高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源改造方案探討

喻珊珊

（廣鐵集團(tuán)電務(wù)處，廣州 510088）

大多高速鐵路易受大風(fēng)、暴雨、大雪、地震的影響，為了保障行車安全，提高運(yùn)輸效率，需要建設(shè)包括風(fēng)、雨、雪、地震的自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使高速鐵路具備在大風(fēng)、暴雨、大雪、地震氣象條件下抵御災(zāi)害的能力。過去列車低速運(yùn)行時(shí)，以人為駕駛為主，當(dāng)線路上有障礙物時(shí)，從目視發(fā)現(xiàn)到列車制動(dòng)停止，時(shí)間和距離上尚可保證安全，意外較少。當(dāng)高速鐵路列車以200km/h及以上的速度運(yùn)行時(shí)，目視瞭望已不能保證行車安全，危險(xiǎn)大大增加。因此，需要考慮異物侵限對(duì)行車的影響。高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)（以下簡(jiǎn)稱防災(zāi)）技術(shù)引進(jìn)，能有效防止自然災(zāi)害及突發(fā)事件對(duì)鐵路行車造成的影響。

1 防災(zāi)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

防災(zāi)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備、監(jiān)控單元、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備與應(yīng)用層設(shè)備四層組成。現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備用于現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害信息采集，主要由各種災(zāi)害信息采集傳感器（風(fēng)速風(fēng)向儀、雨量計(jì)、雪深計(jì)、地震傳感器）和異物現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成?；緦釉O(shè)備用于現(xiàn)場(chǎng)采集信息分析處理，主要由監(jiān)控單元組成。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備用于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析、轉(zhuǎn)發(fā)等工作，主要由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。應(yīng)用層設(shè)備用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等工作，是人機(jī)界面的接口，主要由各種應(yīng)用終端組成。如圖1所示。

圖1 防災(zāi)系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 存在問題

高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自開通以來，充分發(fā)揮了該系統(tǒng)防災(zāi)減災(zāi)的設(shè)計(jì)目的，提高了動(dòng)車組列車運(yùn)行的安全性。但受設(shè)備早期無標(biāo)準(zhǔn)、工期緊的條件限制，產(chǎn)品存在某些缺陷。京廣高鐵廣局段既有防災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控單元電源子系統(tǒng)采用常規(guī)雙套UPS系統(tǒng)，冗余切換采用STS 靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)，即監(jiān)控單元UPS電源為兩路220V市電輸入，220V交流電源進(jìn)入U(xiǎn)PS后通過交直流轉(zhuǎn)換為直流電，掛載電池充放電。而后再將直流電逆變?yōu)榻涣?20伏輸出。兩路220V交流電輸出后進(jìn)入STS 靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行冗余切換為一路交流電輸出。切換后的220V交流電作為監(jiān)控單元系統(tǒng)內(nèi)部的母線電源，內(nèi)部功能模塊設(shè)備的電源通過此路交流電轉(zhuǎn)換后使用。帶有異物侵限監(jiān)控報(bào)警的防災(zāi)監(jiān)控單元用電有兩部分，一部分是異物控制器和繼電邏輯使用AC-DC 轉(zhuǎn)換電源的直流24 伏電源，另外一部分是驅(qū)動(dòng)列控繼電器的電源，這部分電源采用鐵路專用的硅整流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，交流220V輸入直流28 伏輸出。改造前防災(zāi)電源子系統(tǒng)構(gòu)成如下圖2。

圖2 改造前防災(zāi)電源子系統(tǒng)圖

京廣高速（廣鐵集團(tuán)范圍）防災(zāi)系統(tǒng)原來的電源子系統(tǒng)以交流為核心的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)被目前更先進(jìn)的以直流為核心的設(shè)計(jì)理念所替換。原有的電源子系統(tǒng)，用STS 作為雙UPS的冗余切換單元，如果STS 本身故障，容易導(dǎo)致雙冗余系統(tǒng)失效。原有的電源子系統(tǒng)，到風(fēng)雨監(jiān)測(cè)傳感器的供電使用柜內(nèi)220V 母線供電，將柜內(nèi)的220V母線拉遠(yuǎn)到風(fēng)雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如果此線路上受到了外界的干擾，勢(shì)必影響柜內(nèi)220V 母線。如果此監(jiān)控單元還存在異物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，也會(huì)影響到異物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的供電。帶有異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警功能的UPS 就會(huì)存在安全冗余不足風(fēng)險(xiǎn)，并機(jī)單元一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致2 路電源中斷，導(dǎo)致紅光帶產(chǎn)生，嚴(yán)重影響行車。綜合以上分析，需要對(duì)帶有異物侵限監(jiān)測(cè)報(bào)警功能的監(jiān)控單元機(jī)柜電源進(jìn)行更新改造，提高設(shè)備可靠性，有效保障防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 解決方案

采用集成化模塊式電源，即采用防災(zāi)綜合電源替代既有UPS。單臺(tái)防災(zāi)綜合電源構(gòu)成原理如圖3。

圖3 改造后防災(zāi)電源子系統(tǒng)圖

防災(zāi)綜合電源采用通信電源模塊加擴(kuò)展電源模塊的方式進(jìn)行供電，電池組掛接到整流模塊上，形成多路擴(kuò)展電源。系統(tǒng)具備自檢監(jiān)控功能，可采集各個(gè)電源模塊的工作狀態(tài)，并且通過RS-485 接口上報(bào)到監(jiān)控單元主機(jī)。列控供電采用雙路冗余隔離方式，抽屜模塊化箱體結(jié)構(gòu)。

4 電源系統(tǒng)改造前后效果對(duì)比

（1）電源系統(tǒng)集成化。原有的UPS 電源為一體機(jī)，當(dāng)電源設(shè)備故障后，需要整體更換，維護(hù)成本高。新電源系統(tǒng)采用集成模塊化設(shè)計(jì)，采用整體架構(gòu)模塊組成；模塊化設(shè)計(jì)采用機(jī)框框架架構(gòu)，當(dāng)某個(gè)模塊產(chǎn)生故障時(shí)，只需將故障模塊從機(jī)框拔下替換即可，大大減少了故障處理更換時(shí)間。

（2）兩路電源冗余并機(jī)切換。原有系統(tǒng)的電源并機(jī)采用STS 靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)，由于UPS 輸出為交流，無法直接進(jìn)行并機(jī)冗余，需加裝靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩路交流電的冗余切換。當(dāng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)生故障，整個(gè)后級(jí)供電全部中斷，造成監(jiān)控單元掉電。新電源系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)通信模塊電源，將交流220V市電轉(zhuǎn)換為直流48V進(jìn)行后級(jí)供電，電池充放電直接掛接在48 伏輸出上，解決了當(dāng)UPS 電源故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)失電的問題。另外由于輸出為直流，兩套電源的輸出可以直接進(jìn)行并機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)冗余無縫切換，減少了通過STS 并機(jī)故障點(diǎn)。

（3）減少電源中間轉(zhuǎn)換過程。常規(guī)UPS 系統(tǒng)采用交流轉(zhuǎn)直流，直流再轉(zhuǎn)交流的過程，電池在直流環(huán)節(jié)掛接，環(huán)節(jié)多，電源效率低下，且當(dāng)電源發(fā)生故障，整個(gè)后級(jí)都會(huì)失電。新電源系統(tǒng)簡(jiǎn)化過程，使用交流220V輸入轉(zhuǎn)換為直流48V，48V直接作為后級(jí)母線電源，電池系統(tǒng)也掛接在48V母線上；這種使用方法采用多級(jí)保護(hù)，當(dāng)通信電源模塊故障后，電池系統(tǒng)會(huì)直接無縫給后級(jí)供電。

（4）系統(tǒng)內(nèi)部電源模塊集成及自檢。新電源系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控單元內(nèi)部分路電源做了集中處理，按照功能使用多路輸出，對(duì)各路電壓，電池充放電電流進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，便于維護(hù)管理部門集中監(jiān)控。

5 結(jié)束語(yǔ)

廣鐵集團(tuán)管內(nèi)京廣高速線共有61處帶有異物侵限監(jiān)控報(bào)警的防災(zāi)安全監(jiān)控單元。改造前，因?yàn)榉罏?zāi)電源設(shè)計(jì)缺陷，故障造成紅光帶的有十幾起，其中很大部分都是靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)不良造成。自從對(duì)帶有異物侵限監(jiān)控報(bào)警功能的防災(zāi)安全監(jiān)控單元電源改造后，大大提高了防災(zāi)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性，有效保障了防災(zāi)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1] 高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維護(hù)試行辦法（鐵總運(yùn)[2013]142號(hào)）.

[2] 鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 9745-2014.