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地铁弱电综合UPS系统结构和方案的研究-段琪峰


摘要:地铁弱电综合UPS已经越来越被大家所接受,但是对于如何选择UPS型式、整流方式、UPS的整合方式等还存在分歧,在此我对地铁中不同的系统结构和几种系统方案进行比较分析,希望能给大家在UPS选型的过程中有所帮助。


关键词:弱电;地铁;综合UPS;系统结构;方案


1概述


随着地铁行业的迅速发展,传统的国内地铁各弱电系统一般采用分散设置UPS的供电方式,在地铁的实际运营管理过程中,分散设置UPS的各项弊病也逐渐显现出来,目前地铁弱电综合UPS系统已经越来越被业内专家所认可,不仅可以有效降低UPS的整体投资,还能节省运营管理的维护成本。国内很多地铁陆续开展了针对弱电综合UPS合设的各项研究,目前北京、深圳及上海地铁等地的相关线路已经有弱电综合UPS投入运营使用。关于UPS合设优劣的相关技术问题,在此不作详细论述。本文主要阐述弱电综合UPS系统选型和方案选择,让大家了解究竟哪一种UPS,哪一种方案比较适合。


2 UPS结构型式及整流方式选择


2.1一体化UPS和模块化UPS的选择


目前UPS的结构型式有两种,一种是一体化的UPS,另一种是模块化的UPS。一体化UPS主要由整流器、逆变器和静态开关等几部分组成;模块化UPS采用标准的结构设计,每套系统由功率模块、监控模块、静态开关组成,其中功率模块可并联,平均分担负载。模块化UPS发展的难点主要集中在功率密度的提高和并联数量的增加及降低价格、提高可靠性等几个方面。结合目前UPS技术的发展现状和对两种UPS型式的应用,现阶段地铁中推荐集中UPS系统采用一体化UPS。当然随着模块化UPS的发展,模块化UPS的技术问题和价格问题得以解决,模块化UPS有着更大的优势。


2.2工频机和高频机的选择


针对传统UPS而言,根据其整流方式的不同,行业内一般将其分为工频机和高频机两种。一般地,将采用晶闸管整流方式的UPS称为工频机,而将采用IGBT整流方式的UPS称为高频机。工频机高频机区别在于升压环节:采用工频变压器升压为工频机,采用高频直流斩波升压为高频机。总的来说,若采用工频机时,输入、输出需加隔离变压器,并且由于采用晶闸管整流方式,系统谐波较大,往往需要加装谐波滤波器,导致设备体积很大,但是工频机有稳定性高、抗冲击能力极强等优点;而若采用高频机,则由于设备体积较小,重量较轻,既方便


设备运输又有利于减小土建面积,随着IGBT可靠性的大幅度提升,系统可靠性也有保障。结合目前UPS技术的发展现状和对两种UPS型式的应用情况,两种型式的UPS均能满足集中UPS系统的需求,目前大部分地铁集中UPS系统大多采用工频机,有少部分线路采用的高频机。因此针对地铁集中UPS系统而言,采用工频机和高频机均可。


3 集中设置UPS系统方案技术比较


下面对地铁中在应用的几种综合UPS系统方案的优缺点进行分析比较。


3.1方案一:单UPS电源整合方式(见图1)

图1 单UPS电源整合方案示意图

单UPS电源整合方式示意图


本方案优点:方案简单,系统总造价低,占地面积小。整合后,减少了电源设备类型、数量,使系统维护方便,占地面积不超过40m2。本方案缺点:当UPS主机故障时,系统将自动切换到旁路供电,此时由低压400V电源直接经配电柜对负载进行供电,电源质量相对低于UPS的输出(此400V电源不同于普通的柴油机发电的电源,能满足计算机型负载的用电要求)。当UPS处于维修状态时(打到手动旁路),如果此时UPS的两路400V进线电源再进行倒闸操作,将造成ATS的切换,由于ATS的切换时间为100ms左右,因此将造成各系统计算机等网络设备短时停电。但由于大部分厂家的30kVA及以上的UPS的平均无故障间隔时间不低于25万小时,即28.5年,寿命周期内发生故障的几率很低,当UPS故障维修时,同时400V电源也发生故障的概率极低。


3.2方案二:UPS1+1并机冗余单母线整合方案(见图2)

图2 UPS1+1并机冗余单母线整合方案示意图

UPS1+1并机冗余单母线整合方案示意图


本方案优点:整合后,减少了电源设备类型、数量;系统维护方便;电源质量大大提高,可靠性比单机系统高。过载能力强,具备2倍UPS单机的过载能力。1+1并机系统在国内轨道交通及其他领域应用广泛,技术非常成熟。节省土建面积,集中UPS室和蓄电池室共约需要47m2。


本方案缺点:由于正常情况时UPS输出部分处于单母线运行,如果UPS的输出端或者馈线柜的母线发生短路,则会使整个系统瘫痪,导致所有被整合系统的负荷停电。另外,馈线柜至每个系统都配置了双回电缆,但由于各系统配电箱前端未设置STS,采用了并联供电的方案,一旦发生电缆短路,该系统的两回电源所在的馈线柜断路器均会跳闸,电缆冗余敷设在这种情况下失去了意义,该方案可以优化为仅UPS采用1+1冗余,馈电回路均采用单回路供电。


3.3方案三、UPS双机双母线整合方案(见图3)

图3 UPS双机双母线整合方案示意图

UPS双机双母线整合方案示意图


本方案优点:整合后,减少了电源设备类型、数量;系统维护方便;可靠性及电源质量大大提高。一段母线故障时,不会导致停电,不存在单点故障。当一套UPS故障或检修时,又或者是出现电缆断线或者短路故障时,可通过末端STS自动切换,保证负荷正常用电。


本方案缺点:由于在每个被整合系统的配电箱前端采用静态双切STS,而STS价格昂贵,必然导致整个系统造价有所增加。且由于STS必须在负荷就地设置,即设置在各系统的设备房内,在施工的配合以及运营后的设备维护上,有一些接口问题需要协调。


4结论


城市轨道交通系统包含众多的弱电设备系统,如通信、信号、综合监控、环境与设备监控、旅客信息、办公自动化、门禁、自动售检票、火灾自动报警、屏蔽门/安全门、应急照明、变电所综合自动化等系统,这些系统主要由计算机、网络设备及自动化控制设备等组成,负责地铁内部的信息传递、车站的旅客运输、环境监控、乘客导引等,属于重要或特别重要的一级负荷,需要可靠性很高的电源来保证供电质量和供电连续性。


根据各城市地铁运营现状,设备选型方面:采用一体化UPS,工频机高频机均可。系统方案方面:在不考虑将信号、通信等系统并入的情况下,一般采用方案一单UPS电源整合方式即可,或者采用分散式集中的单UPS整合方式。如需要将信号等特别重要的负荷也纳入整合范围,笔者认为方案二、方案三比较合适,方案二、方案三都能满足相关规范要求,同时也能满足特别重要负荷的安全等级。至于2者之间的孰优孰劣,可根据各地情况特殊处理。

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