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1前言

地鐵因其占用土地和空間最少、運輸能量最大、運行速度最快、環(huán)境污染最小等優(yōu)勢而成為備受青睞的一種交通方式。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷持續(xù)增長以及國家對交通事業(yè)的巨大投入，城市地鐵建設(shè)就像滴在宣紙上的墨汁，正在大大小小的城市里迅速地發(fā)展。

在地鐵工程建設(shè)各機(jī)電系統(tǒng)中（見圖1），需要采用交流不間斷電源設(shè)備（UpS）來保證安全和可靠運行的功能系統(tǒng)主要有：通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、屏蔽門系統(tǒng)（ACS）、消防報警系統(tǒng)（FAS）等。能否確保它們長期安全和可靠地運行，將會直接影響地鐵交通能否正常運營，所以按一級負(fù)荷供電設(shè)計。然而，目前我國地鐵修建成本每公里約5億元，昂貴的修建成本同時制約了其機(jī)房各功能系統(tǒng)使用區(qū)域的面積。因此，作為保障關(guān)鍵負(fù)載安全和可靠運行的UpS電源系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的按用電設(shè)備所承擔(dān)的調(diào)控專業(yè)來進(jìn)行劃分，采用中、小功率UpS的分散供電設(shè)計方案。由于其可靠性低、占用面積大、管理及維護(hù)困難等種種原因，無法滿足近年來地鐵用戶對UpS電源系統(tǒng)高可靠性、便于擴(kuò)展、易于管理和節(jié)省空間的設(shè)計原則和要求。

圖1機(jī)電系統(tǒng)主要組成

2UpS供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢UpS的供電方式可分為集中供電方式和分散供電方式兩種。集中供電方式，是指由一套大功率UpS向車站整個弱電系統(tǒng)負(fù)載提供應(yīng)急供電；分散供電方式，就是根據(jù)設(shè)備的需要分別配備適合的中、小功率UpS。在地鐵交通建設(shè)的早期階段，常采用由多臺中、小功率UpS分別帶不同系統(tǒng)專業(yè)負(fù)載的分散供電設(shè)計方案，比如：分別為通信、信號、綜合監(jiān)控、門禁等系統(tǒng)配置獨立的UpS電源供電。然而，經(jīng)過長期的運用實踐證明：與采用由多臺中、小功率UpS組成的分散式供電方案相比較，采用一套大功率UpS的集中供電方案，擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和更佳的性價比。集中供電與分散供電比較見表1。

表1UpS集中供電與分散供電比較

供電方式

中、小功率UpS分散式供電

大功率UpS集中式供電

管理/維護(hù)

設(shè)備分散,管理維護(hù)困難

集中管理,便于專人負(fù)責(zé)和維修

可靠性

可靠性低

多種冗余設(shè)計,可靠性較高

MTBF

低

高

蓄電池利用

蓄電池分散裕量,造成浪費

共用蓄電池,集中裕量,節(jié)約成本

占地面積

設(shè)備分散,占地面積大

設(shè)備集中,占地面積小

性能指標(biāo)

技術(shù)含量低,容易生產(chǎn),性能指標(biāo)一般

技術(shù)含量高,設(shè)計嚴(yán)密,性能指標(biāo)較好

采購成本

高

低

表2是一地鐵線控制中心、車站及車輛段/停車場對UpS供電系統(tǒng)典型的配置要求。

表2地鐵UpS供電系統(tǒng)配置要求

系統(tǒng)名稱

車站

控制中心

車輛段/停車場

后備時間

通信(不含pIS)

20kVA

65kVA

35kVA

2小時

pIS

15kVA

5kVA

0.5小時

ISCS

15kVA

2小時

信號

5kVA

2小時

AFC

20kVA

0.5小時

FAS

3kVA

0.5小時

BAS

12kVA

1小時

ACS

3kVA

0.5小時

合計

93kVA

80kVA

40kVA

UpS容量配置

120kVA

100kVA

50kVA

[page]由表2可知，不同系統(tǒng)的后備時間長短和輸出功率大小均是有差別的。當(dāng)采用集中供電方案設(shè)計時，UpS的輸出配電柜必需設(shè)計為具備有分時控制輸出的智能型配電屏。根據(jù)不同系統(tǒng)對UpS供電的需要，采用工業(yè)級的pLC控制并執(zhí)行分時、自動關(guān)斷操作，來達(dá)到對各系統(tǒng)“分時供電”的電源保護(hù)。

圖2“分時供電”智能型配電屏原理圖

如圖2所示，每一個需要偵測實際功率的負(fù)載分路上都安裝一個功率偵測設(shè)備，并將偵測到的不同負(fù)載實際功率反饋給pLC。pLC則實時接受UpS上報來的實際電池組后備容量，并根據(jù)不同分路負(fù)載的實際后備時間需求及實際功率靈活調(diào)整其后備的時間，控制分路配電設(shè)備中的負(fù)載交流切離元件，實現(xiàn)后備時間根據(jù)應(yīng)用情況自由調(diào)整，達(dá)到電池供電時合理利用電池、分時送電的最佳效果。這種系統(tǒng)控制方法能克服目前市面上常見的UpS電源的控制方法所帶來的控制缺陷，解決了電能浪費的問題，達(dá)到最優(yōu)化利用電能的目的，最大限度地發(fā)揮UpS系統(tǒng)的供電性能，還可有效的優(yōu)化電池容量的配置、提高供電系統(tǒng)的可靠性、節(jié)省安裝空間。

3臺達(dá)UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案介紹

為提高供電系統(tǒng)的可靠性，UpS電源系統(tǒng)采用的“1+1”并機(jī)冗余運行配置，可升級為UpS“1+1”并機(jī)共用電池組優(yōu)化方案，利用臺達(dá)NT系列UpS的并機(jī)技術(shù)和共用電池組功能，不需要增加對蓄電池的投資，可實現(xiàn)在市電供電中斷或單臺UpS故障條件下，能完全保障電源系統(tǒng)后備時間維持不變。

3.1并機(jī)系統(tǒng)共用電池組原理

UpS“1+1”并機(jī)共用電池組方案原理圖如圖3所示。

圖3UpS“1+1”并機(jī)共用電池組方案原理圖

[page]“1+1”并機(jī)冗余供電系統(tǒng)采用先進(jìn)的獨特并機(jī)技術(shù)，可在線直接并機(jī)，在UpS單機(jī)之間無需外加并機(jī)卡或并機(jī)柜，使系統(tǒng)的故障點減少，同時也減少了選購件投資；采用環(huán)路通訊電纜連接來傳遞實時信號，實現(xiàn)并機(jī)的“均流”控制，修正的分布式邏輯控制，使得并機(jī)系統(tǒng)中各臺UpS，均處于完全“平等”的調(diào)控狀態(tài)之中；采用獨特的同步相位調(diào)制法，每臺UpS能“智能”地將位于并機(jī)系統(tǒng)中的各臺UpS的同步跟蹤調(diào)整到最佳狀態(tài)（各臺之間的相位差幾乎為零）和實時動態(tài)地調(diào)節(jié)所帶的負(fù)載百分比，實現(xiàn)高精度的均流和負(fù)載均分。另外，臺達(dá)NT系列UpS內(nèi)部主要元器件采用模塊化設(shè)計，減小了平均修復(fù)時間（MTTR），使“1+1”并機(jī)冗余系統(tǒng)不僅有高可靠性，同時擁有很高的可用性。

傳統(tǒng)的“1+1”并機(jī)冗余系統(tǒng)，不具備共用電池組功能，每臺UpS主機(jī)單獨配置蓄電池，當(dāng)“1+1”并機(jī)冗余供電系統(tǒng)中有一臺UpS故障時，系統(tǒng)斷電后放電時間將減少一半。采用共用電池組方案的并機(jī)系統(tǒng)，在一臺UpS故障時系統(tǒng)斷電后放電時間仍然維持不變。可實現(xiàn)在市電供電中斷或單臺UpS故障條件下，完全保障電源系統(tǒng)后備時間，提供用電設(shè)備安全可靠的電源保障。共用電池組功能是臺達(dá)NT系列UpS系列獨特的功能之一。

3.2UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案的優(yōu)點

⑴共用電池組方案優(yōu)點

在不增加電池投資和安裝空間等條件受到限制時，共用電池組方案具有獨到的優(yōu)越性。地鐵各車站、控制中心、車輛段及停車場的電池組部分配置無需變化，僅增加電池組配電箱，以利于方便維護(hù)。

共用電池組方案具有的優(yōu)點如下：

①在單臺UpS故障條件下，能完全保障電源系統(tǒng)后備時間；

②不增加電池的投資，系統(tǒng)后備放電時間不變；

③不增加電池安裝空間、承重方面的建設(shè)；

④不增加電池運營維護(hù)成本；

⑤系統(tǒng)擴(kuò)容更加方便；

⑥發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率。

⑵提高系統(tǒng)可靠性

臺達(dá)NT系列UpS具有獨特的直接并機(jī)技術(shù)，擺脫了傳統(tǒng)的并機(jī)方案需要增加并機(jī)卡或并機(jī)柜的束縛。可以直接并機(jī)，消除了增加并機(jī)卡或并機(jī)柜給整個供電系統(tǒng)帶來的故障點，大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性。“1+1”并機(jī)冗余供電系統(tǒng)，在正常運行中容忍一臺UpS故障，仍然能保證供電系統(tǒng)持續(xù)為負(fù)載提供不間斷電源，使系統(tǒng)的可靠性得到大幅度的提升。

⑶增加系統(tǒng)安全性

相比原UpS單機(jī)，“1+1”并機(jī)系統(tǒng)中的兩臺UpS輸出由并機(jī)中的UpS平均分配，各UpS分擔(dān)的負(fù)載減少了一半，可有效延長UpS的安全使用壽命；當(dāng)并機(jī)系統(tǒng)中的UpS有一臺發(fā)生故障，故障的UpS會迅速從并機(jī)系統(tǒng)中退出，保證負(fù)載的供電；設(shè)備維護(hù)時也可把任一臺機(jī)器脫離系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，方便安全快捷，增加了供電系統(tǒng)安全性。

臺達(dá)NT系列UpS還具備在線并機(jī)功能，并機(jī)時不需要對正在運行的UpS停機(jī)或跳轉(zhuǎn)旁路，對系統(tǒng)擴(kuò)容和系統(tǒng)維護(hù)提供了不間斷的安全保障。

⑷提升系統(tǒng)可用性

可用性是衡量系統(tǒng)提供持續(xù)服務(wù)的能力。評估一個系統(tǒng)可用性的兩大要素包括：平均無故障時間（MTBF）和平均修復(fù)時間（MTTR）。

可用性（Availability）的計算公式如下：

參考臺達(dá)NTUpS系統(tǒng)，原單機(jī)MTBF為286083h，并機(jī)MTBF提高至596006h，MTTR為0.5h。可用性計算結(jié)果是0.9999991，可見可用性大大提高。

[page]⑸增強(qiáng)抗負(fù)載沖擊能力

單機(jī)UpS容量是額定的，若負(fù)載出現(xiàn)尖峰電流超過單臺UpS的過載電流時，UpS將會轉(zhuǎn)旁路或出現(xiàn)故障；在“1+1”并機(jī)系統(tǒng)時，只有超過負(fù)載額定容量2倍時才會影響UpS系統(tǒng)是否轉(zhuǎn)旁路，相對而言，系統(tǒng)抗負(fù)載沖擊能力增強(qiáng)了1倍。

4昆明地鐵應(yīng)用案例昆明地鐵6號線各車站的綜合電源系統(tǒng)統(tǒng)一為專用通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、ISCS、AFC、FAS、BAS、ACS系統(tǒng)提供電源，UpS采用2臺NT120kVA“1+1”并機(jī)共用電池組方案。UpS電源系統(tǒng)按一級負(fù)荷供電，兩路獨立的三相交流電源經(jīng)交流切換箱（動照專業(yè)提供）后接入UpS，經(jīng)UpS輸出的“分時控制”智能配電屏分路后，分配給各交流供電的設(shè)備和高頻直流開關(guān)電源。開關(guān)電源輸出-48V電源分路后分配給需要直流供電的通信設(shè)備。UpS設(shè)備負(fù)責(zé)輸出純凈的穩(wěn)定、可靠的交流電源，UpS配備1套蓄電池組，“1+1”采用共用電池組方案，確保在交流電源停電時或任意一臺UpS故障時，備用蓄電池組為各子系統(tǒng)提供所需備用電源。UpS電源系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖4所示。

圖4UpS電源系統(tǒng)構(gòu)架圖

UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案應(yīng)用案例參考附錄。

5總結(jié)隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，發(fā)展安全、高效、舒適的地鐵交通已成為解決城市交通問題的重要手段。作為保障地鐵交通正常運營的基礎(chǔ)設(shè)施之一的UpS電源系統(tǒng)，除了必須具備高安全、高可靠外，還應(yīng)該符合地鐵行業(yè)的特殊需求。然而，臺達(dá)電子集團(tuán)具有電力電子行業(yè)40余年的設(shè)計、生產(chǎn)、制造經(jīng)驗，公司一如既往的不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)，提升產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，了解客戶需求、提供超過客戶期許的解決方案。中達(dá)電通充分理解地鐵的運營要求，利用強(qiáng)大的技術(shù)背景及項目實施經(jīng)驗為地鐵客戶提供可靠的動力集成化集中解決方案，不僅保證了地鐵運行的可靠性與安全性，同時降低了設(shè)備運營和維護(hù)的成本。

附錄

UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案應(yīng)用案例

⑴上海地鐵1號線人民廣場站安全門系統(tǒng)

GES-NT60KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑵上海地鐵1號線莘莊站安全門系統(tǒng)

GES-NT30KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑶杭州地鐵1號線專用通信電源系統(tǒng)：

GES-NT40KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑷成都地鐵1號線專用通信電源系統(tǒng)

GES-NT40KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑸成都地鐵2號線專用通信電源系統(tǒng)

GES-NT120KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案