既有线信号设备供电系统改造研究

谭波，甘鹏

（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东 广州 510310）

1 背景

早期的信号系统设计时，对于关键机柜功能通常已考虑到冗余设计（三取二、二乘二取二），但对于所有设备供电的电源系统未考虑冗余设计，关键机柜的供电链路未考虑冗余设计，若该供电链路出现故障，将出现大面积设备失电和区域性系统故障，对列车运营造成巨大影响。对此，本文提供供电系统改造的思路及解决方案，解决该隐患。

2 设备现状

信号设备供电系统通常设计为单UPS单总线供电系统，由1台UPS、1套蓄电池、1套电源屏（含多个交流、直流模块）组成。

2.1 隐患识别

结合设备原理及实际故障案例，单UPS单总线供电系统结构，存在如下3个方面的设备隐患：

2.1.1 UPS故障

当出现UPS故障且无法自动切换到静态旁路时，下级所有设备将掉电，导致出现区域性信号系统故障，对正常运营造成巨大影响。以广州地铁为例，2021年在一号线、二号线、四号线均发生UPS故障，其中2次发生在运营期间，均造成30min以上的晚点事件，教训惨痛。

2.1.2 电源屏故障

当出现电源屏内部总线接地或短路故障时，也将造成下级所有设备将掉电，导致出现区域性信号系统故障，对正常运营造成巨大影响。且该故障应急处置相对复杂，对故障的影响会进一步加剧。

2.1.3 负载供电链路故障

电源屏至设备机柜通常为单链路供电，若该链路出现输出空开故障、电缆故障或机柜输入保险故障等，均会导致相应的机柜掉电，相关功能失效，若发生在核心机柜，将对正常运营造成巨大影响。以广州地铁为例，2020年在二号线、四号线均发生该类故障，均造成10min以上的晚点事件，教训深刻。

2.2 改造思路

从源头上提高设备的可用性，避免单一部件或回路的故障，不出现区域性、大面积设备掉电故障，可从2方面开展改造。

2.2.1 供电系统改造

将传统的单UPS单总线供电系统改造为双总线冗余供电系统，单点故障只会造成供电系统单系故障，不会出现所有设备掉电，减少了故障影响。

2.2.2 负载端供电改造

关键机柜供电回路由单回路供电改为多回路冗余供电，单链路故障不会导致该核心机柜功能失效，提高设备可用性。

3 冗余供电改造方案

3.1 双总线冗余供电系统改造

将原单母线、单电源屏、单UPS电源系统拆除，新增1套双总线冗余配电电源系统（具体原理见图1）。电源系统须组成2个相互独立的、物理隔离的互为冗余A、B系统。

图1 既有供电系统“四级变换”和一体化信号电源系统设备简图

基于既有线改造受设备房安装空间限制，同时考虑传统的信号供电系统存在的一些问题，如，变换层级多、能耗和故障点增多（UPS内的两层变换：第一层AC-DC，将外部市电转化为直流电进入电池母线。第二层DC-AC，将电池电能逆变为交流电输。信号电源屏内的两层变换：第一层AC-DC，将UPS或市电所提供的交流电转化为直流电进入模块内部母线；第二层DC-AC或DC-DC，将直流电能逆变为负载所需的电压输出）；非并联模块切换问题（切换时负载反向冲击大，埋下故障隐患）；各容量UPS备件不通用问题等。

考虑以上几方面问题，建议采用双总线冗余配电电源系统选取鼎汉公司最新的产品（一体化信号电源系统设备），可较好克服以上问题；以广州地铁为例，已完成八号线万胜围站、四号线大学城南站一体化信号电源系统设备的改造投用，运行情况良好，正在推进其他站供电系统的改造。

3.2 关键机柜冗余供电改造

本文以西门子信号系统（LZB700M准移动闭塞系统和TGMT移动闭塞系统）为例，提出关键机柜冗余供电改造解决方案。

3.2.1 LZB700M准移动闭塞系统

LZB700M准移动闭塞系统原设计中，联锁机柜、ATP机柜、STEKOP/DSTT机柜的供电链路均为单通道，本文以60V供电改造为例进行说明。

60V电源供电改造的思路是联锁机柜、ATP机柜各从其他机柜并联一路60V以单独供各自通道运行，以达到三通道电源冗余的目的，需在各机柜间敷设新的供电电缆。

存在风险：由于联锁机柜的对应原设计保险容量为6A，ATP机柜对应原设计保险容量为16A，如需按上述方案改造，需将联锁机柜的保险容量增大，这将与原设计不符，存在安全风险及隐患，但未超过上级保险容量，风险可控，已于2021年完成该，运行效果良好。

3.2.2 TGMT移动闭塞系统

目前信号联锁/ATP/TTS（时刻表管理系统）机柜以及ECC机柜的24Vdc供电模式存在缺陷：SIMIS-PC机柜中，双通道赫斯曼交换机（以下简称“小交换机”）以及ECC组匣均由电源屏同一个24Vdc空开供电。当电源屏空开或电源电缆出现故障，会导致联锁/ATP/TTS以及ECC宕机，功能失效，存在较大隐患。

3.2.2.1 联锁站

联锁站改造分为2方面：

交换机：通过增加一路24Vdc电源单独为多个机柜（联锁锁、ATP、TTS）的B通道小交换同时供电，将A、B通道的小交换机供电电源分离，有效避免24Vdc供电故障/单通道负载端短路导致的故障。

图2 60V关键机柜供电电路改造前、后简图

机柜：通过增加一路24Vdc电源与联锁机柜A通道输入并联，确保电源屏空开故障或电源屏-机柜线缆断路故障后，SIMIS-PC、ECC及其附属设备仍能正常工作。

3.2.2.2 ECC站

通过增加一路24Vdc电源与ECC柜既有的24V输入并联，确保电源屏空开故障或电源屏-机柜线缆断路故障后，ECC及其附属设备仍能正常工作。

以广州地铁广佛线为例，核查各联锁站电源屏备用输出空开可以满足此改造方案；改造后既有24V空开及A通道启用的备用24V空开的负载均小于原负载，容量满足；B通道启用的备用24V空开比原有负载增加0.16A的负载电流，总电流到达0.24A，但仍然远远小于空开的额定电流值16A；综上，具备改造的可行性，2021年已完成广佛线全线冗余供电改造，运用效果良好。

4 改造风险及应对

在既有运营设备上进行改造，改造风险较大，为避免改造对运营产生影响，对过程中主要的风险进行了识别和梳理，具体如下：

4.1 供电冗余改造完成前的保障措施

梳理各类电源应急接入点，并标注显眼的标识，在各站点放置应急电缆，制定并简化应急处置流程，若在改造完成前发生设备供电故障，可立即使用应急电缆按操作指引拉电临时恢复设备供电，降低故障影响。

4.2 施工过程中存在的风险

4.2.1 搬运风险

因电源屏、UPS改造设备搬抬大型机柜，搬运过程中，尤其是在上下楼梯或出入设备房期间，可能出现砸人、砸公共设施、砸相关设备风险。

应对措施：（1）提前规划好搬运路线，熟悉路线，确保有足够搬运空间；（2）设备进场前，设置安全隔离带，做好安全交底，统一指挥；（3）提前清掉设备房除在用设备外的其他机柜，预留充足搬运及设备安装空间。

4.2.2 施工工艺不良埋下隐患

应对措施：（1）提前编制并审查配线工艺；（2）作业中严格按照接线工艺接线；（3）施工过程中各接线按既有线缆的工艺压好线鼻，并互控好万可端子的接线深度，完成接线后进行各项电气参数及绝缘测试，验证改造工艺。

4.2.3 接错线风险

应对措施：（1）拆卸接线前对全部接线做好标签；（2）测试确认输出相序是否和既有标签一致；（3）干接点报警测试，需做好LOW、MMI、电源屏监控单元一致性测试。

4.2.4 人员触电风险

应对措施：（1）作业前，打下对应供电电缆的输出空开，操作前需首先进行验电；（2）施工人员施工期间需配电合格的绝缘手套，穿绝缘鞋、使用绝缘工器具；（3）如人员触电时，必须先断电源，方可去接触伤者，在使伤者脱离电源后，根据伤者情况要立即采取人工呼吸和胸外心脏挤压方法进行抢救。

4.2.5 设备倒切调试风险

电源倒接作业期间，联锁站站所有信号设备需停电，信号设备可能会在上电后出现无法正常启动的情况。

应对措施：（1）熟练掌握该站信号设备的重启操作；（2）作业开始后需要断电时，严格按照规定流程进行设备停电操作，先关闭停用设备，再关闭设备电源，最后关闭电源屏输出空开；（3）作业完毕需要恢复设备供电时，严格按照规定流程进行设备上电操作，先合上电源屏输出空开，测试输出稳定达标后，再开启设备电源，最后启用设备；（4）提前准备好各设备相关板块的备件（涉及数据配置及拨码设置的板件提前设置好），发现异常情况时立即进行更换。

4.3 改造后的风险防控

改造后设备由一路供电变为两路供电存在断电不彻底的风险。

应对措施：改造完成后在电源屏做好标识标签，如需断机柜24或60Vdc电源，需要两个空开同时打下，并全员做好培训。

5 结语

采取以上改造后，信号设备供电系统由单母线单USP供电升级为双母线冗余供电系统，设备机柜供电由单一回路变化为多回路供电，基本杜绝了单一部件故障（如保险、空开、线缆等）导致的大面积设备故障的发生，极大的提升了电源系统的可用性。