1 概述

  轨道交通控制系统是轨道交通的一个重要组成部分,是保障轨道交通运营安全、提高运营效率的重要技术装备。信号电源系统是保障信号控制系统正常运行的基础设备,其系统可靠性关系到轨道交通控制系统正常功能的实现,因此研究提高供电可靠性是供电专业需要特别关注的问题。目前电信行业在探讨采用直流高压供电制式,代替交流供电制式,并已试点应用。借鉴电信行业技术的发展,本文探讨列车控制系统采用直流高压供电方案,代替交流供电(UPS)方案,可杜绝UPS系统崩溃带来的断电风险,降低成本,提高效率,提高标准化程度,真正实现电源系统模块化,实现互换性,提高系统效率,维护方便,提高供电可靠性。

2 原理及特点

  轨道交通控制系统直流高压供电原理如图1所示。

  其结构特点如下。

  2.1 技术方面

  1)提高系统可靠性、安全性

  轨道交通控制系统引入直流高压供电技术的主要目的是提高供电部分的可靠性、稳定性,继而提高整个系统的稳定性。

  一个系统的各个组成部分,串联部分的可靠性总是低于单个单元的可靠性。并联部分的可靠性由于并联单元互为冗余,可靠性总是高于单个单元的可靠性。

  现有轨道交通控制系统采用经UPS交流供电系统如图2、3所示,其串联环节较多,且UPS虽然为双机冗余结构,但其真正内部仍然为整流+逆变,为串联配置,蓄电池与逆变环节也为串联连接,一旦逆变器故障,蓄电池即使储存能量,也无法发挥作用,仍会影响系统运行,运行实践已经得到证明。而对于直流供电模式,由于采用整流模块并联冗余方式,蓄电池与前级整流模块输出为并联配置,系统出现大面积故障的情况不会发生,此配置结构的故障率远低于UPS系统结构。由于蓄电池与设备直接连接,当外界断电后不存在电源制式的转换环节,可保障蓄电池中储存的电量无间断输出,事实上蓄电池真正起到冗余备份的作用,也可称为直流不间断电源。

  探讨的直流系统,其可靠性要高于UPS系统,运行实践证明,直流系统瘫痪的故障率极低。

  2)降低能耗

  目前主流应用的UPS主机均为在线式双变换型,在单台UPS的负载率超过50%时,设备的能源转换效率接近开关电源的转换效率。但现实是,为了提高UPS供电模式的可靠性,UPS主机部分采用n+1(n=1、2、3)模式运行。同时由于受负载端设备的输入谐波、波峰因数影响及设计阶段预留的设备扩容预留功率过多,UPS供电模式在设计使用的中后期才能达到设计负载率,从而导致单台UPS主机长期在低负载率下运行,能源转换效率通常低于80%。

  直流高压电源模式采用模块化结构,通过监控模块、监控系统或现场值守人员根据输出负载设备的功率大小控制模块的开机数量,使直流模块的负载率保持在较高的层次,从而提高整个电源部分的的转换效率。

  3)供电结构简单,标准化、模块化,互换性强

  此技术方案旨在利用现有成熟技术,力争结构简单,且易于实现标准化、模块化。现阶段各电源屏生产商因供电方案及结构方案的差别,除25 Hz电源模块外,基本不能互换。而直流供电方案可完全做到,且不同生产厂商之间,只要供电接口定义和外形结构相同,完全可以做到互换。

  4)带载能力

  UPS模式的带载能力制约于两个因素:一是负载属性,在设备端为容性负载时,UPS单机的最大负载率为50%;二是负载端设备的电流峰值系数, UPS主机的设计波峰因数一般为3:1,如果负载端设备的电流峰值系数大于3,UPS主机将被降额使用。直流高压模式不存在功率因数的问题;因其负载端并联了内阻极低的蓄电池组,同时直流模块的设计阈量(充电和备用)和抗负载高电流峰值系数的能力很强,无需单独设计安全阈量。

  5)改善供电环境,提高元器件使用寿命

  通常轨道交通控制系统设备中大多采用二次电源,如AC/DC电源(或DC/DC)输出5、12、24、3.3 V等,采用交流供电制式时,轨道交通控制系统二次电源中整流后的电解电容,其正常工作时,因交流纹波的影响,经常处于充放电状态,影响其使用寿命。采用直流系统时,电解电容不存在充放电过程,可大大延长二次电源中元器件的使用寿命,提高供电可靠性。直流供电方式可降低交流供电导致的谐波干扰,对设备的正常运行提供更好的电磁环境。

  6)维护简便,便于监控

  采用直流供电方案,因其模块化程度高,可实现热插拔,维护简便易行,有通信电源的多年运营经验,监控系统可对整流模块,单体蓄电池等进行实时监控,监控至板级、模块级等单体,充分发挥智能管理效能。

  2.2 建设投资

  采用交流供电方案,各主要环节均须设有冗余,采用1+1冗余时,设备成本增加,投资增加。采用并联冗余时,因并联冗余设备间必须时刻相互跟踪幅值、相位、频率等,造成电路结构复杂,可靠性降低;而采用直流高压供电方案时,可实现N+1(或N+M)冗余,并联容易,系统供电部分分期建设,电源模块根据系统需求分期投入,节约投资。

  2.3 运维费用

  运维费用主要包含电费和维修费用,由于供电部分的能源转换效率提高,直流高压供电模式将节约电费。在维修费用方面,直流高压供电模式采用的模块化结构,现场更换方便,操作简单。

3 采用直流高压供电的制约因素
1)轨道交通控制系统设备的适应性

  从电信运营商的试运营情况来看,负载端设备大部分均支持直流供电,主流设备供应商提供的设备均接受直流供电模式,直流供电可保障负载设备的运行。但直流供电毕竟不是负载设备的电源标准输入,采用直流高压供电,改变了设备的电源标称运行环境,因此对运营商存在一定的风险,轨道交通控制系统也存在同样的风险。

  使用UPS模式供电的负载设备种类繁多,从目前电信运营商的试点情况来看,既有设备中有一小部分不支持直流高压供电,因此具体设备是否支持直流高压供电,是否在直流高压供电的环境下正常运行,只能针对具体设备进行电路分析和试验。

2)配套器件

  直流高压供电涉及的材料元件中,直流模块所需的功率电子器件、滤波电容、高频变压器等器件为通用产品,供应不存在问题。

  线路配电保护用的断路器,普通型的热磁脱扣塑壳断路器单极的额定工作电压满足250 V,供应商有ABB、施耐德、西门子等大型厂商。这类断路器双极应用时,工作电压高于直流高压系统的最高电压288 V,可为直流高压系统提供保护。

4 采用直流高压供电的可能性

  轨道交通控制系统采用直流高压供电,需从设备具体应用角度加以分析。以DS6计算机联锁系统为例加以说明。

  通常计算机联锁系统设备从电源屏接引一路AC 220 V电源,经两台UPS(主备冗余)+冗余转换器变成一路AC 220 V电源,当电源屏输出电源故障无输出时,UPS可实现不间断供电(标准备用时间);当主用UPS故障无输出时,备用UPS经冗余转换器(存在4 ms切换延时)继续供电。

  计算机联锁系统主要用电设备为:

  工控机:AC 220 V;内部具有二次电源变换为DC低压电源,如DC 5 V、DC 3.3 V等;

  显示器:AC 220 V(经电源适配器转化为DC 12 V工作);

  风扇:AC 220 V(经电源适配器转化为DC 12 V工作);

  各种板卡:DC24 V;设置4台AC/DC 30 A/ 24 V电源模块。

  计算机联锁系统设备供电制式,因其为串联结构形式,相对可靠性受到限制,以上设备用电均可通过适当调整(低造价),变成直流高压供电制式,或AC、DC通用制式。

5 结论

  轨道交通控制系统设备采用直流高压供电方案,将极大的提高系统供电可靠性、稳定性及能源转换效率。在保证提高设备运营安全性的前提下,达到绿色节能的目的。

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