軌道交通弱電系統(tǒng)集中UPS供電方案探討

軌道交通弱電系統(tǒng)集中UPS供電方案探討摘要：城市軌道交通工程弱電設備種類繁多，系統(tǒng)龐大。UPS供電系統(tǒng)的可靠性越來越重要。本文從工程實踐出發(fā)，以減少后期運維公司運營成本，并提升系統(tǒng)可靠性為目的，詳細的分析了UPS供電系統(tǒng)集中方案，并提出了改進措施。城市軌道交通工程弱電設備種類繁多，系統(tǒng)龐大。如通信(包括專用、民用、公安、錄電系統(tǒng)均采用UPS供電。為了降低投資成本、節(jié)約能源、方便運營維護，從二十一世紀末期開始，國內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供電方下表1,表2,表3分別給出了青島地鐵某線路車站，控制中心和車輛段/停車場的實際UPS容量需求。號系統(tǒng)名稱用電量后備時間1專用通信各車站22各車站123各車站524各車站235車站級云平臺各車站26自動售檢票系統(tǒng)1各車站7智慧運行系統(tǒng)各車站818各車站29機電智能運維系統(tǒng)各車站52合計表2典型控制中心UPS容量號序系統(tǒng)名稱地點用電量后備時間控制中心2小時2民用通信、公安通信控制中心1小時3時鐘控制中心22小時控制中心小時控制中心1小時控制中心1小時控制中心1小時控制中心1小時控5制中心小時01控制中心分鐘11合計序號系統(tǒng)名稱用電量后備電源供電1專用通信車輛段/停車場2小時2民用通信、公安通信車輛段/停車場1小時3時鐘車輛段/停車場22小時4車輛段/停車場51小時5車輛段/停車場0.5小時6合計從表1,表2,表3數(shù)據(jù)來分析，如果還采用原來分散式UPS來給后端負荷供電的話，每個車站將有12套甚至更多的中小功率UPS,并且每套UPS自己都帶有一套蓄電池組。這將給線路后期運維帶來巨大的工作量，并造成運維成本大幅上升。因此，有必要對現(xiàn)有分散式UPS供電方案進行整合，進行集1、弱電系統(tǒng)UPS整合方案分析屏蔽門/安全門驅動電源主要以門機為主，屬于電動機性負載。每次啟動開/關門時會有有較大的沖擊電流，對UPS逆變器產生沖擊，沖擊電流易促使其過載或轉旁路。因此國內地鐵屏蔽門/安全門驅動電源一般采用抗浪涌能力較強的工頻機進行單獨供電。在屏蔽門/安全門驅動電源選型時，應充分考慮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，采用離線式運行。平時由市電整流為直流進行供電，蓄電池處于浮充狀態(tài)，在故障時進行放電。UPS輸出為交流，兩種電源輸出制式不同，進行系統(tǒng)合并較困難。因此，一般變電所操作電源單獨設置，不納入UPS整合方案中。信號系統(tǒng)是保證列車運行安全，實現(xiàn)行車指揮和列車運行現(xiàn)代化，提高運能效率的關鍵系統(tǒng)設備。在正常運營時一旦出現(xiàn)信號系統(tǒng)掉電故障，將采用站間電話閉塞法，由司機、行車調度、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)鎖計軸區(qū)段在停電后出現(xiàn)紅光帶，該信號不能自動復位，必須人工出清?；谝陨?點，建議信號系統(tǒng)與通信系統(tǒng)電源分離，單獨設置UPS,不納入UPS整合方案中。在信號系統(tǒng)設備集中站和區(qū)域站，建議采用1+1并機系統(tǒng)。在非設備集中站，建議采用單機系統(tǒng)。根據(jù)以上分析，建議除變電所操作電源、屏蔽門系統(tǒng)驅動電源、信號電源不進行整合外，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絡建設標準化技術文件弱電系統(tǒng)UPS電源整合設計指導意見》,該指導意見已經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)整體斷電的風險。如何保證各系統(tǒng)可靠性和可維護性的前提下，如何進行UPS整合是擺在設計院和地鐵運營之間突出問題?深圳地鐵二期工程中，綜合UPS供電系統(tǒng)方案如下：維修考路維修考路靜志旁咯通信電源要愉練合監(jiān)控電識屏低壓開關柜電源母角入配電柜出配電相從深圳地鐵4年多的應用經驗來看，此供電方案存在以下3點問題：1)UPS進線主路與靜態(tài)旁路同源。當UPS逆變IGBT或驅動板出現(xiàn)失效情況時，將引起相間短路，造成ATSE輸出開關跳閘，導致主路與靜態(tài)旁路同時掉電。在UPS故障后，UPS本可以自動轉為旁路供電模式。因靜態(tài)旁路掉電，所以造成負載掉電。2)UPS末端弱電設備采用單回路供電。①不滿足《地鐵設計規(guī)范》GB50157-2003中相關要求---“地鐵通信設備應按一級負荷供電。由變電所引接雙電源雙回路的交流電源至通訊機房交流配電屏，當使用中的一路出現(xiàn)故障，應能自動切換至另一路?！眹拇笮蛿?shù)據(jù)統(tǒng)計中心的行業(yè)統(tǒng)計資料：在UPS輸出供電系統(tǒng)的故障中，79%來源于UPS輸出與負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智能輸出配電柜內有眾多控制元件，負責二十多個弱電子系統(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、票務系統(tǒng)癱瘓，影響范圍較大。3)UPS進線雙電源切換裝置故障維修困難。為電池供電模式。因電池供電時間有限，所以必須控制雙電源維修時間。萬一雙電源故障沒能及時發(fā)現(xiàn)，將有可能因電池耗盡，造成負載失電。因此，如何避免單節(jié)點故障是設計弱電綜合UPS系統(tǒng)設計的關鍵?，F(xiàn)提出如下優(yōu)化設計方案。輸出配電拒備用電深聯(lián)電飽主用w晚修奔沖電源后通信電評居路分期撓靜怒貧簾綜合收放主將消入就電館奔許抗入配電箱岳用電輝此設計方案，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線端取電，且單獨設置配電箱的辦法，解決了雙電源維修的問題；通過末端負載增加旁路的辦法，解決了末端弱電設備單回路供電的問題，同時解決了UPS單機系統(tǒng)UPS主機隔離檢修的問題。因此，綜合UPS供電系統(tǒng)冗余性大大提高，可靠性和可維護性方面大大提高。每條地鐵線路所有車站、車輛段、停車場、控制中心、數(shù)據(jù)中心均會設計一套綜合UPS系統(tǒng)。因UPS系統(tǒng)可靠性設計與負載重要性息息相關，所以單機與并機選擇其實是根據(jù)系統(tǒng)對供電可靠行性要求后做出的判斷。UPS單機系統(tǒng)，在故障時一般會自動轉為旁路供電。但UPS內部嚴重故障時，自動旁路功能可能會失效。所以UPS單機的可靠性是有限的。若采用UPS1+1并聯(lián)方式，在正常工作時，兩臺UPS主機均分負載；在一臺UPS主機故障時，另一臺UPS主機承擔全部系統(tǒng)負載。UPS系統(tǒng)的2臺UPS主機互為備份。1+1并機相對與單機而言系統(tǒng)可靠性控制中心UPS負責全線通訊系統(tǒng)、綜合監(jiān)控、OA系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等核心設備供電。一旦斷電，會導致全線公務電話、有線專用調度電話、無線手持臺、無線影響行車安全和運營安全。因此，控制中心UPS重要性遠遠高于車站綜合UPS,數(shù)據(jù)中心配置有多個系統(tǒng)的服務器和交換機，負責全線票務數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、資產和物資數(shù)據(jù)的存儲、查詢和分析。在國內外數(shù)據(jù)中心機房，絕大多數(shù)用戶會選擇1+1并機供電方案。其他各站點綜合UPS系統(tǒng)建議選用單機系統(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。圖4兩組蓄電池并聯(lián)兩組電池組的電流并不相等。這是因為電池在使用過程中，單節(jié)電池的物理結構、電解液密度出現(xiàn)差異，造成各節(jié)電池內阻之間存在差異。蓄電池組是由若干個電池串聯(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組電池內阻偏小，則I>I,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阻小，使充電電流進一步升高。這種運行方式造成了惡性循環(huán)，是蓄電池組并聯(lián)運行無法克服的致命缺陷。因此建議單機系統(tǒng)只配置2套蓄電池組；并機系統(tǒng)，每臺主機各配置1套蓄電池組。每套蓄電池組容量按總后備容量的50%來設計即可。如圖1,圖3所示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)各類負荷功率和后備時間計算出來的，如表從深圳地鐵實際使用情況來看，蓄電池配置容量遠遠大于實際負載容量，一般帶載率在10%-15%之間。這是由于設計階段，各類設備廠家沒有認真計算和核定設備功率，造成UPS后備時間8小時以上，存在UPS主機容量和電池容量嚴重浪費。跟進實踐經驗推薦，單機UPS的最大負載量一般為UPS容量的50%～60%,并機UPS的最大負載量一般為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，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)進行實時監(jiān)控和管理，非常必要。主要實現(xiàn)以下功能：1)當前數(shù)據(jù)查詢?？刹樵冊O備的各種當前運行數(shù)據(jù)和當前告警數(shù)據(jù)。2)故障告警通知。3)機房環(huán)境的實時監(jiān)控，包括溫度、濕度、煙霧，門禁，水浸等。4)方便的報表查詢，可提供設備告警報表、運行數(shù)據(jù)報表和操作記錄報表。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，弱電系統(tǒng)綜合UPS已廣泛應用。從使用維護角度出發(fā)，綜合考慮運營維護風險，從整合方案、供電系統(tǒng)方案、冗余度、蓄電池配置方案、監(jiān)控系統(tǒng)等方面總結經驗，不斷完善，才能使弱電系統(tǒng)綜查PS供參考文獻[1]劉沃鴻