全電子執行單元冗余供電研究

馬會軍 楊自璞 楊東星

摘? 要：針對高原鐵路全電子執行單元系統供電問題，該文提出2種高可靠性的供電方案。第一種方案是在電源屏上新增一路直流轉換模塊，為執行單元提供獨立的額外供電，即直流雙路直供方案。第二種方案是在保持電源屏供電方式不變的基礎上，將執行機柜的單斷路器升級為雙斷路器，通過2臺執行機柜的互環連接，實現用電的冗余，即執行機柜互環供電方案。這2種方案的目標都是提升全電子執行單元用電的可靠性和穩定性。綜合比較，執行機柜互環供電方案在高原鐵路執行單元電源改造中更加具備可行性。該文的研究對高原鐵路全線全電子執行單元供電方式的改造具有指導意義。

關鍵詞：高原鐵路；全電子執行單元；電源改造；軌道電路；計算機聯鎖

中圖分類號：U284.8? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0145-04

Abstract： In order to solve the problem of power supply of all-electronic execution unit system of plateau railway， two power supply schemes with high reliability are proposed in this paper. The first scheme is to add a DC conversion module to the power supply screen to provide independent additional power supply for the execution unit， that is， the DC dual direct power supply scheme. The second scheme is to upgrade the single circuit breaker of the executive cabinet to a double circuit breaker on the basis of keeping the power supply mode unchanged， and realize the redundancy of power consumption through the interring connection of the two executive cabinets， that is， to implement the cabinet interloop power supply scheme. The goal of both schemes is to improve the reliability and stability of power consumption in all-electronic execution units. By comprehensive comparison， the implementation of cabinet interloop power supply scheme is more feasible in the transformation of plateau railway executive unit power supply. The study of this paper is of guiding significance for the transformation of the power supply mode of the all-electronic executive unit of the plateau railway.

Keywords： plateau railway; all-electronic executive unit; power transformation; track circuit; computer interlocking

在高原地區鐵路運營中，全電子執行單元的引入，標志著鐵路行業邁向一個重要的里程碑。在確保鐵路運營安全的進程中，執行單元作為關鍵設備之一，其供電方式顯得尤為重要。這是因為在車站控制系統中，執行單元在行車安全方面起著至關重要的作用，直接參與執行各項關鍵系統的操作[1]。全球范圍內的鐵路和交通系統正經歷數字化轉型，這包括采用全電子執行單元技術。全電子執行單元采用了高度靈活的軟件定義方法，使鐵路信號系統更容易配置和升級。它具備全電子化、模塊化、智能化、數字化和網絡化等顯著特點[2]。通過執行模塊，傳統的聯鎖系統中繁瑣的繼電器執行部分得以替代，從而實現對室外轉轍機、信號機、軌道電路等關鍵設備的直接控制[3-5]。這種革命性的轉變為鐵路運營帶來了更高的效率和可靠性，極大地提高了行車安全水平。全電子執行單元模塊化的設計使執行電路具備了雙套冗余設計的可行性，目前市面上有單套執行單元系統以及雙套冗余執行單元系統2種制式應用。執行單元在高原地區的應用，不僅在技術上突破了電氣化鐵路海拔極限，也在鐵路運營安全領域取得了顯著的成就。執行單元作為其中的關鍵創新之一，其全電子化的特性為鐵路行車系統注入了新的活力。本文旨在深入探討執行單元在高海拔鐵路運營中的應用，以及其在推動鐵路行車安全和效率方面所具有的潛力。通過對執行單元供電的研究，我們可以更好地理解其在鐵路現代化中的地位和作用，為鐵路運營的未來發展提供有益的借鑒。

1? 執行單元供電現狀調查

電子執行單元系統的電源供電方式包括交流（AC）雙電源并聯冗余供電和直流（DC）單電源冗余供電2種模式。AC供電模式采用計算機聯鎖雙系統電源模式，即電源屏提供2路獨立的AC220V單相交流電源[6]，如圖1所示。每臺執行機柜設置2套AC220/DC24V模塊電源分別向雙系電子執行單元供電；或者合并2路電源模塊并聯輸出，供給單套執行單元。

青藏公司其他線路使用的蘭州大成單套電子執行單元系統采用了交流（AC）雙電源并聯冗余輸出的供電方式。和利時、鐵科、微聯、通號和卡斯柯等公司的電子執行單元均采用AC供電方式。DC單電源供電是電源屏提供的直流冗余電源模式，即電源屏提供多個電源模塊并聯冗余輸出DC24V的直流電源。電源模塊的輸入由外部電源提供2路獨立的AC220V單相交流電源。每臺執行機柜接入一路DC24V系統電源，分別為單套或者雙套電子執行單元提供電力。AC供電模式及DC供電模式均在供電端實現了冗余功能，且符合TBT 3027—2015《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》中的“11.1計算機聯鎖應由信號專用電源通過至少2個獨立電源為計算機聯鎖系統提供220 V交流供電”的規定[7]。以上供電方式的詳細描述涵蓋了AC和DC供電模式及其在不同情況下的配置和冗余設計。

高原鐵路執行單元采用蘭州大成生產的LDJLZ-II型雙模塊系統，電源屏采用天津信號廠第三代智能化信號電源屏PKX系列[8]，對執行單元采用DC單電源供電方式。以某個5股道車站為例，由2路AC220V電源向2組UPS供電，正常由2組UPS冗余向電源屏MW-Z24/60模塊供電，且當UPS故障時提供旁路功能，電源屏MW-Z24/60模塊4塊并聯冗余向執行單元提供直流24 V電源均流輸出，其供電方式如圖2所示。

電源屏MW-Z24/60單個模塊提供直流24 V最大額定輸出電流60 A的穩定輸出。單個執行單元工作電流平均值為3.5 A，啟動電流為5 A。此站共計使用5臺執行機柜，最大工作電流17.5 A，最大啟動電流25 A。在單個或多個電源模塊故障的情況下，4塊電源模塊并聯均流輸出的設計可保證不間斷地向執行單元提供可靠的電源供電。電路設計由電源屏輸出斷路器直流30 A、執行柜輸入斷路器直流20 A、連接線路和斷路器為單向控制無冗余，中間單節點連接多達20處，當斷路器故障、節點松動、線路損壞中斷時，會造成執行機柜斷電，供電穩定性存在風險。本文根據冗余供電的思路，提出在DC單電源供電方式下對執行單元的單線路改造為雙線路的2種設計方案，以確保當某一處斷路器或電路故障時執行單元仍正常運行。

2? 改造技術方案與分析

2.1? 方案一：電源屏端DC雙路直供方案

每個站使用的全電子執行單元柜數量不同，電源屏根據功率要求安裝的電源模塊數也不同。以此站為例，可在電源屏新增執行單元二路電源模塊，由新增電源模塊獨立向執行單元供電，形成DC雙電源直供方案，具體供電方式如圖3所示。

圖3中相關部分為新增設備及電路，執行機柜端子1（D1）、端子2（D2）分別新增一組接線端子，接線端子中間新增一個斷路器（RD2）。RD1控制執行機柜左側銅條供電，RD2控制執行機柜右側銅條供電，電源屏增加單獨的一組供電模塊通過RD2向執行單元供電，左右銅條并聯向執行單元系統供電。

電源屏端雙路直供方案中執行機柜單個斷路器空開各承擔50%負荷，當一路供電電路開路時單路可承擔全部負荷。電源屏端至執行機柜端單節點、單斷路器開路以及電源屏供電模塊整體故障時，均能夠保障設備供電的穩定性，避免單節點接觸不良、斷路器故障造成的斷電事故。但其改造時需要電源屏整體斷電、既有電源屏空間不足，室內新增配線多、施工難度大。

2.2? 方案二：執行機柜互環供電方案

在既有設備的基礎上，為每個執行機柜新增一組斷路器和萬可端子及連線，將執行機柜內部左右兩側銅條由不同斷路器進行供電，如圖4所示。

圖4相關部分為新增設備及電路，執行機柜端子及斷路器增加部分與圖3方案一致。執行一RD1與執行二RD2通過D2環接，執行二RD1與執行一RD2環接，以達到執行機柜電路雙路冗余的效果。執行三、執行四、執行五3組執行機柜進行互環。單個執行機柜使用啟動電流5 A，正常工作電流3.5 A，按最大容量3組機柜互環，當2條供電電路開路時，單個斷路器最大承載容量為10.5 A。其中，新增斷路器和即有的斷路器容量必須保持一致，以保障在設備正常供電時兩邊斷路器通過電流一致。

在現場試驗中，針對執行機柜互環供電方案，經實際操作，斷開任意斷路器后，系統設備仍能正常運行。該供電方案電源屏直流電源模塊未獨立設計，因此整體電源模塊故障將導致斷電。但該方案具備諸多優勢。首先，在改造過程中，不需要對電源屏進行整體斷電操作，從而不會影響其他設備的電力供應。其次，該方案的改動較小，施工便捷，新增設備數量較少，成本相對經濟。2種方案在既有車站改造過程中的優劣對比見表1，綜合本文的研究和實際現場試驗結果，建議高原鐵路在升級改造中采用互環供電方案。

3? 結束語

本文通過分析全電子執行單元的供電方式，并結合相關規定，發現高原鐵路全電子執行單元供電電路需要技術改進，提出的2個方案在單斷路器開路時，均能夠保障設備供電的穩定性，避免單節點接觸不良、斷路器故障造成的斷電事故。2種方案都符合TB/T 3027—2015中供電及電源設備的要求，但在升級改造過程中，執行機柜互環供電方案具備更好的執行性，且成本更經濟，改造過程中影響范圍小，因此，建議在高原鐵路的電源改造上采用該方案。本文的2種方案有效解決了高原鐵路執行單元供電的不穩定性問題，對高原鐵路執行單元雙電源改造及后續車站雙電源供電的設計具有普遍指導意義。

雙電源冗余供電方案雖然成功解決了由線路開路引起的斷電問題，但仍然面臨一系列潛在問題，尤其是在用電設備的應用端。在許多設計中，供電端常常采用雙電源冗余方案，但用電端卻仍然使用單一電源線路和單一斷路器?；蛘咴谝恍┣闆r下，采用了雙電路和雙斷路器供電，但這些用電設備在其電路板內部并沒有真正實現冗余功能。例如，雙電源工控機、自動閉塞區間、站內電碼化發送接收系統和聯鎖主板等設備在電路設計上已經采用了雙路冗余供電策略。然而，這些設備在電路板內部用電仍然相當于是單一電源。它們簡單地將2路電源并聯以供設備運行，這種方式雖然有效解決了線路開路問題，但對于短路、線路干擾及大電流反涌等問題的應對能力卻相對不足。當用電端的設備受到電氣干擾或發生短路時，電子元器件的損壞可能會導致設備發生故障。為了解決這個問題，需要更深入地思考用電端的冗余供電設計，以確保設備在各種異常情況下都能夠穩定運行。本文的目標是為各類用電設備的制造商和設計者提供設備設計的指導思路。強調，除了滿足設計規范的要求之外，還應在用電端充分實施雙路冗余供電策略。這不僅僅是為了滿足規范的要求，更是為了確保設備能夠安全可靠地運行，為此，必須在電氣設計上打下堅實的基礎。

綜上所述，為了確保系統的穩定性和可靠性，我們不僅需要在供電端實施雙電源冗余，還必須在用電端采用相應的雙路冗余供電策略，以有效地應對各種可能出現的電氣干擾和故障情況，從而為設備的安全運行提供全面的保護。

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