AFC系統采用集中式后備電源的經濟可行性研究

余壯杰+周錦源+周健明+蔡媚媚

【摘 要】城市軌道交通的AFC系統需要可靠性較高的電源以保證供電質量和供電連續性。目前大都數AFC系統的UPS采用分散式供電方式，然而該方式具有可靠性低、占用面積大、管理及維護成本高等種種缺點，無法滿足近年來地鐵用戶對UPS電源系統高可靠性、便于擴展、易于管理和節省空間的設計原則和要求，因此對采用集中式后備電源為AFC系統供電的可行性進行研究具有重要的現實意義。本文簡要闡述了UPS的工作原理和設置方式，從經濟方面分析了AFC系統采用集中式后備電源的可行性，并根據AFC系統對電源的要求，給出采用集中式UPS供電的合理性建議。

【關鍵詞】AFC系統；UPS；經濟可行性

0 引言

目前AFC系統的UPS大都采用分散供電方式，存在設備重復配置、利用率低、占地面積大、經濟上不合理等缺點，而采用集中式UPS供電可以克服這些缺點。隨著電力電子設備制造工藝和應用技術的發展，大容量電源和控制技術在通信和電力系統中應用已經成熟，為弱電電源系統的集中整合提供了條件。目前已有部分城市嘗試采用集中式UPS為弱電系統供電，如上海7、9、11、13、2號線東延、2號線西延，北京4號線、機場線、15號線等。集中式UPS雖然可以提高系統穩定性，然而決定是否采用該方式還需綜合考慮成本問題，因此有必要對分散式UPS和集中式UPS的成本進行分析對比。

1 UPS概述

不間斷電源（UPS）是利用電池化學能作為后備能量，在市電斷電等電網故障時，通過連續放電來實現供電的連續性，不間斷地為負載提供（交流）電能的一種能量轉換裝置。其電源系統由四個部分組成：整流、儲能、變換和開關控制。

UPS的配置方式可分為分散式和集中式兩種。分散式就是根據設備的需要分別配備適合的中、小功率UPS。集中式是用一臺較大功率的UPS負載所有設備。[1]

為了提高集中式UPS電源系統運行的可靠性，往往需要將多臺UPS進行冗余連接，這種冗余連接技術包括串聯連接和并聯連接。其中又以并聯冗余連接具有較高的可靠性。[2]

目前城市軌道交通后備電源整合方案中較多采用的是“1+l”并聯冗余方案，該集中式UPS電源系統設置兩套UPS電源裝置，主要包含UPS主機單元、蓄電池及配電柜。[3]

UPS主機單元包括高頻開關模塊、逆變器、隔離變壓器、靜態旁路、檢修旁路、綜合測控裝置等。兩套UPS裝置容量相等，平時分別帶總負荷的50%左右，若其中一臺UPS裝置出現故障，另外一臺UPS裝置帶所有負荷。

蓄電池按兩套（每套兩組）配置，分別接入兩套UPS電源裝置。兩套蓄電池的總容量應滿足失電后被整合設備總負荷100%的供電需求。平時，每套UPS裝置的電池，保證一臺UPS裝置對負載供電的要求。若一臺UPS裝置出現故障時，投入兩套裝置的電池為全部負荷供電，電池不進行備份。

2 分散式UPS成本分析

目前地鐵站級設備SC、TVM、AGM、BOM、TCM均分別配置各自的后備電源，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，下面進行成本分析。

2.1 采購成本

以本人從事的某城市地鐵某站為例進行分析，該站首次后備電源采購成本（僅設備成本，建設所需成本除外）如表1所示。

由于電器設備為消耗型器材，存在一定的使用壽命。為了保障設備的正常運營，地鐵會按一定周期更換后備電池。現時的標準為兩年更換一次，以該站為例，其每年的UPS后備電池更換成本為：每種設備的后備電池現場數量分別乘以該設備后備電池單價后求和，再除以2，得出平均每年更換后備電池的成本為15873元。

2.2 維護成本

2.2.1 現場維護成本

現場維護成本包括故障維護成本和計劃檢修維護成本。

故障維護成本，即現場維修人員所需的工時。從調查數據可知，該站每年的AFC系統后備電源故障數量約為9次，平均故障修復時間約為30分鐘，每次更換需要兩人合作完成，故每年所需故障維護成本為0.5小時/人/次*2人*9次=9小時。

計劃檢修維護成本，即維修人員進行計劃性檢修所需的工時。計劃性檢修包括季檢、年檢、周期更換電池等。維修人員在進行季檢、年檢時，需要對后備電源模塊進行維護，檢測后備電源模塊在市電斷電的情況下維持供電的性能；另外周期更換電池也需要一定的人力成本。以該站為例，通過檢修相關計劃要求，計算出每年計劃性檢修的維護成本為86小時。

因此，后備電源的現場維護成本為9+86=95小時。

2.2.2 返修維護成本

當出現維修人員現場解決不了故障的時候，后備電源需返回維修，這時同樣地包含了不可忽略的人力成本、運輸成本、材料成本。

3 集中式UPS成本分析

目前城市軌道交通后備電源整合方案中較多采用的是“1+l”并聯冗余方案，以下對該方案進行成本分析

3.1 采購成本

集中式UPS的采購主要成本包括UPS主機、蓄電池及配電柜的成本。UPS主機選用深圳山特的3C3-EX30KS型號，單價35000元，數量2個；蓄電池選用深圳山特的12V100AH鉛酸免維護電池，單價505元，數量70個（庫存6個）；配電柜單價2000元，數量1個。總計采購成本107350元。

3.2 維護成本

集中式UPS的故障率極低，地鐵某線路的BAS系統就是采用集中式UPS，開通至今已兩年多，全線只出現過一次故障，因此集中式UPS的故障維護成本非常低。且該線路的BAS系統為單機系統，而“1+1”并機系統比單機系統具有更高的穩定性和可靠性，因此故障維護成本比單機系統更低，此處忽略不計。

其中該UPS的維護計劃分為每月清潔1次和每季度充放電測試1次。每次清潔時間為半小時，充放電時間為1小時。故可計算出該站采用集中式UPS供電時的計劃檢修維護成本為：12個月*0.5h+4個季度*1h=10小時。

對于電池周期性更換，如同樣按照現時兩年為周期更換計算，每次更換需要32320元，與分散式成本相仿。

綜上，通過UPS分散式供電與集中式供電的成本對比，可知集中式供電的采購成本比分散式節約了16%，維護成本比分散式節約了89%。

4 結論

通過對UPS采用 “1+1”并機冗余供電方案為AFC系統供電，該方案可提高系統的可靠性、可用度，且具有可維修性、可維護性和可擴展性，在技術上是可行的；通過成本分析可知，雖然UPS分散式供電與“1+1”并機冗余供電兩種配置方式的前期投資成本差別不明顯，但是由于集中式UPS能夠降低故障率，大大節約維護成本；另外有助于統一UPS電源、蓄電池、備品備件的品牌型號，便于維護管理，提高維修質量和效率。在成本角度考慮采用集中式UPS為AFC系統供電是較合算的。

UPS整合的目的是優化配置、集中利用、減少投資、統一維護管理和降低運營維護成本。地鐵弱電系統采用集中式UPS可以解決系統分設UPS帶來的運營維護管理的不便，實現對UPS的遠程監控及維護，降低用電量，達到節能的目標。目前國內部分城市已在進行弱電系統UPS電源整合的嘗試，城市軌道交通領域資源整合是發展趨勢。

【參考文獻】

[1]鄭旭日.UPS整合系統在城市軌道交通中的應用[J].中國高新技術企業，2010（21）.

[2]黃紹毅.UPS供電系統可靠性的計算分析[J].電氣傳動自動化，2005，27（5）.

[3]趙美君.地鐵車站弱電系統集中UPS供電分析[J].電源技術應用，2007，10（7）.

[責任編輯：王偉平]