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　　随着城市轨道交通的快速发展，信号电源系统的可靠性和安全性成为保障列车安全运行与运营效率的核心要素。围绕信号电源系统的智能化升级与可靠性优化，提出三维优化方案。重点阐述健康管理系统在信号电源系统中的创新性应用，以及转辙机供电方案、电源隔离技术的优化设计。通过健康管理系统实现设备实时监控、故障预警与数据分析，推动传统被动维修向主动预防维护转型，显著降低设备故障率，并延长其使用寿命；针对转辙机供电难题，提出基于双UPS双母线架构的供电模块方案，以解决传统自动转换开关的切换中断问题；在电源隔离领域引入高频隔离技术，替代工频隔离以提升系统效率与空间利用率。研究表明：三维优化方案显著提升了信号电源系统的可靠性与安全性，为城市轨道交通的安全运营提供技术支撑，是行业技术发展的新方向。

　　随着城市轨道交通迈入规模化发展阶段，信号电源系统的可靠性、可用性和安全性指标已被提升至全新高度。由于信号电源系统的稳定运行直接关系到列车调度精度、行车安全和运营效率，而传统维护模式大多以事后维修为主，存在故障响应滞后、运维成本高、系统停机风险大等弊端，难以适应现代轨道交通高密度运营需求，因此急需智能化技术为信号电源系统升级提供新的解决方案。

　　目前，已有学者围绕信号系统智能运维展开研究，其中文献［1］设计了地铁信号系统智能运维方案；文献［2］探索城市轨道交通信号智能运维系统的设计与应用；文献［3］针对城市轨道交通信号系统智能维护监测平台开展研究，并投入实践，为信号系统智能化升级奠定基础。在信号电源相关研究领域，文献［4］将智能分析技术应用于变电站状态监测系统设计，为信号电源系统健康管理提供技术参考；文献［5］则聚焦信号电源设备在铁路信号系统中的应用，明确了电源设备对信号系统稳定运行的关键作用。基于现有研究成果与行业实际需求，本文提出“健康管理+供电优化+隔离升级”的信号电源系统三维优化方案。

　　在供电优化层面，文献［6］提出了交流转辙机双 UPS 双母线供电方案，但传统自动转换开关的切换存在毫秒级断电间隙；文献［7］的双机备份逻辑，印证了冗余配置提升供电可靠性的可行性；文献［8］提出的并联供电系统最优点确定方法，为供电参数优化提供了理论支撑。尽管现有研究在转辙机供电优化上取得了一定成果，但在实现供电零中断、提升系统集成度，以及精准控制供电输出波动等方面，仍有进一步提升的空间。为此，本文创新设计了一套转辙机模块供电方案，以更好地解决转辙机供电难题。

　　在隔离升级方面，文献［9］指出高频隔离技术可显著优化变压器拓扑结构；文献［10］基于高频隔离AC/AC变换器的动态电压恢复器，验证了高频隔离技术在电力设备中的可行性。通过引入高频隔离技术替代传统工频变压器，以及高频逆变与整流技术，可将隔离变压器体积缩小、重量减轻，同时提升系统转换效率，降低能耗与散热需求。

　　该三维优化方案通过智能化管理与硬件技术革新，构建高可靠、高效率的信号电源系统，为城市轨道交通的安全运营提供技术支撑。

　　如图1所示，信号电源系统包括输入配电、监控、不间断供电、电池管理、电源模块、输出配电隔离等单元，通过各单元协同运作，共同保障电力的稳定供应与分配。然而在长期运行中，各单元可能出现性能衰减、故障隐患等问题，这对电源系统的全面健康管理影响巨大。只有实时掌握各单元的健康状态，才能及时防范风险，避免因系统故障导致的电力中断。图1中红色线条为健康管理的数据来源。监控单元负责采集信号电源系统各部分的基本信息和综合状态，进行深入的健康状态分析及管理，并将健康管理信息上传至监控终端。

　　健康管理系统［11］的核心是通过“多维度状态感知—全寿命周期管理—主动预测及预警—专家诊断与知识沉淀”的机制，实现设备全生命周期的智能化管控。健康管理界面显示见图2，以层级化、可视化方式呈现系统的综合状态。界面左上部总览区显示站点整体健康评分（包括环境因素、权重维度、设备健康、基础信息、状态数据等维度）；左下部以时间轴罗列当前维保履历，包括维护时间、维护设备、维护重要程度、维护部位、维护内容等，客户可点击“详情”查看具体维护信息；右侧匹配系统三色状态标签，健康（绿色，80~100分）、亚健康（黄色，60~79分）、告警（红色，0~59分），界面实时滚动关键数据（如当前告警等级、告警总数等）；顶部显示告警信息，内部包含故障预测及专家诊断信息。

　　健康管理系统的基础是构建异构数据统一的处理平台，可以实现多源信息的有效整合。

　　硬件层融合。集成电池管理系统（BMS）、能耗监测系统（EMS）和分布式智能传感器（如温度传感器采用PT100铂电阻，电压传感器采用霍尔效应原理），实现电压（精度±3%）、电流（精度±1%）、温度（分辨率0.1 ℃）等参数的同步采集，采样频率为1 kHz，确保数据的时效性。

　　数据层融合。采用边缘计算技术对原始数据进行预处理（如剔除脉冲干扰、补偿温度漂移），并通过5G/工业以太网传输至云端平台。同时利用时空对齐算法，解决不同设备的采样时差问题（时间同步误差≤10 ms）。

　　设备编码体系。基于设备唯一编码体系，建立涵盖设备出厂、安装调试、运行维护、部件更换等全过程的数字档案。

　　算法构建。采用树状结构模型，对设备可维修单元进行层级化管理，结合设备的设计寿命和实际工况等多维度数据分析，构建预测模型，并根据大数据分析进行动态寿命建模。通过累积损伤模型和退化算法，动态计算设备剩余使用寿命。健康管理系统实现从单体设备到系统级的寿命预测与健康状态评估，为预防性维护提供决策依据。基于这些数据，健康管理系统能够制定科学合理的维护计划，避免设备因过度使用而突然失效。

　　维保触发。根据设备的实时状态，自动触发维保周期提醒，确保设备在最佳状态下运行，延长信号电源系统的使用寿命。

　　异常趋势提醒。当系统检测到异常趋势时，会提前发出预警信息，提醒运维人员采取预防性措施，从而避免故障的发生，或减少故障对系统运行的影响。

　　构建故障特征库。整合历史故障数据（如电容鼓包对应纹波系数5%，接触器故障对应接触电阻100 mΩ），形成典型故障的特征向量。

　　实时推理。将实时参数与特征库匹配，给出解决方案（如模块输入整流器故障，其解决方案为模块断电重启，若未恢复正常工作，判断模块可能存在硬件异常，建议更换备用模块）。

　　预警分级。根据故障影响范围，触发对应处置流程（如Ⅰ级自动切换备用模块）。预警分为3级：30 min内可能失效定义为Ⅰ级；24 h内性能退化定义为Ⅱ级；72h内有潜在故障定义为Ⅲ级。

　　每次故障处理结果都自动沉淀为知识库，支持后续故障的智能匹配与处置效率提升。

　　在铁路信号电源系统领域，传统的转辙机供电方案长期依赖自动转换开关实现电源切换。以文献［5］中介绍的交流转辙机电源切换方案为典型代表，该方案基于双切换双UPS（不间断电源）系统架构设计，以自动转换开关作为枢纽环节，其前端分别连接2路独立的UPS后端母线（a）），旨在通过双电源冗余配置提升供电可靠性。然而，随着铁路运输行业的快速发展与技术升级，该方案在实际应用中暴露出诸多缺点。

　　为进一步提高转辙机供电可靠性，在图3（a）基础上提出双UPS双母线架构的转辙机模块供电方案，如图3（b）所示，其核心设计如下。

　　1）输入端构建起双UPS双母线路UPS后端母线，通过双电源的冗余配置，可极大提升系统供电的可靠性，降低因单电源故障导致系统瘫痪的风险。输出端运用交流并联技术，借助转辙机模块供电（单模块容量15 kVA），实现对转辙机的直接供电，在保障供电效率的同时，有效节省设备空间，提高系统集成度。2）无缝切换。当一路母线或UPS故障时，另一路模块自动接管供电，切换时间为0 ms，输出波动控制在±2%以内，避免转辙机断电，实现供电模块平滑切换。

　　3）容错能力。当单个模块发生故障时，其余并联模块将自动均分负载，确保系统持续稳定运行，有效避免因局部故障导致整体系统瘫痪。同时，故障模块支持热插拔更换，运维人员无需中断系统供电，即可快速、便捷地完成故障模块替换，极大提升了维护效率。

　　4）抗风险测试。模拟2路市电中断场景，UPS供电可维持4 h以上，满足应急处理需求。

　　5）状态监测和故障退出机制。转辙机模块能够实时、精准采集电压、电流、功率等关键运行信息。这些数据以毫秒级的速率传输至系统控制中心，可实现对转辙机运行状态的动态监测与评估。一旦监测到数据出现异常时，系统将立即触发故障退出机制，避免故障范围扩大。

　　。相对于传统自动转换开关切换的工作方案，优化方案实现了电源无缝切换，减少了单点故障，机柜占用空间小，维护更便捷。表1 转辙机供电方式对比

　　在信号电源系统中，供电方案的可靠性和效率直接影响到整个系统的运行稳定性和安全性。传统的供电方案通常采用“不隔离模块+工频变压器”的组合。由不隔离模块先将输入电源进行整流和滤波处理后，再借助工频变压器（工作频率通常为50 Hz或60 Hz）进行电压变换与电气隔离，最终为后端负载供电。这种工频隔离技术存在以下局限。

　　体积、重量大。工频变压器因依赖大尺寸铁芯和大量绕组来实现能量传递，导致其重量可达 50~100 kg，在机柜中占用空间超过30%，极大限制了系统的集成度与便携性。

　　效率损耗大。由于铁芯在低频下的磁滞和涡流损耗较大，能量在传输过程中损耗约10%~15%，运行时发热严重，必须额外配备散热装置，增加了系统复杂度与成本。

　　动态响应慢。面对负载电流的快速变化，工频变压器的磁路和电路参数调整速度慢，调节速度跟不上负载突变节奏，容易引发输出电压波动，影响后端设备的稳定运行。

　　高频斩波与能量传递［13］。采用MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管，工作频率50~200 kHz），或IGBT（绝缘栅双极型晶体管，工作频率200 kHz~1 MHz），将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器传递能量（磁芯采用铁氧体材料，饱和磁通密度0.5 T，高频损耗≤0.5 W/kg），若频率提升1 000倍，磁芯体积则缩小至工频的1/30。

　　损耗抑制。高频下采用利兹线（多股漆包线绞合）降低集肤效应，铜损降低至30%以下；结合软开关技术（如零电压开关ZVS），开关损耗减少80%，总效率提升至95%以上。

　　动态响应优化。高频变压器漏感小（≤1 μH），配合PI（比例-积分）调节的闭环控制，负载突变时电压恢复时间100 μs，输出稳定度≤1%。

　　。相比工频隔离技术，高频隔离技术明显缩小了变压器体积与重量，使设备更紧凑；能量损耗降低至3%~5%，减少散热需求；高频响应特性使系统能够快速适应负载变化，输出电压稳定，有效提升电源系统的可靠性与动态性能。表2 隔离方案对比

　　变压器体积大、重量重,占用机柜空间多,重量可达50~100 kg,占机柜空间30%以上

　　能量损耗较大,约为10%~15%,效率一般在85%~90%,发热严重,需增加额外散热设计

　　对负载突变的调节速度较慢,难以快速适应负载或市电变化,可能引发电压波动

　　动态响应性能好,能够快速跟踪负载变化和市电波动,及时调整输出电压和电流

　　小容量应用场景中成本相对较低,但对电路设计和元件要求高,设计和制造难度较大,整体成本可能也较高

　　信号电源系统三维优化方案通过健康管理、转辙机供电架构与高频隔离技术的协同创新，从系统层面实现了可靠性、效率与安全性的全方位提升，其整体优势如下。

　　打破了传统信号电源系统的技术局限，通过健康管理系统的实时监测与预测性维护，将设备管理模式从故障后修复转变为故障前干预，大幅减少突发故障对运营的影响。

　　在转辙机双UPS双母线架构下，采用转辙机模块供电，实现供电零中断切换，彻底解决了传统由自动转换开关切换时的间断性问题，保障了转辙机等关键设备的持续稳定运行。

　　高频隔离技术通过高频电磁转换原理，在缩小设备体积、减轻重量的同时，显著提高了能量转换效率与动态响应速度，满足了轨道交通对电源系统紧凑化、高效化的需求。

　　三者的有机结合，不仅构建了信号电源系统的智能化运维体系，消除了单点故障隐患，还通过高效能量管理降低了运营成本，最终形成“主动预防—无缝供电—高效转换必赢Bwin国际官网”的保障机制，为城市轨道交通的安全、高效、绿色运营提供了系统性技术支撑。

　　广州地铁轨道交通线路试点应用本文提出的优化方案，经过6个月运行验证，关键指标提升显著：设备故障率降低45%，维护成本下降22%，故障平均处理时间从2 h缩短至30 min；转辙机供电中断次数由每月3次降为0次，UPS电池寿命延长30%（得益于高频隔离技术的低损耗特性）；机柜空间利用率提升40%，整体能耗降低18%，满足地铁机房紧凑化、低碳化设计要求。

　　本文聚焦城市轨道交通信号电源系统的可靠性与安全性问题，针对性提出系列优化方案，并通过实际工程应用验证其有效性。

　　引入智能化健康管理系统，对设备管理体系进行全面优化。通过数据驱动的健康管理模式，实现信号电源系统从传统被动维修向主动预防的根本性转变，不仅显著提升了设备管理效率，还极大增强了系统整体可靠性，有效降低突发故障率。

　　在转辙机双UPS双母线供电架构下，创新提出转辙机模块供电解决方案，彻底解决了传统自动转换必赢Bwin国际官网开关方案中存在的切换中断与单点故障问题，通过双电源冗余配置与无缝切换技术，实现供电过程“零中断”，使系统具备高容错能力。

　　采用高频隔离技术替代工频隔离，实现技术水平升级。高频隔离技术在空间效率、能量损耗、动态响应等方面展现出显著优势，大幅缩小电源设备体积、降低能耗、提升响应速度，有力推动信号电源系统向紧凑化、高效化方向迈进。

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　　4.何宁辉,丁培,沙伟燕,等.智能分析技术在变电站状态监测系统设计中的研究与应用[C]//第十八届全国信号和智能信息处理与应用学术会议论文集.合肥:中国高科技产业化研究会智能信息处理产业化分会,2024:690-693.[]

　　5.李进,王津航,杨志杰.城市轨道交通信号电源系统改造研究[J].现代城市轨道交通,2025(4):65-70.[]

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　　9.高硕.高频隔离型混合配电变压器拓扑及控制策略研究[D].吉林:东北电力大学,2023.[]

　　10.牛栩卿.基于高频隔离AC/AC变换器的动态电压恢复器[D].秦皇岛:燕山大学,2023.[]

　　11.王勇龙,钟桂东,陈姝,等.铁路信号设备故障预测与健康管理系统研究[J].铁道通信信号,2022,58(1):16-20.[]

　　12.王向阳,赵梓豪,阳六兵,等.基于多维特征融合的转辙机剩余使用寿命预测模型研究[J].铁道通信信号,2024,60(5):18-23.[]

　　13.徐浩.模块化单级式高频隔离型谐振式AC-DC变换器关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2022.[]