鐵路信號(hào)一體化 UPS方案探討

喻偉巍

*上海鐵路城市軌道交通設(shè)計(jì)研究院 高級(jí)工程師,200070上海

在以往的鐵路信號(hào)工程中,車(chē)站各控制系統(tǒng)分別配置自己的電源,存在設(shè)備間重復(fù)配置、利用率低、占地面積大、經(jīng)濟(jì)上不合理等缺點(diǎn)。在運(yùn)營(yíng)維護(hù)中,由于各系統(tǒng)沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的電源維護(hù)人員,造成電源系統(tǒng)維護(hù)少或維護(hù)不當(dāng),導(dǎo)致蓄電池容量降低、不能達(dá)到備用時(shí)間要求。國(guó)內(nèi)鐵路車(chē)站也曾發(fā)生由于蓄電池的原因,導(dǎo)致設(shè)備停用造成行車(chē)中斷的情況。

隨著電力電子設(shè)備制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,大功率逆變電源系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中成熟使用,為鐵路信號(hào)工程實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)后備電源系統(tǒng)的整合提供了基礎(chǔ)。本文將介紹一種采用 N+1冗余的一體化 UPS方案。

1 信號(hào)機(jī)械室 UPS使用現(xiàn)狀

隨著我國(guó)鐵路的不斷提速,為保證鐵路列車(chē)安全高效運(yùn)行,信號(hào)機(jī)械室內(nèi)的各種控制系統(tǒng)越來(lái)越多,如計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、分散自律調(diào)度集中系統(tǒng) (CTC)、列控中心、列車(chē)調(diào)度指揮系統(tǒng) (TDCS)等相繼投入運(yùn)行。目前為確保各系統(tǒng)安全運(yùn)行,均各自配備了獨(dú)立的 UPS不間斷電源,由于缺乏統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì),在實(shí)際運(yùn)行中暴露出以下問(wèn)題。

1.目前采用的 UPS大部分是 1～3 kW的小型在線(xiàn)式商用 UPS,后備時(shí)間一般為 15 min,后備時(shí)間較短。

2.UPS的電池管理功能較差,沒(méi)有對(duì)電池的充放電精確管理,也沒(méi)有電池故障檢測(cè)及電池放電保護(hù)功能,一般在使用 2年后,其后備時(shí)間就會(huì)大幅變短,放電電流下降甚至完全失效。

3.目前小型商用 UPS基本上采用功率晶體管輸出 PWM脈寬調(diào)制信號(hào),通過(guò)電感和電容形成50 Hz、220 V的正弦波輸出,為節(jié)省成本,減輕重量,都沒(méi)有輸出隔離變壓器,并不適合信號(hào)設(shè)備和工業(yè)設(shè)備使用,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)間隔離設(shè)計(jì)困難,對(duì)雷電浪涌的防護(hù)能力下降,UPS設(shè)備容易損壞。

4.采用獨(dú)立供電,每套設(shè)備都要配置自己的UPS,不同設(shè)備的 UPS不能互相冗余,并且不同廠家的 UPS型號(hào)不同,設(shè)備重復(fù)投資,性能有限,使用單位維護(hù)工作量大,可靠性低。

2 N+1冗余的一體化 UPS方案

根據(jù)調(diào)查,國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)一體化不間斷電源設(shè)備在電力行業(yè)已經(jīng)發(fā)展使用了十多年,電力部的最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》DL/T 1074-2007,對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求、檢測(cè)規(guī)則、試驗(yàn)方法等有詳細(xì)的規(guī)定,包括配置方案,負(fù)荷計(jì)算等都有論述和建議。國(guó)產(chǎn)的一體化不間斷電源在發(fā)電廠、變電所、水電站、核電站大量使用,各種產(chǎn)品已經(jīng)相對(duì)成熟,已經(jīng)可以為不同需求提供專(zhuān)業(yè)化的解決方案。

N+1冗余的一體化 UPS方案,通過(guò)采用成熟的電力電子技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì),可以滿(mǎn)足鐵路信號(hào)的可靠性和安全性要求,具有優(yōu)越的性能和良好的性?xún)r(jià)比。圖1為一個(gè)典型車(chē)站的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)由 1個(gè)整流充電模塊、1組電池、5個(gè)逆變器輸出模塊、1個(gè)后備逆變器模塊以及 1套監(jiān)控管理系統(tǒng) (圖中沒(méi)有畫(huà)出)組成。可以為車(chē)站的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng) (2路電源),CTC系統(tǒng) (2路電源)和微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供 5路獨(dú)立的隔離電源。一路外電網(wǎng)的交流 220V電壓經(jīng)過(guò)整流充電模塊轉(zhuǎn)化為直流電壓,向直流母線(xiàn)提供電流,同時(shí)向蓄電池供電。當(dāng)外電網(wǎng)斷電時(shí),由蓄電池直接向直流母線(xiàn)提供電源,保證對(duì)直流母線(xiàn)連續(xù)供電。逆變器模塊由直流母線(xiàn)提供電流,轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的 220 V,50 Hz的工頻電壓輸出,每個(gè)逆變器模塊提供隔離變壓器,保證 5路輸出電壓互相隔離。

圖1 車(chē)站一體化UPS電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整流充電模塊通過(guò)改變直流母線(xiàn)的電壓,可以控制電池的充電電流,在電池處于充電初始狀態(tài)時(shí),采用大電流均充方式充電;當(dāng)電池快充滿(mǎn)時(shí),降低直流母線(xiàn)的電壓轉(zhuǎn)為浮充方式。當(dāng)電池過(guò)放電時(shí),模塊會(huì)自動(dòng)切斷蓄電池組的電流輸出,保護(hù)電池。通過(guò)監(jiān)控器可以定期啟動(dòng)放電試驗(yàn),用于電池維護(hù)和檢測(cè),并可以發(fā)現(xiàn)損壞的電池,指示維護(hù)人員及時(shí)更換電池。普通 UPS在放電檢測(cè)時(shí),如果電池已經(jīng)損壞,UPS會(huì)立即停止工作,導(dǎo)致負(fù)載斷電,設(shè)備停用事故。而該系統(tǒng)采用逐步降低直流母線(xiàn)電壓的方法,一旦發(fā)現(xiàn)電池?fù)p壞,立即恢復(fù)直流母線(xiàn)的電壓,防止設(shè)備停用事故發(fā)生,這種方式大大減少了放電監(jiān)測(cè)的操作風(fēng)險(xiǎn)。

正常情況下,直流母線(xiàn)的電壓波動(dòng)小于20 V,逆變器可以自動(dòng)調(diào)整電流,保證輸出電壓的穩(wěn)定。輸出模塊的旁路輸入接至備用模塊的輸出,當(dāng)逆變器故障或輸出電流過(guò)大時(shí),自動(dòng)轉(zhuǎn)為旁路方式,由備用模塊提供電流輸出。如果此時(shí)備用模塊也損壞,或輸出電流超過(guò)負(fù)載能力,備用模塊也轉(zhuǎn)為旁路輸出,由二路外電網(wǎng)直接向負(fù)載提供電流。在負(fù)載發(fā)生過(guò)載和短路時(shí),逆變器不會(huì)關(guān)閉輸出,而是轉(zhuǎn)到旁路狀態(tài),由外電網(wǎng)直接供電,保證了電流的連續(xù)輸出。

監(jiān)控器通過(guò)傳感器和各模塊的 RS-485總線(xiàn),可以詳細(xì)監(jiān)測(cè)模塊的工作狀態(tài)和電池的狀態(tài),判斷故障和報(bào)警,同時(shí)通過(guò) RS-485總線(xiàn)與信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷。

3 幾種 UPS方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

目前信號(hào)工程的不間斷電源方案主要有以下2種:一是大部分設(shè)備廠家都是自己采購(gòu)小型 UPS用于自己設(shè)備配套;二是在要求較高的場(chǎng)合,采用雙機(jī)、雙電池組的方法組成雙后備電源系統(tǒng),對(duì)各種系統(tǒng)集中供電,提高可靠性。上述 2種方案與本方案對(duì)比見(jiàn)表1。

從表 1中可以看出,本方案在系統(tǒng)性能、能量轉(zhuǎn)化效率、配置擴(kuò)充、可靠性、故障保護(hù)及系統(tǒng)維護(hù)上有明顯優(yōu)勢(shì),價(jià)格略高于小型 UPS,由于少配置 1組電池,價(jià)格低于雙機(jī)、雙電池的配置方案,但全壽命的使用成本則最低。

4 總結(jié)

N+1冗余的一體化 UPS方案依靠現(xiàn)代電力電子技術(shù),通過(guò)選用市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品模塊,通過(guò)工程化的方法進(jìn)行系統(tǒng)集成,從而滿(mǎn)足使用對(duì)象的要求。相對(duì)于市場(chǎng)的商用 UPS方案,具有配置靈活、可靠性高、性能全面等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了不間斷電源在設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)過(guò)程的工程化和標(biāo)準(zhǔn)化,節(jié)約成本,降低能耗,可以滿(mǎn)足鐵路工程的各種不同需求,具有良好的推廣前景。