目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的常见故障及选型改进方案

关键词： 选型 常见故障 轨道交通 电源

目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的常见故障及选型改进方案（通用5篇）

篇1：目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的常见故障及选型改进方案

目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的常见故障及选型改进方案

中航太克（厦门）电力技术股份有限公司 总工程师

何春

摘要: 目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的故障率高居不下，尤其20KVA以下的小容量段。究其原因是：在UPS的选型及系统方案上存在严重缺陷，不仅没有为用户节省成本，反而在运营中埋下了安全隐患。由于1KVA-20KVA采用了商业型UPS单机系统，这类UPS的静态旁路和整流器的输入没有分开，在实际运行中，常因为UPS自身输入开关KI的跳闸，造成UPS电池放电完成后，没有旁路电源，致使系统负载掉电，严重影响轨道交通运行的安全性和可靠性。另外，还会因为逆变器过载跳旁路后，过载解除也不能自动恢复为逆变器供电，需要人为再次启动逆变器等。本文针对这些实际问题，提出了选型和改进方案。

关键词: 轨道交通工业型UPS电源，它只少应具有：Ⅰ、高等级的抗扰度，应用于严苛的电气环境。Ⅱ、整流器与静态旁路两路市电输入KI和KP，Ⅲ、逆变器因过载跳旁路后，过载解出能自动恢复为逆变器供电。

轨道交通行业UPS用电环境概述

当前轨道交通行业里，UPS电源系统承担了全线范围内控制中心、车站、车辆段等的通信系统与监控系统的供电，以及信息管理系统在控制中心和车辆段的数据机房的供电。也正因为UPS电源主要是给通信系统、综合监控系统、信息管理系统供电，人们大量采用商业型UPS,造成UPS的故障率居高不下，为轨道交通行业安全可靠地运行，带来了极大的安全隐患。就其原因是：对轨道交通行业的电气环境认识不足，只考虑了UPS的输入绿色要求，输出的过载能力。即输入功率因数≥ 0.95，输入电流谐波＜5%，对电网没有污染。过载能力125% 10分钟，150% 1分钟。看似对电网及负载两端都有了要求。而唯独没有考虑到轨道交通行业里工业性的特征，即在轨道交通行业的电气环境中，UPS本身的适应性、可靠性。也可以说是UPS系统鲁棒性不足（鲁棒性就是系统的健壮性）。

如下图在机车进出站时，UPS输入端的电压波形实测图

从波形实测图可看出：在机车进出站时，由于大功率非线性用电设备的运行，向电网注入大量的谐波电流，导致电网电压波形畸变。根据我们的实测观察，在发生严重畸变时，电 压会出现正负半波不对称，三相电压不对称，频率也会发生变化等。

我们知道，商业型UPS的三相PWM整流器控制策略中，一般均假设三相电网电压不平衡度不超过2%，短时不超过4%，即电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值。这样一旦实际电网电压不平衡度太大时，将使三相PWM整流器直流侧电流产生6、12、18等6的整数倍的特征谐波和2、4、8、10等次数的非特征谐波，而直流电流谐波又导致产生三相PWM整流器直流电压谐波，直流电压谐波通过PWM作用反过来又会影响三相PWM整流器交流电流波形，使交流电流波形中含有奇次谐波。其中直流电压2次谐波和由其产生的交流电流3次谐波，因频率低、幅值高严重影响了三相PWM整流器的运行性能，严重时会烧坏整流器。

而工业型UPS为了在严苛的工作电气环境中的可靠性，一般三相PWM整流器控制策略，均假设三相电网电压不平衡度达40%，如电压空间矢量脉宽调制SVPWM的网侧瞬时功率控制策略，和工频三相IGBT整流技术，即全桥整流加有源滤波器，所以又叫混合式整流技术。混合式整流技术，可以在带载小于70%时，缺相工作运行。

在实测图中还可以看出电网电压波形严重畸变，这是轨道交通行业里最严重的问题。我们知道三相PWM整流器的硬件电路主要包括检测电路、锁相环电路、过流保护电路、光耦隔离电路和驱动电路。其中驱动电路，工作时是以输入电网电压正弦波形为调制波的。检测电路、锁相环电路都与电网电压正弦波形有关。检测电路要检测电网电压过零上升，锁相环电路为了实现三相的单位功率因数控制，需要找到和输入电网电压波形同步的基准量，从而获得电网电压的频率和相位。

在这里我们有必要谈谈UPS的输入特性，通常有：输入电压范围: ±20%，输入频率范围: 50Hz±10%的表述。所以，我们大都认为超出输入电压、频率范围时，UPS自身会判定为掉电，而转有电池逆变工作。这在常态的时候是对的，但在一些异常的瞬态畸变却未必，那怕你再调宽输入电压、频率范围，也不能解决问题。因为，我们在判定输入电压、频率超出范围时，通常是采用平均值法，就是说它在一个单位时间里有几个参考点要采集后才判定。举例说：我们不会把50HZ的正弦波形里的过零点，判定为掉电。这样就有个瞬态时间的问题。如果由于UPS的输入电压波形严重畸变，这时UPS的整流器会因为跟踪的正弦波形畸变率较高，IGBT驱动脉冲紊乱，驱动器功率不足或选择错误而导致故障，使整流IGBT元件烧毁。而这些问题，正是工业型UPS的抗扰性要求，已经得到很好的解决，已大量应用于电厂、电站、冶金、钢铁等电网电压波形严重畸变的行业。

一、目前轨道交通通信信号系统介绍及通信信号电源系统构成 A、轨道交通通信系统介绍

轨道交通通信系统的任务是建立一个视听链路网，提高现代化管理水平和传递语音、数据、图像及文字等各种信息。系统主要由传输系统、公务电话系统、专用电话系统、无线通信系统、广播系统、时钟系统、视频监控系统、乘客信息系统、电源及接地系统、通信综合网络管理系统等子系统组成。B、轨道交通信号系统介绍

城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运输效率的关键系统设备。

城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统，简称ATC。ATC系统包括三个子系统：

1、列车自动监控系统，简称ATS，2、列车自动防护子系统，简称ATP，3、列车自动运行系统，简称ATO。

三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。C、目前轨道交通通信信号电源系统，由于成本的原因，大都采用商业型UPS单机，构成图如下：

图1

目前轨道交通通信电源系统

图2 目前轨道交通信号电源系统

从图1和图2中可以分析出，轨道交通通信信号电源系统中，UPS现实影响轨道交通安全运行，使运营方、厂家常感头疼的故障原因：

1、在系统构成方面，两路市电经过ATS互投给稳压器（稳压器本身有旁路）输入，稳压器输出给UPS电源，UPS再输出给交流配电柜,也就是说，轨道交通通信电源系统的不间断是由UPS来完成的，可见UPS的重要性。不幸的是由于1KVA-20KVA采用了商业型UPS单机系统，这类UPS的静态旁路和整流器的输入没有分开，在实际运行中，常因为UPS自身输入开关KI的跳闸，造成UPS电池放电完成后，没有旁路电源，致使系统负载掉电，严重影响轨道交通运行的安全性和可靠性。

UPS输入开关KI的跳闸，有多方面的原因，大致分为：

1、开关本身存在质量问题。一些质量较差的开关，一旦使用时间长了，其脱口机构就会疲乏，时不时的会跳闸。

2、开关二次侧有短路现象。如：UPS整流器故障，UPS输入端子有短路现象，这种跳闸在实际运行中常出现。

3、过载原因的跳闸。即一切可能引起过流的原因。如谐波、浪涌、电压骤降、启动电流、虚接等等。

2、在系统的UPS选型方面，因为采用了商业型UPS，在实际运行中，不仅会由于UPS本身 设计的抗扰度不高而造成整流器故障频发，还会因为逆变器过载跳旁路后，过载解除也不能自动恢复为逆变器供电，需要人为再次启动逆变器，为轨道交通运行的安全带来了严重缺陷。从图

1、图2中，可以看到： UPS因过载（如通信信号电源，在输出到负载时，常用隔离变压器隔离输出，变压器有启动励磁电流，会造成逆变器过载），在转换到旁路运行时，如果过载解除也不能自动恢复为逆变器供电，那么此时任何一路市电掉电，都会造成负载的掉电。因为ATS的切换时间至少大于50ms。

所以，UPS主机应选用轨道交通专有的工业型UPS,它应具有：Ⅰ、高等级的抗扰度，应用于严苛的电气环境（抗扰度包括：1.辐射敏感度试验、2.工频磁场辐射敏感度试验、3.射频场感应的传导敏感度、4.电快速瞬态脉冲群抗扰度、5.浪涌抗扰度、6.电压跌落与中断抗扰度、7.电力线感应/接触、8.静电放电抗扰度）。Ⅱ、整流器与静态旁路两路市电输入KI和KP，Ⅲ、逆变器因过载跳旁路后，过载解除能自动恢复为逆变器供电。

二、轨道交通通信信号电源系统的工业型UPS选型和改进方案。

图3 改进后轨道交通通信电源系统

图4 改进后轨道交通信号电源系统

从图3和图4中可以看出，在轨道交通通信信号电源工业型UPS系统中，UPS的整流器与静态旁路，有两路市电输入KI和KP，杜绝了只有输入开关KI的风险。稳压器电源只给旁路供电，因为，工业型UPS的主输入，即整流器输入不需要稳压器来保护，且稳压器的响应时间通常在1秒左右，适合长时间的高电压或低电压调整，如果旁路备用电源电压时常不稳时，可用稳压器来调整，毕竟UPS跳旁路时，旁路备用电源是直接供给负载的。

另外，在这里要强调一下工业型UPS的问题，工业型UPS用一句话来总结，其实就是可 靠性比商业型UPS高。

UPS系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力称为可靠性,。长期以来，人们只用产品的技术性能指标作为衡量UPS质量好坏的标志，这只反映了UPS产品质量好坏的一个次要方面，还不能反映UPS产品质量的主要方面。因为，如果UPS产品不可靠，即使其技术性能再卓越也得不到发挥。从某种意义上说，可靠性可以综合反映UPS产品的质量。

首先，产品依照标准的原则，顺序为：专用产品类标准→产品类标准→通用标准。也就是说：专用产品类标准为高等级，它的适应性和可靠性最高。就UPS这类电力电子产品而言，我们通常以应用领域来分类。如下图：

工业型UPS就显性而言有三要素即：Ⅰ、高等级的抗扰度，应用于严苛的电气环境（抗扰度包括：1.辐射敏感度试验、2.工频磁场辐射敏感度试验、3.射频场感应的传导敏感度、4.电快速瞬态脉冲群抗扰度、5.浪涌抗扰度、6.电压跌落与中断抗扰度、7.电力线感应/接触、8.静电放电抗扰度）。Ⅱ、可选配的高等级IP防护等级，应用于恶劣的空间环境。Ⅲ、工频变压器的电气隔离，可再生一个TN-S系统或IT系统，即零线灵活更好的服务于用户，也可减少系统风险。在这三要素中，唯有第一条是有标准可寻的。在IEC62040-2-2005，EMC电磁兼容标准中，把UPS分为C1、C2、C3、C4类，即居民区、商业区和轻工业区、工业区、特殊定制区。

在环境方面，商业级UPS通常应用于IDC机房内，对温度、湿度、粉尘、腐蚀性气体有严格的要求，不能用于严酷场合，而工业级UPS则通常应用于高温高湿多粉尘或盐雾的场合；在可靠性方面，商业级UPS设计寿命通常在5年左右，而工业级UPS则通过选用工业级甚至军用级器件、增大冗余度、强化工艺设计和提高安全性配置等技术使产品寿命达到甚至超过20年。另外，在电气环境、负载特性、机械强度、电气隔离、输入输出保护、通讯接口、旁路要求、附件选择、IP防护等级和钣金要求等方面，市场对工业级UPS的要求均远高于商业级UPS。以上所述，工业型UPS最大的特点就是安全可靠，安全可靠是工业型UPS压到一切的前提。

要铸就高可靠性的UPS，以下两点尤为重要：

1、成熟的产品设计开发。可靠性的精髓在于可靠性设计，只有做好可靠性设计才能提升产品质量。可靠性的提升主要集中在研发阶段、定型之前。就工业级UPS而言，要大量的工业电气环境资料及负载情况，来验证各种主电路的适应性、PCB板的布局合理性及样品、成品的EMC电磁兼容性。任何电磁兼容性问题都包含三个要素，即干扰源、敏感源和耦合路径，这三个要素中缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。因此，在解决电磁兼容问题时，也要从这三个要素入手进行分析，查清这三个要素是什么，然后根据具体情况，采取适当的 措施消除其中的一个。这样产品的电磁干扰 EMI、电磁抗扰性EMS才能符合标准要求，在相应的电气环境中运行可靠。其次，UPS产品的使用环境日益严酷。从热带到寒带，从陆地到蓝海，从高空到宇宙空间，经受着不同的环境条件，除温度、湿度影响外，盐雾、冲击、振动等对UPS的影响，导致产品失效的可能性也会增大。因此，不仅是EMC抗扰度，单就外观上就可以看出工业型UPS的结构坚固性，从这个层面来说每一个行业都应该有相应行业的专用UPS。

2、成熟的产品制作工艺。我们知道同样的产品图纸，不同的生产厂出来的产品质量，即便是高度标准化生产的今天也显然会参差不齐。这就是成熟的制作工艺基础的问题，它需要长期经验的积累，就是说要有时间长度的工厂才具有此类特质。

任何一个元器件、任何一个焊点发生故障都将导致UPS系统发生故障。UPS系统属于典型的电力电子产品，一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管(GTO)，电力双极型晶体管(BJT)，电力场效应管(Power-MOSFET)为代表的全控型器件全速发展(全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断)。使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合)为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。

而作为电力电子技术在电源应用上的首要问题却是散热。这一点与大多数人认为的散热就是打几个孔，加几个风扇完全不同，相去甚远。因为，散热效果的好坏，直接关系到产品的系统稳定性，有国外电源专家甚至说，他们产品的稳定性高，就是散热片面积大，没有什么高精尖技术。国内外的电源产商在散热方面的人力物力投入也价值不菲。中航太克（厦门）电子有限公司的专利技术，密闭式高效散热风道和风扇冗余设计，整机四个独立风道，每个风道都有两个以上的风扇，转速智能化控制设计。是默默深耕工业电源领域十多年的重大专利技术，它提高了25%以上的散热效果。

篇2：目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的常见故障及选型改进方案

城市轨道交通工程通信系统在控制中心设置故障集中监视系统, 采集、显示、存储并打印通信各系统的故障告警信息。该告警终端利用计算机网络技术和计算机本身的高速数据处理能力, 对通信各子系统进行集中监视告警管理, 将通信各子系统的运行状态和告警信息集中反映到告警设备上, 通过网络平台使有访问权的维护人员可以近、远程登录, 以便维护人员快速准确处理各系统设备故障。通信故障集中监视系统能对通信各子系统的运行状况进行24小时不间断信息采集, 当通信各子系统的维护管理终端向故障集中监视系统发送故障告警信息时, 故障集中监视系统可以屏幕显示告警信息并发出声音告警信息。故障集中监视系统记录下收到的故障信息保存到数据库中。

2 系统功能介绍

故障集中监视系统的功能结构分为:数据采集、数据处理和应用呈现三个层次。其中, 数据采集层完成管理数据的采集和预处理;数据处理层按照预设的管理策略和处理逻辑, 对所采集的各类管理数据进行加工处理, 并根据处理流程和管理数据间的关联关系, 实现功能部件间的数据交互和传递;应用呈现层是故障集中监视系统各项管理功能面向用户的集中体现, 通过与核心数据处理层的连接, 为运维人员和大客户提供网络和业务监控视图、管理应用和运行维护数据, 如:实时告警列表、性能统计报表、网络告警视图、网络资源视图等等。该系统主要功能包括:对各种网元管理系统、专业网管系统的告警数据进行采集、处理和呈现以及关联分析的综合告警管理;对各种网元管理系统、专业网管系统的性能数据进行采集、处理和呈现的综合性能管理;对网络告警进行相关业务影响分析。

3 系统组成

城市轨道交通通信故障集中监视系统采用二级监控结构网络, 故障集中监视系统与通信各子系统 (含传输、公务通信、专用通信、专用无线通信、消防无线通信、技术防范、广播、乘客信息、时间、通信电源) 通过局域网连接, 采用统一的标准接口与各子系统交换状态、故障及控制信息。通信系统中各子系统内部各个部件的网管由子系统自己实现, 即实现网元的管理。各子系统的网管均集中设置在控制中心内, 通过TCP/IP连至本系统, 把上报的告警信息经过数据统计和分析处理, 进行记录和告警, 达到故障集中监视和告警的目的。系统由网络服务器、系统操作终端、打印机、网卡、Ethernet交换机、网管软件、数据库软件、通信网络线缆及连接器等组成。整个系统由两大块组成:现场采集单元和控制中心综合网管系统。现场设置数据采集:用于采集现场的温湿度、窗门禁、水浸等环境信息。现场设备把采集到的数据发往故障集中监视系统系统网管工作站。整体结构采用Client/Server模式, 上层控制中心与各车站之间构成一个综合监控系统, 两层系统通过骨干网连接, 形成一个地理分散的实时分布式系统。控制中心由中央服务器、网管操作终端、局域网、数据转换设备等组成。系统支撑软件:a.服务器操作系统:Microsoft Windows Server2003;b.网管操作终端:Microsoft Windows XP;c.数据库:SQLSERVER。

4 故障集中监视系统在上海轨道交通2号线的应用

(见图1, 2)

5 系统工作原理

以Ethernet方式由各子系统通过各自系统的网管 (工作站) 及介质组局域网, 构成有机的整体, 并基于Client/server主客体系上建立大型、统一的维护、报警数据库系统, 以多工作站分功能、分级别实现网上资源共享、网络协调运作功能 (采用TCP/IP通信协议) ;系统包括传输、公务通信、专用通信、无线通信、技术防范、广播、时间、乘客信息、电源等子系统的网管 (工作站) , 系统工作站将它们有机结合、协调运行。系统工作站对于所有异常情况, 原则上经操作人员确认后存储记录, 再由专业操作人员在各子系统的网管上进行维护, 以最大限度地降低虚警率。系统网络内的所有计算机在统一的软件平台上工作。所有网络操作都具有安全子系统, 不允许非法入网。维护软件模块具备较强的冗余、校验、互锁、检错、纠错及自恢复功能;软件按功能分成输入/出、报警、报表和趋势服务器。设立网管工作站确保Ethernet网正常运转, 达到各系统独立工作、彼此联动、显示、监视等作用。一般情况下系统各工作站分别从局域网上直接获取所需信息, 按一定模式运作、存档、制表及显示, 并通过所制定的控制模式提出决策建议及发布控制指令, 供操作员参考。服务器上的人机界面亦可反映上述各子系统的运行状况, 并可根据需要对某一系统某些信息进行列表, 以便分析和查询。异常情况下系统有声光报警;系统工作站按最优原则经人工确认后将一般模式转换为紧急模式, 并执行系列措施;同时上网发送异常情况特征信息, 通知各子系统网管 (工作站) 立即依此作出相应的控制方案, 以便尽快解决问题。

网络服务器负责以WINDOWS NT或2000系统网络管理平台, 以模块化软件为基础提供整个系统的实时数据库功能, 采用容错服务器大大提高系统的安全性。

摘要：介绍通信故障集中监视系统的功能、工作原理以及系统构成, 城市轨道交通工程通信系统通过设置故障集中监视系统实现对通信各子系统进行集中监视告警管理。

关键词：控制中心,故障集中监视,数据采集,告警

参考文献

[1]铁道部通信信号总公司.铁路工程施工技术手册-通信[M].北京:中国铁道出版社出版.

[2]JTB205-92.铁路通信施工规范[S].北京:中国铁道出版社出版.

[3]建标104-2008.城市轨道交通工程项目建设标准[S].北京:中国计划出版社出版.

篇3：浅谈城市轨道交通与通信信号系统

一、城市轨道交通与通信信号系统的相关分析

在高新技术不断推广和应用的新形势下, 城市轨道交通与通信信号系统已经变得越来越完善、现代, 在很大程度上可以满足城市居民日常出行的交通需求。根据相关资料和研究可知, 城市轨道交通与通信信号系统的组成部分主要包括:第一, 各个电路岔口的各种信号装置;第二, 各种装置涉及的装备与公共设施, 等等, 其中, 公共设置指的是城市原有的一些基础建设:一是, 路口交通信号灯;二是, 城市轻轨轨道;三是, 公共停车管理系统, 等等。在这种情况下, 通信信号系统的构建、进一步发展等, 才能有比较坚实的基础, 并且, 随着城市经济、建设等的发展不断提升, 从而在电子数控技术合理运用的基础上, 确保城市轨道交通指挥系统更加完善。对当前的城市轨道交通与通信信号系统进行整体分析发现, 发挥着关键作用的部位是:第一, 城市城际联动锁定装置;第二, 城市城际自动控制装置, 在上述两种系统的运行中占据着非常重要的地位。

在相关资料中, 城市轨道交通信号系统被简称为ATC, 是城市化发展的一种标志, 而其主要包括如下几个部分:一是, 自动监控系统, 即ATS;二是, 自动防护系统, 即ATP;三是, 列车自动运行系统, 即ATO。在实践运用中, 城市轨道交通与通信信号系统的参照物是地面, 可以对城市轻轨、城际高铁等多个交通系统中列车的运行情况进行实时反馈, 并对列车的最初始状态、阻力、车速、制动能力等进行科学评估。同时, 在列车的制动刹车系统中, 还可以充分利用自动化技术、数字化技术进行远程调控, 以确保列车在允许的时速中运行, 从而有效应对各种突发情况, 对于保证列车行驶的安全性、降低意外安全事故发生率等有着极大作用。

由此可见, 智能化系统的推广、应用和深入研究, 在城市轨道交通与通信信号系统中占据的地位越来越重要, 可以随时进行列车的远程控制, 以提高列车的可调度性、通过能力、运输能力等, 并保证列车操控人员、列车员等的生命安全性, 对于实现城市物资的优化配置、公共资源的最有效利用等有着重要影响, 是城市可持续发展的重要支持。

二、城市轨道交通与通信信号系统存在不足之处

在综合分析各种因素和内容之后发现, 城市轨道交通与通信信号系统存在的不足之处, 主要有如下几点:第一, 造价比较高。例如:我国一线城市上海, 其地铁的造价是每公里的投资不低于6亿人民币, 而成本想要收回的预期时间是30年。对这种情况进行分析可知, 我国缺少核心技术、系统装备大部分要进口等, 是造价一直很高的最主要原因。与此同时, 国际市场、国内企业之间的竞争力不够强, 后期维修、管理方面的资金缺口较大, 也是我国城市轨道交通与通信信号系统造价较高的重要原因。第二, 国内信号兼容性不强。我国在进行一些先进系统时, 通常是先在经济水平较高的城市, 然后再向着其它城市推广。在这种情况下, 区域之间存在的信号不能很好兼容的问题, 成为影响城市轨道交通与通信信号系统进一步完善的重要因素。同时, 信号系统的兼容性不强, 还会给列车运行速度的调控、沟通等带来影响, 从而降低乘坐列车的安全性。另外, 城市轨道交通与通信信号系统的维修、保养等工作, 也会受到一定影响, 从而降低其工作效率, 最终无法达到统筹管理各个区域列车运行情况的目的。第三, 信号材料不够先进、核心技术研发不够深入。由于我国很多企业在核心技术上无法与国外一些企业相比较, 使得城市轨道交通与通信信号系统的很多技术被国外企业垄断, 给我国城市交通系统进一步完善、技术创新等带来极大约束。

结束语:

总之, 我国城市交通系统的研发人员, 必须正确面对当前存在的不足之处, 而城市轨道交通与通信信号系统的未来发展, 必须注重如下几个方面:一是, 多元化系统的研发与利用;二是, 先进技术的引进与运用;三是, 不断创新各种高新技术, 才能真正推动我国城市交通系统现代化、智能化、自动化发展。

摘要：在经济全球化发展趋势不断加剧的情况下, 我国与世界各国的来往变得越来越频繁, 因而给交通运输系统提出了更高要求, 必须注重城市交通系统的进一步完善, 才能更好的促进城市经济可持续发展。本文就城市轨道交通与通信信号系统进行合理分析, 并对其不足之处进行探讨, 以促进我国城市交通体系的现代化发展。

关键词：城市轨道,交通,通信信号系统

参考文献

[1]张铁增, 林瑜筠.对于城市轨道交通信号系统发展的思考[J].铁路通信信号工程技术, 2013, 02:32-36.

[2]黄成, 高超.城市轨道交通与通信信号系统[J].通信电源技术, 2014, 02:77-78.

篇4：目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的常见故障及选型改进方案

1 系统构成方案

城市轨道交通是一个技术先进, 具备相当程度自动化水平的运输体系。其中信号控制系统的构成必须与整个交通运输相适应。

在《城市快速轨道交通工程项目建设标准-试行本》中, 把信号系统划分了三个层次:第一层次设备在运量较小、行车密度较低的线路上, 可配置联锁设备、自动闭塞、机车信号和自动停车系统;第二层次设备在运量较大、行车密度较高的线路上, 可配置列车自动监控 (ATS) 系统和列车自动防护 (ATP) 系统;第三层次设备在运量大、行车密度高的线路上, 配置列车自动监控系统、列车自动防护系统和列车自动运行 (ATO) 系统。

对于第一层次的设计方案, 是在所有的设计配置当中水平最低的, 这种配置方式的应用有着自身的局限性, 因为它要求轨道上运行的列车在行驶间隔上不能低于三分钟, 也就是说行车的密度要小。如果说在行车间隔上有所改变, 密度加大的话, 那么这种配置方式也将发生改变, 并且将会是大面积的改造, 耗费的工程量比较大并且浪费了很多以前的设施。这种配置在信息的存储方面比较小, 那么在列车运行的过程中, 需要司机来对列车运行的安全性进行掌握, 人工的控制要占据很大一部分。虽然说有以上的种种的弊端, 但是这种配置在目前来说是国产中生产效率比较高的, 不需要引进进口的设备, 成本价格比较低, 所以在我国还是得到了普遍的应用。这种配置的系统比较适合应用于中小城市或者郊区中, 因为在列车的行驶密度上比较低, 并且在很长的一段时间都会维持一个比较平稳的运行状态, 不会发生很大的改变。

对于第二层次的配置系统, 在性能上要比第一层次的高一些, 对于列车的安全运行控制性也要大很多, 完全可以由控制系统自身来完成。但是这种配置系统目前在国产方面的生产效率还比较低, 所以说在成本上会所提高。这种配置系统有很大的改造空间, 如果城市轨道运行发生了改变, 运行的密度加大了, 那么向第三层次进行升级有一定的技术条件, 完全可以达成, 所以说不会出现大量的工程废弃。在现代阶段这种配置系统在我国的应用范围比较广, 一般的城市都能够适用, 在城市的轻轨交通中, 有很大的优势。

对于第三层次的配置系统来说, 其在技术含量方面比较高, 主要适用于在行车间隔小于两分钟的线路中, 在安全控制方面完全可以由系统来进行操作, 列车在运行的时候, 每站之间的停靠, 折返操作, 都是可以通过控制中心来进行操作的, 现代化的技术手段应用的比较深入。但是这种配置系统目前在我国的生产率非常的低, 所以说在造价方面非常高, 这个是在应用的时候不利的一面, 可其系统配置的智能化程度非常高, 在一会的社会发展中, 对于城市的轨道建设将会做出巨大的贡献, 为城轨建设带来巨大的经济效益。这种配置的系统设计在自动化和智能化方面的应用非常的先进, 对于城市的轨道建设会发挥很大的促进作用。对于在城市的地铁建设中, 尤其是运行量比较高, 密度大的城市, 这种配置方案是首选, 具有很大的应用价值。

2 主要技术方案

2.1 设计行车间隔

城市轨道交通工程为适应乘客运量大、行车密度高的特点, 往往采取缩短行车间隔的办法。这样一方面有利于减少旅客候车时间以提高服务质量;另一方面可以减少列车编组辆数, 节省工程投资。但是由于信号ATP系统技术的限制, 如轨道区段的长度、“车-地”通信的有效速率、列车进路的建立和恢复时间等等因素, 正常的行车间隔不可能无限制缩短。换言之, 最小行车间隔极大地影响着信号的ATP系统方案和工程造价。确定合理的行车间隔时分成为信号ATP系统方案设计的控制参数。

在实际的工程运用中, 应结合线路近、远期运量, 以及工程实施方案、ATS调控能力等综合因素, 确定一个合理的满足运营要求、节省工程投资的设计行车间隔。

2.2 ATP信息传输方式

ATP系统是确保列车运行安全的关键设备, 它由轨旁设备和车载设备组成, 列车通过地面ATP设备接收运行信息, 实现列车的间隔控制。ATP设备主要有两种划分方式, 一是按“车-地”ATP信息传输方式分为连续式和点式发码方式;另一种是按对列车控制方式分为模式曲线方式和阶梯式控制方式。其中按前一种划分的两种ATP设备工程造价差异大, 是选择ATP系统方案的主要比较点。

连续式的ATP设备一般可利用轨道电路或连续敷设的电缆向车载接收设备连续不断地传递地面信息。其特点是信息传递实时性高、技术复杂、造价昂贵。点式ATP设备利用地面应答器或点式环线把地面信息传至列车。这种方式实时性较差, 但技术简单、造价低廉。

控制实时性较差高行车间隔大于90s可小于90s自动驾驶功能尚无产品有列车检测功能需另设轨道电路有系统扩展对行车干扰较小对行车干扰大安装调试周期较短周期长工程造价较低高维修成本低高生产厂家少多。在我国现有的地铁交通中, 由于运量大、行车密度高、地铁隧道内驾驶条件较差等特点, 均采用连续发码方式的ATP系统是适宜的。

随着点式ATP技术的发展, 在城市轨道交通工程, 特别是城市轻轨工程中采用点式ATP设备显得越来越合理。在点式ATP系统中, 以目前较有代表性的西门子公司ZUB120为例, 其主要的技术指标如下:

·传输制式移频键控 (FSK) , 串行

·传输速率50k·-1

·传输间距130~210mm

·电码可靠性循环码多次判断, 海明距为4

·电码长度可编程有用比特96位

·机车设备平均故障间隔时间2×104h

·地面应答器平均故障间隔时间9×105h

3 小结

篇5：目前轨道交通通信信号电源系统中UPS的常见故障及选型改进方案

现代城市轨道交通的主要运行特点是行车密度高、站间距离短及行车间隔时间短。信号系统是实现行车指挥、列车运行监控和管理所需技术措施及配套装备的集合体,控制中心和车载计算机之间数据传输的稳定和高效尤为重要。由于行车间隔非常短,所以必须采用高度自动化的手段来保证列车安全准点运行,一般采用车地通信为基础的超速防护系统最为妥当,其中包括应用移动闭塞系统[1]。基于通信的列车自动防护系统的车地通信宜采用无线通信方式,其无线场强覆盖可采用天线、漏缆和裂缝波导管等方式,车地通信系统应保证列车高速移动时的漫游切换,不应影响列车控制的连续性,且应采用冗余的场强覆盖[2]。基于通信的列车控制系统(CBTC)可以实现双向信息传输和更高的传输速率及更多的信息量[1]。

随着我国城市轨道交通客流量的大幅攀升、网络化运营及装备自动化程度的不断提高,对CBTC信号系统的安全可靠性提出了更高的要求。车地无线通信是信号系统数据传输子系统的重要组成部分,是确保CBTC信号系统识别列车信息,实现轨旁设备和车载设备连续双向、安全可靠进行数据交换及实现列车速度控制的重要技术手段。目前,国内城市轨道交通CBTC信号系统的车地无线通信技术多采用基于IEEE802.11系列标准的无线局域网络(WLAN)技术,该技术采用的2.4G公共频段对公众开放,同时承载如个人热点、医疗、蓝牙等数据,并且随着无线智能城市的发展即将有更多的干扰源出现,存在影响行车安全的不可控因素,对城市轨道交通安全运营产生威胁[3]。

时分长期演进系统(TD-LTE)是第三代合作伙伴计划3GPP组织制定的以正交频分复用技术(OFDM)和多输入多输出技术(MIMO)为核心技术的新一代无线通用技术标准,其显著提高了频谱利用率和数据传输速率(在20M带宽下,上/下行峰值速率分别为50 Mb/s和100 Mb/s),并支持多种频带配置(1.4M、3M、5M、15M、20M等),其目标是为无线通信网络提供更高的传输速率和更稳定的传输质量[4]。LTE-M是针对城市轨道交通承载业务需求的TD-LTE系统,支持的频带为1 785~1 805 MHz。2015年,工业和信息化部明确1.8G作为城市轨道交通等行业专用频段,该频段属于受法律保护的专用频段,可在频段使用上避免其他用户的干扰,保障行车安全。

1 LTE-M的政策支持及技术优势

1.1 相关政策

近2年,国家相关部门及有关行业协会对城市轨道交通采用基于1.8G频段的TD-LTE车地无线通信技术给予相关政策及应用推广,并出台了相关指导意见及行业规范标准。

(1)2015年2月,工业和信息化部发布《关于重新发布1 785~1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》(工信部无[2015]65号)。

(2)2015年3月,中国城市轨道交通协会发布《关于转发工信部1 785~1 805 MHz频段使用事宜通知及有关落实工作意见》(中城协[2015]008号)。

(3)2016年2月,中国城市轨道交通协会技术装备委员会发布《关于发布<城市轨道交通车地综合通信系统(LTE-M)规范>中7个子规范的通知》(中城装备[2016]009号),规范于2016年5月4日起试行。

(4)2016年5月,中国城市轨道交通协会发布《关于推荐城轨交通新建项目CBTC系统使用1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》(中城轨[2016]003号)。

1.2 技术优势

目前广泛应用于工程实践的WLAN技术虽具有产业链完整、技术成熟、造价低等优点,但由于其工作于向公众开放的2.4G公共频段,其他民用同频设备易对信号系统产生干扰,抢占信号系统的数据传输通道,甚至阻断信号系统数据的传输,造成信号系统车地无线通信中断,引起列车紧急停车,威胁行车安全。而且,由于WLAN技术标准的定制初期是定位在室内静态场景下的无线局域网接入,不支持高速运行设备的数据切换,随着列车运行速度的提高,系统需要更大的控制信息开销以克服因快速移动带来的频移、衰落等,将引起有效带宽的降低和丢包率的上升;另外,由于WLAN无线技术覆盖范围小,轨旁AP接入点较多(间距为200~300 m),系统越区切换频繁,潜在故障点多、维保量大。相比WLAN技术的局限性,LTE-M技术具有以下优势:

(1)抗干扰能力强。LTE采用1.8G专用频段,减少外部设备的干扰;系统内部采用小区间干扰协调技术(ICIC)和软频率复用(SFR)等抗干扰技术措施,有效降低小区边缘频率干扰,提高小区吞吐率。

(2)优先级保障机制完善。LTE支持高达9级的业务优先级控制,通过对系统所承载的业务分配不同的优先级别,保障高优先级别业务(如CBTC)的数据传输服务质量(Qo S)。

(3)移动接入性强。LTE采用自动频率校正技术(AFC),确保无线系统发送和接收的正常通信和高速移动(>350 km/h)场景下的无线链路质量,接入能力强、速度快。

(4)可维护性能好。LTE无线覆盖距离远,单个射频拉远单元(RRU)覆盖距离可达1.2 km,轨旁无线设备减少,系统越区切换次数大幅减少,维护工作简单。

(5)系统可靠性高。LTE采用基于频偏的切换技术,可保证高速切换场景下的带宽稳定;LTE采用扁平化组网方案,简化了网络架构,减少了网元数量,系统可靠性高。

(6)利于线网间的互联互通。遵循地铁长期演进系统LTE-M技术规范标准的设备,相互间的接口和协议可以实现互联互通,有利于线网之间的互联互通,实现资源共享和网络化运营,减少维护和培训成本。

2 组网方案

2.1 单独承载CBTC信号系统

信号CBTC系统业务采用基于1.8G频段的LTE-M技术单独组网承载。LTE-M应采用双网冗余结构,2个网络的所有网元设备(包括核心网、基站、车载终端等)都是独立的。2个独立的网络应分别为CBTC信号系统提供独立的地面物理接口[5](见图1)。

2.2 综合承载

采用基于1.8G频段的LTE-M技术组建车地无线通信综合承载网,承载CBTC信号系统、视频监控系统、乘客信息系统、列车管理信息系统等业务数据。为适应CBTC信号系统车地无线业务需要双网热备冗余通道的业务需求,无线通信综合承载网采用A/B双网建设方案,2张网络完全独立。其中,A网单独承载CBTC信号系统,B网综合承载CBTC、视频监控、乘客信息、列车管理信息等系统。A/B双网热备冗余传输信号系统数据业务,满足其对传输网络可靠性的要求。综合承载可根据所获批复的频率宽度及城市轨道交通的实际需求,选择相应的综合承载业务类型。

3 LTE设备配置

LTE系统设备由核心网设备、基站设备、网管设备和车载数据终端组成。在控制中心或设备集中站分别设置A/B网冗余的EPC核心网设备,与信号系统骨干网相连。在车站布置冗余的BBU和RRU基站设备,地下车站及区间采用漏缆进行无线覆盖,车辆段、停车场等地面区域可采用漏缆、自由天线和定向天线的方式进行覆盖,基站的天馈线接口通过合路器汇接后与漏泄电缆或自由天线连接,实现行车区域无线信号的覆盖。在每列车的车头和车尾分别设置车载接入设备(TAU),通过车载交换机与信号车载设备相连(见图2)。

为了保证基站无线信号的时钟与空口时分双工(TDD)同步,基站的BBU需要接入GPS同步时钟源,要求传输网络支持1588V2协议,将GPS授时转换为1588V2 IP时钟报文,并通过光纤拉远到车站。

4 LTE频段划分原则

(1)1.4 MHz适用非全自动无人驾驶(FAO)级别列车运行等级,应承载有限的列车运行控制业务信息。

(2)3 MHz适用非FAO级别列车运行等级,应承载列车运行控制业务信息。

(3)5 MHz适用非FAO及FAO级别列车运行等级,应承载列车运行控制业务信息,可承载集群调度业务信息、紧急文本业务信息及列车运行状态监测业务信息。

(4)10 MHz适用非FAO级别列车运行等级,应承载列车运行控制业务信息,可承载紧急文本业务信息、列车运行状态监测业务信息、集群调度业务信息、视频监控业务信息及乘客信息业务信息。

5 抗干扰措施

处于开放空间的轨道交通线路(车辆段、停车场、高架线、地面线)及线路公用、线路并行、同站台换乘等复杂场景,将面临与其他系统同频干扰的问题,目前可采用频率错开、共用车站核心交换设备、物理隔离等措施解决同频干扰的问题。

6 产品支持

TD-LTE制式在我国已经形成了完整的产业链,一系列具有实力的通信企业能够提供满足LTE-M技术规范的系统和产品。而且从2014年开始,陆续与国内主流信号集成商进行了实验室专项测试,测试结果符合LTE-M技术规范要求,满足CBTC信号系统对车地无线数据传输的需求。

7 结束语

由于LTE-M技术在Qo S保障机制、抗干扰、传输速率、延时、通信质量、可维护性等方面具有较大优势,中国城市轨道交通协会在《关于推荐城轨交通新建项目CBTC系统使用1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知》(中城轨[2016]003号)中,建议各项目业主单位在2016年及以后招标的工程项目中采用LTE-M技术。根据目前初步统计,国内城市轨道交通采用LTE-M技术承载信号CBTC系统的已招标项目有15条,其中在建项目12条,率先使用LTE-M的武汉地铁6号线将在2016年12月28日建成开通。LTE-M技术代表着城市轨道交通车地无线通信技术的发展方向。

综上所述,LTE技术在行业引导、应用经验、产品支持、发展趋势等方面均具备在城市轨道交通CBTC信号系统车地无线通信应用的可行性。结合先行采用LTE-M技术的项目在设计和工程建设实施等方面的相关经验,轨道交通应用LTE-M技术将会更加成熟稳定。

参考文献

[1]刘晓娟,张雁鹏,汤自安.城市轨道交通智能控制系统[M].北京:中国铁道出版社,2012.

[2]GB 50157—2013地铁设计规范[S].

[3]中城轨[2016]003号关于推荐城轨交通新建项目CBTC系统使用1.8G专用频段和LTE综合无线通信系统的通知[S].

[4]夏云琦.铁路无线通信技术向LTE-R的演进[J].中国铁路,2012(8):75-76.