寧波軌道交通3號線信號系統(tǒng)電源設(shè)備加強措施

朵建華

(寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，315101，寧波//工程師)

電源設(shè)備是軌道交通信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備和重要組成部分，能保證信號設(shè)備穩(wěn)定、可靠、連續(xù)地運行。本文主要針對信號電源系統(tǒng)常規(guī)設(shè)備及LTE(長期演進)設(shè)備的供電方案進行技術(shù)分析。

1 信號電源系統(tǒng)設(shè)計

寧波軌道交通3號線信號系統(tǒng)采用的是不間斷電源(UPS)系統(tǒng)并聯(lián)蓄電池，經(jīng)智能電源屏輸出給用電負載的方式，同時結(jié)合系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)及可靠性，設(shè)計了非集中站兩臺小功率UPS組成的雙母線方案,并采用交流模塊并聯(lián)技術(shù)、分時下電等技術(shù)，大大降低了故障概率，進而更好地保障了整條線路的正常運營。其信號電源系統(tǒng)主要由電源架、UPS、電源屏1、電源屏2、電源屏3等組成。

寧波軌道交通3號線對于用電量較少的非集中站采用了單進三出/三進單出的小功率UPS；集中站等用電量偏大的供電，均采用中大功率的三進三出UPS為信號的電源系統(tǒng)進行不間斷供電。除UPS外其他電能變換環(huán)節(jié)采用模塊式結(jié)構(gòu)，智能信號電源設(shè)備的模塊對后端N個負載采用N+1并聯(lián)冗余工作熱備份技術(shù)。任何模塊單元出現(xiàn)故障可自動退出并報警，任意單一功率模塊故障均不影響本路電源的正常容量輸出。并且信號電源屏內(nèi)功率模塊具備無損傷熱插拔功能，更換時間小于1 min，維護快捷方便。

獨特的兩路交流電源輸入自動切換裝置和配套的系統(tǒng)方案，通過接觸器搭接及高可靠控制電路，可保障UPS前端的市電源源不斷。當(dāng)Ⅰ路輸入電源故障(包括過壓、欠壓、缺相、錯相、停電等)，電源系統(tǒng)將自動切換至Ⅱ路輸入電源工作，并通過監(jiān)控單元進行告警并上傳；如果Ⅰ路輸入電源故障恢復(fù)，電源系統(tǒng)可手動切換回Ⅰ路輸入電源。

信號電源系統(tǒng)具有完善的隔離、凈化、分配，以及漏電監(jiān)測功能；配備完善的防雷擊和過電壓、過電流、短路保護等電路，保證系統(tǒng)在惡劣條件下工作的可靠性、人身安全的可靠性、電氣火災(zāi)防護系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)設(shè)備符合國際安全標準EN 60950(對應(yīng)GB 4943)以及其他相關(guān)行業(yè)標準；電源設(shè)備可以向信號維護監(jiān)測子系統(tǒng)提供準確的報警信息。

此外，寧波軌道交通3號線信號系統(tǒng)工程為了更好地實現(xiàn)LTE綜合承載功能，采取了非集中站設(shè)雙套UPS、蓄電池供電分時下電、LTE設(shè)備綜合供電等加強措施。

寧波軌道交通3號線的非集中站UPS 系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

注:RRU為射頻拉遠單元圖1 信號電源非集中站系統(tǒng)供電原理圖

寧波軌道交通3號線的非集中站采用2臺單機UPS輸出雙母線的配置,即系統(tǒng)由電源屏輸出2臺獨立的UPS，2臺UPS的輸出獨立工作、互不影響，為冗余的后級設(shè)備分別供電。同時，為避免UPS與穩(wěn)壓器串聯(lián)造成單個設(shè)備故障，使后級設(shè)備供電中斷，寧波軌道交通3號線的非集中站在2臺UPS輸出端采用冗余并聯(lián)，經(jīng)具備穩(wěn)壓的交流模塊為交流負載進行供電，取消了UPS旁路/輸出穩(wěn)壓器。交流模塊的輸入取自不同的UPS后，交流模塊的輸出給互為備份的信號負載設(shè)備。因單個交流模塊故障，不會影響后級信號設(shè)備供電。同樣，因單臺UPS故障，2套UPS分別為冗余的信號系統(tǒng)設(shè)備供電，也不影響正常的列車運營。

寧波軌道交通3號線的集中站采用了分時下電技術(shù)。即在蓄電池供電狀態(tài)下，針對負載的用電重要程度，將非重要負載優(yōu)先斷開，以保障重要負載獲得更長的后備時間。軌道交通項目要求外電故障后信號系統(tǒng)部分負載仍需維持不小于30 min的供電時間。針對寧波軌道交通3號線專用無線通信系統(tǒng)及信號系統(tǒng)中的DCS(數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng))部分UPS供電時間不小于2 h的特殊要求，采用分時下電的解決方案來實現(xiàn)此功能。分時下電控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 分時斷電控制流程圖

分時下電主要部件包括以下幾部分：① 觸發(fā)元件,即蓄電池工作狀態(tài)的檢測裝置，在本系統(tǒng)中指的是UPS本身。當(dāng)市電斷電時，UPS采集到此信息，啟動蓄電池逆變工作模式的同時把此信息發(fā)送給電源屏監(jiān)控單元。② 控制器,即采集信息、處理信息和輸出指令的裝置，在本系統(tǒng)中指的是監(jiān)控單元。監(jiān)控單元輸入模塊采集UPS蓄電池逆變信號，經(jīng)由輸出模塊發(fā)出下電的驅(qū)動信號。③ 下電執(zhí)行機構(gòu),完成下電功能的具體元件，本系統(tǒng)中指的是斷路器和電動操作裝置。通過控制電動操作裝置的驅(qū)動電源開關(guān)，當(dāng)電動操作裝置電源開關(guān)閉合時，觸發(fā)電動操作裝置分閘信號，電動操作裝置動作使斷路器斷開，完成下電。

當(dāng)市電異常、蓄電池投入瞬間，UPS發(fā)送蓄電池逆變工作信號，此時監(jiān)控單元開始計時。在計時過程中如果市電恢復(fù)，則計時指令取消。本項目設(shè)分時段0.5 h和2 h兩種。信號電源設(shè)備的監(jiān)控單元發(fā)出下電指令，由分勵脫扣器驅(qū)動對應(yīng)斷路器動作，實現(xiàn)后端對應(yīng)負載回路的下電動作。未被下電的負載將通過UPS及蓄電池維持至電池組的截止電壓為止。當(dāng)輸出下電指令后，同時通過斷路器的輔助觸點檢測該斷路器是否完成下電；如果下電未完成，則提示下電失敗的告警信息。若分時下電故障,后端0.5 h和2 h的負載將通過UPS維持至電池組能量耗盡到截止電壓為止，不會因此而影響電池供電，并且監(jiān)控單元會即時觸發(fā)故障告警。

2 正線LTE設(shè)備供電方案

寧波軌道交通3號線正線的LTE設(shè)備由BBU(基帶處理單元)、RRU(射頻拉遠單元)、LTE交換機和固定臺等組成，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 LTE電源設(shè)備電源需求參數(shù)一覽表

由于采用LTE綜合承載信號系統(tǒng)及專用無線系統(tǒng)，供電方案應(yīng)保證任一車站信號電源故障不會導(dǎo)致信號系統(tǒng)及專用無線系統(tǒng)同時不可用。存在LTE設(shè)備由本站信號、通信兩個專業(yè)綜合供電或由信號專業(yè)本站、鄰站兩個車站供電兩種方案可供選擇。

2.1 綜合供電

LTE部分綜合供電由通信專業(yè)和信號專業(yè)分別提供A網(wǎng)和B網(wǎng)設(shè)備的電源輸入。其中，通信設(shè)備房電源屏提供A網(wǎng)的2路220 V輸入，而信號設(shè)備房電源屏提供B網(wǎng)的2路220 V輸入。以ZC4(區(qū)域控制器4)為例具體說明： ① 通信專業(yè)供電設(shè)備，在集中站(A網(wǎng))為BBU、RRU、LTE交換機和固定臺，在非集中站(A網(wǎng))為RRU和固定臺；② 信號專業(yè)供電設(shè)備，在集中站(B網(wǎng))為BBU、RRU和LTE交換機，在非集中站(B網(wǎng))為RRU。

綜合供電配置如圖3所示。由于LTE本站設(shè)備供電距離不遠，分別位于信號設(shè)備室和站臺區(qū)域，以表2中截面積為1.5～4.0 mm2的線纜為計算基數(shù)。

圖3 LTE綜合供電及網(wǎng)絡(luò)配置方案表2 電源線徑計算參考表格

導(dǎo)線直徑/mm電線截面積/mm2銅的電阻率/(Ω·m)<1.0<1.50.018 2[1.0,2.5)[1.5,4.0)0.018 0≥2.5≥4.00.017 9

選取銅電阻率ρCu=0.018 0 Ω·m；選取極端情況下，通信機房至信號機房BBU和LTE交換機的距離為100 m,通信機房至車控室固定臺的距離為100 m,通信及信號機房至軌旁RRU的距離為925 m。

考慮到電纜的老化，因此BBU、LTE交換機、RRU和固定臺工作電壓分別選取200 V、120 V、110 V和110 V。

R=ρL/S=Ud max/lmax

(1)

式中：

R——導(dǎo)線電阻；

ρ——電阻率；

L——供電距離；

S——線纜截面積；

Ud max——線路允許最大壓降；

Imax——線路最大電流。

由式(1)可計算各情況下線纜的截面積：① BBU電纜,S=0.45 mm2;② LTE交換機電纜,S=0.072 mm2;③ RRU電纜,S=0.963 mm2;④ 固定臺電纜,S=0.029 7 mm2。根據(jù)計算結(jié)果，電纜截面積最大不超過1 mm2即可。

2.2 鄰站供電

LTE部分鄰站供電由集中站和非集中站分別提供A網(wǎng)和B網(wǎng)設(shè)備的電源輸入。其中,集中站設(shè)備房電源屏需提供A網(wǎng)的LTE設(shè)備220 V輸入，而非集中站設(shè)備房電源屏提供B網(wǎng)220 V輸入?，F(xiàn)以ZC4為例作具體說明：① 集中站(A網(wǎng))為BBU、RRU和LTE交換機；② 非集中站(B網(wǎng))為BBU、RRU和LTE交換機；③ 固定臺和站廳RRU由本站供電。

臨站供電配置如圖4所示，由于LTE設(shè)備供電距離長，且電纜衰減壓降嚴重，因此以表2中截面積大于等于4 mm2的線纜為計算基數(shù)。

選取ρCu=0.017 9 Ω·m；選取極端情況下，信號集中站機房至信號非集中站機房BBU和LTE交換機的距離為1 826 m,信號機房至車控室固定臺的距離為100 m,信號非集中站機房至信號集中站處軌旁RRU的距離為2 239 m。

考慮到電纜老化，因此BBU工作電壓選取200 V，LTE交換機工作電壓選取120 V，RRU工作電壓選取110 V，固定臺工作電壓選取110 V。

由式(1)可計算得各情況下線纜的截面積：① BBU電纜計算，S=8.171 mm2；② LTE交換機電纜計算，S=1.307 mm2；③ RRU電纜計算，S=2.319 mm2；④ 固定臺電纜計算，S=0.029 6 mm2。根據(jù)計算結(jié)果，BBU電纜需要使用8 mm2以上電纜。寧波軌道交通3號線有部分車站間距大于4 km，電纜截面積可能要大于20 mm2。

圖4 LTE鄰站供電方案

3 運營控制中心的LTE設(shè)備供電方案

3.1 綜合供電

運營控制中心(OCC)的LTE設(shè)備也可和軌旁一樣采用綜合供電方式。按表3,供電設(shè)計分析電源故障對系統(tǒng)的影響如下：① 如果信號輸入電源故障，集群業(yè)務(wù)可以通過LTE-A網(wǎng)進行通信，LTE-B網(wǎng)無法正常工作，集群接入交換機2下連調(diào)度臺無法正常工作，集群接入交換機1下連調(diào)度臺均能正常工作，不影響集群調(diào)度功能；② 如果通信輸入電源故障，CBTC(基于通信的列車控制)業(yè)務(wù)可以通過LTE-B網(wǎng)進行通信，LTE-A網(wǎng)無法正常工作，集群業(yè)務(wù)無法正常工作，不影響CBTC的功能。

表3 通信及信號供電設(shè)計一覽表

OCC設(shè)備連接見圖5,圖5中虛線框圈出部分為通信專業(yè)供電，其余為信號供電。

3.2 單獨供電

該方案由信號電源屏單獨給OCC的LTE設(shè)備供電。

4 方案比較

如表4所示，目前如果采用BBU鄰站供電，輸出電壓220 V時，室外電纜線徑太粗且防雷防護要求高,致使可行性不強；另外，如果不用粗線徑電纜，采用輸出端調(diào)高電壓的方式，需將輸入電壓調(diào)到300 V，這個方案也較難實現(xiàn)。因此，采用綜合供電的方案相對更加合理，既保證了LTE設(shè)備的供電冗余性，又節(jié)約了室外電纜的成本，也便于施工單位施工和后期維護。

表4 綜合供電與鄰站供電對比表

圖5 OCC設(shè)備連接圖