轨道交通弱电系统集中UPS供电方案探讨

轨道交通弱电系统集中UPS供电方案探讨

禚敏1  郑强强2   孙文慧1

（1青岛地铁集团有限公司，山东青岛，266035；2青岛市地铁规划设计院有限公司，山东青岛，266035）

    摘要：城市轨道交通工程弱电设备种类繁多，系统庞大。UPS供电系统的可靠性越来越重要。本文从工程实践出发，以减少后期运维公司运营成本，并提升系统可靠性为目的，详细的分析了UPS供电系统集中方案，并提出了改进措施。

关键词：UPS供电，集中式UPS

城市轨道交通工程弱电设备种类繁多，系统庞大。如通信（包括专用、民用、公安、录音、广播、CCTV、时钟、PIS）、信号、AIS(综合监控)、BAS（车站设备监控）、FAS（火灾自动报警）、AFC（自动售检票）、ACS(门禁)、SCADA(电力监控)、屏蔽门/安全门控制及驱动电源、变电所操作电源、低压开关柜控制电源、MCC柜控制电源、办公自动化（OA）等弱电系统均采用UPS供电。为了降低投资成本、节约能源、方便运营维护，从二十一世纪末期开始，国内各城市城市轨道交通工程逐渐由原来分散式UPS供电方式整合为集中UPS供电方式。

   下表1，表2，表3分别给出了青岛地铁某线路车站，控制中心和车辆段/停车场的实际UPS容量需求。

表1  典型车站UPS容量

表2  典型控制中心UPS容量

表3  典型车辆段/停车场UPS容量

      从表1，表2，表3数据来分析，如果还采用原来分散式UPS来给后端负荷供电的话，每个车站将有12套甚至更多的中小功率UPS，并且每套UPS自己都带有一套蓄电池组。这将给线路后期运维带来巨大的工作量，并造成运维成本大幅上升。因此，有必要对现有分散式UPS供电方案进行整合，进行集中供电。

1、弱电系统ＵＰＳ整合方案分析

屏蔽门/安全门驱动电源主要以门机为主，属于电动机性负载。每次启动开/关门时会有有较大的冲击电流，对UPS逆变器产生冲击，冲击电流易促使其过载或转旁路。因此国内地铁屏蔽门/安全门驱动电源一般采用抗浪涌能力较强的工频机进行单独供电。在屏蔽门/安全门驱动电源选型时，应充分考虑UPS带载率，建议为30%-40%较为合适。

变电所操作电源大部分采用直流，采用离线式运行。平时由市电整流为直流进行供电，蓄电池处于浮充状态，在故障时进行放电。UPS输出为交流，两种电源输出制式不同，进行系统合并较困难。因此，一般变电所操作电源单独设置，不纳入ＵＰＳ整合方案中。

信号系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运能效率的关键系统设备。在正常运营时一旦出现信号系统掉电故障，将采用站间电话闭塞法，由司机、行车调度、车站值班员采用专用通信方式共同完成列车组织。另为了提高安全可靠性，信号系统（如庞巴迪）联锁计轴区段在停电后出现红光带，该信号不能自动复位，必须人工出清。基于以上2点，建议信号系统与通信系统电源分离，单独设置UPS，不纳入UPS整合方案中。在信号系统设备集中站和区域站，建议采用1+1并机系统。在非设备集中站，建议采用单机系统。

根据以上分析，建议除变电所操作电源、屏蔽门系统驱动电源、信号电源不进行整合外，其他弱电系统的ＵＰＳ可以纳入整合。上海地铁已发布《上海城市轨道交通网络建设标准化技术文件弱电系统UPS电源整合设计指导意见》，该指导意见已经明确推荐地铁弱电系统电源采用UPS集中供电方式。

2、综合UPS供电系统方案分析

集中供电方式优势明显，但存在所有系统整体断电的风险。如何保证各系统可靠性和可维护性的前提下，如何进行UPS整合是摆在设计院和地铁运营之间突出问题？深圳地铁二期工程中，综合UPS供电系统方案如下：

图1  综合UPS供电系统图

从深圳地铁4年多的应用经验来看，此供电方案存在以下3点问题：

1）UPS进线主路与静态旁路同源。

当UPS逆变IGBT或驱动板出现失效情况时，将引起相间短路，造成ATSE输出开关跳闸，导致主路与静态旁路同时掉电。在UPS故障后，UPS本可以自动转为旁路供电模式。因静态旁路掉电，所以造成负载掉电。

2）UPS末端弱电设备采用单回路供电。

     ①不满足《地铁设计规范》GB 50157-2003中相关要求---“地铁通信设备应按一级负荷供电。由变电所引接双电源双回路的交流电源至通讯机房交流配电屏，当使用中的一路出现故障，应能自动切换至另一路。”

② 供电线路长，一旦线路出现问题，短时间内难以恢复设备供电。根据美国的大型数据统计中心的行业统计资料: 在UPS输出供电系统的故障中,79%来源于UPS输出与负载之间的供电线路上的故障。

③UPS智能输出配电柜断电保养和维修困难。UPS智能输出配电柜内有众多控制元件，负责二十多个弱电子系统电源分配。一旦因保养和故障原因断电，将造成通信、综合监控、票务系统瘫痪，影响范围较大。

3）UPS进线双电源切换装置故障维修困难。

进线双电源切换装置故障(出现卡制情况)时，UPS主路和旁路均失电，将转为电池供电模式。因电池供电时间有限，所以必须控制双电源维修时间。万一双电源故障没能及时发现，将有可能因电池耗尽，造成负载失电。

    因此，如何避免单节点故障是设计弱电综合UPS系统设计的关键。现提出如下优化设计方案。

图1  单机供电方案

图3 并机供电方案

此设计方案，通过UPS主旁路分离的办法，解决了主路与静态旁路同源的问题；通过UPS旁路电源由双电源进线端取电，且单独设置配电箱的办法，解决了双电源维修的问题；通过末端负载增加旁路的办法，解决了末端弱电设备单回路供电的问题，同时解决了UPS单机系统UPS主机隔离检修的问题。因此，综合UPS供电系统冗余性大大提高，可靠性和可维护性方面大大提高。

    3、综合UPS单机与并机选择

每条地铁线路所有车站、车辆段、停车场、控制中心、数据中心均会设计一套综合UPS系统。因UPS系统可靠性设计与负载重要性息息相关，所以单机与并机选择其实是根据系统对供电可靠行性要求后做出的判断。UPS单机系统，在故障时一般会自动转为旁路供电。但UPS内部严重故障时，自动旁路功能可能会失效。所以UPS单机的可靠性是有限的。若采用UPS 1+1并联方式，在正常工作时，两台UPS主机均分负载；在一台UPS主机故障时，另一台UPS主机承担全部系统负载。UPS系统的2台UPS主机互为备份。1+1并机相对与单机而言系统可靠性大大增强。

控制中心UPS负责全线通讯系统、综合监控、OA系统、安防系统等核心设备供电。一旦断电，会导致全线公务电话、有线专用调度电话、无线手持台、无线车载台、AIS系统、SCADA系统、BAS系统、OA系统、安防系统无法使用，严重影响行车安全和运营安全。因此，控制中心UPS重要性远远高于车站综合UPS，建议选用并机系统。

数据中心配置有多个系统的服务器和交换机，负责全线票务数据、能源数据、管理数据、资产和物资数据的存储、查询和分析。在国内外数据中心机房，绝大多数用户会选择1+1并机供电方案。

其他各站点综合UPS系统建议选用单机系统。

4、后备蓄电池配置方案分析

蓄电池是UPS系统的重要组成部分，是保证供电系统正常运行的最后一道保证。从目前深圳地铁UPS系统配置情况来看，蓄电池的占整个系统投资40%以上。合理选择蓄电池配置方案，能够有效延长使用寿命，延长更换周期，从而降低运行成本，节约能源。

1）合理配置并联蓄电池组

为了提高蓄电池组供电可靠性，普遍采用多组蓄电池并联方式。

图4  两组蓄电池并联

如图所示，并联蓄电池组在恒压充电状态下：I=I1+I2。而实际工作中，往往两组电池组的电流并不相等。这是因为电池在使用过程中，单节电池的物理结构、电解液密度出现差异，造成各节电池内阻之间存在差异。蓄电池组是由若干个电池串联组成，各节电池的不均衡性积累成电池组的不均衡性。若1组电池内阻偏小，则I1＞I2，该组充电电流大，电池组的温度升高，温度高的电池电解液内阻小，使充电电流进一步升高。这种运行方式造成了恶性循环，是蓄电池组并联运行无法克服的致命缺陷。

因此建议单机系统只配置2套蓄电池组；并机系统，每台主机各配置1套蓄电池组。每套蓄电池组容量按总后备容量的50%来设计即可。如图1，图3所示

2）合理控制蓄电池容量

综合UPS系统蓄电池容量是根据各类负荷功率和后备时间计算出来的，如表1，表2，表3所示：

从深圳地铁实际使用情况来看，蓄电池配置容量远远大于实际负载容量，一般带载率在10%-15%之间。这是由于设计阶段，各类设备厂家没有认真计算和核定设备功率，造成UPS后备时间8小时以上，存在UPS主机容量和电池容量严重浪费。跟进实践经验推荐，单机UPS的最大负载量一般为UPS容量的50%～60%，并机UPS的最大负载量一般为UPS容量的30%～40%，并合理控制蓄电池容量。

5、配置成熟完善的监控系统

地铁综合UPS分布在沿线各站点，较为分散。所以选用一套完善的监控系统，对全线综合UPS系统进行实时监控和管理，非常必要。主要实现以下功能：

1）当前数据查询。可查询设备的各种当前运行数据和当前告警数据。

2）故障告警通知。

3）机房环境的实时监控，包括温度、湿度、烟雾，门禁，水浸等。

4）方便的报表查询，可提供设备告警报表、运行数据报表和操作记录报表。

6、 结束语

随着城市轨道交通的快速发展,,弱电系统综合UPS已广泛应用。从使用维护角度出发，综合考虑运营维护风险，从整合方案、供电系统方案、冗余度、蓄电池配置方案、监控系统等方面总结经验，不断完善，才能使弱电系统综合UPS供电方案得到更广泛的认可。

参考文献

[1]刘沃鸿.集中式与分布式UPS在地铁弱电系统中的应用对比与优化建议[J].工程技术研究,2020,5(14):38-41.

[2]钱信臣.城市轨道交通弱电电源整合方案研究[J].通信电源技术,2018,35(11):250-251+254.

[3]何治新.城市轨道交通UPS集中供电系统技术与应用探讨[J].电气时代,2018(07):69-71+74.

[4]张文涧.城市轨道交通弱电系统电源建设及运营管理问题探讨[J].机电工程技术,2013,42(07):183-186.

[5]詹占岚,陈小林.城市轨道交通弱电综合连续不间断电源(UPS)研究[J].城市轨道交通研究,2004.13,16(07):102-1