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摘要：地铁专用通信电源子系统主要用于向地铁部分重要弱电负载提供稳定可靠的不间断电源，成都地铁1号线一期专用通信子系统智能交流配电屏已投入使用10年有余，部分关键器件老化严重且备件停产，亟需通过大修恢复和改善系统性能，本文主要从1号线一期专用通信电源子系统智能交流配电屏现状、大修必要性、大修技术方案制定与选择、方案实施主要风险点和控制措施等几方面进行了研究和分析。
关键词：地铁；通信系统；电源子系统；配电屏；大修
1 引言
地铁专用通信电源子系统主要用于向地铁专用通信传输、无线、公务电话、专用电话、视频监控、PIS、集中网管、时钟、计算机网络等子系统以及综合监控、门禁、等弱电专业提供稳定可靠的不间断电源，智能交流配电屏作为地铁专用通信电源子系统的核心配电设备，其可靠性直接关乎以上弱电系统的供电安全。成都地铁1号线一期自2010年开通运营至今已10年有余，专用通信子系统智能交流配电屏部分关键器件已老化严重，故障率上升，部分关键备件已停产，且原系统设计已难以满足当前新增功能需求，亟需通过大修恢复和改善系统性能。由于地铁运营线路施工作业时间、空间环境、施工影响等多方面的限制，对专用通信系统智能交流配电屏大修影响面广、涉及专业多、实施难度高，技术方案的制定和选择尤其重要，本文主要对1号线一期专用通信电源子系统智能交流配电屏现状、大修的必要性、大修技术方案制定与选择、方案实施的主要风险点和控制措施等几方面进行了分析研究和探讨。
2 1号线一期专用通信电源子系统智能交流配电屏现状
1号线一期专用通信电源子系统主要由UPS主机、智能交流配电屏、蓄电池组等组成，具体供电方式为：两路市电经地铁一级负荷400V低压配电箱ATS切换开关后，输出两路市电，一路市电接入专用通信UPS主机整流器开关，经UPS主机整流逆变后输出至智能交流配电屏，智能交流配电屏通过电操开关在市电中断的情况下实现对不同分时支路负载进行蓄电池后备供电；400V低压配电箱输出的另一路市电接入UPS主机静态旁路开关，经与UPS主机维修旁路形成并联后最终输出至智能交流配电屏。图1为成都地铁1号线专用通信电源子系统供电示意图。
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图1成都地铁1号线一期专用通信电源子系统供电示意图
1号线一期专用通信电源子系统采用中达电通ADC系列智能交流配电屏，该配电屏主要由塑壳断路器、电流电压采集器、PLC、人机界面、状态采集器、PCB系统控制硬件电路、电操开关以及相关配线线路等组成，该配电屏仅作为UPS对负载的输出配电使用，属于典型的“输出配电屏”。该配电屏仅具备两个分时回路，其中一路为专用通信系统提供UPS输出配电，分时后备时间为4小时；另一路为综合监控系统（含门禁、BAS等）提供UPS输出配电，分时后备时间为1小时。图2为成都地铁1号线专用通信智能交流配电屏构成示意图。
3 1号线一期通信电源子系统智能交流配电屏大修的必要性和可行性
3.1 大修必要性-故障情况评估
1号线一期自2010年开通以来，智能交流配电屏从2011年至2019年的历年故障数统计详见图3。其中2011年、2012年、2013年智能交流配电屏年度故障数量连续下降，2014年、2015年未发生智能交流配电屏故障，2016年、2017年、2018年、2019年智能交流配电屏年度故障数量连续上升，其历年故障率走势与“浴盆曲线”基本吻合，由图3可知2018年起1号线一期智能交流配电屏度过偶然失效期，进入耗损失效期，年度故障数量呈快速增加趋势，客观反映出1号线一期智能交流配电屏进入批量老化阶段，通过运营日常的检维修手段已无法有效降低故障发生数量，亟需通过大修恢复和改善设备性能。
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图2成都地铁1号线一期专用通信智能交流配电屏构成示意图
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图3 1号线一期智能交流配电屏历年故障数统计表
表1 对2011年至2019年1号线智能交流配电屏故障按“PLC或核心逻辑动作控制部分故障”、“状态监控或数据采集部分故障”、“电操开关、塑壳断路器、线缆等配电部分故障”等3种类型分别进行了统计，由表1中数据可知，“PLC或核心逻辑动作控制部分故障”自2019年起大量增加，可证明智能交流配电屏PLC等控制部分与核心逻辑动作控制部分的器件开始批量老化，进入故障快速增长期；“状态监控与数据采集部分故障”自2018年起大量增加，证明智能交流配电屏状态监控和数据采集部分的器件自2018年起开始批量老化，进入故障快速增长期。以上两种类型的器件均是智能交流配电屏的关键器件，尤其是PLC等核心逻辑动作控制部分的器件故障后存在直接影响负载正常供电的风险，此外以上两种类型的备件均已停产，且无替代型号产品可作备件使用，因此亟需对1号线一期智能交流配电屏进行大修以恢复和改善设备性能。
表1 1号线一期智能交流配电屏故障类型分类统计表
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3.2 大修必要性-功能需求和技术发展趋势评估
成都地铁专用通信系统目前仅1号线一期采用“输出配电屏”，其余后续线路均采用“输入输出配电屏”，采用输入输出配电屏的线路供电方式为：两路市电经一级负荷400V低压配电箱ATS切换开关后，输出一路市电至智能交流配电屏，智能交流配电屏再将市电输出至UPS主机，UPS主机整流逆变后输出回智能交流配电屏，智能交流配电屏通过电操开关在市电中断的情况下实现对不同分时支路负载进行蓄电池后备供电，输入输出交流配电屏对市电状态监控具备更快速、更准确的侦测能力，且在UPS主机整机宕机且维护旁路不可用的情况下，可通过使用供电线缆临时连接配电屏的市电输入与输出母排端子的方式紧急恢复对负载的供电。图4为成都地铁输入输出配电屏示意图（不带应急旁路功能）。
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图4成都地铁输入输出配电屏示意图（不带应急旁路功能）
在成都地铁最新建设的10号线以及后续新线中，除了继续采用输入输出配电屏，还在配电屏上配置了“应急旁路开关”，其供电方式为：两路市电经一级负荷400V低压配电箱ATS切换开关后，输出两路市电，其中一路市电输出至智能交流配电屏“总输入开关”，智能交流配电屏再将市电输出至UPS主机，UPS主机整流逆变后输出回智能交流配电屏，智能交流配电屏通过电操开关在市电中断的情况下实现对不同分时支路负载进行蓄电池后备供电；400V低压配电箱输出的另一路市电接智能交流配电屏的“应急旁路”开关，“应急旁路”开关的另一端与配电屏输出母排相连，可在UPS主机整体宕机的情况下，通过闭合配电屏“应急旁路”开关快速恢复对负载的供电，并且利用配电屏上的“应急旁路”开关、“UPS主机输入”开关、“UPS主机输出”开关可实现在不中断负载供电的情况下对UPS主机进行整机切离、更换，更加方便了维护。图5为成都地铁输入输出配电屏示意图（带应急旁路功能）。
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图5成都地铁输入输出配电屏示意图（带应急旁路功能）
成都地铁专用通信系统智能交流配电屏仅1号线配置了2个电操支路，其中一路为专用通信系统提供UPS输出配电，分时后备时间设计为4小时；另一路为综合监控系统（含门禁、BAS等）提供UPS输出配电，分时后备时间设计为1小时。其余线路均配置了至少3个电操支路，除了对通信系统、综合监控系统分时供电外，还对AFC系统进行分时供电，后备时间为0.5小时，同时按负载重要性优化了各分时支路的负载配置，实现了市电中断后蓄电池容量更加合理有效的利用。
成都地铁1号线三期、3号线二三期及后续新线专用通信智能交流配电屏的人机界面均实现了与地铁时钟系统自动时间同步功能，可准确记录事件日志，方便维护人员进行设备状态和故障分析，1号线一期的智能交流配电屏不具备此功能，需每半年对人机界面进行一次手动校时，增加了维护人员工作负担。
从上述对比可知，1号线一期智能交流配电屏的产品设计、功能技术已落后，与其它线路的智能交流配电屏存在较大差距，已不能很好的满足当前安全可靠供电与便捷维护的需要，需考虑通过大修填补功能技术差距。
3.3大修可行性-大修规程适应情况和同行类似项目实施情况
成都地铁于2019年制定并发布了《通信系统大修规程》，其中对智能交流配电屏的大修启动条件是“（1）设备运行时间10年，启动评估工作，评估结果达到启动大修标准；（2）设备关键部件停产，且备品备件低于安全库存。”，根据规程要求，成都地铁1号线一期智能交流配电屏自2010年起运行已满10年，主要零部件均已停产且已无替代备件可用，当前库存备件也无法满足长期维护需要，通过评估已充分满足《通信系统大修规程》规定的启动条件。2018年广州地铁实施了2、3、4、8号线电源设备大修项目，通过大修恢复和改善了设备性能，可作为实施成都地铁1号线一期智能交流配电屏大修有效参考。
4 1号线一期通信电源子系统智能交流配电屏大修的技术方案的制定与选择
4.1可选的技术方案
4.1.1方案一：采用替换为输入输出配电屏方案（不带应急旁路功能）
将1号线一期智能交流配电屏整体替换为不带应急旁路功能的输入输出配电屏，供电方式为：两路市电经一级负荷400V低压配电箱ATS切换开关后，输出一路市电至智能交流配电屏，智能交流配电屏再将市电输出至UPS主机，UPS主机整流逆变后输出回智能交流配电屏，智能交流配电屏通过电操开关在市电中断的情况下实现对不同分时支路负载进行蓄电池后备供电。图6为输入输出配电屏（不带应急旁路功能）示意图。
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图6输入输出配电屏示意图（不带应急旁路功能）
4.1.2方案二：采用替换为输入输出配电屏方案（带应急旁路功能）
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图7输入输出配电屏示意图（带应急旁路功能）
将1号线一期智能交流配电屏整体替换为带应急旁路功能的输入输出配电屏，供电方式为：两路市电经一级负荷400V低压配电箱ATS切换开关后，输出两路市电，其中一路市电输出至智能交流配电屏“总输入开关”，智能交流配电屏再将市电输出至UPS主机，UPS主机整流逆变后输出回智能交流配电屏，智能交流配电屏通过电操开关在市电中断的情况下实现对不同分时支路负载进行蓄电池后备供电；400V低压配电箱输出的另一路市电接智能交流配电屏的“应急旁路”开关，“应急旁路”开关的另一端与配电屏输出母排相连，可在UPS主机整体宕机的情况下，通过闭合配电屏“应急旁路”开关快速恢复对负载供电。图7为成都地铁输入输出配电屏（带应急旁路功能）示意图。
4.1.3方案三：采用替换为输入输出配电屏（不带应急旁路功能），同时增加应急旁路配电箱实现应急旁路功能方案
在方案一的基础上，在配电屏外部增设一个应急旁路配电箱，内置自带机械自锁装置的塑壳断路器，从一级负荷400V低压配电箱预留输出空开新敷设电缆至应急配电箱塑壳断路器上端子，再从应急配电箱塑壳断路器下端子敷设电缆至智能交流配电屏输出母线母排端子，在UPS主机整体宕机时，通过拆除应急旁路配电箱内塑壳断路器自锁开关，闭合塑壳断路器的方式，实现快速恢复对负载供电。图8为输入输出配电屏（不带应急旁路功能）并增加应急旁路配电箱示意图。
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图8输入输出配电屏（不带应急旁路功能）并增加应急旁路配电箱示意图
4.2方案对比
表2 1号线一期智能交流配电屏改造方案对比表
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由表2：1号线一期智能交流配电屏改造方案对比表可知，方案一与方案二的实施工程量、投资等差异不大，但方案二技术更先进，关键功能更完备，方案三与方案二实现的功能一致，但工程量和投资均较大，综上所述，优选方案二作为成都地铁1号线一期智能交流配电屏大修的技术方案。
5 方案实施的主要风险点与控制措施
5.1方案实施面临的限制和存在的主要风险
5.1.1施工时间的限制
由于地铁运营的特殊性，白天运营期间无法进行改造施工，所有改造施工只能在夜间停运后进行，且地铁每周有3-4天夜间存在动车调试，动车调试期间无法施工，因此每周只能保证3次施工，每次施工3.5小时左右，且必须在每次施工时间结束前恢复对所有负载的供电，保证次日运营不受影响。由于单次作业无法一次性完成一个站点的负载断电、电源线拆接、旧配电屏拆除、新配电屏安装、新配电屏调试、负载电源线接线、负载恢复送电等工作，因此必须对常规施工工序和方法进行优化。
5.1.2 机房安装空间条件限制
1号线一期约70%的通信机房不具备新安装一台智能交流配电屏的空间条件，因此该类站点无法通过先将新配电屏安装调试完成后，再将负载整体由老配电屏割接至新配电屏后，再将老配电屏拆除的工序，因此按常规施工方法无法保证每次在3.5小时的施工时间内恢复对负载的供电。
5.1.3 负载断电、重新加电后不能正常运行的风险
1号线一期智能交流配电屏所带负载中存在较多的服务器、IT类设备，以上设备大部分已不间断运行近10年，存在设备断电、重新加电启动后无法正常运行的风险，尤其是控制中心负载均是地铁关键系统的中央核心设备，如果发生断电、重新加电后无法正常运行的情况，将对施工后次日正常运营造成较大影响。
5.2方案实施保障和风险控制措施
5.2.1合理优化施工工序和方法，解决作业空间时间和空间限制
考虑到地铁施工作业时间要求的特殊性，以及安装空间现状，对具备新配电屏安装空间的通信机房和不具备安装空间的机房进行分类考虑，针对少数具备安装空间的机房，可采取先将新配电屏安装、调试完成后，再将负载接入新配电屏，最后拆除老配电屏的方式，负载仅断电一次，最大化缩短负载断电时间，降低对运营的潜在影响；对于多数不具备新配电屏安装空间的机房，采取增设带防雷和浪涌保护功能的可移动临时配电箱的措施，第一次施工先将老配电屏上的所有负载割接至可移动临时配电箱后恢复对负载送电，第二次施工完成老配电屏的拆除、新配电屏的安装和调试，第三次施工将负载由可移动临时配电箱割接至新配电屏，期间负载需断电两次，可移动临时配电箱可重复利用，通过该种方式可同时解决作业时间和空间限制问题。
5.2.2做好负载断电保障
一方面每次施工前准备充足、全面的负载备品备件，在发生负载断电、重新加电后无法正常运行的情况时，能够通过及时更换快速恢复，另一方面优化控制中心重要负载的割接顺序，对重要负载采取分多个批次由老配电屏割接至新配电屏的方法，集中精力做好单次割接施工安全保障，降低单次施工对次日运营的潜在风险。
参考文献：
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