全电子执行单元冗余供电研究

马会军 杨自璞 杨东星

摘  要：针对高原铁路全电子执行单元系统供电问题，该文提出2种高可靠性的供电方案。第一种方案是在电源屏上新增一路直流转换模块，为执行单元提供独立的额外供电，即直流双路直供方案。第二种方案是在保持电源屏供电方式不变的基础上，将执行机柜的单断路器升级为双断路器，通过2台执行机柜的互环连接，实现用电的冗余，即执行机柜互环供电方案。这2种方案的目标都是提升全电子执行单元用电的可靠性和稳定性。综合比较，执行机柜互环供电方案在高原铁路执行单元电源改造中更加具备可行性。该文的研究对高原铁路全线全电子执行单元供电方式的改造具有指导意义。

关键词：高原铁路；全电子执行单元；电源改造；轨道电路；计算机联锁

中图分类号：U284.8     文献标志码：A          文章编号：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

在高原地區铁路运营中，全电子执行单元的引入，标志着铁路行业迈向一个重要的里程碑。在确保铁路运营安全的进程中，执行单元作为关键设备之一，其供电方式显得尤为重要。这是因为在车站控制系统中，执行单元在行车安全方面起着至关重要的作用，直接参与执行各项关键系统的操作[1]。全球范围内的铁路和交通系统正经历数字化转型，这包括采用全电子执行单元技术。全电子执行单元采用了高度灵活的软件定义方法，使铁路信号系统更容易配置和升级。它具备全电子化、模块化、智能化、数字化和网络化等显著特点[2]。通过执行模块，传统的联锁系统中繁琐的继电器执行部分得以替代，从而实现对室外转辙机、信号机、轨道电路等关键设备的直接控制[3-5]。这种革命性的转变为铁路运营带来了更高的效率和可靠性，极大地提高了行车安全水平。全电子执行单元模块化的设计使执行电路具备了双套冗余设计的可行性，目前市面上有单套执行单元系统以及双套冗余执行单元系统2种制式应用。执行单元在高原地区的应用，不仅在技术上突破了电气化铁路海拔极限，也在铁路运营安全领域取得了显著的成就。执行单元作为其中的关键创新之一，其全电子化的特性为铁路行车系统注入了新的活力。本文旨在深入探讨执行单元在高海拔铁路运营中的应用，以及其在推动铁路行车安全和效率方面所具有的潜力。通过对执行单元供电的研究，我们可以更好地理解其在铁路现代化中的地位和作用，为铁路运营的未来发展提供有益的借鉴。

1  执行单元供电现状调查

电子执行单元系统的电源供电方式包括交流（AC）双电源并联冗余供电和直流（DC）单电源冗余供电2种模式。AC供电模式采用计算机联锁双系统电源模式，即电源屏提供2路独立的AC220V单相交流电源[6]，如图1所示。每台执行机柜设置2套AC220/DC24V模块电源分别向双系电子执行单元供电；或者合并2路电源模块并联输出，供给单套执行单元。

青藏公司其他线路使用的蘭州大成单套电子执行单元系统采用了交流（AC）双电源并联冗余输出的供电方式。和利时、铁科、微联、通号和卡斯柯等公司的电子执行单元均采用AC供电方式。DC单电源供电是电源屏提供的直流冗余电源模式，即电源屏提供多个电源模块并联冗余输出DC24V的直流电源。电源模块的输入由外部电源提供2路独立的AC220V单相交流电源。每台执行机柜接入一路DC24V系统电源，分别为单套或者双套电子执行单元提供电力。AC供电模式及DC供电模式均在供电端实现了冗余功能，且符合TBT 3027—2015《铁路车站计算机联锁技术条件》中的“11.1计算机联锁应由信号专用电源通过至少2个独立电源为计算机联锁系统提供220 V交流供电”的规定[7]。以上供电方式的详细描述涵盖了AC和DC供电模式及其在不同情况下的配置和冗余设计。

高原铁路执行单元采用兰州大成生产的LDJLZ-II型双模块系统，电源屏采用天津信号厂第三代智能化信号电源屏PKX系列[8]，对执行单元采用DC单电源供电方式。以某个5股道车站为例，由2路AC220V电源向2组UPS供电，正常由2组UPS冗余向电源屏MW-Z24/60模块供电，且当UPS故障时提供旁路功能，电源屏MW-Z24/60模块4块并联冗余向执行单元提供直流24 V电源均流输出，其供电方式如图2所示。

电源屏MW-Z24/60单个模块提供直流24 V最大额定输出电流60 A的稳定输出。单个执行单元工作电流平均值为3.5 A，启动电流为5 A。此站共计使用5台执行机柜，最大工作电流17.5 A，最大启动电流25 A。在单个或多个电源模块故障的情况下，4块电源模块并联均流输出的设计可保证不间断地向执行单元提供可靠的电源供电。电路设计由电源屏输出断路器直流30 A、执行柜输入断路器直流20 A、连接线路和断路器为单向控制无冗余，中间单节点连接多达20处，当断路器故障、节点松动、线路损坏中断时，会造成执行机柜断电，供电稳定性存在风险。本文根据冗余供电的思路，提出在DC单电源供电方式下对执行单元的单线路改造为双线路的2种设计方案，以确保当某一处断路器或电路故障时执行单元仍正常运行。

2  改造技术方案与分析

2.1  方案一：电源屏端DC双路直供方案

每个站使用的全电子执行单元柜数量不同，电源屏根据功率要求安装的电源模块数也不同。以此站为例，可在电源屏新增执行单元二路电源模块，由新增电源模块独立向执行单元供电，形成DC双电源直供方案，具体供电方式如图3所示。

图3中相关部分为新增设备及电路，执行机柜端子1（D1）、端子2（D2）分别新增一组接线端子，接线端子中间新增一个断路器（RD2）。RD1控制执行机柜左侧铜条供电，RD2控制执行机柜右侧铜条供电，电源屏增加单独的一组供电模块通过RD2向执行单元供电，左右铜条并联向执行单元系统供电。

电源屏端双路直供方案中执行机柜单个断路器空开各承担50%负荷，当一路供电电路开路时单路可承担全部负荷。电源屏端至执行机柜端单节点、单断路器开路以及电源屏供电模块整体故障时，均能够保障设备供电的稳定性，避免单节点接触不良、断路器故障造成的断电事故。但其改造时需要电源屏整体断电、既有电源屏空间不足，室内新增配线多、施工难度大。

2.2  方案二：执行机柜互环供电方案

在既有设备的基础上，为每个执行机柜新增一组断路器和万可端子及连线，将执行机柜内部左右两侧铜条由不同断路器进行供电，如图4所示。

图4相关部分为新增设备及电路，执行机柜端子及断路器增加部分与图3方案一致。执行一RD1与执行二RD2通过D2环接，执行二RD1与执行一RD2环接，以达到执行机柜电路双路冗余的效果。执行三、执行四、执行五3组执行机柜进行互环。单个执行机柜使用启动电流5 A，正常工作电流3.5 A，按最大容量3组机柜互环，当2条供电电路开路时，单个断路器最大承载容量为10.5 A。其中，新增断路器和即有的断路器容量必须保持一致，以保障在设备正常供电时两边断路器通过电流一致。

在现场试验中，针对执行机柜互环供电方案，经实际操作，断开任意断路器后，系统设备仍能正常运行。该供电方案电源屏直流电源模块未独立设计，因此整体电源模块故障将导致断电。但该方案具备诸多优势。首先，在改造过程中，不需要对电源屏进行整体断电操作，从而不会影响其他设备的电力供应。其次，该方案的改动较小，施工便捷，新增设备数量较少，成本相对经济。2种方案在既有车站改造过程中的优劣对比见表1，综合本文的研究和实际现场试验结果，建议高原铁路在升级改造中采用互环供电方案。

3  结束语

本文通过分析全电子执行单元的供电方式，并结合相关规定，发现高原铁路全电子执行单元供电电路需要技术改进，提出的2个方案在单断路器开路时，均能够保障设备供电的稳定性，避免单节点接触不良、断路器故障造成的断电事故。2种方案都符合TB/T 3027—2015中供电及电源设备的要求，但在升级改造过程中，执行机柜互环供电方案具备更好的执行性，且成本更经济，改造过程中影响范围小，因此，建议在高原铁路的电源改造上采用该方案。本文的2种方案有效解决了高原铁路执行单元供电的不稳定性问题，对高原铁路执行单元双电源改造及后续车站双电源供电的设计具有普遍指导意义。

双电源冗余供电方案虽然成功解决了由线路开路引起的断电问题，但仍然面临一系列潜在问题，尤其是在用电设备的应用端。在许多设计中，供电端常常采用双电源冗余方案，但用电端却仍然使用单一电源线路和单一断路器。或者在一些情况下，采用了双电路和双断路器供电，但这些用电设备在其电路板内部并没有真正实现冗余功能。例如，双电源工控机、自动闭塞区间、站内电码化发送接收系统和联锁主板等设备在电路设计上已经采用了双路冗余供电策略。然而，这些设备在电路板内部用电仍然相当于是单一电源。它们简单地将2路电源并联以供设备运行，这种方式虽然有效解决了线路开路问题，但对于短路、线路干扰及大电流反涌等问题的应对能力却相对不足。当用电端的设备受到电气干扰或发生短路时，电子元器件的损坏可能会导致设备发生故障。为了解决这个问题，需要更深入地思考用电端的冗余供电设计，以确保设备在各种异常情况下都能够稳定运行。本文的目标是为各类用电设备的制造商和设计者提供设备设计的指导思路。强调，除了满足设计规范的要求之外，还应在用电端充分实施双路冗余供电策略。这不仅仅是为了满足规范的要求，更是为了确保设备能够安全可靠地运行，为此，必须在电气设计上打下坚实的基础。

综上所述，为了确保系统的稳定性和可靠性，我们不仅需要在供电端实施双电源冗余，还必须在用电端采用相应的双路冗余供电策略，以有效地应对各种可能出现的电气干扰和故障情况，从而为设备的安全运行提供全面的保护。

参考文献：

[1] 何涛.轨道交通全电子化联锁系统安全技术研究与系统分析[D].兰州：兰州交通大学，2015.

[2] 陈光武，范多旺，魏宗寿，等.基于二乘二取二的全电子计算机联锁系统[J].中国铁道科学，2010，31（4）：138-144.

[3] 城市轨道交通全电子计算机联锁系统的应用研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2023.

[4] 蔡哲扬.基于全电子联锁的信号系统与跨座式单轨道岔系统的接口设计[J].铁道通信信号，2021，57（9）：83-87.

[5] 李宗.推进全电子联锁信号系统在南京地铁车辆段升级及应用[J].中国信息化，2021（2）：50-52.

[6] 庄维，凡振松，王利.信号机房双电源改造技术方案可行性研究[J].铁路通信信号工程技术，2020，17（11）：20-24.

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