基于典型运营场景的信号电源负载优化方案研究

张传琪，吕文龙，麻吉泉，郭子义

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068；3.交控科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

随着城市轨道交通系统的快速发展，城市轨道交通信号系统(简称城轨信号系统)的组成结构日趋稳定。“科学化”、“精细化”是城轨信号系统下一阶段的发展要求，信号电源作为城轨信号系统的重要组成部分，是城轨信号系统的“心脏”，其可靠性要求很高。

在不降低信号电源可靠性的前提下，对当前电源配置原则进行分析，并结合单体设备测试结果、整体测试结果，最终形成城轨信号系统电源设计原则，用于指导新建项目的电源设计，有效降低轨道交通建设成本及维护成本。

1 信号电源现状

信号电源主要设备由信号电源屏、不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)、蓄电池组等组成，用于将驳杂、可靠性差、不满足信号设备供电需求的电源信号转换为纯净、可靠性较高、满足信号设备供电需求的电源信号[1-2]。

信号电源通常采用提高冗余度的设计方式保障可靠性，直接采信其他系统提出的用电量、冗余度等要求，对各设备用电量简单叠加求和，以此作为选择电源屏、UPS、电池组及市电的容量依据[3-4]。

目前信号电源设备容量的计算方法如下。

①由各信号设备生产厂家提出信号设备单机额定功率(双路供电设备按照双路容量统计)。

②集成商根据各站信号设备数量与信号设备厂家提供的机路额定功率乘积之和向上取整(每档5 kVA)，计算电源容量需求。

③电源屏厂家根据集成商提交的电源容量需求，考虑转换效率后向上取整，确定电源屏及UPS容量(电池组容量依据UPS容量及后备时间计算)[5]。

以此方式设计的信号电源，只有少数设备做到了按需配置，大部分信号电源设备容量过高，整体容量过度冗余，导致电源设备存在实际带载率过低的问题，同时造成设备投资浪费。

根据对城轨信号系统的现场调研，典型日常城轨信号系统负载稳态容量为电源设备设计容量的8%～25%左右。电源设备对供电容量要求偏高，导致了不必要的资源浪费[6]。

如何在保证不降低信号电源可靠性的基础上，有效降低信号电源，尤其是蓄电池组及动照市电投资成本和维护成本，是目前亟待分析、解决的问题。

2 典型信号设备测试分析

2.1 测试方案

采用功率分析仪对正常工作状态下的各信号设备用电情况进行在线监测，通过对监测数据的分析、整理，选取数值进行计算，最终确定被测设备的实际功耗。

测试系统如图1所示。

图1 测试系统图

2.2 分析过程

正、余弦交流电的峰值与振幅相对应，而有效值大小则由相同时间内产生的直流电的大小进行等效计算。式(1)为正、余弦交流电峰值与有效值计算方式。

(1)

式中:Imax为电流峰值;I为电流有效值 。

标准交流电波形如图2所示。

图2 标准交流电波形图

图2中:峰值电流Imax=10 A。式(2)为电流有效值的计算公式。

(2)

经过对信号设备供电情况测试发现，大部分交流信号设备的电流波形不是标准的正、余弦波[7]。

典型联锁设备波形如图3所示。

图3 典型联锁设备波形图

典型计轴设备波形如图4所示。

图4 典型计轴设备波形图

2.3 测试结果分析

在计算交流设备实际容量时，不仅应考虑标准正、余弦波形，还要考虑非标准正、余弦波形对计算结果的影响。对于标准正、余弦交流设备，其峰值电流转换得到的电流有效值与实测有效值相同；而非标准正、余弦交流设备，其峰值电流转换得到的电流有效值大于实测电流有效值。

因电流波形异常突起(毛刺儿)导致的异常电流峰值不会影响实测电流有效值，但会对电源设备寿命造成影响。因此，计算交流设备容量时应以峰值电流转换的电流有效值计算为宜。

3 典型信号设备供电情况分析

3.1 信号设备供电模型及功率分析

城市轨道交通信号设备按供电模式，可分为单路供电、双路冗余供电。其中，双路冗余供电又分为单设备双路冗余供电、双设备冗余供电[8]。

3.1.1 单路供电

单路供电信号设备主要包含信号机、转辙机、微机监测、道岔缺口监测等设备。

以某厂家微机监测机柜为例，其提供的额定容量为1 538 V。单路供电模型如图5所示。

图5 单路供电模型

单路供电设备，即只有一路电源输入的设备，往往结构简单、功能单一。其电源需求量即为该设备容量。

微机监测设备波形如图6所示。

经过现场测试，微机监测正常工作实测容量约为166 V，峰值电流计算容量约为353 V。此容量远小于厂家提供的额定容量1 538 V。

以短时工作制设备转辙机(ZDJ9型)为代表，其状态分为工作时、非工作时。当其非工作时，其供电处于断电状态，功耗为0；当其工作时，其波形基本为正弦波，单台实测容量与峰值电流计算容量约为1 200 VA，与厂家提供的额定容量1 320 VA相差较小。

图6 微机监测设备波形图

3.1.2 双设备冗余供电

以某厂家联锁机柜为例，其提供的两路额定容量均为1 154 V,整机额定容量为2 308 V。双设备冗余供电模型如图7所示。

图7 双设备冗余供电模型

此类设备由A系设备、B系设备组成，双路供电。每路电源为其中一系供电。A系、B系设备功能冗余，任意一系停电后，另一系能够正常工作，不影响设备主要功能。

系统电源容量为第一路电源与第二路电源容量之和,联锁设备波形如图8所示。

根据测试结果：第一路电源正常工作实测容量约为154 V,峰值电流计算容量约为336 V；第二路电源正常工作实测容量约为177 V，峰值电流计算容量约为377 V。

图8 联锁设备波形图

经过对比可以发现，此联锁机柜在正常工作时的实测电源容量为331 V，峰值电流计算总容量为713 V，远小于厂家提供的额定容量2 308 V。

以某厂家现地工作站为例，其单台现地工作站额定容量为462 V。根据现场测试结果显示，正常工作实测容量约为100 V，峰值电流计算容量约为250 V，同样远小于厂家提供的额定容量。

3.1.3 单设备双路冗余供电

此类信号设备主要包含分散控制系统、计轴、服务器机柜[9-10]。

以某厂家计轴机柜为例，其提供的两路额定容量均为500 V，整机额定容量为1 000 V。单设备双路冗余供电模型如图9所示。

图9 单设备双路冗余供电模型

通过上述对电源供电模型分析发现，目前信号设备额定功率与实测功率存在较大偏差，部分信号设备单机额定功率计算存在偏差。

3.2 信号电源带载率分析

查询某城市某线车辆段信号电源设计容量为34 kVA(未包含转辙机及打印机电源)，通过实时在线监控发现信号设备总功率约为5.6 kV(未包含转辙机及打印机电源),计算其带载率约为16.5%。

信号电源总设计容量是将各信号设备额定容量累加进行计算。但各信号设备正常工作时,不会同时工作在最大功率。按照TJ/DW 211—2018《铁路信号电源系统设备暂行技术规范》附录E.2章节规定，计算机类设备同时系数(需要系数)按照0.6、转辙机动作电源同时系数(需要系数)按照1、其他信号设备同时系数(需要系数)按照0.9计算容量。

综上所述，为了在保证信号电源可靠性不降低的基础上，有效改善信号电源带载率过低的情况，有必要在设计阶段适当考虑同时系数。

4 结论

根据上述优化原则，在保证信号电源系统可靠性不降低的情况下，后期项目系统设计过程中信号电源总容量可降低20%～30%左右， 蓄电池组容量及市电容量可降低20%～35%左右。按此计算，建设长度为30 km的地铁线路预计可以节省200 kV的电力、蓄电池的投资及后期维护成本。