供电，其中一个电源模块出现故障退出不会影响另一个模块的继续供电输出。
3）各AC/DC整流充电模块的供电均由隔离变压器隔离供电，抗干扰能力强，有效杜绝外部电网干扰杂讯对信号设备的工作影响。
4）计轴备用电源设有防短路保护检测功能，当电池保险管过流或短路熔断时能及时断开与主机的电路连接，发出告警信号。
5）计轴备用电源设有电池输出电流检测监控功能，防止过放电损坏电池组或信号计轴设备。
6）电源设备的进、出风口均设置防尘过滤网，防止灰尘进入机内影响设备的正常运行。
7） 电源设备内安装层设置防尘保护罩，防止积尘及异物掉落造成电路故障。
8）计轴备用电源具有故障退出功能，当设备发生故障后将自动退出，不会影响信号电源屏计轴电源的正常供电。
9）整流充电模块及输出稳压模块均参照军用电源中应用较广的电感储能升压变换方式及电路拓扑结构，抗干扰能力强，可靠性、安全性更高。
10）每个DC/DC稳压电源模块均设有独立的输出高压锁定保护电路，确保电源模块出现故障引起输出电压持续超过60.0V时自动关闭其输出。
11）计轴备用电源具有完善的保护措施及告警功能。
① 具有市电输入高、低电压检测告警保护功能。
② 具有电池充放电高、低电压检测告警保护功能。
③ 具有稳压输出高、低电压检测告警保护功能。
④ 具有电源模块工作状态检测告警保护功能。
⑤ 具有输入、输出及电池回路均设有熔丝过流保护装置。
⑥ 具有输入浪涌保护及输出滤波电路装置。
⑦ 所有AC分断控制均选用工业级D型开关，电池及直流输出均采用直流专用断路器，确保正常供电时的可靠导通及短路保护时的快速分断。
7、计轴后备电源电池容量计算方法
根据以往地铁项目工程经验并参考电池厂商提供的电池放电特性曲线，一般采取以下计算公式计算后备电池组总容量：
其中：Uo为计轴备用电源额定输出电压：60V；
Io为电源柜额定输出电流：25A；
Ub为后备电池组额定电压：36V；
t为电池后备放电时间：1.5h；
ŋ为电池化学及物理转换效率：0.6。
根据以上公式计算出备用电源后备电池需要总容量为：
C = 60V×25A×1.5h/(36V×0.6) = 104(Ah)
为了进一步提高蓄电池组的可靠性，这里选用2组汤浅公司65Ah/12V密封免维护铅酸电池组冗余并联使用，每组由3节单体电池串联组成，两组容量相加，总容量为130Ah，可以满足满载输出1.5小时、半载3～4小时的后备供电需求，以及使用两、三年后电池容量自然衰减时的后备供电时间保障。
三、计轴备用电源主要技术参数
计轴备用电源技术方案是根据北京地铁线路曾多次出现信号电源系统计轴电源分路掉电故障，造成站点列车长时间停运事故而专门提出的设计方案，能为信号系统沿用的智能电源屏计轴电源系统提供多重安全供电保障，在不影响主线路的智能电源屏计轴电源给计轴设备正常供电的前提下，并联输出的计轴备用电源增加了备用供电、后备供电的额外两重供电保障。信号电源系统正常工作时，计轴设备由智能电源屏计轴电源分路主供电；当主供电的智能电源屏计轴电源分路输出出现掉电故障时，计轴备用电源柜马上在0mS内不间断供电给计轴设备，保持信号系统正常持续工作状态，信号系统也不会出现红光带告警停运事故；当市电输入断电时，计轴备用电源的后备电池组还可以延时供电给计轴设备正常工作1.5小时以上。因此，推广计轴备用电源设备的应用，对提高城市轨道交通信号电源系统的可靠性及列车运行的安全系数，是有着极大意义的。
根据以上技术方案所研制的计轴备用电源设备，在北京地铁10号线的信号供电电源系统的应用取得了良好的效果，已成功解决了当前信号计轴电源系统经常出现掉电故障导致的列车停运问题，对信号系统的正常持续工作具有多重安全保障作用，也为城市轨道交通其它专业提高供电系统的可靠性起到一定的借鉴作用。
* 参考文献
[1] 城市轨道交通信号电源系统可靠性分析[J]. 牛振宇.《城市轨道交通研究》.2017.20（09）
[2] 城市轨道交通信号电源系统计轴电源的可靠性研究[J]. 穆石.《铁路通号信号工程技术》.2017.14（03）
声明：本论文所阐述的技术方案乃作者多年的技术经验成果，如需要引用及转载的，请注明来源及出处。谢谢！
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