改革开放以来,随着我国国民经济的迅猛发展,生活水平不断提高,人们公务外出、旅游观光、探亲访友的社会活动与日俱增,因此出现了客运繁忙的景象,各种运输方式的市场竞争也日趋激烈,而铁路运输以其安全、舒适、价廉、快速和全天候占有优势。为了保障高速铁路运行的安全、高效、可靠,配置一套科学、合理的信号系统成为铁道部关注的重点。

我国铁路已跨入“高速时代”,计算机联锁系统和微机自动闭塞控制系统等在铁路信号新技术中的应用范围不断扩大,这些新技术系统对供电质量的要求较之传统的技术系统大大提高,任何偶然、短暂的供电中断都可能造成难以估量的损失,甚至对铁路的行车安全产生极大威胁。因此,采用UPS作为其电源保障也随之日益普遍。

在铁道部铁运[2008]19号文件“关于客运专线信号系统若干问题的指导意见”中提出,为确保客运专线信号系统设计质量,充分满足高安全性、高可靠性和高可用性需求,客运专线信号系统应统一技术标准、优化方案设计并采用高质量的信号产品。对信号电源系统的要求:客运专线车站及中继站信号电源应按照双套大容量UPS备用方式配备电源,UPS容量负荷按照除转辙机外的所有用电量计算,有维护人员值守的车站UPS供电持续时间不应小于30min,没有维护人员值守的车站UPS供电持续时间不应小于2h。

自从《铁路“十一五”规划》及工作实施以来,铁道部从优化运输能耗结构、减少石油类消耗、提高铁路资源能源利用效率的角度出发,加快铁路建设步伐和项目前期工作推进,节能降耗、污染减排取得了显著的成效。而保障铁路行车安全性运行的基础信号系统,提高系统对电能的利用效率、降低耗电量更是责无旁贷。

1   高速铁路信号电源系统解决方案

为确保高速铁路行车的安全性,根据铁道部对客运专线信号电源系统的要求,铁路部门采用台达NT系列两台UPS直接并联供电,按照要求对于有维护人员值守的车站,UPS配置蓄电池后备供电时间为30min,没有维护人员值守的车站UPS配置蓄电池后备供电时间为2h。此系列双变换在线式UPS可适应于供电环境恶劣的地区使用,直接并机最多支持8台,并机系统采用共用电池组功能,提高蓄电池的利用效率及减少安装空间;并在原有信号电源系统的基础上优化供电方案,提供信号系统高安全、高可靠的绿色节能电源系统。信号电源系统优化方案的架构如图1所示。

                                           图1  信号电源系统方案的架构

2   典型车站信号系统UPS配置方案

表1是车站信号系统的负载容量典型值为15kW电源的统计情况,包括三相电源输入,计算机联锁,4kVA容量的25Hz轨道电路等。

考虑UPS负载百分比选取70%工作,UPS负载功率因数PF为0.8,选取UPS额定容量=15kW/70%/0.8=27kVA,那么UPS主机容量为30kVA即可满足负荷的需求,UPS供电系统配置方案如表2所示。

3   信号电源UPS供电系统分析

(1)采用两台30kVA UPS构成“1+1”冗余并机，输入采用两路市电，经ATS自动切换后给UPS输入。两台UPS并联共用两组电池组，如图2所示。

                             图2  “1+1”并联冗余共用电池方案系统图

(2)UPS标配双回路输入功能,提高系统可靠性。内置维护旁路设计,便于系统检修及维护。双回路输入设计可以实现主输入供电回路与旁路隔离,分别采用两路不同市电,大幅度提高系统可靠性。

(3)采用“1+1”冗余并机系统设计,大幅度提高UPS可靠性。NT系列UPS单机MTBF大于300000h,单机可靠度大于99.99%,采用“1+1”并机大于99.999%。另外，NT系列UPS可提供强大的并机能力,无需并机卡即可并机,最多支持8台并机,并且可以在线不断电扩容,满足后期系统扩容需要。同时采用高精度的多CPU冗余的数字控制技术,保证UPS参数精确及并机时相位的严格一致,提高了并机系统的带载能力和可靠性。

(4)UPS供电系统具有RS232、RS485及SNNP等通讯接口供选择,可以直接通过网络或动力环境采集,对UPS实现远程集中监控,可远程查看UPS运行的各项参数，事件记录进行实时检测。当UPS系统发生事故时,可通过集中监控软件或者干节点信号发出告警提示。

(5)智能电池管理功能,NT系列UPS具备智能电池管理能力,具备自动均充、浮充转换功能,可以定期对电池进行安全发电检测,另外还可以根据负载情况,自动调整放电截至电压,通过上述功能,可以显著延长电池寿命。另外,NT系列UPS还具备电测漏液检测功能及充电自动温度补偿能力,提高了系统运行的安全性。

(6)方案中两台UPS共用两组电池,市电正常时,各UPS同时给电池组充电;市电异常或者中断时,各UPS同时利用电池组进行逆变转换,为负载提供能量。这样做可以节省50%的电池投资及安装空间,同时也减少了承重投资,明显提高了电池的利用效率。另外,每个电池柜均配置电池开关保护,电池组空开采用冗余方式连接,允许系统中任意一个空开故障而不影响系统的正常工作,提高了系统可靠性。

4   信号电源UPS设备性能特点分析

4.1   绿色节能特点分析

(1)宽广的输入电压范围

宽广的输入电压范围(380V/220V，-32%～+35%),适应供电环境恶劣的地区使用,可有效降低电池放电次数及损耗,延长电池使用寿命,减少了电池产品对周围环境的污染,也减少了用户在电池上的投资。

(2)共用电池功能

在采用并机冗余供电的情况下,选择共用电池方案,在满足同等放电时间条件下，两台主机可利用并联电池组工作,通过该功能可全面节省用户对电池的投资,节省购买电池的资金,还节省安装空间及承重方面的投资,对于系统扩容也非常方便、简单。

(3)高功率密度

UPS主机体积小,不仅减少了所用材料,而且更易散热,机房的温度影响变小,使得空调耗电也相对减少,提高了整个机房的绿色环保指标。高密度设计可节省占地面积及安装空间,提高灵活性,适应不同的机房物理环境。

(4)整机效率高

NT系列UPS在线模式效率>91%,采用经济运行模式效率可达98%以上,可有效地利用电能,节省运营成本。另外,由于UPS效率的提高及发热量的减小,也可节省机房空调设备的用电量及电费。

(5)散热风扇采用风速控制

NT系列UPS散热风扇具有10段风速控制,由负载的容量、温度高低自动调整风扇的转速,可节省电能，减少运营成本,改善系统可靠度、提升效率、降低噪音以及延长风扇的使用寿命。

4.2   可靠性特点分析

(1)NT系列UPS的元器件都是经过严格筛选,紧紧把住原材料关。对UPS出厂前做全面细致的测试,确保各项功能与质量。

(2)采用智能的微处理器CPU控制设计,简化复杂的模拟线路并且减少了零件数目,提高了整个系统的集成率及可靠度;

(3)NT系列UPS在设计方面散热风扇转速采用智能化控制设计,风扇转速可根据负载大小自动调整,控制电源采用双冗余设计,主功率器件采用IGBT技术,大大提高了系统的可靠性。

(4)NT系列UPS控制电源采用双路电源,任何一路出现故障,UPS仍可正常供电,且不同控制电源电路的输入来自不同的电源,更加确保控制电路的运行,提高系统可靠度。

(5)标配有输出隔离变压器,稳定可靠,过负载能力和抗冲击能力强,隔离谐波的干扰及降低零地电压,为负载提供稳定可靠的纯净电源。

在政府、地铁、铁道、通信、医疗、工业、电力等行业使用多年,通过实践证明NT系列UPS是具有高可靠性、高可用性的产品,其平均无故障时间MTBF>300000h,平均维修时间MTTR<0.5h。

4.3   安全性特点分析

(1)采用双变换在线式设计,保障用户的精密设备供电质量,市电与电池供电为零切换时间,为用户负载提供纯净的正弦波安全可靠的电源,延长了设备的使用寿命。

(2)紧急事故关机功能(EPO),当地震或火灾等紧急事故发生时,可通过面板EPO按键或利用远程遥控EPO功能快速将UPS关机,减少UPS供电系统在紧急事故中造成的损失,有效地保护负载。

(3)整流器采用软启动设计,当UPS的输入电源转为由发电机连续供电使用时,可使发电机得到平滑过渡连接,避免发电机受到瞬间负载的冲击或过载故障,使得发电机保持正常、安全运行,延长发电机组使用寿命。

(4)具有电池漏液侦测功能,可提早侦测出电池的漏液并进行告警,避免电池漏液引起事故。

(5)并机系统可采用共用电池方案,每个电池组由29只电池串联,如在同样给用户提供1h后备时间的情况下,可减少电池的投资,还可以节省大量的安装空间,提高电池的利用效率,当其中一台UPS退出并联系统后,仍能保证满载情况下后备时间为1h,确保信号系统的安全运行,保障高速铁路行车的安全性。

(6)NT系列UPS具有安全、适用的短路保护功能,当侦测到逆变器的输出电压小于50V达两个周期(即40ms)时,便认为输出端短路,逆变器保护锁机,转由旁路供电,转换时间<1ms。在并机系统中,当侦测到UPS逆变器输出电压小于50V达两个周期时,便认为是系统输出短路了,这时并联两台UPS立即关闭逆变器进行自我保护,同时将负载切换到静态旁路下供电。如果短路故障排除了,则UPS自动恢复到正常工作模式。如果短路故障仍然存在,则靠跳脱静态旁路的输入开关来保护。

整个短路保护的设计理念是:不到万不得已不给负载断电,瞬间短路或者万一有误侦测到短路时,不会造成负载断电。

5   结束语
NT系列UPS充分满足了国家节能减排的要求以及市场发展趋势的要求。在为用户节省运营成本的同时,此系列UPS高安全可靠、高效率的运行,确保铁路高速时代的信号系统稳定可靠、从不间断地正常运行。■