宁波轨道交通3号线信号系统电源设备加强措施

2018-11-02朵建华

城市轨道交通研究 2018年10期

朵建华

(宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，315101，宁波//工程师)

电源设备是轨道交通信号系统的基础设备和重要组成部分，能保证信号设备稳定、可靠、连续地运行。本文主要针对信号电源系统常规设备及LTE(长期演进)设备的供电方案进行技术分析。

1 信号电源系统设计

宁波轨道交通3号线信号系统采用的是不间断电源(UPS)系统并联蓄电池，经智能电源屏输出给用电负载的方式，同时结合系统薄弱环节及可靠性，设计了非集中站两台小功率UPS组成的双母线方案,并采用交流模块并联技术、分时下电等技术，大大降低了故障概率，进而更好地保障了整条线路的正常运营。其信号电源系统主要由电源架、UPS、电源屏1、电源屏2、电源屏3等组成。

宁波轨道交通3号线对于用电量较少的非集中站采用了单进三出/三进单出的小功率UPS；集中站等用电量偏大的供电，均采用中大功率的三进三出UPS为信号的电源系统进行不间断供电。除UPS外其他电能变换环节采用模块式结构，智能信号电源设备的模块对后端N个负载采用N+1并联冗余工作热备份技术。任何模块单元出现故障可自动退出并报警，任意单一功率模块故障均不影响本路电源的正常容量输出。并且信号电源屏内功率模块具备无损伤热插拔功能，更换时间小于1 min，维护快捷方便。

独特的两路交流电源输入自动切换装置和配套的系统方案，通过接触器搭接及高可靠控制电路，可保障UPS前端的市电源源不断。当Ⅰ路输入电源故障(包括过压、欠压、缺相、错相、停电等)，电源系统将自动切换至Ⅱ路输入电源工作，并通过监控单元进行告警并上传；如果Ⅰ路输入电源故障恢复，电源系统可手动切换回Ⅰ路输入电源。

信号电源系统具有完善的隔离、净化、分配，以及漏电监测功能；配备完善的防雷击和过电压、过电流、短路保护等电路，保证系统在恶劣条件下工作的可靠性、人身安全的可靠性、电气火灾防护系统的可靠性。系统设备符合国际安全标准EN 60950(对应GB 4943)以及其他相关行业标准；电源设备可以向信号维护监测子系统提供准确的报警信息。

此外，宁波轨道交通3号线信号系统工程为了更好地实现LTE综合承载功能，采取了非集中站设双套UPS、蓄电池供电分时下电、LTE设备综合供电等加强措施。

宁波轨道交通3号线的非集中站UPS 系统工作原理如图1所示。

注:RRU为射频拉远单元图1 信号电源非集中站系统供电原理图

宁波轨道交通3号线的非集中站采用2台单机UPS输出双母线的配置,即系统由电源屏输出2台独立的UPS，2台UPS的输出独立工作、互不影响，为冗余的后级设备分别供电。同时，为避免UPS与稳压器串联造成单个设备故障，使后级设备供电中断，宁波轨道交通3号线的非集中站在2台UPS输出端采用冗余并联，经具备稳压的交流模块为交流负载进行供电，取消了UPS旁路/输出稳压器。交流模块的输入取自不同的UPS后，交流模块的输出给互为备份的信号负载设备。因单个交流模块故障，不会影响后级信号设备供电。同样，因单台UPS故障，2套UPS分别为冗余的信号系统设备供电，也不影响正常的列车运营。

宁波轨道交通3号线的集中站采用了分时下电技术。即在蓄电池供电状态下，针对负载的用电重要程度，将非重要负载优先断开，以保障重要负载获得更长的后备时间。轨道交通项目要求外电故障后信号系统部分负载仍需维持不小于30 min的供电时间。针对宁波轨道交通3号线专用无线通信系统及信号系统中的DCS(数据传输系统)部分UPS供电时间不小于2 h的特殊要求，采用分时下电的解决方案来实现此功能。分时下电控制逻辑流程如图2所示。

图2 分时断电控制流程图

分时下电主要部件包括以下几部分：① 触发元件,即蓄电池工作状态的检测装置，在本系统中指的是UPS本身。当市电断电时，UPS采集到此信息，启动蓄电池逆变工作模式的同时把此信息发送给电源屏监控单元。② 控制器,即采集信息、处理信息和输出指令的装置，在本系统中指的是监控单元。监控单元输入模块采集UPS蓄电池逆变信号，经由输出模块发出下电的驱动信号。③ 下电执行机构,完成下电功能的具体元件，本系统中指的是断路器和电动操作装置。通过控制电动操作装置的驱动电源开关，当电动操作装置电源开关闭合时，触发电动操作装置分闸信号，电动操作装置动作使断路器断开，完成下电。

当市电异常、蓄电池投入瞬间，UPS发送蓄电池逆变工作信号，此时监控单元开始计时。在计时过程中如果市电恢复，则计时指令取消。本项目设分时段0.5 h和2 h两种。信号电源设备的监控单元发出下电指令，由分励脱扣器驱动对应断路器动作，实现后端对应负载回路的下电动作。未被下电的负载将通过UPS及蓄电池维持至电池组的截止电压为止。当输出下电指令后，同时通过断路器的辅助触点检测该断路器是否完成下电；如果下电未完成，则提示下电失败的告警信息。若分时下电故障,后端0.5 h和2 h的负载将通过UPS维持至电池组能量耗尽到截止电压为止，不会因此而影响电池供电，并且监控单元会即时触发故障告警。

2 正线LTE设备供电方案

宁波轨道交通3号线正线的LTE设备由BBU(基带处理单元)、RRU(射频拉远单元)、LTE交换机和固定台等组成，其基本参数如表1所示。

表1 LTE电源设备电源需求参数一览表

由于采用LTE综合承载信号系统及专用无线系统，供电方案应保证任一车站信号电源故障不会导致信号系统及专用无线系统同时不可用。存在LTE设备由本站信号、通信两个专业综合供电或由信号专业本站、邻站两个车站供电两种方案可供选择。

2.1 综合供电

LTE部分综合供电由通信专业和信号专业分别提供A网和B网设备的电源输入。其中，通信设备房电源屏提供A网的2路220 V输入，而信号设备房电源屏提供B网的2路220 V输入。以ZC4(区域控制器4)为例具体说明： ① 通信专业供电设备，在集中站(A网)为BBU、RRU、LTE交换机和固定台，在非集中站(A网)为RRU和固定台；② 信号专业供电设备，在集中站(B网)为BBU、RRU和LTE交换机，在非集中站(B网)为RRU。

综合供电配置如图3所示。由于LTE本站设备供电距离不远，分别位于信号设备室和站台区域，以表2中截面积为1.5～4.0 mm2的线缆为计算基数。

图3 LTE综合供电及网络配置方案表2 电源线径计算参考表格

导线直径/mm电线截面积/mm2铜的电阻率/(Ω·m)<1.0<1.50.018 2[1.0,2.5)[1.5,4.0)0.018 0≥2.5≥4.00.017 9

选取铜电阻率ρCu=0.018 0 Ω·m；选取极端情况下，通信机房至信号机房BBU和LTE交换机的距离为100 m,通信机房至车控室固定台的距离为100 m,通信及信号机房至轨旁RRU的距离为925 m。

考虑到电缆的老化，因此BBU、LTE交换机、RRU和固定台工作电压分别选取200 V、120 V、110 V和110 V。

R=ρL/S=Ud max/lmax

(1)

式中：

R——导线电阻；

ρ——电阻率；

L——供电距离；

S——线缆截面积；

Ud max——线路允许最大压降；

Imax——线路最大电流。

由式(1)可计算各情况下线缆的截面积：① BBU电缆,S=0.45 mm2;② LTE交换机电缆,S=0.072 mm2;③ RRU电缆,S=0.963 mm2;④ 固定台电缆,S=0.029 7 mm2。根据计算结果，电缆截面积最大不超过1 mm2即可。

2.2 邻站供电

LTE部分邻站供电由集中站和非集中站分别提供A网和B网设备的电源输入。其中,集中站设备房电源屏需提供A网的LTE设备220 V输入，而非集中站设备房电源屏提供B网220 V输入。现以ZC4为例作具体说明：① 集中站(A网)为BBU、RRU和LTE交换机；② 非集中站(B网)为BBU、RRU和LTE交换机；③ 固定台和站厅RRU由本站供电。

临站供电配置如图4所示，由于LTE设备供电距离长，且电缆衰减压降严重，因此以表2中截面积大于等于4 mm2的线缆为计算基数。

选取ρCu=0.017 9 Ω·m；选取极端情况下，信号集中站机房至信号非集中站机房BBU和LTE交换机的距离为1 826 m,信号机房至车控室固定台的距离为100 m,信号非集中站机房至信号集中站处轨旁RRU的距离为2 239 m。

考虑到电缆老化，因此BBU工作电压选取200 V，LTE交换机工作电压选取120 V，RRU工作电压选取110 V，固定台工作电压选取110 V。

由式(1)可计算得各情况下线缆的截面积：① BBU电缆计算，S=8.171 mm2；② LTE交换机电缆计算，S=1.307 mm2；③ RRU电缆计算，S=2.319 mm2；④ 固定台电缆计算，S=0.029 6 mm2。根据计算结果，BBU电缆需要使用8 mm2以上电缆。宁波轨道交通3号线有部分车站间距大于4 km，电缆截面积可能要大于20 mm2。

图4 LTE邻站供电方案

3 运营控制中心的LTE设备供电方案

3.1 综合供电

运营控制中心(OCC)的LTE设备也可和轨旁一样采用综合供电方式。按表3,供电设计分析电源故障对系统的影响如下：① 如果信号输入电源故障，集群业务可以通过LTE-A网进行通信，LTE-B网无法正常工作，集群接入交换机2下连调度台无法正常工作，集群接入交换机1下连调度台均能正常工作，不影响集群调度功能；② 如果通信输入电源故障，CBTC(基于通信的列车控制)业务可以通过LTE-B网进行通信，LTE-A网无法正常工作，集群业务无法正常工作，不影响CBTC的功能。

表3 通信及信号供电设计一览表

OCC设备连接见图5,图5中虚线框圈出部分为通信专业供电，其余为信号供电。

3.2 单独供电

该方案由信号电源屏单独给OCC的LTE设备供电。

4 方案比较

如表4所示，目前如果采用BBU邻站供电，输出电压220 V时，室外电缆线径太粗且防雷防护要求高,致使可行性不强；另外，如果不用粗线径电缆，采用输出端调高电压的方式，需将输入电压调到300 V，这个方案也较难实现。因此，采用综合供电的方案相对更加合理，既保证了LTE设备的供电冗余性，又节约了室外电缆的成本，也便于施工单位施工和后期维护。