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(shè)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(shí)踐出發(fā)，以減少后期運(yùn)維公司運(yùn)營成本，并提升系統(tǒng)可靠性為目的，詳細(xì)的分析了UPS供電系統(tǒng)集中方案，并提出了改進(jìn)措施。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(shí)際UPS容量需求。號(hào)系統(tǒng)名稱用電量后備時(shí)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(jí)云平臺(tái)各車站26自動(dòng)售檢票系統(tǒng)1各車站7智慧運(yùn)行系統(tǒng)各車站818各車站29機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)各車站52合計(jì)表2典型控制中心UPS容量號(hào)序系統(tǒng)名稱地點(diǎn)用電量后備時(shí)間控制中心2小時(shí)2民用通信、公安通信控制中心1小時(shí)3時(shí)鐘控制中心22小時(shí)控制中心小時(shí)控制中心1小時(shí)控制中心1小時(shí)控制中心1小時(shí)控制中心1小時(shí)控5制中心小時(shí)01控制中心分鐘11合計(jì)序號(hào)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(shí)2民用通信、公安通信車輛段/停車場1小時(shí)3時(shí)鐘車輛段/停車場22小時(shí)4車輛段/停車場51小時(shí)5車輛段/停車場0.5小時(shí)6合計(jì)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(fù)荷供電的話，每個(gè)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(yùn)維帶來巨大的工作量，并造成運(yùn)維成本大幅上升。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有分散式UPS供電方案進(jìn)行整合，進(jìn)行集1、弱電系統(tǒng)UPS整合方案分析屏蔽門/安全門驅(qū)動(dòng)電源主要以門機(jī)為主，屬于電動(dòng)機(jī)性負(fù)載。每次啟動(dòng)開/關(guān)門時(shí)會(huì)有有較大的沖擊電流，對(duì)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)不能自動(dòng)復(fù)位，必須人工出清?；谝陨?點(diǎn)，建議信號(hào)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(hào)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(dòng)電源、信號(hào)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：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(shí)屏低壓開關(guān)柜電源母角入配電柜出配電相從深圳地鐵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(dòng)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(dòng)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(jí)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(dòng)切換至另一路?！眹拇笮蛿?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。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。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(píng)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(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。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(huì)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(duì)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(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為旁路供電。但UPS內(nèi)部嚴(yán)重故障時(shí)，自動(dòng)旁路功能可能會(huì)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(tái)UPS主機(jī)均分負(fù)載；在一臺(tái)UPS主機(jī)故障時(shí)，另一臺(tái)UPS主機(jī)承擔(dān)全部系統(tǒng)負(fù)載。UPS系統(tǒng)的2臺(tái)UPS主機(jī)互為備份。1+1并機(jī)相對(duì)與單機(jī)而言系統(tǒng)可靠性控制中心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(huì)導(dǎo)致全線公務(wù)電話、有線專用調(diào)度電話、無線手持臺(tái)、無線影響行車安全和運(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,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(chǔ)、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(huì)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。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?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(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(tái)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。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(fù)荷功率和后備時(shí)間計(jì)算出來的，如表從深圳地鐵實(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(duì)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。可查詢設(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。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。從使用維護(hù)角度出發(fā)，綜合考慮運(yùn)營維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，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(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善，才能使弱電系統(tǒng)綜查PS供參考文獻(xiàn)[1]劉沃鴻