集中式不间断电源在城市轨道交通应用

集中式不间断电源在城市轨道交通应用

何玉龙

深圳市地铁集团有限公司运营总部518041

摘要：城市轨道交通的快速发展，对其本身的弱电系统方面要求也越来越高。城市轨道交通系统弱电系统设备大多为工控机、服务器等精密仪器，对逆变切换时间要求较短，对输出电压、频率等的稳定性要求较高，所以轨道交通弱电系统一般采用UPS作为应急电源。以往建设的线路，弱电系统均分别设置各自的UPS,存在设备分散、数量多、品牌杂、日常维护工作量大等问题。随着资源共享理念的深入，轨道交通行业纷纷采用集中式UPS，使得弱电系统UPS整已经成为一种技术发展趋势。本文主要探讨分析了集中式不间断电源在城市轨道交通中的运用。

关键词：城市轨道交通；集中式不间断电源；应用

1地铁UPS集成化系统

目前，提高UPS集成化程度是轨道交通中不间断供电系统的一个趋势。若不将所有UPS设备进行整合，这就必然还存在着分散设置所带来的那些弊端，在日后的地铁项目中应充分考虑这个问题，当然也并不是说所有需要UPS电源的专业都应使用统一的UPS电源，例如FAS专业，由于涉及到火灾消防，该系统所用UPS设备应满足消防规范，并采用具有消防认证的特种设备，不应与其他系统整合在一起。其他专业也有类似的问题，在进行设计时应充分考虑。

UPS电源室应设置在站台层，若将UPS电源室设置在站厅层，地板承受载荷的能力将很难满足UPS的要求。UPS设备集中设置以后，由于蓄电池数量较多，则需要房间面积较大或者地板承受载荷能力很强。地下车站面积必定是有限的，不可能为UPS电源室设计很大面积的房间，故需要其地板载荷能力很强。车站中整合的专业越多，需要的UPS设备容量越大，所使用的蓄电池容量也越大，这样若将UPS电源室设在站厅层，在有限的面积内其地板载荷要想能够承受住如此大的压力，无疑对结构专业是一个艰巨的任务。在新建线路中要尽量避免此种情况的发生。地铁线路在进行整合设计时首先应充分考虑需要整合的专业、各专业用电量，从而充分考虑UPS电源室的面积，另外要考虑到地板的承受能力，尽量不要将UPS电源室设置在站厅层，同时UPS电源室的位置宜接近系统设备区和中央控制室，并有利于进出线。由于车站附属用房一般设置在车站两端，所以上述需要UPS的专业也分布在车站两端，如果只在车站一端设置UPS电源室，则UPS供电范围太大，选用电缆较长，故应在车站两端均设置UPS电源室。对于上述整合专业,考虑到需要1.2～1.5倍余量，且两端设备用电量不同，故车站两端UPS容量分为120kVA和70kVA。

2常规UPS整合方案对比

目前，城市轨道交通采用的比较典型的UPS整合方案主要有单机组UPS整合、双机组并机式UPS整合、双机组冗余式UPS整合和并联冗余等方案。

2.1单机组UPS整合方案

该方案各车站分别设置1套UPS电源装置(含整流器、逆变器、隔离变压器、蓄电池组)、智能控制单元及馈线智能配电柜。进线处设置双电源自切装置(ATS)，馈出母线采用单母线。

该方案的优点是投资最省。缺点是:①即便被整合系统弱电机房与UPS整合电源室集中贴邻布置，对被整合的弱电系统而言，实际上是三电源单回路供电方式，不满足规范对一级负荷采用双电源双回路供电的要求;②存在“单点瓶颈”隐患，在UPS的输出端或配电屏母线出现短路故障时，可能导致UPS退运，造成被整合系统失电;③维修期间的安全性得不到保障，当UPS故障或检修停电而改由检修旁路供电时，其供电质量和供电可靠性会降低;④蓄电池定期活化等维护工作可能无法得到保障。

2.2双机组并机式UPS整合方案

该方案各车站分别设置2套UPS电源装置(含整流器、逆变器、隔离变压器、蓄电池组等)、智能控制单元及馈线智能配电柜。每套UPS进线处设置双电源ATS，馈出母线采用双母分断加母联开关。正常工作时，2套UPS装置并机运行，平均分担其负载电流，每台UPS单机容量能满足系统总容量要求。

该方案的优点是可以做到定期对UPS维护和蓄电池活化。缺点是:①“单点瓶颈”隐患，在UPS的输出端、配电屏母线、馈线电缆因故出现短路故障时，可能导致双回路的断路器同时跳闸，因而造成某个被整合弱电系统(甚至整个UPS整合系统)退出运行;②UPS并机系统的环流因故发生偶发性突然增大，尤其当并机时若某台UPS存在隐含故障时，则在切入的瞬间很可能出现由于两机不同步而产生的环流，当环流足够大时可能导致UPS逆变器损坏，造成UPS中断所有输出。

2.3双机组冗余式UPS整合方案

各车站分别设置2套UPS电源装置(含整流器、逆变器、隔离变压器、蓄电池组等)、负载同步控制器、智能控制单元及馈线智能配电柜。进线处设置双电源ATS，馈出母线采用双母分断，在各专业设备机房设置静态开关(STS)。正常工作时，2套UPS装置冗余分列运行，平均分担其负载电流，每台UPS单机容量能满足系统总容量要求。

该方案的优点是:①可以做到定期对UPS维护和蓄电池活化;②消除了UPS输出端“单点瓶颈”隐患;③系统不会出现环流;④负载端STS会在小于5ms的时间内将备用电源馈送到所辖负载上，以确保系统的安全可靠运行。缺点是投资最大。

2.4并联冗余方案

供电系统采用并联冗余方式：参与并联运行的各UPS单机在系统中具有同等地位，共同分担负荷。若任一台单机出现故障，其他单机能自动均担多出来的负荷，而故障单机将自动从负载母线上脱离系统。采用并联冗余的优势包括：可靠性提高；可用性提高；维护简单。并联冗余方案又分为整体式和模块式，整体式就是“1+1”并机冗余方式，模块式就是“N+X”并机冗余方式（每个模块容量为10kV•A左右）。

（1）整体式“1+1”并机模式

由变电所接两路独立交流电源至车站UPS整合电源室的交流切换箱，切换时间不超过100ms。由切换箱馈出至少4回路交流电源采用两台UPS组成“1+1”并机冗余系统。并机系统采用全数字实时矢量控制技术，实时的负载均分调节和智能化控制实现。两台UPS的逆变输出电压幅度、频率以及相位保持一致，从而保证UPS系统输出一致。控制环流，负载不均衡度＜2%。

（2）模块式“N+X”并机模式

由变电所接两路独立交流电源至车站UPS整合电源室的交流切换箱，切换时间≤100ms。由切换箱馈出至少4回路交流电源，采用多台模块式UPS组成“N+X”并机冗余系统，由N个额定容量为10kV•A的功率模块并联组成，系统总容量根据负载情况进行冗余设置。UPS可在不影响整机及负载工作的情况下，进行热插拨维修。监控软件可对整个并机系统及各单机进行监控。设置静态旁路开关，自动把UPS负载无间断地切换到逆变器电源或旁路供电电源。

对整体式和模块式两种方案的供电可靠性进行分析，在“1+1”并联冗余方式下，每台UPS单机输出功率为标称功率的50%，整个系统提供200%的标称输出功率，理论可靠性达到99.99%。“N+X”并机模式由于供电系统中间环节要多一些，因此“1+1”并联冗余方式的可靠性更高。

3结语

随着城市轨道交通的快速发展,越来越多的轨道交通线路已采用或即将采用弱电系统电源整合设计。弱电系统电源整合的范围和方案应结合各线路具体情况进行选择,在保证各弱电系统安全、可靠运行的基础上,充分考虑设备购置、使用、维护成本、机房建设成本、风险承受能力、系统可用性等因素,从而达到安全、可靠、经济、高效的建设目的。

参考文献：

[1]何治新.城市轨道交通UPS应用探讨集中式UPS可减少占地面积[J].电气应用,2016,(22):15.

[2]郑旭日.UPS整合系统在城市轨道交通中的应用[J].中国高新技术企业,2010,(21):67-70.