(完整word版)關于城市軌道交通弱電系統(tǒng)綜合UPS供電設計方案探討

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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、錄音、廣播、CCTV、時鐘、PIS)、信號、AIS(綜合監(jiān)控）、BAS（車站設備監(jiān)控）、FAS(火災自動報警)、AFC（自動售檢票）、ACS（門禁）、SCADA(電力監(jiān)控)、屏蔽門/安全門控制及驅動電源、變電所操作電源、低壓開關柜控制電源、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供電方式.

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:

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?！?/p>

②供電線路長,一旦線路出現(xiàn)問題，短時間內難以恢復設備供電。根據(jù)美國的大型數(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。

進線雙電源切換裝置故障(出現(xiàn)卡制情況)時，UPS主路和旁路均失電,將轉為電池供電模式。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。

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。

3.綜合UPS單機與并機選擇

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)可靠性大大增強。

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,嚴重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,建議選用并機系統(tǒng).

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。

并聯(lián)蓄電池組在恒壓充電狀態(tài)下:I=I1+I2.而實際工作中，往往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。

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：

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。

6.結束語

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，弱電系統(tǒng)綜合UPS