關(guān)于城市軌道交通弱電系統(tǒng)綜合UPS供電設(shè)計(jì)方案探討

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城市軌道交通工程弱電設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)龐大。如通信(包括專用、民用、公安、錄音、廣播、CCTV、時(shí)鐘、PIS)、信號、AIS(綜合監(jiān)控)、BAS(車站設(shè)備監(jiān)控)、FAS(火災(zāi)自動報(bào)警)、AFC(自動售檢票)、ACS(門禁)、SCADA(電力監(jiān)控)、屏蔽門/安全門控制及驅(qū)動電源、變電所操作電源、低壓開關(guān)柜控制電源、MCC柜控制電源、辦公自動化(OA)等弱電系統(tǒng)均采用UPS供電。為了降低投資成本、節(jié)約能源、方便運(yùn)營維護(hù)，從二十一世紀(jì)末期開始，國內(nèi)各城市城市軌道交通工程逐漸由原來分散式UPS供電方式整合為集中UPS供電方式。

1.弱電系統(tǒng)UPS整合方案分析

屏蔽門/安全門驅(qū)動電源主要以門機(jī)為主，屬于電動機(jī)性負(fù)載。每次啟動開/關(guān)門時(shí)會有有較大的沖擊電流，對UPS逆變器產(chǎn)生沖擊，沖擊電流易促使其過載或轉(zhuǎn)旁路。因此國內(nèi)地鐵屏蔽門/安全門驅(qū)動電源一般采用抗浪涌能力較強(qiáng)的工頻機(jī)進(jìn)行單獨(dú)供電。在屏蔽門/安全門驅(qū)動電源選型時(shí)，應(yīng)充分考慮UPS帶載率，建議為30%-40%較為合適。

變電所操作電源大部分采用直流，采用離線式運(yùn)行。平時(shí)由市電整流為直流進(jìn)行供電，蓄電池處于浮充狀態(tài)，在故障時(shí)進(jìn)行放電。UPS輸出為交流，兩種電源輸出制式不同，進(jìn)行系統(tǒng)合并較困難。因此，一般變電所操作電源單獨(dú)設(shè)置，不納入U(xiǎn)PS整合方案中。

信號系統(tǒng)是保證列車運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行現(xiàn)代化，提高運(yùn)能效率的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備。在正常運(yùn)營時(shí)一旦出現(xiàn)信號系統(tǒng)掉電故障，將采用站間電話閉塞法，由司機(jī)、行車調(diào)度、車站值班員采用專用通信方式共同完成列車組織。另為了提高安全可靠性，信號系統(tǒng)(如龐巴迪)聯(lián)鎖計(jì)軸區(qū)段在停電后出現(xiàn)紅光帶，該信號不能自動復(fù)位，必須人工出清?；谝陨?點(diǎn)，建議信號系統(tǒng)與通信系統(tǒng)電源分離，單獨(dú)設(shè)置UPS，不納入U(xiǎn)PS整合方案中。在信號系統(tǒng)設(shè)備集中站和區(qū)域站，建議采用1+1并機(jī)系統(tǒng)。在非設(shè)備集中站，建議采用單機(jī)系統(tǒng)。

根據(jù)以上分析，建議除變電所操作電源、屏蔽門系統(tǒng)驅(qū)動電源、信號電源不進(jìn)行整合外，其他弱電系統(tǒng)的UPS可以納入整合。上海地鐵已發(fā)布《上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)文件弱電系統(tǒng)UPS電源整合設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見》，該指導(dǎo)意見已經(jīng)明確推薦地鐵弱電系統(tǒng)電源采用UPS集中供電方式。

2.綜合UPS供電系統(tǒng)方案分析

集中供電方式優(yōu)勢明顯，但存在所有系統(tǒng)整體斷電的風(fēng)險(xiǎn)。如何保證各系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性的前提下，如何進(jìn)行UPS整合是擺在設(shè)計(jì)院和地鐵運(yùn)營之間突出問題?深圳地鐵二期工程中，綜合UPS供電系統(tǒng)方案如下：

從深圳地鐵4年多的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，此供電方案存在以下3點(diǎn)問題：

1)UPS進(jìn)線主路與靜態(tài)旁路同源。

當(dāng)UPS逆變IGBT或驅(qū)動板出現(xiàn)失效情況時(shí)，將引起相間短路，造成ATSE輸出開關(guān)跳閘，導(dǎo)致主路與靜態(tài)旁路同時(shí)掉電。在UPS故障后，UPS本可以自動轉(zhuǎn)為旁路供電模式。因靜態(tài)旁路掉電，所以造成負(fù)載掉電。

2)UPS末端弱電設(shè)備采用單回路供電。

①不滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50157-2003中相關(guān)要求——“地鐵通信設(shè)備應(yīng)按一級負(fù)荷供電。由變電所引接雙電源雙回路的交流電源至通訊機(jī)房交流配電屏，當(dāng)使用中的一路出現(xiàn)故障，應(yīng)能自動切換至另一路?！?/p>

②供電線路長，一旦線路出現(xiàn)問題，短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)設(shè)備供電。根據(jù)美國的大型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中心的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料：在UPS輸出供電系統(tǒng)的故障中，79%來源于UPS輸出與負(fù)載之間的供電線路上的故障。

③UPS智能輸出配電柜斷電保養(yǎng)和維修困難。UPS智能輸出配電柜內(nèi)有眾多控制元件，負(fù)責(zé)二十多個(gè)弱電子系統(tǒng)電源分配。一旦因保養(yǎng)和故障原因斷電，將造成通信、綜合監(jiān)控、票務(wù)系統(tǒng)癱瘓，影響范圍較大。

3)UPS進(jìn)線雙電源切換裝置故障維修困難。

進(jìn)線雙電源切換裝置故障(出現(xiàn)卡制情況)時(shí)，UPS主路和旁路均失電，將轉(zhuǎn)為電池供電模式。因電池供電時(shí)間有限，所以必須控制雙電源維修時(shí)間。萬一雙電源故障沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將有可能因電池耗盡，造成負(fù)載失電。

因此，如何避免單節(jié)點(diǎn)故障是設(shè)計(jì)弱電綜合UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?，F(xiàn)提出如下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

此設(shè)計(jì)方案，通過UPS主旁路分離的辦法，解決了主路與靜態(tài)旁路同源的問題;通過UPS旁路電源由雙電源進(jìn)線端取電，且單獨(dú)設(shè)置配電箱的辦法，解決了雙電源維修的問題;通過末端負(fù)載增加旁路的辦法，解決了末端弱電設(shè)備單回路供電的問題，同時(shí)解決了UPS單機(jī)系統(tǒng)UPS主機(jī)隔離檢修的問題。因此，綜合UPS供電系統(tǒng)冗余性大大提高，可靠性和可維護(hù)性方面大大提高。

3.綜合UPS單機(jī)與并機(jī)選擇

每條地鐵線路所有車站、車輛段、停車場、控制中心、數(shù)據(jù)中心均會設(shè)計(jì)一套綜合UPS系統(tǒng)。因UPS系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與負(fù)載重要性息息相關(guān)，所以單機(jī)與并機(jī)選擇其實(shí)是根據(jù)系統(tǒng)對供電可靠行性要求后做出的判斷。UPS單機(jī)系統(tǒng)，在故障時(shí)一般會自動轉(zhuǎn)為旁路供電。但UPS內(nèi)部嚴(yán)重故障時(shí)，自動旁路功能可能會失效。所以UPS單機(jī)的可靠性是有限的。若采用UPS1+1并聯(lián)方式，在正常工作時(shí)，兩臺UPS主機(jī)均分負(fù)載;在一臺UPS主機(jī)故障時(shí)，另一臺UPS主機(jī)承擔(dān)全部系統(tǒng)負(fù)載。UPS系統(tǒng)的2臺UPS主機(jī)互為備份。1+1并機(jī)相對與單機(jī)而言系統(tǒng)可靠性大大增強(qiáng)。

控制中心UPS負(fù)責(zé)全線通訊系統(tǒng)、綜合監(jiān)控、OA系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等核心設(shè)備供電。一旦斷電，會導(dǎo)致全線公務(wù)電話、有線專用調(diào)度電話、無線手持臺、無線車載臺、AIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、BAS系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、安防系統(tǒng)無法使用，嚴(yán)重影響行車安全和運(yùn)營安全。因此，控制中心UPS重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車站綜合UPS，建議選用并機(jī)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心配置有多個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器和交換機(jī)，負(fù)責(zé)全線票務(wù)數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、資產(chǎn)和物資數(shù)據(jù)的存儲、查詢和分析。在國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心機(jī)房，絕大多數(shù)用戶會選擇1+1并機(jī)供電方案。其他各站點(diǎn)綜合UPS系統(tǒng)建議選用單機(jī)系統(tǒng)。

4.后備蓄電池配置方案分析

蓄電池是UPS系統(tǒng)的重要組成部分，是保證供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的最后一道保證。從目前深圳地鐵UPS系統(tǒng)配置情況來看，蓄電池的占整個(gè)系統(tǒng)投資40%以上。合理選擇蓄電池配置方案，能夠有效延長使用壽命，延長更換周期，從而降低運(yùn)行成本，節(jié)約能源。

1)合理配置并聯(lián)蓄電池組

為了提高蓄電池組供電可靠性，普遍采用多組蓄電池并聯(lián)方式。

并聯(lián)蓄電池組在恒壓充電狀態(tài)下：I=I1+I2。而實(shí)際工作中，往往兩組電池組的電流并不相等。這是因?yàn)殡姵卦谑褂眠^程中，單節(jié)電池的物理結(jié)構(gòu)、電解液密度出現(xiàn)差異，造成各節(jié)電池內(nèi)阻之間存在差異。蓄電池組是由若干個(gè)電池串聯(lián)組成，各節(jié)電池的不均衡性積累成電池組的不均衡性。若1組電池內(nèi)阻偏小，則I1>I2，該組充電電流大，電池組的溫度升高，溫度高的電池電解液內(nèi)阻小，使充電電流進(jìn)一步升高。這種運(yùn)行方式造成了惡性循環(huán)，是蓄電池組并聯(lián)運(yùn)行無法克服的致命缺陷。

因此建議單機(jī)系統(tǒng)只配置2套蓄電池組;并機(jī)系統(tǒng)，每臺主機(jī)各配置1套蓄電池組。每套蓄電池組容量按總后備容量的50%來設(shè)計(jì)即可。

2)合理控制蓄電池容量

綜合UPS系統(tǒng)蓄電池容量是根據(jù)各類負(fù)荷功率和后備時(shí)間計(jì)算出來的：

從深圳地鐵實(shí)際使用情況來看，蓄電池配置容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)載容量，一般帶載率在10%-15%之間。這是由于設(shè)計(jì)階段，各類設(shè)備廠家沒有認(rèn)真計(jì)算和核定設(shè)備功率，造成UPS后備時(shí)間8小時(shí)以上，存在UPS主機(jī)容量和電池容量嚴(yán)重浪費(fèi)。跟進(jìn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推薦，單機(jī)UPS的最大負(fù)載量一般為UPS容量的50%～60%，并機(jī)UPS的最大負(fù)載量一般為UPS容量的30%～40%，并合理控制蓄電池容量。

5.配置成熟完善的監(jiān)控系統(tǒng)

地鐵綜合UPS分布在沿線各站點(diǎn)，較為分散。所以選用一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)，對全線綜合UPS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，非常必要。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)當(dāng)前數(shù)據(jù)查詢?？刹樵冊O(shè)備的各種當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)和當(dāng)前告警數(shù)據(jù)。

2)故障告警通知。

3)機(jī)房環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括溫度、濕度、煙霧，門禁，水浸等。

4)方便的報(bào)表查詢，可提供設(shè)備告警報(bào)表、運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表和操作記錄報(bào)表。

6.結(jié)束語

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，弱電系統(tǒng)綜合UPS已廣泛應(yīng)用。從使