青島地鐵設備系統 UPS 設置方式研究

羅情平，陳修哲

（青島地鐵集團有限公司，山東青島 266045）

0 引言

城市軌道交通工程中，設備系統是保障列車安全運行、正常運營、應急處置和智能聯動的中樞神經，主要包括專用通信系統、信號系統、綜合監控系統、AFC系統、站臺門系統等，這類設備系統對電源的質量、供電的連續性、供電的可靠性要求較高。為滿足其配電需求，需要采用 UPS 設備為其提供高可靠性、高品質的不間斷電源。

早期的國內城市軌道交通工程建設中，大多采用各設備系統獨立設置UPS電源系統的方式。但是，這種UPS 電源系統的設置方式在實際運營過程中暴露出了一些弊端，如設備分散、維護管理專業化程度低、日常維護管理工作量大、經濟性低等問題。近年來國內城市軌道交通行業開始對 UPS 進行不同程度的集中設置，但各地的集中范圍、實施方式等各有不同。另外，伴隨著大容量電源系統、先進控制技術、分時下電技術等的成熟應用和不斷進步，也為城市軌道交通中各設備系統 UPS的集中設置提供了有利條件。

1 設備系統電源技術分析

1.1 電源需求分析

城市軌道交通設備系統 UPS 按設置地點可分為車站、控制中心以及車輛段/停車場。由于車輛段/停車場各設備系統機房設置相對分散，距離較遠，設備系統集中設置UPS 的功率會大量損失在傳輸線路上，造成不必要的浪費。因此，車輛段/停車場一般不采用集中設置 UPS 的方式，僅在正線車站、控制中心統籌考慮是否將 UPS 進行集中設置，具體分析如下。

（1）通信系統。通信系統由民用通信、公安通信、專用通信三大部分組成。民用通信系統大多由鐵塔公司負責建設及運營維護；公安通信系統一般專供地鐵公安使用，相對獨立；專用通信系統、PIS 系統的負載主要為容性負載，并且多為計算機、網絡通訊設備等，具備 UPS 集中設置條件。

（2）信號系統。信號系統是保證列車運行安全、監控列車運行的關鍵設備，對 UPS 的要求比較高。結合運營經驗及需求，為保證其獨立性，一般獨立設置信號系統的 UPS 電源，為信號系統提供高質量、高可靠的不間斷電源。

天津地鐵 2 號線、深圳地鐵 3 號線曾經將信號系統納入集中設置范圍，但在其后續的新建線路中均不再采用此種做法。

（3）綜合監控系統（含門禁）、BAS 系統。綜合監控系統（含門禁）、BAS 系統負載主要為計算機、網絡通訊設備、PLC 控制器，大多集中在設備室，具備UPS 集中設置條件。

（4）AFC 系統。AFC 系統中的車站計算機系統（SC）負載主要為計算機、網絡通訊設備，并且集中在設備室，具備 UPS 集中設置條件。

AFC系統中的終端設備（SLE）早期大多采用設備內部分散設置 1 kVA 左右的小 UPS，這種設置方式存在小容量 UPS 穩定性及可靠性不高、維護管理工作量較大、實際使用壽命較低等問題。因此，將終端設備也納入集中設置范圍。

（5）FAS 系統。FAS 系統位于車控室的主機柜，一般直接采用蓄電池作為應急電源（DC 24V），并且須經過消防部門的 CCCF 認證。但是，FAS 系統工作站可由集中式 UPS 提供不間斷電源。

（6）站臺門系統。站臺門系統運行方式比較特殊，一般分為控制電源和驅動電源，兩者分開設置。驅動電源負載一般為分散性的非線性電動機負載，采用直流電源，啟動電流較大，對電源系統有較大影響；控制電源一般采用交流電源，但是負載容量較小。因此，站臺門系統適合采用UPS 分散設置方式。

（7）應急照明系統。應急照明系統對供電要求沒有達到 UPS 等級，不需要絕對的不間斷供電。作為后備式電源系統，其對電能質量要求較低，并且用電點比較分散，更適合就地設置獨立的 EPS 應急電源系統，且 EPS 系統需要通過消防認證。因此，不宜納入集中設置范圍。

（8）變電所控制電源。變電所需要的不間斷電源主要用于變電所設備的控制、合閘等操作，一般為直流電源。考慮到牽引供電系統的安全可靠運行，后備電源適合獨立設置，即變電所自行設置交直流屏，滿足后備電源需求；同時考慮到變電所與車站其他設備系統分不同層分散在車站兩端，變電所控制電源距離集中電源室較遠，若整合需跨越整座車站，線路迂回、壓降較大，因此不宜納入集中設置范圍。

1.2 負荷等級

按照 GB50157-2013《地鐵設計規范》對負荷等級進行規定：

（1）專用通信系統、信號系統、FAS系統、BAS 系統、變電所控制電源、地下車站及區間的應急照明均為一級負荷中特別重要負荷；

（2）綜合監控系統（含門禁）、AFC 系統、站臺門系統為一級負荷；

（3）PIS 系統為二級負荷。

2 集中與分散設置方式對比分析

2.1 維護管理

（1）分散設置。UPS 電源系統隨著各設備系統招標，品牌、規格、型號不一致，存在設備及備品備件種類繁多問題，維護及運營管理不方便。不同設備系統對應不同的歸口管理部門，各部門均需負責 UPS 的維護工作，造成人力資源浪費、重復配置。

（2）集中設置。品牌統一，備件的類型和數量少，便于集中化管理，可實現資源共享，優化人員配置，提高運營維護的專業化程度。

2.2 設備房

（1）分散設置。設備系統多單獨設置電源室，占用的設備房面積較多。

（2）集中設置。UPS 電源系統集中設置于統一的電源室，方便運營人員在同一個物理地點對 UPS、蓄電池進行統一維護、管理。

2.3 設計容量

（1）分散設置。各設備系統單獨計算自己的容量需求，設計較為保守，冗余量考慮較多，實際負載率較低。

（2）集中設置。統籌考慮各設備系統的容量需求，進行容量的優化設計。

2.4 故障影響范圍

（1）分散設置。故障影響面較小，各專業使用專為本系統提供的不間斷電源。

（2）集中設置。故障影響面較大，納入集中范圍的系統均會受到影響。

3 設置方式

3.1 設置原則

綜合考慮房間、容量、管理、監控以及維護保養需求，采用集中式 UPS 電源系統符合系統集成、資源共享的發展趨勢。但是，隨著集中式 UPS 電源系統應用的不斷發展，被納入整合的設備系統越來越多。部分設備系統因對自身小容量 UPS 電源缺乏合理有效的維護管理，只要是需要 UPS 配電的設備，不論負荷等級，不論是否為應急電源或備用電源，均希望納入集中式 UPS電源系統，造成了 UPS 高度集中化。同時，隨著集中式UPS 電源系統供電的設備越來越多，一旦 UPS 發生故障，影響面較廣，將影響到多個設備系統的運營生產。因此，在考慮 UPS 電源的集中設置方式中，不應盲目追求和放大集中整合式 UPS 電源系統供電帶來的好處，而忽略了其不足。

另外，GB50157-2013《地鐵設計規范》規定：“一級負荷中特別重要的負荷，應增設應急電源，并嚴禁其他負荷接入。”

青島地鐵組織各線路相關設計院對 UPS 設置方式進行了多次研討，在嚴格執行國家有關規范和要求的基礎上，結合各設備系統的實際特點，對是否納入集中范圍進行慎重研究，按照“適度集中、適度整合”原則，確定采用分散式與集中式相結合的方式進行設置，并最終形成了《青島地鐵設備系統 UPS 設置原則》標準，在青島地鐵 4 號、6 號、8 號線等線路中進行具體實施。隨著該標準的實施，可有效減少 UPS 備品備件的種類和數量，也有利于 UPS 的專業化維護和集中化管理。

3.2 實施方式

集中式 UPS 的具體實施方式主要有“單 UPS+ 單蓄電池”、“雙 UPS+ 雙蓄電池”（各 50% 負載）等，在國內各城市均有應用。不同的實施方式各有利弊，表1 從可靠性、維護性、成本等方面對不同的實施方式進行了分析。綜合表1 分析結果，青島地鐵對一級負荷中特別重要負荷設備系統的綜合 UPS 電源采用“雙 UPS+ 雙蓄電池”（各 50% 負載）方式，以提高系統可靠性、冗余度；其他負荷的綜合 UPS 電源采用“單 UPS+ 單蓄電池”方式，在滿足可靠性要求的條件下可節約工程投資。

（1）一級負荷中特別重要的負荷。提供不間斷電源，包括專用通信系統、BAS 系統、FAS 系統工作站，采用“雙 UPS+ 雙蓄電池”（各 50% 負載）實施方式。

（2）其他負荷。提供不間斷電源，包括綜合監控系統（含門禁）、AFC 系統（含車站計算機系統、終端設備）、PIS 系統，采用“單 UPS + 單蓄電池”實施方式。

（3）在綜合 UPS 電源系統中配備蓄電池組在線均衡裝置，用于蓄電池的電壓、電流、內阻、容量等參數檢測，可自動對單節電池電壓進行均衡調整，使它們工作在相同的電壓狀態，避免過充或欠充現象，以提高蓄電池組運行質量，防止蓄電池組快速老化，延長蓄電池組使用壽命。

（4）對性能落后的單節電池進行在線活化，對蓄電池內部電極板的結晶和硫酸的沉淀進行激活，以防止蓄電池因長期浮充而導致的硫酸鹽化，消除從內部引起的安全隱患，確保蓄電池處于最佳狀態。

表1 集中式 UPS 不同實施方式對比分析

3.3 維護管理

（1）集中式 UPS 電源系統負責多個設備系統的電源供電需求，運營單位應高度重視相關的維護保養工作，設置專門的維護保養班組，配備相關專業技術人員，并配置專業的檢修、維護工具，制定完善的維護管理制度。

（2）定期對 UPS 及蓄電池進行清潔保養，查看電源室的環境溫度、濕度是否在合理范圍，查看蓄電池是否存在變形、漏液、裂紋等問題。設置專門的移動充放電裝置，對蓄電池組定期進行充放電管理，延長蓄電池的使用壽命。

4 結束語

青島地鐵對各設備系統的電源需求進行了細致的技術分析，在滿足地鐵設計規范對負荷等級、接入要求等相關規定的前提條件下，結合設備系統的特點確定集中范圍，并以企業標準的形式明確各線路設備系統采用分散式 UPS 與集中式 UPS 相結合的方式進行工程實施。

“適度集中、適度整合”的 UPS設置原則，既能保證 UPS 綜合電源系統的可靠性，控制系統的復雜程度和故障影響范圍，也符合當今資源共享的理念和專業化維護、集中管理的發展趨勢。

集中式 UPS 系統作為一個綜合電源系統，在具體實施過程中，應注意對設計、設備生產、安裝調試、使用保養等各個環節嚴格把關，協調各專業密切配合，做好接口對接和提資工作，有效發揮集中式 UPS 的優勢，為相關設備系統提供高質量、干凈、可靠的不間斷電源。

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