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城市轨道交通弱电系统综合UPS供电设计方案探讨-袁斌


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、C C TV 、时钟 、 P IS ) 、信号、A IS (综合监控)、BA S C车站设备监控)、FAS (火灾自动报苦)、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、 M C C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。

典型车站UPS容量

表1:典型车站UPS容量


典型控制中心UPS容量

表2:典型控制中心UPS容量


典型车辆/停车场UPS容量

表3:典型车辆/停车场UPS容量


表1'表2, 表3分别给出了深圳某地铁线路车站,控制中心和车辆段/停车场的实际UPS容蜇需求。

从上表数据来分析,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。

弱电系统UPS整合方案分析

屏蔽门/安全门驱动电源属千电动机性负载。每次启动开/关门时会有较大的冲击电流,对UPS逆变器产生冲击,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— 般采用抗浪涌能力较强的工频机进行单独供电。

变电所操作电源大部分采用直流,离线式运行。平时由市电整流为直流进行供电,菩电池处千浮充状态,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啼,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。基千以上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。

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》,该指导意见明确推荐地铁弱电系统电源采用UPS集中供电方式。

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供电系统方案如图1:

综合UPS供电系统图

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:

UPS进线主路与静态旁路同源

当UPS逆变器短路,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。

UPS末端弱电设备采用单回路供电

不满足《地铁设计规范》GB 50157-2013中相关要求一“地铁通信设备应按一 级负荷供电。”

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。

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,如在电池后备时间内未维修好ATSE, 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。

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。

综合UPS单机与井机选择

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— 套综合UPS系统。因UPS单机的可靠性是有限的。若采用UPS 1+1并联方式,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、O A 系统、安防系统等核心设备供电。一旦断电,,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。

单机供电方案

单机供电方案


并机供电方案

并机供电方案


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。

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。

合理配笠并联蓄电池组

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。但某组电池充电电流大,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—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。

合理控制蓄电池容撮

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千实际负载容量,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。根据实践经验推荐,单机UPS的最大负载量—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。

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。

结束语

随着城市轨道交通的快速发展,,弱电系统综合UPS巳广泛应用。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。 

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