轨道交通信号电源系统双UPS并机技术研究

王 霏，屈 桐

（北京市地铁运营有限公司 通信信号分公司维修七项目部，北京 100080）

0 引 言

本文主要介绍现有轨道交通中信号电源系统UPS应用方案，结合现有UPS并机方案进行分析，采用“N+X”热备份并机方式进行改进，为单机UPS运行的信号电源系统提供了一种冗余度大、扩容性能好的UPS并机方案，并对其工作原理、系统方案、运行特性以及维护注意事项等方面进行了详细介绍，突出了该方案的工作优势[1]。本项目的目的在于加强轨道交通信号系统的稳定性，降低因设备电源类故障对安全运营产生的影响。

1 轨道交通中单机UPS运行概述

1.1 轨道交通信号电源使用状况

现有部分地铁信号电源系统线路使用单不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）供电，其中包含两路市电供电，负载置于单台UPS之后。

各站点依据采用的设备分布方式特点可以分为设备集中站和非设备集中站。设备集中站的电源容量为20～60 kW，所使用的单机UPS一般为三相输入、三相输出，并具备主路UPS工作开关、旁路电源工作开关、手动检修旁路开关以及电池开关，可以实现在主路UPS的整流模块和逆变器等故障、负载过载或电池放电结束时自动倒切至旁路电源供电，当故障修复后再自动倒切至主路UPS供电模式。非设备集中站的电源容量一般为6 kW，所使用的单机UPS多采用单相输入、单相输出的方式。现场配置中需要根据电源容量配置UPS输入输出方式，UPS工作原理一致，实际应用中电源容量以20～60 kW为主。

1.2 单机UPS工作原理

采用单机UPS的信号电源系统连接方式有两种，第一种连接方式如图1所示，两路输入市电经切换单元后，分别为UPS主路与稳压器供电，经UPS输出后给所有负载（含转辙机）供电，同时对蓄电池进行充电，稳压器输出为UPS旁路提供电源。

第二种连接方式如图2所示，两路输入市电经切换单元后，通过稳压器为UPS提供稳压电源，经UPS输出后给交流负载供电，同时对蓄电池进行充电，稳压器输出为UPS旁路和主路提供供电电源。

正常工作方式下，UPS将输入电源分别经过整流单元和逆变单元进行电压转换后，通过变压器隔离后输出，蓄电池接于整流单元与逆变电源之间的直流母线上，在UPS输入断电的情况下为后端负载提供不间断电源。当UPS故障或负荷超载时，自动旁路开关闭合，输入电源直接通过旁路供电给负载。

现场需要对UPS进行维修或更换时，可闭合手动检修旁路开关维持输出负载工作不间断，并将UPS不间断电源的输入、旁路输入、内部直流电池开关、输出开关都打开，然后对该UPS的内部进行检修或更换。

1.3 单机UPS使用缺点

采用单机UPS的信号电源系统的冗余程度低，当发生单机UPS故障、输入掉电等不利情况时，仅依靠自动旁路维持供电容易引起电路失电，进而对轨道交通系统造成极大压力。

结合线路的应用情况以及用电重要性，考虑到电源故障可能导致信号设备全部失电，影响正常行车安全及行车效率，造成极其恶劣的影响，为了提高UPS设备的可靠性和可用性，需对单机UPS方案进行优化。

2 轨道交通中UPS并机改进方案介绍

2.1 通用UPS并机方案

目前，轨道交通行业，尤其是信号电源系统对UPS供电可靠性的要求非常高。UPS供电的可靠性直接影响到信号电源设备的安全稳定运行，已成为保证轨道交通安全的重要前提。相比于单UPS系统，并机UPS系统更稳定，可实现扩容及冗余配置，瞬时过载能力更强，可靠性更高，更加适应轨道交通的发展需要。最为常见的几种并机控制方法如下文所述。

2.1.1 主从热备份

主从热备份方案的工作原理为主机带负载，从机只起到热备份的作用，并不带载运行。当主机出现故障时会自动退出工作，系统跳转到从机供电，实现不间断供电[2,3]。连接示意如图3所示。

图3 主从热备份方案连接示意

该方案的优点为两台UPS独立运行，互不影响，不受设备品牌限制，不需要进行额外的调试。缺点为扩容不方便，需要单台容量大或配置的模块数量多，模块承受瞬时过载能力低，且其中一个长期运行，另一台长期空载，利用率较低，电池寿命也相对较低。

2.1.2 串机互动热备份

串机互动热备份方案是两台机器分别带负载，每台机器的输出分别接入另一台机器的旁路输入端，组成互为主备的UPS系统，是主从热备份的改进型，连接示意如图4所示。

图4 串机互动热备份方案连接示意

串机互动热备份方案需要人工分配负载，相对于主从热备份方案具有瞬间过载能力强、从机利用率高、电池寿命较长等特点。缺点为必须应用于可人工分配负载功率的方案。

2.1.3 并机互动热备份

并机互动热备份方案两机单体并行运行，通过静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）接入负载，如图5所示。此方案中的两台UPS采用单元互动形式，通过STS开关的预先设置来选择负载由UPS1或者UPS2供电，实现负载分配。当任何一台UPS故障无输出时，STS开关会在几毫秒之内转换到另一台UPS为负载供电，无故障UPS承担全部负载。

图5 并机互动热备份方案连接示意

方案的优点为两台UPS通过STS开关进行并联分配，调整两台UPS轮换工作，可减少预设调试，增加电池和UPS使用寿命，而且切换过程中没有瓶颈故障点。缺点为STS有额定容量限制，扩容不方便，增加系统故障点，降低整体可靠性。

2.1.4 “N+X”并机热备份

“N+X”并机热备份方案为交流并联方案[4]。正常工作时，并联的N+X个UPS稳定协调工作，均分负载运行。当并联的任一台UPS发生故障时，会自动退出并机，由剩余的UPS均分负载继续运行，若剩余的UPS超载，则系统将自动跳转到旁路工作。

图6 “N+X”并机互动热备份方案连接示意

方案优点为多台UPS并联，可实现自动均分负载，瞬间过载能力强，单台UPS故障无缝切换，扩容方便，没有瓶颈故障点。缺点为存在部分环流，无功损耗大，需要并联的UPS为相同品牌。

2.2 轨道交通中UPS并机改进工作原理

本文中主要研究采用“N+X”并机热备份工作方式对原有单机UPS进行改进，连接间增加并机板[5]。UPS并机原理如图7所示。

图7 “N+X”并机热备份系统原理

该控制方法通过增加并机板实现多台UPS之间通信。多台单机并联组成的UPS系统相当于一个大的UPS系统，但具有更高的系统可靠性。该系统支持多台UPS并联工作，主路、自动旁路和手动维修旁路均设置多路冗余，便于维护，没有瓶颈故障点，当任一UPS出现故障时，可实现后端负载供电不间断，瞬间过载能力强，稳定性更高。

2.3 轨道交通中UPS并机系统方案详细介绍

本方案以两套完全相同的UPS并机为例进行介绍，采用双UPS并联冗余方案的信号电源系统如图8所示，该系统由一套双电源切换单元、两套UPS、一台稳压器、两套蓄电池、若干电源模块组成[6]。并机中要求两套UPS的容量相同，输出的电压幅值相同、频率相同、相位相同、相序相同，以便更好地均分负载。

图8 采用双UPS并联冗余方案的信号电源系统

系统有两路市电输入，互为冗余，经过双电源切换装置后分别接入两个UPS；两路市电可通过双电源切换装置进行手动和自动切换，设置优先级[7]；两个UPS均配置并机板进行并机，电源屏内根据现场需求选配电源模块；UPS输出电源通过各种电源模块进行转换供给各路负载[8]；UPS内部有自动旁路，当两台UPS均无法正常工作时，可自动切换至旁路供电；UPS设置维修旁路，当出现故障需要维修或更换时，可切换到维修旁路后进行操作；UPS外接蓄电池作为不间断电源供电。

3 轨道交通中UPS并机方案特性

3.1 并机方案的运行方式

3.1.1 正常模式运行方式

在正常模式时，轨道交通信号电源系统外部接两路市电为UPS电源系统提供供电电源[9]。两路市电可设置供电优先级，实现故障时自动切换。两台UPS装置分别增加并机板实现并机运行，均分负载。每套UPS包含整流单元、逆变单元、隔离变压器、静态开关以及开关几部分，蓄电池组置于整流单元和逆变单元之间的直流母线上，作为不间断电源[10]。

3.1.2 故障模式运行方式

当轨道交通信号电源系统存在故障时，双UPS并机单元运行方式如下：一是系统有两路市电输入，当一路市电停电，而另一路正常时，系统自动切换到正常市电供电，维持UPS稳定供电；二是两路市电均停电时，UPS中由蓄电池提供不间断电源，经过逆变单元转换后向各个负载供电；三是当任意一台UPS发生故障无输出时，将自动退出并机系统，由剩下的UPS承担全部负载，若超载则转换到旁路供电；四是当一台UPS仅整流器发生故障时，由挂在该母线上的蓄电池组供电，当蓄电池组放电结束时，若另一台UPS正常，则故障UPS退出系统，由正常UPS供电，若另一台UPS故障无输出，则系统切换至旁路供电；五是当两台UPS均发生故障无输出时，系统自动转换到旁路维持负载稳定运行。

3.2 负载连接方式

轨道交通中采用UPS并机信号电源系统负载分为交流负载、直流负载两种。

3.2.1 交流负载

信号电源系统中的交流负载主要有双路交流负载、单路交流负载以及转辙机负载3种。对于双路和单路交流负载，均在UPS后端配置交流电源模块与隔离变压器进行供电，以减少负载短路时对UPS造成冲击，有利于延长UPS使用寿命，使系统更稳定。对于转辙机负载，其具有短时间功率较大，间歇工作的特点，目前配置于UPS或者稳压器之后，供电电源为三相交流电。

3.2.2 直流负载

轨道交通信号电源系统的直流负载主要包括直流220 V、直流110 V、直流60 V、直流24 V以及直流24～60 V多种供电方式，由于负载种类较多，系统中为每个回路均配置相应的直流电源模块，将UPS输出的交流电压转换为对应电压进行供电，直流负载不需额外配置变压器。

3.3 并机方案维护注意事项

一是当蓄电池故障或亟需维护时，需先断开蓄电池组与UPS直流母线的连接，再进行检修或维护；二是对UPS维护时，需要闭合手动维修开关维持负载不间断供电，并断开UPS输入开关、输出开关及蓄电池开关，使UPS装置彻底无电，再进行维护；三是当UPS系统由两个以上的UPS单元并联组成时，闭合UPS内部维修旁路开关，则并机负载可能全部经由其内部维修旁路供电，因此并机时建议使用外部维修旁路开关而不建议使用内部维修旁路开关；四是当其他UPS运行时，已关闭的本机UPS输出端子上仍然存在电压，需等待5 min使UPS母线电容放电完成，操作前用万用表测试是否存在危险电压。

4 结 论

根据轨道交通系统信号电源系统不间断电源的工作需求，本文对比各种现有并机方案优缺点，采用“N+X”并机热备份的并机方式进行改进，为轨道交通信号电源系统提供了一种冗余度大、扩容性能好的UPS并机方案，并对该方案从工作原理和方案特性以及操作注意事项进行的详细描述，突出了该方案切换速度快、可靠性高、扩容便利、维护便捷的优势，可有效降低轨道交通在极端运行状况下发生失电的概率。