负荷类型分析

轨道交通机电系统采用ＵＰＳ的专业包括：通信、综合监控、ＢＡＳ（车站设备监控）、ＦＡＳ（火灾自动报警）、ＡＦＣ（自动售检票）、门禁、供电系统所用电、屏蔽门和防淹门等。根据各系统负荷类型、重要性等，对ＵＰＳ的设置提出了不同容量和后备时间的要求，变电所自用电系统分为交流自用电系统和直流自用电系统。车站应急照明系统的ＥＰＳ装置采用的是电池非在线式电源系统。

根据负荷类型划分，轨道交通机电系统可分为冲击负荷和持续性负荷。屏蔽门系统属于冲击性负荷，其他弱电设备为持续性负荷。

系统ＵＰＳ合并设置方案分析

变电所自用电系统分为交流自用电系统和直流自用电系统。

变电所自用电中大部分重要负荷电源为直流，而自用电中的少部分负荷电源为交流。

变电所自用电系统主要在直流自用电系统方面与ＵＰＳ电源方案有较大的不同。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电源的蓄电池为在线式，平时电池即进行充放电。且ＵＰＳ电源输出为交流，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，进行系统合并较困难。因此，推荐变电所自用电系统单独设置，不纳入ＵＰＳ整合系统中。

车站应急照明系统的ＥＰＳ装置采用的是电池非在线式电源系统。正常情况下，由引入的两回市电通过切换箱为应急照明负荷供电，同时通过充电机向蓄电池组进行浮充电。当两回市电失电时，切换开关自动投切，接入蓄电池组放电，并通过逆变器将直流转换为交流向应急照明负荷供电。

ＥＰＳ装置为整体式产品，由于其为消防应急照明供电，该装置应通过消防部门认证。建议车站应急照明ＥＰＳ装置单独设置，不与其他系统的ＵＰＳ电源装置进行合并设置。

屏蔽门系统负荷主要以门机为主，完成每一次开／关门，属电动机性负载，在起动时会有较大的冲击电流，对ＵＰＳ逆变器将产生冲击，易促使其过载或转旁路。如果与其他弱电系统一起进行集中供电，屏蔽门系统经常性的开关门所产生的冲击电流会影响ＵＰＳ逆变器，从而影响其他正常供电的系统，建议将其与其他系统的ＵＰＳ电源分置设置。

其他机电系统的负荷属持续性负荷。

根据以上分析，建议除低压、供电系统所用电及屏蔽门系统的电源不进行整合外，其他属持续性负荷的机电系统的ＵＰＳ可以整合。

ＵＰＳ集中供电在轨道交通中的应用

文／广州市地下铁道总公司建设总部　　黄志辉

文／广州地铁设计研究院有限公司　　林　　珊

结合轨道交通机电系统的特点，提出集中设置ＵＰＳ的可行性及方案。各机电系统可采用ＵＰＳ部分整合或全部整合的方案，以达到节约能源，降低投资的目的。「电力系统」集中ＵＰＳ系统整合方案

根据持续性机电系统整合ＵＰＳ类型、位置及重要性等方面，提出以下集中整合方案。

方案一：按照ＵＰＳ供电负荷的类型划分，所有属持续性负荷的机电系统ＵＰＳ整合，集中设置一间ＵＰＳ电源室。如上海地铁集中ＵＰＳ整合了通信、信号、ＢＡＳ、ＦＡＳ、ＡＦＣ、综合监控和门禁专业，屏蔽门、防淹门分设。

该方案的优点在于将不同负荷类型分别设置ＵＰＳ电源装置，避免紧急情况下的相互干扰。

方案二：按照ＵＰＳ供电负荷的重要性划分，将与行车安全有关的信号系统划分出来单独设置ＵＰＳ装置，其他与行车安全非直接相关的系统集中设置ＵＰＳ。如北京地铁除ＳＣＡＤＡ、屏蔽门及信号专业分设外，其他专业均整合进去。

该方案的优点是从用电负荷的重要程度考虑，将影响行车安全，以及对设备参数要求较高的系统单独设置ＵＰＳ，其他系统另行设置。有利于保证重要系统的运行安全，并且可以充分利用设备容量，避免资源浪费。

该方案的缺点是设置两间设备房，增加了房屋面积和环控设备。

方案三：按照各系统设备房在车站的分布情况，一般使用ＵＰＳ电源的弱电设备房均集中在车站的车控室一端，另外一端有部分设备房如环控电控室有ＵＰＳ设备。根据此情况，考虑在车站两端各设置一间ＵＰＳ电源室，为相关系统提供不间断电源。

该方案的优点是从供电距离角度出发，在车站两端负荷中心处设置ＵＰＳ电源室，使得由ＵＰＳ输出端连接至用电设备的电缆长度尽量减少，在满足电压水平的同时减少电缆故障的发生概率。

该方案的缺点是设置两套ＵＰＳ集中供电设备，设备数量增加，设备房面积增加。

方案四：整合部分持续性负荷的机电系统。如杭州地铁集中ＵＰＳ整合了综合监控、ＢＡＳ、ＦＡＳ和门禁，通信、信号、ＡＦＣ、屏蔽门和防淹门等分设。

ＵＰＳ系统构成方案分析及选择

ＵＰＳ集中供电虽然在适应性、可维护性、可管理性、可扩展性、节约投资、优化资源配置及环保等各方面都比分散供电有明显优势，但存在所有系统整体断电的风险。因此，要想安全地实现集中供电，必须选择可靠性高的ＵＰＳ系统构成方案，建立安全完善的电源系统，才能保证所有负载的安全运行。

为提高ＵＰＳ系统的可靠性，一般采用并联冗余的方式解决。所谓并联冗余是指参与并联运行的各ＵＰＳ单机在系统中具有同等地位，共同分担负荷，其中任何一台单机出现故障，其他单机能自动均担多出来的负荷，而故障单机将自动从负载母线上脱离系统。同时设置静态旁路开关，自动地把ＵＰＳ负载无间断地切换到逆变器电源或旁路供电电源。静态旁路开关还直接与供电电源或其他ＵＰＳ输出连接，当ＵＰＳ系统发生故障时，可直接由市电供电。电源输出端设置智能配电系统，根据各个系统后备时间的不同要求，进行自动切除。

ＵＰＳ并联冗余方案又分为整体式与模块式两种，整体式大容量ＵＰＳ往往采用１＋１并机冗余方式进行供电，模块式ＵＰＳ采用Ｎ＋Ｘ并机冗余方式进行供电。１＋１并机模式为正常情况下两台设备平均分担全部负荷，任何一台设备故障时，另一台设备能担负全部负荷，冗余度高，稳定性强。Ｎ＋Ｘ并机模式为正常情况下所有模块共同分担全部负荷，每个模块的容量一般为１０　ｋＶ・Ａ，当某一模块出现故障时，可将故障模块退出，保证系统正常运行，该方案经济可行。

１．　系统构成

为保证地铁各专业系统的正常运行，两种方案的系统构成应包括以下几项。

１）　ＡＴＳ转换子系统。交流输入设为两路互为备用电源，当一路电源有故障时，自动切换到另一路电源供电，转换时间不超过１００　ｍｓ。

２）　ＵＰＳ及电池子系统。最核心的子系统，分为整体式和模块式并联冗余ＵＰＳ。

３）　智能配电子系统。由智能配电柜向地铁各专业系统分配电力，断电时，根据预先设定，分时控制给各专业负载供电。并将各专业系统的供电剩余时间显示在机房里，电池电压过低时实时报警。

４）　监控子系统。对集中供电ＵＰＳ电源系统各个环节进行实时监控。

集中供电ＵＰＳ系统如图１所示。

图１　　集中供电ＵＰＳ系统

监控子系统

ＡＴＳ转换

子系统

ＵＰＳ／电池

子系统

智能配电

子系统

不间断电

源输出市电输入１

市电输入２２．　系统方案

下面以车站ＵＰＳ整合的推荐方案，即除低压、供电系统所用电和屏蔽门系统的电源不进行整合外，其他属持续性负荷的机电系统的ＵＰＳ的方案为基础，分别针对整体式和模块式两种ＵＰＳ方式的系统方案进行论述。

（１）　整体式ＵＰＳ方案

采用两台ＵＰＳ组成１＋１直接并机冗余系统。通过并机通信板和通信线进行并机所必需的数据通信，使两台ＵＰＳ的逆变输出电压幅度、频率相同，相位一致，从而保证ＵＰＳ系统的输出一致。整体式ＵＰＳ方案构成图如图２所示。

（２）　模块式ＵＰＳ方案

采用多组模块式ＵＰＳ组成Ｎ＋Ｘ并机冗余系统，由Ｎ个额定容量为　１０　ｋＶ・Ａ的功率模块构成，系统总容量根据负载情况进行冗余设置，冗余量为Ｘ个额定模块容量，模块之间并联工作。ＵＰＳ可以在不影响整机及负载工作的情况下，将模块插入和拔出，可以热插拔维修。系统可根据负载变化情况方便地进行扩容。

（３）　可靠性分析

由于一个车站采用大型ＵＰＳ集中供电，一旦ＵＰＳ断电，会导致整个车站负载断电，后果严重。因此ＵＰＳ系统的可靠性是决定是否采用合并设置ＵＰＳ方案的关键。

１）　并联冗余设备可靠性分析。考验ＵＰＳ设备可靠性最重要的指标是ＭＴＢＦ（平均无故障时间），２０　ｋＶ・Ａ以下ＵＰＳ的ＭＴＢＦ一般为１５万ｈ左右，２０　ｋＶ・Ａ以上ＵＰＳ一般为２５万ｈ。整体式ＵＰＳ供电往往采用１＋１供电模式，即系统配置两台ＵＰＳ，每台ＵＰＳ单机输出功率等于负载标称功率的５０％，整个系统提供２００％的标称输出功率，系统理论可靠性为９９．９９９　９９９％。

２）　并联冗余供电系统可靠性分析及方案选择。ＵＰＳ冗余并机系统仅仅提高了ＵＰＳ自身的ＭＴＢＦ，即降低ＵＰＳ供电系统由于ＵＰＳ自身原因而导致的故障率，但并没有解决ＵＰＳ冗余并机系统的输入、输出装置发生问题的可能性，也不能十全十美地解决ＵＰＳ供电系统的可维护性和高可用性问题，需采取必要的技术措施来消除可能出现在ＵＰＳ输出端的种种故障隐患。其行之有效的办法是配置ＵＰＳ双总线输出配电系统。该系统是由并联冗余ＵＰＳ系统输出的两路ＵＰＳ输出电源、ＵＰＳ输出配电柜和负载自动切换开关（ＳＴＳ）组成。

整体式ＵＰＳ方案在每个系统设备房间设置ＳＴＳ切换装置，或根据重要性按系统设置ＳＴＳ装置。整体式ＵＰＳ可采用满足末端切换的配电方式，即采用双总线供电方式，设置两台ＵＰＳ设备，正常时一台设备带全部负荷供电，另一台通电热备。当一台设备故障时，采用ＳＴＳ自动快速切换开关在４　ｍｓ时间内切换至另一台设备供电。模块式ＵＰＳ从电源系统的可靠性来讲，较传统单机系统在容错性方面有较大提高，从而其可靠性也得以提高。在电源输出方案上，适合采用单回路馈出的方式，由于其Ｎ＋Ｘ的冗余配置，不适合采用双总线的配电方式。

（４）　ＵＰＳ整合系统方案选择

综上所述，从ＵＰＳ系统的可靠性分析，推荐采用整体式ＵＰＳ集中供电方式（即，１＋１方式）。

（５）　设计注意事项

１）　各级开关的配合设计。各级开关需经过严格校验，上级开关容量需大于下级开关容量，并形成等级梯度。各级开关在正常运行时，需能够躲过短暂的尖峰电流，并具有延时切断的功能。

２）　关于末端时间控制器的设置。根据各系统所提的后备时间的要求，采用时间控制器定时控制，按需给各系统提供有保障的电源。EA

（收稿日期：２０１０．０３．２６）　　　　　　　　　　　　［栏目编辑　　崔文静］

图２　　整体式ＵＰＳ方案构成图下载本文