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城市轨道交通弱电综合连续不间断电源(UPS)研究-詹占岚/陈小林


摘要:对城市轨道交通内各弱电系统连续不间断电源(UPS)的使用情况进行分析。提出弱电综合UPS整合的系统方案及优化建议。采用弱电综合UPS集中供电,在系统投资、维护管理、节约资源等方面具有明显优势。

关键词:城市轨道交通;弱电系统;连续不间断电源;整合方案

作者:詹占岚/陈小林

城市轨道交通已成为人们出行最便捷、经济和高效的交通工具之一,由此对城市轨道交通的安全、可靠运行提出了更高的要求。当轨道交通的供电电源因故出现异常时,会对轨道交通造成严重的影响,为此相关机构一直在研究如何提高对城市轨道交通重要弱电系统供电的连续性、可靠性。

目前,国内各城市轨道交通的通信、信号、综合监控、火灾自动报警、环境与设备监控、自动售检票、门禁、自动灭火、屏蔽门等弱电系统基本上均各自独立设置连续不间断电源(UPS),采用分散供电方式。在轨道交通建设与运营管理过程中,分散设置的UPS的各种弊端也日渐凸显出来,主要表现在:

(1)各弱电系统的UPS分别招标,配置的UPS品牌也不同,不利于资源共享和备品备件的采购,造成运营维护工作量大、蓄电池维护困难等问题。

(2)各弱电系统的保守设计造成单个系统UPS的设计容量较实际负载大很多,在设备配置上存在一定的浪费,但其又不能实现相互冗余备用,使得建设投资大、运营维修成本高。

为避免分散式UPS的弊端,有必要将同一车站、车辆段、控制中心各弱电系统的UPS进行整合,综合考虑设备容量及安装面积,对UPS进行统一管理、监控、运营维护及保养。

1整合范围

目前地铁内设置UPS装置的系统有通信、信号、综合监控、火灾自动报警、环境与设备监控、自动售检票、门禁、自动灭火、屏蔽门等。车站还设置有变电所自用电系统和应急照明电源系统。为此,首先应确定将哪些系统的UPS进行整合设置。

变电所自用电负荷包括交流负载与直流负载。直流电源的工作模式为:正常情况下通过充电模块将交流电转换为直流向负载供电,同时为蓄电池浮充。当一路交流电源失电时自动切换至另一路,仍然通过充电模块供电,同时为蓄电池浮充;当两路交流均失电时,蓄电池放电向负载供电。由此可见,变电所自用电系统主要在直流自用电系统方面与UPS方案有较大的不同。直流自用电系统的蓄电池为非在线式运行,平时进行浮充电,在故障时进行放电;而UPS的蓄电池为在线式,且UPS输出为交流,其蓄电池放电输出的直流电需经逆变器后变为交流电输出给负载。两种电源输出制式不同,因此,变电所自用电系统需要单独设置,不能纳入UPS整合系统中。

应急照明电源由充电机、蓄电池组、逆变器、自动切换装置及交流配电屏等组成。正常情况下,蓄电池处于浮充状态,由交流380V/220V电源直接供电。市电消失情况下,蓄电池组通过逆变器输出交流,满足消防要求。应急照明电源装置为消防应急设备,需要通过消防部门认证。应急照明电源装置与UPS装置最大的不同为:①UPS为在线式不间断供电系统,而应急照明电源装置为非在线式供电电源。②UPS是为弱电系统设计的不间断电源装置,供电质量要求高,需要通过逆变器馈电;而应急照明电源装置是为消防设备供电的,必须通过消防认证。两类产品从系统构成和产品要求上均不同,因此也不能进行整合。

屏蔽门的门机驱动负荷是电动机负载,门机启动时会对其它用电系统产生冲击,且启动频繁,因此也不建议整合。

其它弱电系统的用电需求均相同,具备整合可能。

综合以上因素,建议应用于地铁内的弱电综合UPS系统的整合范围为:通信系统、信号系统、综合监控系统、火灾自动报警系统、环境与设备监控系统、自动售检票系统、门禁系统、自动灭火系统和屏蔽门控制系统(不含屏蔽门驱动系统)。

2系统方案设计

UPS整合前,虽然各系统分开设置UPS存在众多弊端,但分散设置的UPS间能够做到互不影响,某个系统出现故障后,并不影响其它系统的工作,风险分散在各系统上。UPS整合后,将分散的各子系统风险集于一身,一旦出现系统故障,则会影响一大片,因此系统的可靠性显得尤为重要。目前,比较可行的整合方案有以下几种。

方案1:单机单母线方案。如图1所示,采用单台UPS为整合范围内的所有弱电系统供电。该方案的优点是系统结构简单,运行效率高,只需设置1套电池组,成本低;缺点是供电可靠性相对较低。

单机单母线UPS配置方案

图1单机单母线UPS配置方案

方案2:双机双母线方案。如图2所示,采用2台UPS双母线双馈出回路至用电设备处,在用电设备处设置静态电子切换开关(STS)装置,满足用电的高可靠性要求;2台UPS的电池组共用。该方案系统造价略高。

双机双母线UPS配置方案

图2双机双母线UPS配置方案


方案3:双机单母线1+1冗余方案。如图3所示,2台UPS互为备用,平时2台UPS各负担50%的负载,当1台UPS退出运行时,由另1台UPS承担100%的负载;2台UPS共用电池组。该方案供电可靠性高,造价较方案2低。

双机单母线1+1冗余配置方案

图3双机单母线1+1冗余配置方案


实践证明,随着UPS冗余系统中UPS单机数量的增加,整个UPS并机系统的可靠性是不断下降的。几种并机系统的可靠性比较见表1。

并机系统可靠性比较

表1并机系统可靠性比较

为确保系统供电可靠性,建议UPS采用1+1并机冗余的运行方式。方案2及方案3中UPS系统均采用1+1并机冗余方式来提高系统的可靠性。方案2在用电负荷末端采用了STS静态转换装置,将进一步提高整个系统的可靠性,建议在轨道交通中采用。

3智能配电盘实现分时断电

由于整合范围内各用电系统的后备时间需求不同,因此在配电部分需要增加智能配电盘以实现分时断电功能。表2统计了某典型地铁站内各用电系统容量及后备时间要求。

地铁车站内各弱电系统容量及后备时间要求

表2地铁车站内各弱电系统容量及后备时间要求


智能配电盘由柜体、PLC(可编程逻辑控制器)通信处理器、人机界面、盘柜内断路器等元器件组成。当UPS由电池供电时,智能配电盘通过PLC,按不同负载的不同后备延时要求对各馈出回路分时断电,实现各弱电系统负载按预置后备时间自动切除。在智能配电盘系统面板上设手动旁路开关,当PLC故障或任何负荷接触器误跳闸时,可通过手动开关实现对负载的连续供电。

4结语

采用弱电综合UPS集中供电在系统投资、维护管理、节约资源等方面具有明显优势。随着UPS质量的不断提高,综合UPS的应用越来越广泛。目前北京、成都、深圳、广州等地铁已经或准备采用综合UPS系统。

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