地鐵車站UPS電源整合方式和容量確定

黃 俊

（南昌軌道交通設(shè)計研究院有限公司，江西南昌 330038）

1 UPS電源整合的意義

運營管理方面：整合電源，使運營管理更便捷、更集中，解決了設(shè)備過于分散、運營管理不方便的問題。

工程投資方面：集中設(shè)置UPS，可減少UPS設(shè)備用房面積，還可減少UPS設(shè)備重復(fù)配置，減少定向投資。

人力資源方面：整合后只需要一組維護(hù)人員，改變了各專業(yè)重復(fù)設(shè)置維護(hù)人員的情況，降低了人工成本，提高了運營維護(hù)工作效率。

備品備件方面：進(jìn)行電源整合后，車站電源設(shè)備統(tǒng)一，減少了運營備品備件的種類。

2 車站UPS電源整合主要原則

所有被整合的電源系統(tǒng)必須滿足UPS電源技術(shù)要求，確保各機(jī)電系統(tǒng)UPS電源的安全、可靠和可行性需求；UPS電源整合方案應(yīng)充分考慮系統(tǒng)可靠性及運營維護(hù)的統(tǒng)一性；UPS電源室應(yīng)在負(fù)荷中心附近設(shè)置；UPS電源整合方案應(yīng)根據(jù)各系統(tǒng)的容量需求、負(fù)載特點和備用時間等進(jìn)行綜合計算[1]。

3 車站UPS電源整合主要范圍

3.1 各專業(yè)整合分析

（1）變電所：變電所操作電源為直流電源，若采用UPS電源供電，則需要增加直流輸出裝置。此外，變電所操作電源大多為沖擊性負(fù)荷，影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，所以變電所操作電源應(yīng)獨立設(shè)置，不納入整合。

（2）通信系統(tǒng)：商用通信、專用通信、公安通信系統(tǒng)主要為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機(jī)等容性負(fù)載，需要AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。鑒于商用通信、公安通信的使用和專用通信并不相同，且與專用通信無法同期投入運營，因此商用通信、公安通信不納入整合。

（3）信號系統(tǒng)：可納入UPS電源整合。鑒于行車安全信號要求的安全性、可靠性等級較高，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，此信號系統(tǒng)應(yīng)采用專用電源，不納入整合。

（4）應(yīng)急照明：主要為感性負(fù)載，分布在整個車站內(nèi)，范圍廣、容量大、重要程度高[2]。不宜納入整合范圍。由動力照明專業(yè)在照明配電間單獨設(shè)置EPS電源進(jìn)行供電。

（5）屏蔽門系統(tǒng)：負(fù)載主要集中于站臺，驅(qū)動電機(jī)為電感性負(fù)載，沖擊電流大。屏蔽門系統(tǒng)宜獨立設(shè)置后備電源，不納入整合。

（6）綜合監(jiān)控系統(tǒng)：主要為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機(jī)等容性負(fù)載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

（7）自動售檢票系統(tǒng)：主要為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機(jī)等容性負(fù)載以及閘機(jī)等AFC終端設(shè)備，需AC 380/220 V電源，適合采用UPS電源供電。

（8）FAS系統(tǒng)：由于消防設(shè)備、線纜有耐火等級要求，消防系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)受公安部消防認(rèn)證監(jiān)督，相關(guān)設(shè)備需要有FAS系統(tǒng)使用的驗證資質(zhì)，應(yīng)接受安裝現(xiàn)場消防驗收。FAS系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置專用不間斷電源，不納入UPS整合。

（9）門禁系統(tǒng)：主要為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機(jī)等容性負(fù)載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

（10）旅客信息顯示系統(tǒng)：主要為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機(jī)等容性負(fù)載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

（11）環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控：主要為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機(jī)等容性負(fù)載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

3.2 整合范圍匯總

整合范圍：專用通信、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、AFC、門禁、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、旅客信息系統(tǒng)等。

不整合范圍：商用通信、公安通信、信號、屏蔽門系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、變電所直流輔助電源、車站應(yīng)急照明系統(tǒng)。

4 車站UPS電源整合方案比選

軌道交通UPS電源整合存在三種方式：單UPS電源整合方式、雙UPS電源整合方式、直流電源整合方式。

4.1 方案一：單UPS電源整合方式

地鐵車站UPS電源系統(tǒng)設(shè)置一套UPS電源裝置（包含蓄電池、整流器、逆變器）、饋線智能配電柜、智能控制單元[3]。

（1）UPS電源裝置運行方式。

正常工作時，UPS裝置將切換后的交流進(jìn)線電源整流并逆變，為各個系統(tǒng)提供高質(zhì)量電源；當(dāng)兩路交流進(jìn)線電源均失電時，UPS裝置將電池儲存能量逆變，為各個系統(tǒng)提供高質(zhì)量電源；當(dāng)UPS出現(xiàn)故障時，自動無間斷切換至靜態(tài)旁路，由切換后的交流進(jìn)線電源直接對各系統(tǒng)供電，此時雖然可以持續(xù)供電，但進(jìn)線電源的波動以及上級電源的倒切時，都將造成電源的短時中斷，影響各系統(tǒng)正常工作。

（2）智能控制單元。

智能控制單元控制UPS電源裝置、蓄電池和饋線智能配電柜，實現(xiàn)UPS電源系統(tǒng)監(jiān)控信息的上傳。

（3）饋線智能配電柜。

各系統(tǒng)均由饋線智能配電柜配置一路AC 380/220 V電源。為了優(yōu)化蓄電池總?cè)萘?，?yīng)按照各系統(tǒng)所需要的不同后備時間，確定蓄電池容量。饋線智能配電柜對不同后備時間的系統(tǒng)，可以按照時間順序切除負(fù)載，并在交流輸入電源失電情況下，通過PLC控制單元依次斷開后備時間為30 min、1 h、2 h的負(fù)載。

（4）蓄電池。

設(shè)置一組蓄電池，其容量由故障后不同的后備時間在各系統(tǒng)負(fù)載需求計算后確定。

4.2 方案二：雙UPS電源整合方式

地鐵車站UPS電源系統(tǒng)設(shè)置兩套UPS電源裝置（包含蓄電池、整流器、逆變器等）、智能控制單元、饋線智能配電柜和負(fù)載同步控制器組成。

（1）UPS電源裝置運行方式。

正常工作時，UPS裝置將切換后的交流進(jìn)線電源整流并逆變，由兩套UPS均流，共同為各系統(tǒng)提供高質(zhì)量電源；母聯(lián)隔離開關(guān)正常時處于投入狀態(tài)；當(dāng)兩路交流進(jìn)線電源均失電時，UPS裝置將電池儲存能量逆變，為各個系統(tǒng)提供高質(zhì)量電源；當(dāng)一套UPS出現(xiàn)故障時，另一套UPS對各系統(tǒng)進(jìn)行供電；當(dāng)兩臺UPS均故障時，則切換后的交流進(jìn)線電源由靜態(tài)旁路直接為各系統(tǒng)進(jìn)行供電。

（2）蓄電池。

每臺UPS電源單獨設(shè)置一組蓄電池，其容量由故障后不同的后備時間在各系統(tǒng)負(fù)載需求計算后確定，考慮到使用效率，每一組蓄電池按系統(tǒng)總?cè)萘康?0%配置。

（3）智能控制單元。

負(fù)責(zé)控制UPS電源裝置、饋線智能配電柜、蓄電池，上傳UPS電源系統(tǒng)的監(jiān)控信息。

（4）饋線智能配電柜。

各系統(tǒng)均由饋線智能配電柜配置兩路AC 380/220 V電源。為優(yōu)化蓄電池總?cè)萘浚瑧?yīng)按照各系統(tǒng)需要的不同后備時間確定蓄電池的容量。饋線智能配電柜對不同后備時間的系統(tǒng)，可以按照時間順序切除負(fù)載，并且在交流輸入電源失電情況下，可以通過PLC控制單元依次斷開后備時間為30 min、1 h、2 h的負(fù)載。

（5）負(fù)載同步控制器。

確保兩套UPS裝置輸出相同的電壓幅值、波形、頻率和相位。

4.3 方案三：直流電源整合方式

直流電源整合方式主要整合直流電源蓄電池組、充電模塊，為變電所、通信、信號、綜合監(jiān)控、自動售檢票、屏蔽門等提供DC220 V不停電電源[4]。

方案三中，對于分散設(shè)置方式，集中設(shè)置蓄電池、高頻開關(guān)充電模塊，方便對蓄電池進(jìn)行統(tǒng)一管理，設(shè)置專業(yè)維修部門，可有效減少重復(fù)配置硬件，降低蓄電池容量，減少占地面積。但通信、信號、綜合監(jiān)控等弱電系統(tǒng)需要的電源主要為交流AC 220/380 V，此系統(tǒng)還需要獨立配置逆變器，考慮到電源可靠性等因素，各系統(tǒng)還設(shè)置了不含蓄電池的UPS。所以直流電源整合方式不是UPS電源系統(tǒng)的主要整合方式，不推薦使用。

因此，本文將方案一和方案二進(jìn)行對比。電源整合方式比較成果如表1所示。

表1 電源整合方式比較成果

通過比較可知，采用兩套UPS的方式優(yōu)勢明顯，技術(shù)先進(jìn)，可靠性和可維護(hù)性更高，性價比合理。因此，推薦選用方案二。

5 UPS容量選擇及選型建議

5.1 目前在建工程中UPS容量選擇存在的問題

目前已投入運行的軌道交通工程UPS系統(tǒng)出現(xiàn)UPS容量偏大的問題，即UPS計算容量遠(yuǎn)大于實際用電，但實際運行過程中負(fù)載率較低，造成了UPS容量浪費，增加了設(shè)備、土建投資。主要原因包括：（1）確定容量時，各系統(tǒng)設(shè)備尚未招標(biāo)，容量需求按最大情況考慮；（2）各用電系統(tǒng)容量需求均考慮設(shè)備擴(kuò)展的預(yù)留；（3）各用電系統(tǒng)設(shè)計過程中在累計標(biāo)注設(shè)備容量后，又引入了一定的可靠系數(shù)，導(dǎo)致負(fù)荷增大；（4）設(shè)備的標(biāo)注容量根據(jù)設(shè)備最大功率運行時產(chǎn)生的負(fù)荷確定。

5.2 UPS容量選擇

UPS容量應(yīng)在各系統(tǒng)用電需求統(tǒng)計基礎(chǔ)上，綜合考慮功率因數(shù)及UPS需要系數(shù)等因素來確定。在低壓配電設(shè)計中一般考慮設(shè)備的需要系數(shù)。UPS供電設(shè)備多為靜態(tài)設(shè)備，即計算機(jī)等電子通信設(shè)備，在正常運行狀態(tài)時，所有設(shè)備均處于運行或熱備用狀態(tài)，只有AFC專業(yè)有部分動力負(fù)荷，同時系數(shù)考慮較高。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，結(jié)合上述分析，需要系數(shù)可按0.5～0.8考慮。

6 結(jié)語

UPS的集中整合，在確立了合理的UPS集中方案后，要切合實際，綜合考慮各專業(yè)容量需求，不能簡單地將各專業(yè)需求容量進(jìn)行疊加，如此才能將UPS集中設(shè)置方案的優(yōu)點充分發(fā)揮，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。