地铁信号系统轨旁无线设备供电可靠性分析

华晟苏阿峰

地铁信号系统轨旁无线设备供电可靠性分析

华晟苏阿峰

（卡斯柯信号有限公司，200071，上海//第一作者，工程师）

轨旁无线设备（TRE）是地铁信号系统车地无线通信的重要组成部分，TRE供电系统是确保车地无线通信连续的重要系统。从地铁供电系统、信号电源屏系统、TRE及其电缆布置方式三方面着手，采用常规分析法和故障树分析法，定性、定量地分析常规结构下TRE供电系统的可靠性，以论证其可靠性是否满足要求，并探寻其短板。

地铁；车地无线通信；轨旁无线设备；供电可靠性；故障树分析

Author′s addressCASCO Signal Ltd.，200071，Shanghai，China

轨旁无线设备（TRE）在基于通信的列车控制（CBTC）信号系统中扮演着举足轻重的角色，是车地通信系统中的重要一环。而TRE供电系统直接决定了TRE能否工作。以往的探讨局限于TRE电缆布置原则是否合理，但实际上TRE供电的可靠性不仅由轨旁TRE电缆布置原则（即狭义上的TRE供电方式）决定，还取决于前端的信号电源屏和变电站（地铁供电系统）以及后端的TRE，它们之间是串联关系。即λ总=λ市电+λ铁电+λ电源屏+λTRE。其中λ总表示任何导致TRE失电这一事件的总故障率。因此，TRE失电不能孤立地只考虑TRE电缆布置本身，若前、后端故障率相差了几个数量级，那么单独讨论其中某一个系统的故障率是没有意义的。本文按照整体结构将TRE供电系统分为变电站、电源屏和TRE电缆布置（含TRE）三部分，进行常规分析和故障树分析法（FTA）分析，得出可靠性方面的结论。

1 整体结构和工作方式

TRE的供电链路为：市电—地铁供电系统（主变电站—牵降混合变电站及降压站）—信号电源屏—TRE，为串联结构。地铁供电系统、电源屏系统、TRE供电系统的结构图如图1～4所示。在TRE供电链路中，若市电输出无电，则地铁所有系统将无电，这种情况在国内未曾发生过，因此故障率记为0。此外，单个主变、环网分段同时故障会造成部分分区失电，按国内地铁供电系统的结构，一般一条地铁线中一半的车站将无电，这种情况在国内也未曾发生过，因此故障率也记为0。

1.1地铁供电系统及其工作方式

某地铁线（本文对站名做了替换）设置体育馆和人民公园两座110 kV/35 kV主变电站，采用集中供电方式对全线进行供电。35 kV中压供电网络采用双环网方式。全线设6个供电分区，变电站35 kV母线采用单母线分段接线方式。上述结构也是目前国内主流设计。各变电站的设置见图1，35 kV环网分段开关设在鲁迅公园降压站。

以火车站牵降混合变400 V I段信号负荷为例，其正常工作方式为（暂不描述各断路器和隔离开关）：市变电站A I段进线—体育馆主变电站110 kV I段母线—110/35 kV变压器—主变35 kV I段母线—牵降混合变35 kV I段母线—35/0.4 kV变压器—400 V I段—信号负荷。

图1 地铁供电系统结构

图2 信号电源屏系统

图3 TRE电缆布置

图4 TRE内部供电结构

1.2信号电源屏系统及其工作方式

本地铁线信号系统电源屏采用单UPS（不间断电源）方案，其结构如图2所示。电源屏由I、II路切换单元、工作模式选择开关、稳压器、UPS（含整流器、逆变器、隔离变压器、静态开关等）、蓄电池组、隔离变压器、防雷器、空开等组成。

正常工作方式为：依次合上I、II路空开，切换单元通过互锁机构按合闸顺序将后一路断开，UPS主进线得电，经整流、逆变后输出，经隔离变压器和空开将电源分配给TRE。

1.3TRE及其电缆布置

按本公司常规设计，区间内TRE连至最近车站信号设备室的电源屏上。TRE的供电电缆按图3所示的链形结构进行布置。轨旁每个TRE都连接到红网电缆和蓝网电缆上。每条供电电缆最多连接4个AP。

红网供电电缆和蓝网供电电缆布置在轨旁电缆托线支架的不同层上，经电源盒分配后接入TRE（见图4），经滤波器、空开、电源转换模块接入AP和EMCT（光电转换器）。

2 常规分析

从设备和系统的冗余性、故障工作模式、故障影响范围等常规角度来分析系统的可靠性。

2.1地铁供电系统

地铁供电系统故障工作模式：如图1所示，地铁供电系统各级设备均为冗余设置，各级分段开关虽没有冗余，但其仅作为一段母线失电时联络两段母线由另一段母线送电救援用（市变电站设有110 kV分段开关）。因此，各设备单个故障时，或者另一段有冗余，或者可由下一级的分段开关闭合给下一级供电，部分设备甚至有双重冗余，如鲁迅公园降压站35 kV有4路进线开关。

综上所述，地铁供电系统所有关键设备都有冗余，又有本站各级分段开关、环网分段开关作为后备救援，对于从I段、II段各取一路电的信号系统，有多重冗余、交叉冗余保护，系统的可靠性极高。

2.2信号电源屏系统

信号电源屏系统故障工作模式：如图2所示，当切换单元故障时，I路或II路电源经旁路转换开关接入稳压器，经滤波后输出，经隔离变压器和空开将电源分配给TRE；当I、II路输入无电时，由蓄电池组给UPS供电，经逆变后输出，经隔离变压器和空开将电源分配给TRE，但此模式下蓄电池组仅能提供30m in的电源；当UPS故障（指逆变器、整流器或静态开关故障）时，I、II路电源经切换单元切换后，通过稳压器经UPS旁路输出，经隔离变压器和空开将电源分配给TRE。

综上所述，电源屏系统内切换单元、UPS和稳压器未设置冗余设备，其它设备均为冗余配置，由其故障工作模式可知，切换单元、稳压器或UPS故障都不会导致电源屏输出无电，要想造成3.2节所述的TRE双路失电，需设备成对地损坏，而这种概率很低。但图2中UPS内主进线和旁路进线并联后公共出线上的一个内部开关及外部的QF11开关没有冗余设置，这两个开关是关键设备，其一旦故障，将造成电源屏输出无电，因此从可靠性和经济性来看，更优的方案是双UPS并联输出设计。

2.3TRE及其电缆布置

TRE及其电缆故障工作模式：当发生单点故障（如图4中滤波器、空开或电源模块故障）时，AP会失电，但即使一个AP失电，还有互为冗余的另一个AP在工作，线路仍被无线覆盖；当发生双点故障时，按照自由无线方案链路损耗，在直线区段，列车距AP 350m时场强余量在满足国家规定的情况下仍有富裕，TRE布置原则据此按间距350 m来设置，因此以图5所示TRE 2为例，即使一个TRE的两个AP都失电，线路上无线覆盖仍是连续的；当发生单路故障（如图3中蓝网AP电源4主馈电电缆故障），则TRE 1、2、3、4的蓝网将失电，但此时线路上仍有红网无线覆盖；当发生双路故障（如图3中蓝网AP电源4和红网AP电源4两根主馈电电缆同时故障），则TRE 1、2、3、4所覆盖的区域没有无线信号。

综上所述，对于轨旁供电链路，各级均为冗余设计，仅在双路故障时会使车地通信中断。目前采用本公司CBTC方案在地铁线路中运行的TRE有几千个，最早的已超过5年，对于轨旁供电链路，至今只发生过TRE电源模块故障造成的单点和双点故障。

图5 TRE无线覆盖区域示意图

2.4常规分析总结

从上述分析中可以看到，TRE供电系统几乎处处进行了冗余设计，有些甚至是多重的交叉冗余，因此系统的可靠性极高。从已开通的项目中几千个TRE的运行情况来看，未出现过因TRE供电故障导致无线覆盖故障而致CBTC运营中断的案例。

TRE供电系统是信号系统的一部分，其最终目的是保证无线覆盖的连续。光电转换器、网线、光缆、光模块、交换机等虽不属于TRE供电系统的设备，但其损坏均会造成无线覆盖中断，因此不能孤立地看待问题，单一地不计代价地提高某一个环节的可靠性是盲目的，整个系统的最短板将决定系统的整体可靠性。如本文案例中的电源屏设计为单UPS，在此结构中有两个断路器位于主馈线上没有冗余配置，一旦其中之一故障，则此站整个信号系统将无电，这是整个系统的短板。

3 FTA分析

可靠性分析法有很多，如可靠性框图、马尔可夫模型、GO模型、故障树分析法（FTA），本文选用FTA分析TRE供电系统的故障率。FTA可直观、清晰地显示工作流程和各设备间的相互联系，以及系统中的关键设备，能为排除故障提供指导，是较好的定性、定量分析法。

3.1地铁供电系统

如上所述，将市电和主变的故障率视为0，以火车站牵降混合变为例（见图6），其400 V I段信号出线故障的故障树及各设备的代号如图7所示。

图6 火车站牵降混合变

3.1.1 定性分析

最易引起系统失效的一、二阶最小割集为：

（X1），（X2），（X3），（X4，X13），（X4，X21），（X4，X22），（X5，X13），（X5，X21），（X5，X22），（X6，X13），（X6，X21），（X6，X22），（X7，X13），（X7，X21），（X7，X22），（X8，X13），（X8，X21），（X8，X22）。

图7 火车站牵降混合变400 V I 段信号出线失电FTA 分析

结构的重要度为：

I（X3）=I（X2）=I（X1）>I（X13）>I（X22）=I（X21）>I（X20）= I（X19）=I（X18）=I（X17）>I（X26）=I（X25）=I（X24）=I（X23）> I（X8）>I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）>I（X12）=I（X11）= I（X10）=I（X9）>I（X16）=I（X15）=I（X14）。

3.1.2 定量分析

代入已公开的地铁供电系统各类设备的故障率（见表1），部分无法查知故障率的设备由相近设备代替，得出I段信号出线失电的故障率为1.65×10-4，与II段并联后整个火车站牵降混合变400 V信号出线失电的故障率为2.72×10-8。

表1 地铁供电系统相关设备故障率

3.2信号电源屏系统

参照1.2和2.2节，由图2，不考虑蓄电池组的作用（因为其仅能供电30m in），电源屏上某一路红网AP电源与蓝网AP电源同时故障情况下的故障树如图8所示。

3.2.1 定性分析

最易引起系统失效的一、二阶最小割集为：

（X5），（X6），（X1，X19），（X1，X20），（X1，X21），（X1，X22），（X12，X13），（X2，X19），（X2，X20），（X2，X21），（X2，X22），（X3，X19），（X3，X20），（X3，X21），（X3，X22），（X4，X19），（X4，X20），（X4，X21），（X4，X22），（X7，X17），（X7，X18），（X8，X14），（X9，X14）。

结构的重要度为：

I（X6）=I（X5）>I（X7）>I（X22）=I（X21）=I（X20）= I（X19）=I（X14）=I（X13）=I（X12）=I（X9）=I（X8）=I（X4）= I（X3）=I（X2）=I（X1）>I（X18）=I（X17）>I（X16）=I（X15）= I（X11）=I（X10）。

3.2.2 定量分析

代入电源屏各类设备的故障率（见表2），得出因电源屏故障导致单个TRE红蓝AP同时失电的故障率为4×10-6。

3.3TRE电缆分布

参照2.3节，由图3和图4，TRE供电链路上最末端、故障率最高的TRE4的故障树如图9所示。

表2 电源屏相关设备故障率

3.3.1 定性分析

最易引起系统失效的一、二阶最小割集为：

（X1，X10），（X1，X11），（X1，X12），（X1，X13），（X1，X14），（X1，X8），（X1，X9），（X2，X10），（X2，X11），（X2，X12），（X2，X13），（X2，X14），（X2，X8），（X2，X9），（X3，X10），（X3，X11），（X3，X12），（X3，X13），（X3，X14），（X3，X8），（X3，X9），（X4，X10），（X4，X11），（X4，X12），（X4，X13），（X4，X14），（X4，X8），（X4，X9），（X5，X10），（X5，X11），（X5，X12），（X5，X13），（X5，X14），（X5，X8），（X5，X9），（X6，X10），（X6，X11），（X6，X12），（X6，X13），（X6，X14），（X6，X8），（X6，X9），（X7，X10），（X7，X11），（X7，X12），（X7，X13），（X7，X14），（X7，X8），（X7，X9）。

结构的重要度为：

I（X14）=I（X13）=I（X12）=I（X11）=I（X10）=I（X9）= I（X8）=I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）=I（X3）=I（X2）= I（X1）。

3.3.2 定量分析

代入TRE各类设备的故障率（见表3），得出单个TRE红蓝AP同时失电的故障率为2.7×10-10。

表3 TRE相关设备故障率

3.4FTA分析总结

从分析计算的结果看，整个TRE供电系统的短板在电源屏系统，它与地铁供电系统、TRE及其电缆布置相比差了至少两个数量级。从电源屏系统的结构重要度来看，QF11（X6）、UPS（X5）、QF8（X7）是结构上最关键的3个设备，这是该线要求采用单UPS设计的缘故，若改为双UPS架构，则这3个设备都将有冗余，故障率将大为降低。不过即使是单UPS结构，电源屏系统红、蓝AP电源不同时故障的平均无故障时间（MTBF）仍能达到250 000 h（约28.5年），大大超出了20年的信号系统设计要求。因此，整个TRE供电系统是可靠的，完全能满足系统功能需求。

图8 电源屏FTA 分析

图9 TRE电缆分布FTA分析（含TRE）

4 结语

近年我国各城市地铁供电系统的结构绝大部分均与该线一样，其也被理论和实践证明是最可靠的结构。该结构故障率极低，完全能满足系统需求，且不同厂商的设备的MTBF相差无几，若想进一步提高地铁供电系统的可靠性，只能从人员素质和管理方式上着手。对于信号电源屏系统，两台UPS并联或者单UPS都是主流的做法，单UPS虽有明显的短板，但计算后可知可靠性实际也较高，双路AP的MTBF超过了信号系统设计使用年限20年的要求，若不考虑性价比可设计为双UPS来进一步提高系统的可靠性。对于TRE电缆布置，从计算结果看可靠性是三个系统中最高的，没有必要进一步加强。

TRE供电是信号系统DCS（数据通信系统）的一部分，TRE得电或失电问题，最终影响的是车地无线通信。不单单是供电，光电转换器、网线、光缆、光纤跳线、光模块、光交换机等故障都会导致TRE无法工作。该线合同中约定无线通信系统与列车控制系统结合的MTBF是105h，TRE供电系统的MTBF比其高了一个数量级，因此完全满足要求。

DCS的某些设备故障虽不会导致TRE失电，但会造成TRE无法工作，其与TRE失电的结果是等效的。此外，电源屏某些设备故障影响到其他设备如本站的联锁或ATC（列车自动控制）失电，或者本站信号系统失电了，那么TRE正常工作也无意义。因此，盲目地花大代价追求TRE供电的可靠是没意义的，更何况TRE供电的可靠性远在标准之上。

一些人为的不可预料的因素（如施工挖断电缆等人为的误操作）无法经由常规分析和FTA分析考量，运营方需从管理方式、操作规程、人员培养等方面着手，科学合理地规避人为故障的产生。

［1］曾德容.地铁供电系统可靠性和安全性分析方法研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

［2］张蔼蔷.故障树分析在电力系统可靠性研究中的应用［J］.华东电力，2005，33（2）：14-17.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014：140-180.

Reliability Analysis of TRE Power Supp ly of M etro Signal System

HUA Sheng，SU Afeng

TRE is one of the most important parts in metro signal train-ground w ireless communication system.TRE power supply is an important system to ensure the continuous communication between train and trackside.In this article, from aspects of metro power supply system,signal power supply panel system,and TRE w ith its′cable design layout,the conventional analysis and fault tree analysis are used to make a qualitative and quantitative analysis of the reliability of TRE power supply system.The purpose is to verify the system′s reliability inmeeting the demands and to explore itsweakness.

metro；train-ground w ireless communication；TRE（trackside radio equipment）；reliability of power supply；fault tree analysis

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2017.07.007

2016-11-03）