鼎汉综合智能电源屏系统设计方案及说明.docx
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鼎汉综合智能电源屏系统设计方案及说明
系统设计方案及说明
一、设计指导思想及意图
北京鼎汉技术有限公司（原北方华为）依托艾默生网络能源有限公司（原华为电气）在电力电子技术、智能监控技术上的强大技术优势，成功研制的PZ系列铁路信号智能电源系统于2001年6月通过铁道部部级鉴定，目前已在全路各大铁路局、城市轨道交通等领域得到广泛应用，累计销售1200余套，其中城市轨道交通项目累计销售190余套，产品的技术先进性、质量稳定性得到全路的普遍认可。
在城市轨道交通项目中，相继为上海地铁五号线、一号线、二号线、八号线及七号线停产场项目；为广州地铁一、二、三、四、五号线项目；北京地铁四、十号线；南京地铁一号线；深圳地铁项目等提供信号电源供应，相继配合的信号主设备供应商包括：
阿尔卡特、西门子、USS、阿尔斯通等。
本次投标的综合智能电源屏是具有智能监控、高可靠、高安全、高效率、少维修、操作方便的铁路信号电源设备，主要功能是向上海地铁6号线的正线、控制中心车辆段、及试车线的所有的信号系统设备（含信号机、电动转辙机、DCS轨旁设备、计轴设备、设备室内的区域控制器、DCS设备、继电器、联锁设备等）提供稳定可靠的交、直流电源。
二、系统遵循的主要技术指标及规范
我公司提供的综合智能电源屏系统遵循的主要技术指标及规范如下：
●GB191包装储运图示标志
●GB2423.1电工电子产品基本环境基本试验规程试验A：
低温试验方法
●GB2423.2电工电子产品基本环境基本试验规程试验B：
高温试验方法
●GB2423.4电工电子产品基本环境基本试验规程试验Db：
交变湿热试验方法
●GB/T16435.1远动设备及系统接口
●GB/T13729运动终端通用技术条件
●JJG01电测量变送器
●GB2828逐批检查技术抽样程序及抽样表
●GB2829周期检查技术抽样程序及抽样表
●TB1424通信信号产品的温升
●TB1433铁路信号产品正常工作环境条件
●TB1447信号产品的绝缘电阻
●TB1448通信信号产品的绝缘耐压
●TB/T1528.1-2002铁路信号电源屏第一部分:
总则
●TB/T1528.3-2002铁路信号电源屏第三部分:
继电联锁信号电源屏TB/T1528.4-2002铁路信号电源屏第四部分：
计算机联锁信号电源屏
●TB/T1476铁路信号箱、架、柜外型其本尺寸系列
●GB4942.2低压电器设备外壳防护等级
●IEC-439低压成套配电装置标准
●GB4943-1995信息技术设备（包括电气事务设备）的安全（idtIEC950：
1991）
●GB/T14048.1-1993低压开关设备和控制设备总则（eqvIEC947-1:
1988）
●GB14048.2-1994低压开关设备和控制设备低压断路器（eqvIEC947-2:
1988）
●GB/T14715-1993信息技术设备不间断电源通用技术条件
●TB/T2496-2000信号微机监测系统技术条件
●GB7251.1-1997低压成套开关设备和控制设备第一部分：
型式试验和部分型式试验成套设备（idtIEC439）
●GB/T17626.2-1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验（idtIEC61000-4-2：
1995）
●GB/T17626.3-1998电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验（idtIEC61000-4-3：
1995）
●GB/T17626.4-1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验（idtIEC61000-4-4：
1995）
●GB/T17626.5-1999电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验（idtIEC61000-4-5：
1995）
●GB/T17626.6-1999电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度试验（idtIEC61000-4-5：
1996）
三、系统基本功能描述
PZ系列铁路信号智能电源系统的主要功能是向上海地铁6号线的正线、控制中心车辆段、及试车线的所有的信号系统设备（含信号机、电动转辙机、DCS轨旁设备、计轴设备、设备室内的区域控制器、DCS设备、继电器、联锁设备等）提供稳定可靠的交、直流电源，注意特点如下：
高可靠性：
所有元器件均降额使用，延长使用寿命；电源模块采用“1+1”或“N+1”备份方式，确保了系统的高可靠性。
适应性强：
1）系统整体散热设计，采用自然冷却散热方式，允许工作环境温度范围为－5℃～＋50℃，在没有空调的房间能可靠正常运行；2）超宽的允许工作电压范围（AC380/220V±25％），特别适用于电网电压不稳定的电化区段；3）同行业领先的防雷技术，在多雷区可保障设备正常运行；4）所有电源模块均采用EMI滤波技术，对外电网带入的高次谐波进行有效抑制，特别适用于27.5Kv网电；5）电磁兼容达到国家A级标准，不影响其它电子设备的正常使用。
维护性好：
1）故障定位、故障信息中文显示；2）除集中液晶显示外，所有电源模块均设有电压、电流、频率、相位数字显示装置，清晰直观；3）电源模块可实现热机插拔，在线维护简单快捷；4）电缆连接多采用插接方式，节约维护时间；5）输入配电和输出配电采用抽屉式插框方式，维护方便。
完善的自我保护功能：
1）输入过/欠压保护；2）输出过压/限流/短路保护；3）完善的雷击防护措施；4）模块过温保护；5）全部采用阻燃电缆。
绿色环保：
1）高效率：
单个电源模块效率大于92%，整机系统效率大于85%；2）高功率因数：
所有电源模块均采用PFC（功率因数校正）技术，功率因数达0.99，减少前级供电系统的无功损耗，降低投资费用，减少运营成本；3）低噪音：
采用高频开关电源技术和自然冷却技术，避免了工频噪音和风扇运转噪音；4）无污染：
采用PFC技术，避免了模块内部高次谐波对外电网的污染，有效采用EMI技术，电磁兼容性好。
智能监控：
监控系统采用三级集散式监控方案，各级监控自成体系。
监控单元能实时显示电源系统的各项运行参数、运行状态、告警状态、设置参数、系统配置数据。
界面友好，具有在线帮助、数据边界检查功能。
监控单元可对系统输入、模块输出模拟量进行遥测；实现配电系统开关量、模块状态量等信号的遥信功能。
监控单元可根据采集到的数据对系统故障进行声光报警，产生相应的动作，同时能上报到后台主机。
用户可查阅历史告警记录和当前记录。
四、系统集成方案
1、集成方案说明
PZ系列铁路信号智能电源系统主要由切换系统、电源模块、监控系统及防雷系统四大部分组成，各个部分主要功能及技术指标如下：
输入切换单元
输入切换单元采用在华为公司通信电源已经使用多年、证明可靠的智能切换控制系统，同时考虑到信号电源系统与铁路信号电源系统的差异性，在本电源屏的设计中两路输入时采用独特的“H－Y”型式配电方案，如图所示：
其中QF2和QF3为手动切换空气开关，KM1-4为交流接触器，QF1为单刀双掷开关。
当两路输入均正常时，交流接触器KM1、KM3吸合，KM2、KM4断开。
当Ⅱ路输入故障时，KM1、KM4吸合，KM2、KM3断开。
当Ⅰ路输入故障时，KM2、KM3吸合，KM1、KM4断开。
这种方案确保切换单元工作的可靠工作，更换、检修方便，切换单元做到了热备份，同时具备了自动和手动切换功能，实现输出不间断。
QF1的作用主要是为故障应急和手动选择输入电源而设计的，一路切换系统故障使UPS的供电脱离故障的输入回路，选择另外一路供电。
输入电压波动范围为380V±25%；输入电源频率范围为50Hz±6%。
具有可靠的输入电源过压/欠压/断相/错相检测，具有测量电流、电压的功能；其中过压检测范围为0.9—1.3U（输入电压）、欠压检测范围为0.7—1.1U（输入电压）、测量电压、电流精度小于0.5%。
负载分配灵活调整，除在公司内部设计中考虑平衡情况设计外，还可以根据现场情况进行调整，使各供电回路做到三相平衡。
智能电源模块
系统的各个组成部分均采用模块化结构。
直流模块采用高频开关电源功率因数自动调整技术（PFC技术），输出采用自主均流“N+1”冗余配置，交流转辙机模块输出采用“1+1”电子互锁主备配置，提高系统可靠性、灵活性，实现系统的免维修，少维护；更换模块时间小于1min。
采用华为公司无损伤热插拔专利技术（专利号：
99216547.4），其输出和输入都有软起动和电流限制装置，带电插拔不会引起系统输出电压的扰动。
高可靠快速保护以及专门设计的短路回缩特性，确保模块长期短路不会损坏，完善的保护功能保证了系统与模块安全可靠运行。
模块本身具有独立的内嵌式CPU监控板，可自我监控模块的工作状态，从而成为一个真正的智能电源模块。
模块工作的所有信息均可通过RS485口传输到监控模块，方便后台实时监控各模块状态。
安规模块EMC：
通过信息产业部北京电话交换设备质量监督检验中NO.EMC2001001检验。
防雷设计：
通过铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站检验。
电源模块采用高效率设计，热损耗低，系统结构设计充分考虑了散热问题，可以做到自然散热方式。
智能监控系统
监控系统采用三级集散式监控体系，各级监控自成体系，下级监控保证在上级监控故障或不存在时能独立工作，产生告警信息；上级监控可以对下级监控的工作状态和数据进行汇总处理。
第一级监控为模块监控和配电监控，监测模块信息和系统配电信息；第二级监控为监控单元为电源系统的人机交互接口，对第一级监控数据进行汇总显示和故障定位；第三级监控为全线电源的信息汇总。
具有如下特点：
第一级：
模块监控和配电监控
每个电源模块都是一个智能单元，电源模块内有一块模块监控CPU板。
模块监控板的功能有：
①采集模块的输出电压、电流值②采集电源模块的工作状态，包括保护、故障、工作/备用。
③显示该模块的保护、故障告警信息。
④通过RS485口与监控模块通信。
配电监控对整个系统的配电状态进行监测，完成输入、输出配电的数据采集、干结点输出控制、声光报警及通信等功能。
第二级：
监控单元
监控模块以INTEL公司嵌入式CPU为主控器，以RTOS（实时多任务操作系统）为系统平台，具有如下功能：
1）显示与设置功能：
能实时显示电源系统的各项运行参数、运行状态、告警状态、设置参数、系统配置数据。
全汉字显示，界面友好，具有在线帮助、数据边界检查功能。
2）遥测、遥信功能：
监控模块可对系统输入、模块输出模拟量进行遥测；实现配电系统开关量、模块状态量等信号的遥信功能。
3）告警与记录功能：
监控模块可根据采集到的数据对系统故障进行声光报警，产生相应的动作，同时能上报到后台主机。
告警分为紧急告警、一般告警和不告警三种级别，用户可根据实际情况设定告警级别，并可为每种告警类型设定对应的继电器输出，也可设为无继电器输出。
用户可查阅历史告警记录和当前记录，历史告警记录包括告警类型名、发生时间、结束时间，当前记录中则只有告警类型名和发生时间，显示顺序按发生时间的先后来显示。
历史告警记录按循环存储方式保存最多100条，超出100条则自动清除最旧的告警记录。
4）通讯功能：
监控模块具有与后台主机和下级设备通讯功能。
与后台主机的通信支持MODEM、RS232、RS485/RS422等方式，与下级设备的通讯支持RS485方式。
5）故障回叫：
在设有监控后台的电源系统中，当系统发生紧急告警时，监控模块通过MODEM向监控后台发出告警信息。
用户可设置回叫次数、回叫时间间隔、回叫电话号码（最多三组），设置时必须通过密码校验。
6）干结点输出功能：
监控单元具有7个干接点信号输出，当系统发生任何告警时，用户可根据需要设置成其中一个干接点信号输出。
第三级：
远程监控
电源系统采用RS422、RS485、RS232和Modem串行接口，通过适当的组网方式可以对全线电源进行集中监测。
控制中心集中监测系统工作站对全线智能电源屏、UPS的工作情况进行远程实时动态监测和管理。
采用计算机及通信网络技术对系统各输入、输出回路的电压、电流开关量进行全面监测，并能以图像、表格、文字说明等方式在电源屏上进行显示。
这种分散分级监控体系使各构成单元（电源模块、防雷单元、配电单元等）具有智能化功能，在电源系统发生集中监测故障时各个模块单元仍然可以实现自我监测、告警。
例如电源模块故障和系统配电故障除可以上级监控中报告外还可以通过自身体现告警信息。
输入输出防雷单元
本智能电源屏输入输出采用完善的防雷系统，同时考虑信号设备复杂的工作环境，系统给室外设备供电的输出也设有一级输出防雷，保证系统在恶劣的环境下可靠工作，防雷系统如下图所示：
系统输入、输出可承受8/20μs电流冲击波20kA，20次；8/20μs电流冲击波40kA，1次。
C级防雷采用DEHN公司防雷器，D级防雷采用由华为公司专利技术设计的防雷器。
2、各站电源屏机柜结构示意图
PZDT-00216OCC
控制中心ATS电源设备
PZDT-00216FS-A
正线集中站电源设备
PZDT-00216FS-B
正线非集中站电源设备
PZDT-00216TT
试车线
PZDT-00216MT
维修培训中心
PZDT-00216DE
车辆段
PZDT-00216DP
停车场
五、系统工作原理
系统工作原理图（以正线设备集中站为例）：
系统工作原理说明：
我司电源屏具有综合化，模块化，智能化，网络化等特点，满足铁路信号系统对设备先进性，可靠性，安全性的要求。
其主要功能包括两路市电切换、稳压输出、分路输出以及防雷等。
其工作原理是：
两路外接交流电源经过防雷单元后进入输入切换单元，此后再经过一级防雷进入UPS，经过UPS进入交、直流模块，模块的输出进入交、直流输出配电单元，交流模块通过隔离变压器隔离后给信号设备供电，直流模块内部高频隔离后输出给信号设备供电。
在输出端有多种保护监控功能单元，全面保护信号设备安全。
电源屏的监控系统采用三级集散式监控方式，交、直流配电和模块内均设有CPU监控板，负责对各自状态进行监测和告警，并与系统的监控模块通讯，监控模块通过RS485接收交、直流配电和模块的运行信息并进行相应的处理，监控模块还可通过RS485、RS232、RJ45等方式连接本地计算机，并可通过MODEM或RJ45网口联接监控中心，实现信号电源的集中监控组网。
六、系统容量大小
上海地铁八号线各站配置容量如下：
序号
设备名称
型号规格
单位
数量
备注
1
智能电源屏
PZDT-00216OCC
套
1
控制中心ATS电源设备
2
智能电源屏
PZDT-00216FS-A
套
9
正线集中站电源设备
3
智能电源屏
PZDT-00216FS-B
套
19
正线非集中站电源设备
4
智能电源屏
PZDT-00216TT
套
1
试车线
5
智能电源屏
PZDT-00216MT
套
1
维修培训中心
6
智能电源屏
PZDT-00216DE
套
1
车辆段
7
智能电源屏
PZDT-00216DP
套
1
停车场
七、系统主要接口参数及通讯协议
外部接口
监控模块具有与后台主机和下级设备通信功能。
外部通信接口共七个：
串口1：
RS485/RS422接口，微机监测仪或其他智能后台；
串口2：
RS232接口，连接后台主机；
串口3：
连接MODEM；
串口4：
RS485/RS422接口，连接配电监控板；
串口5：
RS485/RS422接口，智能稳压单元和UPS；
串口6：
RS485/RS422接口，连接电源模块；
串口7：
RS485/RS422接口，环境监测仪或其他智能设备。
干结点接口
电源系统还提供大量的干结点信号以供告警指示及其他监测设备需求。
系统状态-系统正常/故障
供电状态-市电/UPS
UPS电源电压-正常/故障
信号机电源状态-有电/断电
转辙机电源状态-有电/断电
直流60V计轴电源状态-有电/断电
直流24V继电器电源状态-有电/断电
UPS电源状态-正常/故障
信号机电源-白天供电/夜间供电
Ⅰ路市电状态-正常/故障
Ⅱ路市电状态-正常/故障
PIIS（旅客向导牌）电源熔丝状态-正常/断丝
协议
监控模块的各串口的通信协议参照了原邮电部1998年实施的《通信电源和空调集中监控系统技术要求》暂行规定，及新协议讨论稿中的一些规定，并使协议和格式统一，符合标准化习惯。
八、类似系统成功运行的简单介绍
北京鼎汉技术有限公司（原北方华为）依托艾默生网络能源有限公司（原华为电气）在电力电子技术、智能监控技术上的强大技术优势，成功研制的PZ系列铁路信号智能电源系统于2001年6月通过铁道部部级鉴定，目前已在全路各大铁路局、城市轨道交通等领域得到广泛应用，累计销售790余套，投入运营500余套，产品的技术先进性、质量稳定性得到全路的普遍认可。
PZDT系列城市轨道交通电源屏已经成功应用于在城市轨道交通项目中，相继为上海地铁五号线、一号线北延伸、一号线富锦路停车场、二号线西延伸、八号线及七号线停产场项目；为广州地铁一号线、二号线、三号线、四号线、五号线项目；北京地铁四号线、十号线；南京地铁一号线；深圳地铁一号线、四号线项目、长春轻轨一期项目，相继配合的信号主设备供应商包括：
阿尔卡特、西门子、USS、阿尔斯通等。
另外我公司参与建设的城市轨道交通项目还有：
上海市明珠一期、明珠二期、上海市城市轨道3号线北延伸项目。
公司员工从产品设计、施工调试和售后服务对城市轨道交通有深入的理解。
详细的客户名单请参见《近五年的销售业绩》。
九、系统的主要技术性能指标
1、系统性能参数
整机效率：
≥85%（负载电流30%～100%）
功率因数：
≥0.99
使用寿命：
适当维护，不小于15年
音响杂音：
≤55dB（A）
绝缘电阻
当温度为15~35℃时（相对湿度45%~80%）的气候条件下，整机输入、输出端子对地的正常绝缘电阻值不小于25MΩ，输入对输出端子绝缘电阻值不小于25MΩ（直流500V情况下）。
经过交便湿热试验后，其潮湿绝缘电阻值不小于25MΩ。
2、高可靠性
PZ系列电源屏结构保护等级符合IP20。
系统设计符合国际安全标准-EN60950。
通过国家核准实验室认可委员会（CNACL）授权实验室：
信息产业部通信计量中心进行的电磁兼容试验，达到工业产品要求的A级标准，符合地铁环境中多种电子设备集中安装使用对电磁兼容性的要求。
PZ系列智能电源屏系统地考虑安全性设计，切实保证系统的安全可靠。
从技术和工艺方面多角度考虑了安全需求。
按照铁道部对信号电源系统的有关标准和国际电工委员会低压电器有关标准生产，PZ系列电源屏已于2001年6月通过了铁道部的科技成果鉴定。
PZ系列电源屏直流电源模块均采用“N+1”均流并联方式，保证系统的高可靠性。
目前该系列电源屏已成功应用于全国各铁路局和城市轨道交通项目。
系统设备的MTBF（平均故障间隔时间）超过15年；MTBFS（平均无运行故障间隔时间）超过20年，即系统全寿命周期为20年。
3、可维护性
PZ系列电源屏采用模块化结构设计，关键环节采用备份设计思路，电源模块采用华为公司无损伤热插拔专利技术（专利号：
99216547.4），其输出和输入都有软起动和电流限制装置，带电插拔不会引起系统输出电压的扰动，避免了输出扰动带来的负载损伤。
在线更换时间小于1min，模块采用“N+1”或“1＋1”冗余配置，维护模块时可以不间断输出供电，维护快捷方便。
系统结构工艺也保证了维护的方便性。
4、可扩展性
PZ系列电源屏采用模块化设计思路，硬件结构可以积木式搭建扩容。
集中监测主机软件也采用模块化设计，运用嵌入式CPU、时实操作系统，存储容量和处理能力能满足64个模块的监控能力，集中监控能监控255个电源系统，以满足电源系统的扩展需要。
5、电磁兼容性
本智能电源屏能可靠抑制自我产生的电磁干扰。
电磁辐射应不超过可以接受的向外辐射电平。
电磁兼容应满足GB/T17626、GB9254—88A级、TB/T1528.1要求的标准。
1）端口压降
模块内部设计有输入端口放电电阻，确保端口安全
2）尖峰、浪涌
模块输入端设计有吸收电容和压敏电阻，可有效的去除浪涌电压的影响。
3）共模差模
典型的双重抗共模、差模电路，去除环境干扰、噪声干扰及传导干扰。
同时可以避免电网和模块之间的相互干扰。
4）静电
机柜外壳通过喷塑绝缘，且内部电路与外壳的开孔留有足够的空间，模块机箱接地良好，整个机柜电器连接屏蔽，可以有效阻止静电放电的发生；
5）EMC、EMI
电源屏系统通过了信息产业部质量监督检验中心EMC、EMI检测，模块内部PFC电路的设计可有效提供功率因数的同时避免了供电与设备之间的相互干扰。
6、过电压、过电流保护
系统输入电压超出系统输入范围时，系统自动切除该路输入电源，保护电源设备；系统输入的过电流保护功能通过断路器实现。
电源模块本身具有过电压、过电流保护功能。
当模块输入过电压时，模块自动关机，当电压恢复正常时自动开机；模块输出电压超出过压保护点时，模块自动关机（需要人工恢复），切断对外部的电源供给，保障自身的安全；模块输出电流超出额定值时，即进入限流输出状态，输出电流仍不能得到抑制时，输出电压直至被切断。
直流电源模块的输出电压经过以下三方面严格限制其输出不超出其额定电压的20%：
1）具有环路反馈稳压的功能，对于动态负载其输出电压变化不超过2V。
2）具有输出过压保护电路，其输出过压保护电路可以严格限制其输出电压幅值。
3）其前级变压器的输入电压最大值及隔离高频变压器的线圈的匝比决定了其输出电压不会高于其额定输出的＋20%。
7、绝缘耐压
系统在大气压不低于84KPa时，系统输入或输出电压U
U≤60V，50HZ1000V1min，无击穿或闪烁现象
60V＜U≤220V，50HZ1000V1min，无击穿或闪烁现象
220V＜U≤380V，50HZ1200V1min，无击穿或闪烁现象
8、抗雷击特性
交流输入防雷：
模拟雷击电流8/20µs，幅值20kA，20次，幅值40kA，1次，冲击间隔大于1min。
输出防雷（室外设备电源）：
模拟雷击电流8/20µs，幅值5kA，10次，冲击间隔大于1min。
9、安全防护
1）导线绝缘材料、部件外壳等采用阻燃材料，防止电气火灾；采用可靠的散热措施，有效地控制设备温升。
2）地线设计有机壳地或电气安全地和防雷地两种分开的地线，并用符合规格的专用接地线分开接入综合接地系统。
3）导电部分完全不外露、导线连接使用不需螺丝的弹簧笼式接线端子，有效保护人身安全。
4）设备在工作、运输、存放时，有齐全的软包装，可以有效的保护设备运输过程中的振动，设备全部有防潮保护。
10、接地要求
电源系统的防雷接地和保护接地分别使用不同的接地体，保护地外接地线的线径应不小于6mm2，接地电阻应小于10欧姆（对于提供室内综合接地系统的设备室，当接地系统电阻不大于0.5欧姆时，防雷地和保护地可以为同一接地体），外接地线须接到地线排上。
防雷地外接地线的截面积应不小于6mm2，接地电阻应小于2欧姆。
接地电阻不能满足要求时，可通过加大接地体尺寸、加大埋设深度以及在接地体周围施以降阻剂予以解决。
11、智能监控
监控系统采用三级集散式监控体系，各级监控自成体系，下级监控保证在上级监控故障或不存在时能独立工作，产生告警信息；
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