孙元新，梁伦发

0 引言

铁路变配电所用直流电源为所内控制、信号、保护、自动装置及断路器等二次设备提供工作电源，是保证铁路供电系统可靠运行的重要组成部分，目前普遍采用传统的“充电机+串联蓄电池组”的构成方式。系统正常运行时，由充电机提供负荷电流，蓄电池处于浮充状态；在交流电源故障失电时，由蓄电池向负载提供直流电源，维持故障期间系统的可靠运行。在铁路直流电源系统中，蓄电池的可靠性关系着整个供电系统的安全、稳定和经济运行。

1 传统直流电源系统原理及存在问题

目前铁路变配电所普遍采用串联型直流电源系统。该串联型直流系统由交流配电电源、高频开关电源、串联蓄电池组、降压硅链、馈线单元、监控单元、蓄电池巡检单元组成[5]，原理如图1所示。在实际运行中，由于供电半径大，沿线环境复杂，末端低电压或短路、接地等故障时有发生，当低电压穿越至变配电所时，直流电源充电设备将因输入低电压闭锁输出，此时系统能否安全可靠地提供后备电源完全取决于蓄电池组性能。结合辖区各站点的运行实际，传统直流电源系统主要存在以下问题：

图1 传统配电所直流系统原理

（1）供电可靠性低。传统直流电源系统的蓄电池组由18节12 V铅酸蓄电池串联组成，在实际运行过程中，存在容量下降、电压异常、内阻增大、开路等风险，其可靠性受各单体电池一致性及性能影响，主要体现在：蓄电池组容量取决于整组中容量最低的一节；单节蓄电池失效将造成整组蓄电池无法带载[3]；蓄电池的电化学活性需要规范、专业化的运行维护，由于铁路配电所点多面广、运维人员不足，普遍存在带病运行现象。

（2）运维手段滞后。为保证直流电源系统的可靠运行，需保证蓄电池容量满足事故放电需求，除定期对系统进行巡检外，还须定期对蓄电池进行0.1 C核对性放电试验。目前主要采用人工离线核容方式，存在耗时长（单组蓄电池核容需要4～6人/天）、安全性低、记录繁琐等问题[1]，在全网减员增效的背景下尤为突出。

（3）经济性差。当单节蓄电池失效，需更换与原电池性能参数一致的新电池，不同品牌、不同规格、不同新旧程度的蓄电池无法混用，在实际操作中经常因个别电池损坏而整组更换，维护成本高。

2 智能并联型直流电源系统

针对传统直流电源系统存在的问题，本文提出一种基于并联设计的智能并联型直流电源系统，在提高系统供电可靠性的基础上，创新实现了蓄电池智能管理与远程在线核容。

2.1 系统原理

智能并联型直流电源系统由N+X个直流电源模块高压输出端并联组成。各模块单独配置一组24 V蓄电池（组），独立向直流母线供电并实现对本组蓄电池的智能管理。系统可通过监控模块实现运行数据采集、参数设定及上位机通信，实现基于电力物联网的信息传递与控制，其原理如图2所示。

图2 智能并联型直流电源系统原理

并联电源模块集成电源变换及蓄电池智能维护管理功能。交流输入正常时，经AC/DC转换、DC/DC变换向负载供电，同时向蓄电池充电；交流输入中断时，蓄电池经DC/DC升压电路向负载供电，实现故障状态下的不间断供电[4]，其功能原理如图3所示。

图3 智能并联型直流电源模块原理

2.2 在线核容方案设计与实现

方案采用多路并联电池组串自动并离线控制技术[1]，实现直流系统蓄电池组的自动在线核容，其原理设计如下：

（1）交流输入正常情况下，直流系统对监控系统设置的核容深度及核容周期进行判断，满足核容条件时，由监控系统自动下发核容命令至模块；

（2）模块收到核容命令后，关闭蓄电池充电功能，同时自动提高DC/DC转换电路输出电压，使蓄电池放电电流逐渐增大至0.1 C，并维持动态平衡；

（3）模块实时采集蓄电池放电电流及电压，当电池电压达到设置的放电截止电压时，模块停止DC/DC转换，切换至市电供电模式，同时以0.1 C电流对蓄电池进行充电；

（4）本组模块核容完成后，相关核容数据上送至监控系统，并自动启动下一组模块的核容，直至系统全部模块完成核容。

并联直流电源在线核容流程见图4。

图4 并联直流电源在线核容流程

2.3 多模块均流设计与实现

方案采用基于DSP的数字均流技术，通过CAN总线获取电流信号实现均流，设计原理见图5，其控制设计如下：

图5 多模块均流设计原理

（1）在并联电源系统中，实时采集各并联模块的电流，并与经过计算得到的电流平均值进行比较，比较差值发送至均流环，对均流环的给定量进行修正；

（2）将电压环与均流环内经PI调节后的输出及各模块上滤波电感中电流的平均值一同作为电流环的输入量；

（3）最后通过均流环中PI的调节作用进一步控制PWM占空比，实现均流。

3 智能并联型直流电源系统主要特点

智能并联型直流电源系统相比传统串联型直流电源系统，其系统结构、技术方案有明显变化，具体体现如表1所示。

表1 方案对比

并联型直流电源系统较传统串联型直流电源系统在结构和技术方面具有以下显著特点：

（1）高可靠性。蓄电池采用间接并联方式，单节电池状态异常只影响本组模块输出，其他并行模块正常工作。

（2）智能运维。支持蓄电池远程智能维护，可实现蓄电池运行状态实时监测、预警，支持蓄电池远程在线核容，有效减少系统维护工作的人力物力投入，降低运维成本；采用模块化设计，可实现在线检修更换与在线扩容。

（3）经济环保。蓄电池间相互独立，可实现新旧电池、不同类型不同品牌电池混用，单只电池损坏只需更换本组电池，提高了蓄电池使用效率，同时减少蓄电池生产、使用及回收产生的环境污染。

4 智能并联型直流电源系统在铁路配电所的应用

本文以中国铁路上海局集团有限公司杭州供电段南星桥配电所直流系统改造工程为例，论证并联型直流电源系统的设计与工程应用效果。

4.1 直流系统改造工程设计方案

基于系统可靠性及工程实际考虑，工程采用并联型直流电源与传统直流电源双重化设计方案，即新增一套并联型直流电源系统，与原系统并列运行。其中并联型直流电源系统设置3组D22004并联型直流电源组件，各组件配置2节12 V/100 A·h铅酸蓄电池，总容量7 200 W·h；按所内常规负荷电流5 A计算，事故后备时长可达6 h，满足系统冗余要求。其设计原理如图6所示。

图6 南星桥配电所直流系统改造原理

4.2 基于改造工程的并联电源系统应用

通过并联型直流电源技术的应用，并结合南星桥配电所工程实施效果，重点实现了以下应用：

（1）蓄电池全参数实时在线监测。系统基于并联型直流电源模块，实时采集各单体电池电压、内阻、温度、充放电电流[2]等运行数据，并经监控装置上传，实现蓄电池在线状态评估、预警和故障告警。

（2）远程在线核对性放电。并联型直流电源模块可对本组蓄电池在线进行0.1 C全容量核对性放电，并实时记录核容数据，全程无需人员参与；核容容量经并联电源模块馈入直流母线由负载消耗，解决了经放电仪核容造成的能量浪费和安全性问题。

（3）模块化设计与在线检修。系统采用模块化设计，模块间、蓄电池间相对独立，经验证，单一蓄电池或单一模块故障均不影响系统输出，仅需在线更换对应组件即可恢复运行，显著提高了系统运维效率。

（4）经济运行与减员增效。并联型直流电源系统的蓄电池配置数量由原18节减少至6节，降低了设备费用、占地空间及后续的维护成本；同时基于并联电源模块的蓄电池智能管理功能，实现了蓄电池的在线监测与智能维护，为铁路系统减员增效提供了有力支撑。

并联型直流电源系统从根本上克服了传统串联型直流电源的缺点，在提高系统可靠性的基础上，实现了智能运维，特别是蓄电池远程在线核容功能的应用，极大减少了站所运维工作的人力物力投入。该改造工程自投运以来，系统运行稳定，具有良好的推广应用价值。

5 结语

本文在分析铁路配电所传统直流电源系统运行问题的基础上，提出了智能并联型直流电源系统方案。该方案采用多模块并联设计，解决了串联型直流电源固有的单点故障问题，在提高系统可靠性的同时，创新实现了蓄电池智能管理与远程在线核容，降低了系统运维成本。

在我国铁路高速发展及减员增效的背景下，智能并联型直流电源系统可为铁路配电所直流电源系统新建与升级改造提供技术依据和实施思路，具有较好的应用价值。