常 宁

（济南轨道交通集团第一运营有限公司，山东 济南 250013）

0 引 言

城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全，提高运输效率的关键系统。信号系统为一级供电负荷中的特别重要负荷，对供电电源的可靠性、稳定性提出更高要求。为进一步提高信号系统电源设备的可靠性，可结合实际需求对信号单UPS电源设备进行优化，形成信号电源双UPS运行方案。在实际轨道交通运营中具有积极影响。

1 UPS电源基本工作原理

UPS电源是连接在市电输入和负载之间，为信号系统设备提供不受电网干扰、稳压、稳频的电力供应的电源设备。

当主路正常时，市电经UPS整流后将交流电转变为直流电，一方面给蓄电池充电，另一方面经逆变处理转变为交流电为电源屏提供优质电源，此时旁路处于备用状态。

当市电掉电或整流器故障后，UPS可将电池能量逆变给负载，继续提供优质电源。

当主路逆变功能丧失时，主路不再工作，在静态开关作用下自动无间断转至UPS旁路供电，旁路输入经过稳压器的处理，仍然可以保证输出电源的稳压精度。

另外，UPS提供维修旁路模式，即将UPS主机停电隔离，用于设备内部检修或故障处理，以保证检修人员人身安全。

2 信号系统对UPS电源的要求

城市轨道交通信号系统是行车安全的核心系统，而UPS作为信号电源系统的心脏，必须满足高可靠性、高安全性的要求，故选用采取在线式双变换设计，应用先进的全数字控制技术，在负载保护方面和性能方面都是目前最优的，同时具备完备的网络管理功能的UPS产品。

从目前国内轨道交通运营实际角度来看，信号系统对UPS电源的要求通常包含以下特征。

（1）信号系统宜设置完全独立的UPS电源，保证其安全性方面要求[1]。

（2）当外电网2路电源掉电时，UPS电源能够在既定时间内承载信号系统设备正常供电，为运营行车组织创造有利条件。

（3）当2路电源切换过程中或信号系统瞬时停电时能够毫秒级切换，输出稳定且精度高的电源波形，确保信号设备不掉电、不宕机。

（4）具备自身监控功能，将系统状态及报警信息通过数字通信的方式传至电源监测系统。

（5）具备可靠的分散式自主并联技术，可实现多机并联和后期扩展。

（6）系统结构布局合理，易掌握、易操作、易维护。

3 目前国内轨道交通信号系统UPS配置方案及应用现状

我国轨道交通建设标准暂未对具体配置作明确要求，实际工程中，UPS的设计方案并未完全按照《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174—2008）的A或B级机房要求进行设计，而是以地方建设单位招投标要求为准[2]。

目前国内城市轨道交通信号UPS电源系统主流配置方案有2种，即单UPS配置和双UPS并机配置。此外，UPS厂家结合不同业主实际需求，在信号电源系统配置上不断提升和优化产品，如有针对性地定制UPS配置方案或者在设计时预留双UPS的配置条件，便于后期扩展。

3.1 单UPS电源配置

信号电源系统中配置1台UPS、1台稳压器和蓄电池组。

3.1.1 正常工作模式

2路市电输入经切换单元后接入UPS，UPS一方面通过整流器、逆变器给负载提供高品质交流电源；另一方面通过整流器为电池充电，将能量储存在电池中。

3.1.2 非正常工作模式

（1）2路市电停电。自动无间断地启用蓄电池，逆变后为负载供电。此时运营人员需时刻关注蓄电池组电量，立即开展设备抢修工作，排查停电原因，同时启动相关应急预案，密切关注信号设备运行状态直至恢复正常供电。

（2）UPS内部功能模块故障。当UPS整流器发生故障，则UPS对应蓄电池组自动启用，经逆变后不间断为负载供电。此时运营人员需密切监视电池电量或直接手动将UPS切换至静态旁路供电。

当UPS逆变器发生故障，则UPS会自动无间断地切换到静态旁路电源向负载供电。此时运营人员需关注UPS及稳压器设备运行状态，查看UPS运行参数、过载保护等情况，确保信号设备用电不受影响。

（3）UPS紧急关机。当遇到火灾、水灾等紧急状况时，长按面板上的EPO按钮2 s，系统将关闭整流器、逆变器，并迅速切断负载供电，同时停止蓄电池组的充放电。

（4）UPS内部控制板卡故障、设备检修维护等。影响UPS正常功能的核心控制板卡故障往往导致设备无法正常工作，对信号设备用电构成较大威胁，信号系统瘫痪将直接对运营造成严重影响。运营人员需结合实际故障情况及影响采取不同处置措施，组织开展设备抢修工作，同时启动相关应急预案，以先通后复的原则最大限度地降低设备故障对运营的影响。

设备年检时需将模式切至维修旁路，该工作模式用于UPS内部电子元器件检查、清灰等场景。此时运营人员需做好监控操作，严禁违规操作，作业前必须确认供电专业无电源倒切及停电施工作业。

3.2 双UPS并机电源配置

与单UPS电源配置的主要区别在于配备2台相同型号和容量的UPS和电池组，每台UPS均具备单独为全部负载供电的能力。

3.2.1 正常工作模式

2路市电输入经切换单元后，分别接入并联的2台UPS，每台UPS承担50%的负载，市电经UPS整流、逆变等处理后为电源屏交、直流单元提供优质电源，同时给后端对应电池组充电[3]。

3.2.2 非正常工作模式

（1）2路市电停电。自动无间断地启用蓄电池，逆变后为负载供电。此时运营人员需时刻关注蓄电池组电量，关注信号设备运行状态直至恢复正常供电。

（2）单台UPS故障。当单台UPS整流器故障时，故障侧UPS对应蓄电池组自动启用，经逆变后不间断为负载供电，电池储能耗尽后故障侧UPS退出服务，正常侧UPS设备承担信号系统设备全部负载。此时运营人员需时刻关注2个UPS设备运行状态，查看UPS运行参数、过载保护等情况，确保信号设备不受影响。

当单台UPS逆变器故障时，故障侧UPS退出服务，正常侧UPS设备承担信号系统设备全部负载。此时运营人员需重点关注正常侧UPS设备运行状态，查看UPS运行参数、过载保护等情况，确保信号设备不受影响。

（3）2台UPS故障。当2台UPS整流器同时出现故障，则2台UPS对应蓄电池组自动启用，经逆变后不间断为负载供电，此时运营人员需密切监视电池电量或直接手动将UPS切换至静态旁路供电。

当2台UPS逆变器同时出现故障，则2台UPS会自动无间断地切换到静态旁路电源向负载供电。此时运营人员需关注UPS及稳压器设备运行状态，查看UPS运行参数、过载保护等情况，确保信号设备不受影响。

（4）UPS紧急关机。当遇到火灾、水灾等紧急状况时，长按面板上的EPO按钮2 s，系统将关闭整流器、逆变器，并迅速切断负载供电，同时停止蓄电池组的充放电。

（5）UPS控制单元故障、设备检修维护等。通常单台UPS设备故障或检修不会对运营造成影响，运行方式同上述模式类似，在此不做过多陈述。2台UPS设备同时故障时，运营人员需结合实际故障情况及影响采取不同处置措施，组织开展设备抢修工作，同时启动相关应急预案，以先通后复的原则最大限度地降低设备故障对运营的影响。

3.3 UPS电源应用现状

单UPS配置方案广泛应用于北京、深圳、青岛、成都、大连以及郑州等大部分城市轨道交通线路。双UPS配置方案广泛应用于上海、苏州、无锡等城市部分轨道交通线路。从国内既有轨道交通线路实际情况看，单UPS配置方案应用占比远高于双UPS配置方案[4]。

虽然单UPS配置的可靠程度已经满足运营条件，但是随着运营年限的增加，UPS内部板卡及电子元器件逐渐老化。另外，受设备房环境不恒定和运营人员检修维护不到位等因素影响，UPS设备故障及告警随之增多，如板卡故障、模块故障、监控故障等，给运营维护人员带来很大困扰。为解决设备故障给运营带来的影响，运营方不得不制定一系列措施和应急预案来应对UPS未知风险，管理层面尝试探索技术改造或电压系统委外等方式。

近些年，随着技术的不断进步，UPS厂家已结合业主需求有针对性地对配置方案进行提升和优化。以笔者所在的济南地铁为例，既有3条线路均采用单UPS+2组蓄电池组的配置方案，同时预留双UPS的配置条件，便于后期扩展。

4 2种UPS配置方案对比分析

4.1 优势分析

单UPS配置方案：（1）结构简单易部署，在满足可靠性的同时较大限度地降低建设采购成本；（2）从运营维护角度看，无论在检修工作量还是在故障排查难度上都要小很多；（3）从系统角度看，具备后期扩展条件，可结合运营深入和维护需求有条件地技术改造。

双UPS配置方案：（1）因为配备了2台并联的UPS互为冗余，电源供应更有保障；（2）每台UPS均可独立承担全部负载用电，整体可用性更高；（3）任何一台UPS功能故障甚至停止服务都不会对信号系统用电造成影响，只有当2台UPS核心控制功能均丧失时才会影响设备用电，所以故障构成威胁程度更低；（4）正常情况下每台UPS只承担一半负载，即使负载骤时增大，系统仍能维持逆变侧供电而不会转至旁路；（5）配套2组蓄电池，电池储能量提高，后备模式为行车组织争取更多时间。

4.2 劣势分析

单UPS配置方案：（1）相对双UPS配置方案，整体可靠性较低；（2）主路逆变功能丧失时，后备电池组失去价值；（3）旁路模式下，稳压器作用效果有限，只能起到稳压作用，不具备电源净化功能；（4）运营维护角度看，UPS检修时须避开供电专业停电作业，防止市电掉电导致设备失电，故存在一定风险；（5）从系统角度看，虽具备后期扩展条件，但设备投入运营后技术改造难度大、风险高。

双UPS配置方案：（1）结构相对复杂，系统造价提高；（2）2台UPS同时运行，分别承担50%的负载，所以设备利用率不高、功耗大；（3）从运营维护角度看，日常检修工作量有所增加。

4.3 可靠性分析

4.3.1 平均无故障时间

在UPS电源系统中，平均无故障时间（Mean Time Between Failure，MTBF）是UPS电源的可靠性的考量值，MTBF的数值越大表示可靠性越高。MTBF的大小不仅受控于UPS电源中各种元件和部件的失效率λ，还受控于UPS电源设计方案和制备工艺。即使UPS电源厂家采用相同的设备工艺，但由于设计方案不同，也会影响MTBF的大小。平均无故障工作时间（tMTBF）与失效率（λ）之间的关系为tMTBF=1/λ。

4.3.2 单UPS配置MTBF

对于单UPS电源来说，平均无故障工作时间表示在UPS电源因故导致逆变功能丧失并自动切换到旁路工作模式后，又遇到输入电源因故发生“停电”事故或因旁路“静态开关”失效而最终导致UPS电源进入“输出停电”故障的平均无故障工作时间。因此，MTBF值大小不仅与UPS电源的质量高低有关，还与市电的停电几率密切相关。

4.3.2 双UPS并机配置MTBF

该配置方式下，只有在市电输入停电、2个UPS逆变功能丧失和旁路静态开关失效等故障同时出现时才会造成信号设备失电。根据UPS厂家提供的某款产品手册数据：UPS(不含蓄电池)的tMTBF≥2×105h(不含通过旁路供电的情况)。则并机UPS平均无故障时间计算公式：tMTBF总=1/λ+1/λ+1/(λ+λ)=2.5/λ=2.5tMTBF=2.5×2×105=5×105h。即并机UPS平均无故障时间为单机UPS的2.5倍，极大地提高了UPS电源供电的MTBF值[5]。

综上所述，尽管单UPS配置方案的可靠性已经很高，但双UPS并机配置方案仍能显著提高平均无故障时间。

5 结 论

电源系统作为信号系统正常运行的基础子系统，其重要性不言而喻。运营中一旦发生电源系统故障，其影响范围和程度往往是巨大的，所以在轨道交通信号系统建设中应考虑选用成熟可靠的双UPS配置方案，在提升运营服务质量和保证高效行车上都大有裨益。