地铁专用通信电源UPS 构成及典型故障分析

李玉斌

（南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 211135）

0 引 言

主电源故障或电源供给存在质量不高、波动较大的情况下，为提高地铁专用通信各系统设备可靠性，需要在控制中心、车辆段、全线各站点设置专用通信电源系统为专用通信系统供电[1-2]。

地铁通信电源系统专用通信电源系统由交流配电屏、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高频开关电源、蓄电池以及电源监控网管设备等构成[3-4]。交流用电通信系统设备由UPS 供电，一般使用的电压是交流220 V，直流用电设备由高频开关电源提供直流电源（Direct Current，DC），电压为- 48 V。部分地铁专用通信设备全部采用交流电源，不使用直流供电[5]。在控制中心设置电源网管系统，统一监测交流配电屏、UPS、高频开关电源以及蓄电池等设备[6]。

1 UPS 组成及功能

UPS 由交流电输入单元、交直流转换的整流器、直交流转换的逆变器、蓄电池组、自动切换的静态开关、手动旁路开关、交流电输出分配模块以及监控显示单元等组成。正常工作时，UPS 可看成稳频稳压电源，整流后的电源为逆变器供电的同时给蓄电池组充电，逆变器将交流电转成直流电后输出。当市电故障或整流器故障时，蓄电池组为逆变器供电，逆变器进行直交流变换后向负载供电。通信系统后备时间不少2 h。

1.1 输入整流滤波电路

将供电部门提供的交流电转变为直流电，再进行稳压滤波后，为蓄电池组和逆变器进行供电。整流器是利用电源整流电路工作原理将交流电转换为直流电的整流装置。一方面将供电部门提供的交流电转变成直流电，经滤波后供给逆变器；另一方面为蓄电池组提供充电电压。

1.2 蓄电池组

市电正常时，蓄电池组充电以储存电能；市电中断时，蓄电池组放电维持逆变器的工作。

1.3 逆变器

逆变器是UPS 中的关键部件，主要作用是将整流器整流后的直流电或蓄电池组的直流电转换成交流电。在线式UPS 均采用正弦脉宽调制技术控制逆变器的工作。

1.4 静态开关电路

静态开关的功能是将两路电源供电系统从一路电源自动切换至另外一路电源的部件。静态开关是由两个反向并联的可控硅组成的交流开关。该开关无触点，由具有逻辑控制的装置控制开关的断开和闭合。当UPS过载或其内部的逆变器故障不能输出交流电时，为保证交流负载能够不间断工作，静态开关将UPS从逆变器供电转换为由市电直接供电。该转换过程要求静态开关转换时间很短，不能出现电源供给中断现象，避免造成交流负载掉电。

2 UPS 单机工作模式

2.1 UPS 正常工作供电模式

市电正常供电时UPS 单机工作模式原理如图1所示。在供电部门提供的交流市电正常情况下，交流电源经过滤波整流后，交流市电转换为直流电供给逆变器，同时供给电池组给蓄电池充电。UPS 可以解决电涌、电压不稳、频率漂移以及噪声干扰等问题，为交流负载提供纯净的电源。

图1 市电正常供电时UPS 单机工作模式原理

2.2 电池供电模式

电池供电时UPS 单机工作模式原理如图2 所示。

图2 电池供电时UPS 单机工作模式原理

当供电部门提供的交流市电发生异常或整流器发生故障时，蓄电池组向逆变器提供直流电源，确保逆变器正常工作，交流输出正常，不影响交流负载的正常使用。

2.3 旁路供电模式

旁路供电时UPS 单机工作模式原理如图3 所示。当逆变器受前级设备工作影响或自身部件损坏不能提供交流电源时，如果供电部门提供的交流市电继续不变，那么静态开关就会接通旁路开关。此时，供电部门提供的交流市电经旁路开关直接供给交流负载。

图3 旁路供电时UPS 单机工作模式原理

2.4 维修旁路供电模式

维护旁路供电时UPS 单机工作模式原理如图4所示。在UPS 维保过程中，有时需要进行内部器件检查维修或相关设备的更换，为不中断交流负载运行，保证交流电能够持续供给，需要先关闭逆变器，再打开维护旁路开关，接着断开UPS 的市电开关和旁路开关。市电通过维护开关直接为交流负载供电，此时UPS 处于非工作状态，可以安全开展设备维保工作。

图4 维护旁路供电时UPS 单机工作模式原理

3 UPS 并机工作模式

3.1 UPS 正常工作供电模式

市电正常供电时UPS 并机工作模式原理如图5所示。在供电部门提供的交流电正常情况下，2 台UPS 同时正常运行。UPS 并机工作，自动均分负载，各承担50%的负载量。

图5 市电正常供电时UPS 并机工作模式原理

3.2 电池供电模式

电池供电时UPS 并机工作模式原理如图6 所示。当供电部门提供的交流市电发生异常时，由蓄电池组向逆变器提供直流电源，确保逆变器正常工作，交流输出正常，不影响交流负载的正常使用。

图6 电池供电时UPS 并机工作模式原理

3.3 单机故障供电模式

单机故障供电时UPS 并机工作模式原理如图7所示。UPS 并机系统中，当其中1 台UPS 出现故障，该故障UPS 会自动退出并机系统，由另外1 台UPS在电池供电模式下为负载设备单机供电。

图7 单机故障供电时UPS 并机工作模式原理

3.4 旁路电源供电模式

旁路供电时UPS 并机工作模式原理如图8 所示。当逆变器受前级设备工作影响或自身部件损坏不能提供交流电源时，如果供电部门提供的交流电继续不变，那么静态开关就会接通旁路开关，由供电部门提供的交流电经旁路开关直接为交流负载供电。

图8 旁路供电时UPS 并机工作模式原理

3.5 维护旁路供电模式

UPS 在进行维保过程中，有时需要进行内部器件检查维修或相关设备的更换。为不中断交流负载运行，保证交流电的持续供给，先关闭逆变器，再打开维护旁路开关，接着断开UPS的市电开关和旁路开关。市电通过维护开关直接为交流负载供电，此时UPS处于非工作状态，可以安全地开展设备维保工作。

4 UPS 故障案例分析

地铁专用通信电源系统中UPS 的稳定至关重要，UPS 的故障类型比较多，原因也多样。文章以4 个故障案例为例展开分析，UPS 内部结构复杂，集成电路板件均是供货商独有，地铁通信维护部门一般不具备UPS 内部单个元器件的修复能力，因此技术人员通常以判断故障原因、及时进行应急处理、更换新机为UPS 维保工作的重点。

4.1 故障案例一

2023 年2 月21 日09:49，A 站通信电源系统告警显UPS 故障，通信机房内交流供电设备告警。09:58，通信技术人员现场检查发现，交流配电屏UPS 输入空开跳闸、UPS 输出空开未跳闸、所有负载空开未跳闸，UPS 背部出风口散发出明显糊味，UPS处于关机状态，UPS 故障未能自动切换至静态旁路供电，造成交流配电屏下挂负载全部断电。

技术人员手动将UPS 切换至维修旁路，系统上电后恢复正常运行。当天夜间向地铁调度请点更换新UPS，拆开换下的故障旧UPS，发现内部逆变驱动电路板烧坏。

故障原因分析：UPS 内部逆变驱动电路板烧坏导致逆变器和静态旁路开关功能失效，UPS 宕机。

4.2 故障案例二

2021 年3 月13 日02:48，B 站通信电源系统告警显示UPS故障，通信机房内所有交流供电设备断电。02:50，通信技术人员现场检查发现，交流配电屏两路市电输入正常、负载空开指示灯全部熄灭，UPS 主路输入空开和蓄电池空开正常闭合、UPS 处于关机状态。查看告警信息，信息显示UPS蓄电池无法正常供电，导致UPS 关机。

技术人员联系供电部门确认，当天供电维修人员对该车站一、二类负荷停一路电源、部分三类负荷停电操作。停用一路时由于UPS 蓄电池组工作不正常，向二路输入电源进行切换失败，造成UPS 关机。测量UPS 蓄电池组，发现第32 节蓄电池内阻为59.9 mΩ，超出正常值（≤5.16 mΩ）。

故障原因分析：蓄电池老化导致内阻过高，进而导致UPS 蓄电池组不能正常放电，造成一、二路输入电源切换不正常，UPS 关机。

4.3 故障案例三

2022 年7 月11 日14:21，C 站通信电源系统告警显示UPS 旁路告警。14:25，通信技术人员现场检查发现，UPS 显示旁路输入A 相电压过低告警，但对现场设备工作暂无影响。

技术人员当天夜间向地铁调度请点更换控制板和接口板，并对UPS 进行内部除尘后重新上电，发现旁路A 相电压仍然过低。逐级测量电压，在交流屏侧后部连接UPS 处发现异常，即UPS 旁路输入A相黄线松动。重新紧固接头后，告警消失。

故障原因分析：交流配电屏UPS 旁路输入A 相线头松动，造成接触电阻增大，导致系统发出UPS旁路输入A 相电压过低告警。

4.4 故障案例四

2021 年9 月1 日09:16，D 站通信电源系统告警显示UPS 故障，通信机房内所有交流供电设备断电。09:31，通信技术人员现场检查发现，交流配电屏上交流负载失电，UPS 无输出。

对交流配电屏进行维修旁路操作，断开UPS 输入电源并对其停用，直接市电为通信交流设备供电。当天夜间向地铁调度请点更换新UPS，检测故障的UPS 发现，该UPS 内部输入输出电路板损坏。

故障原因分析：UPS 内部输入输出板故障导致UPS 无交流输出，设备无法正常工作。

5 结 论

文章主要介绍和分析UPS 组成工作原理，理解其在实际应用中的重要性。随着现代电子技术的迅速发展，地铁通信系统设备对电源供电的质量、稳定性及可靠性的要求日益增高。早期的地铁建设中通信电源UPS 基本是单机工作方案，但随着人们对通信系统稳定性要求的提高，现已逐步采用并机工作方案。掌握UPS 的各种工作模式，可以准确分析实际维保过程中碰到的故障，并进行应急处理，保证通信系统电源供给正常，为地铁的安全运营提供有力支撑。