軌道交通UPS集中供電系統的RAMS研究

別碧勇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

1.1 RAMS及在軌道交通領域的應用

RAMS是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維護性(Maintainability)和安全性(Safely)的縮寫[1]。RAMS概念源于20世紀70年代,用于對大型復雜項目的管理,最早應用于核電、軍工、民航等領域,目前在國外軌道交通行業也取得了廣泛應用,在國內北京地鐵4號線、上海地鐵10號線等已率先引入RAMS管理,國內很多新建的軌道交通工程也準備采用RAMS進行安全性和可靠性管理。

英國標準協會(BSI)1999年頒布了EN 50126《鐵路應用——可靠性、可用性、維修性和安全性的規范和驗證》,成為歐洲各國軌道運營商和供貨商廣為采用的RAMS管理標準,也是目前軌道交通行業實施RAMS管理的基礎[2]。RAMS體系既適用于軌道交通工程整個項目,也適用于項目分解后的某個具體系統,例如本文要展開研究的軌道交通UPS集中供電系統。

1.2 軌道交通UPS集中供電系統

軌道交通是大型復雜系統工程,其機電系統包括通信、信號、綜合監控、自動售檢票、設備與環境監控、火災報警等專業應用系統。早期這些機電系統不間斷電源(UPS)按照專業分散配置,各系統不論耗電量大小,均配置一套UPS電源設備,暴露出故障多、管理分散、電池使用壽命低、建設和維護成本高等諸多問題。隨著近些年大容量的UPS技術的快速發展,軌道交通建設逐漸采用對通信、信號、綜合監控等系統進行UPS集中供電方式,即采用UPS集中供電系統。上海地鐵7號線、北京地鐵9號線、天津地鐵2號線、蘇州地鐵1號線等項目目前已經或正在實施UPS集中供電系統。

UPS集中供電系統主要由幾個部分組成：交流不間斷電源設備(UPS)、交流配電屏、高頻開關電源、蓄電池及電源監控模塊。這個新誕生的系統也面臨以下問題：一方面UPS集中供電系統服務于眾多機電控制系統,風險也集中了,對其安全性、可用性要求也就提高了；另一方面,該系統工程實施中涉及到的接口眾多,目前該產品市場成熟度還不高,很難由一家供貨商提供全套產品和服務,存在模塊選型匹配、接口協調等問題。

因此,非常有必要對該系統引入RAMS管理,對其可靠性、可用性、可維護性及安全性進行定性和定量分析,研究其方案設計、設備配置、運行管理等全生命周期中存在的風險因素及應對策略。

2 UPS集中供電系統的RAMS設計

2.1 UPS系統可用性和可靠性指標

可靠性是指系統在規定的條件下、在規定的時間內,完成規定功能的能力,通常用平均無故障工作時間 MTBF(Mean Time Between Failure)來衡量。根據UPS系統的基本需求,綜合考慮系統各設備的可靠性,以及軌道交通運營需求,系統整體可靠性指標MTBF應大于10萬h。

可用性是指在給定的瞬間或在給定的時間間隔內,處于某種狀態的產品在給定條件下執行所要求功能的能力。通常用可用度來衡量。可用度=系統運行時間/(系統運行時間+系統停機時間)×100%。即可用度=MTBF/(MTBF+MTTR)×100%。提高系統可用性的基本方式就是延長MTBF,縮短MTTR。根據UPS系統的基本需求,屬于具有故障自動恢復能力的可用性,其可用性指標應達到99.9%。

2.2 UPS系統的可用性和可靠性設計

提高UPS系統可用性和可靠性可以從UPS系統運行保護方式、容量冗余配置、后備蓄電池及優化、輸入輸出保障等方面入手。

(1)UPS運行保護方式

為確保系統供電可靠性,可采用UPS并機冗余的運行方式,實踐證明,隨著位于UPS冗余系統中的UPS單機的數量增加,整個UPS并機系統的可靠性是不斷下降的(表1)。軌道交通建議采用1+1并機冗余方案。

表1 并機系統可靠性比較

注：UPS單機MTBF取為1。

(2)UPS容量的冗余考慮

UPS容量根據負荷量計算確定,為增加系統的可靠性,同時延長UPS使用壽命,一般建議負荷量占UPS輸出功率的60%～70%為宜,同時要考慮UPS的輸出功率因數。一般計算公式如下

式中Se——UPS設計容量；

n——安全系數,取1.2～1.5；

m——余量系數,取1.15～1.2；

P——所有專業功率和；

Pi——第i個專業功率。

(3)后備蓄電池配置與優化

后備蓄電池是UPS電源系統的重要組成部分,能將電能轉化成化學能存儲。正常情況下,供給負載的電源是外供交流電源經UPS整流、逆變后輸出的220/380 V交流電源,同時給蓄電池充電；當外供交流電源故障時,蓄電池放電,將化學能轉化成電能。它是決定整個電源系統可用性的重要因素。

后備電池容量配置主要由負載大小、環境溫度、電池放電率等因素決定,具體計算方法如下

式中C——蓄電池容量；

IL——負載工作電流；

T——后備時間；

α——溫度系數；

t——工作溫度；

K——蓄電池放電效率,一般取值0.5～1,與放電時間有關。

其中,后備時間是關鍵參數。一般取值方法有3種：簡單的取最大值、算術平均值、加權平均計算法。加權平均計算法可以采用如下公式初步估算

T=(P1×T1+P2×T2+…+Pi×Ti)/

(P1+P2+…+Pi)

式中Pi——專業i的用電量；

Ti——專業i的后備時間。

以某軌道交通工程為例,根據表2的數據,采用加權平均計算方法,得T=0.8 h,比簡單取最大值方法電池容量配置核減約60%。而后備蓄電池的造價占到整個電源系統成本的近一半,在滿足系統可用性要求情況下,節省了投資。

表2 普通車站各專業的用電需求

2.3 UPS系統的安全性分析

提高UPS系統安全性主要從潛在風險的過程控制上入手。

潛在風險包括方案設計上的缺陷、環境安全風險、設備安全風險、使用與管理不當等方面。其中,方案設計方面已在前述章節中詳細討論,這里從環境、設備自身、使用管理等方面分析潛在的風險及應對措施[3]。具體分析見表3。

表3 風險要素分析與控制措施

2.4 UPS系統的可維護性分析

提高UPS系統可維修性可以從設備功能、維修機構設置和維修方案等層面入手。

(1)設備的可維修性

UPS設備配置上采用1+1并機冗余,另外內置維修旁路,維護可以轉到維修旁路,單機的維修或擴容均不會對負載產生影響。

在監控中心設置UPS電源集中監控系統,對在各個車站、停車場、車輛段、控制中心的UPS設備等進行遠端遙控、遙測、遙信和監控。故障發生時,監控中心應有可聞、可視告警信號(燈亮、鈴響),并對故障進行定位。UPS電源系統重要板卡的告警,在告警顯示上設置專門具體的提示,以便維護人員能迅速判定故障,進行處理。

建立專家數據庫：應在監控系統軟件內存貯各種可能的故障信息,并針對每一種故障給出多種維修和應急處理預案,還應具備自動處理功能,包括整流器和逆變器的開/關、轉旁路、將故障UPS從并機系統中隔離等。

(2)維修機構設置

通常UPS系統不單獨設置維修車間,納入在綜合維修基地設置的通號車間或供電車間,下轄一個或多個維修工區,按線路平均分布在鄰近車站上,負責所轄范圍各站UPS設備維護及日常巡檢。

(3)維修方式

UPS設備維護建議采用日常維護、定期檢修、巡檢等方式,即對涉及日常運行的UPS設備,實行預防維修方式,以現場檢修為主,車間檢修為輔。其中對蓄電池的巡檢與例行檢查是重要內容之一,主要內容見表4。

3 UPS系統RAMS實施建議

(1)制定UPS系統RAMS規劃

從項目開始制定系統RAMS規劃,貫穿生命周期,且關注過程控制。RAMS是過程控制的思維,其關注的焦點在過程而非結果,通過建立一套完整的體系對系統性能及效果進行規范,對實現的過程及方法做系統性的規定,同時強調項目全生命周期過程控制(圖1)[4]。

表4 維修檢測方式

圖1 系統安全生命周期流程

(2)RAMS實施需多方參與、分工協作

UPS系統的生命周期涉及到業主、設計單位、集成商、供貨商等多家單位,各方在不同階段對RAMS的管理有不同的責任和任務。要成功推行RAMS,各方必須互相配合、且對RAMS管理達成共識。

(3)經濟性與安全性的平衡

RAMS管理中引入了目前英國鐵路安全管理中普遍應用的“低至合理可忍受程度原則”,即ALARP(As Low As Reasonable Practicable)原則,如圖2所示[5]。

圖2 ALARP原則示意

基于圖2,在城市軌道交通的安全管理中涉及到3類風險。

第1類：足夠大的風險(圖2中“不可接受區”)。這些風險是不允許的,不能以任何理由認為其是合理的。如果風險的等級不能降低至此界限以下,則不能進行此項目。

第2類：足夠小的風險(圖2中“廣闊的可接受區”)。可忽略這些風險,即不需要采用任何方式或方法去減低它,當然必須將該區域的風險始終保持在該等級水平上。

第3類：介于第1、2類之間的風險(圖2中“ALARP”區)。必須采取可行的、合理成本下的方法將其降到可以接受的最低程度；同時,必須對風險降低而花費的代價評估,在風險和代價之間進行平衡。例如UPS集中供電系統設計中,沒必要在后備蓄電池上盲目追加額外投資,因為這樣的投入與所獲得的改進不成比例。

4 結語

綜上所述,從UPS系統方案設計、設備配置選型、項目管理、運營維護等各方面,探討了UPS集中供電系統的RAMS引入方法、控制目標及實施細則。提到的各項措施如果在工程建設過程中予以落實,不僅能提高UPS系統的RAMS指標,而且結合工程經驗初步估算,在滿足UPS系統可靠性、可用性、可維護性和安全性保障的前提下,可節省一次建設成本30%以上,降低運營成本10%以上(減少備品備件損耗和運營維護工作量),經濟效益也相當可觀。

[1]EN50126—1999 Railway applications: the specification and demonstration of reliability,availability,maintainability and safety[S]. British Standards Institution, 1999.

[2]陳 蕾.城市軌道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市軌道交通,2007(5):4-5．

[3]崔建樂.地鐵通信電源系統的安全控制[J].都市快軌交通,2008(4):78-79．

[4]汪元輝.安全系統工程[M].天津：天津大學出版社,1999．

[5]陳 蕾.城市軌道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市軌道交通,2007(5):4-5．