軌道交通UPS集中供電系統(tǒng)的RAMS研究

別碧勇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

1.1 RAMS及在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

RAMS是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維護(hù)性(Maintainability)和安全性(Safely)的縮寫(xiě)[1]。RAMS概念源于20世紀(jì)70年代,用于對(duì)大型復(fù)雜項(xiàng)目的管理,最早應(yīng)用于核電、軍工、民航等領(lǐng)域,目前在國(guó)外軌道交通行業(yè)也取得了廣泛應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)北京地鐵4號(hào)線(xiàn)、上海地鐵10號(hào)線(xiàn)等已率先引入RAMS管理,國(guó)內(nèi)很多新建的軌道交通工程也準(zhǔn)備采用RAMS進(jìn)行安全性和可靠性管理。

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)1999年頒布了EN 50126《鐵路應(yīng)用——可靠性、可用性、維修性和安全性的規(guī)范和驗(yàn)證》,成為歐洲各國(guó)軌道運(yùn)營(yíng)商和供貨商廣為采用的RAMS管理標(biāo)準(zhǔn),也是目前軌道交通行業(yè)實(shí)施RAMS管理的基礎(chǔ)[2]。RAMS體系既適用于軌道交通工程整個(gè)項(xiàng)目,也適用于項(xiàng)目分解后的某個(gè)具體系統(tǒng),例如本文要展開(kāi)研究的軌道交通UPS集中供電系統(tǒng)。

1.2 軌道交通UPS集中供電系統(tǒng)

軌道交通是大型復(fù)雜系統(tǒng)工程,其機(jī)電系統(tǒng)包括通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、自動(dòng)售檢票、設(shè)備與環(huán)境監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等專(zhuān)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。早期這些機(jī)電系統(tǒng)不間斷電源(UPS)按照專(zhuān)業(yè)分散配置,各系統(tǒng)不論耗電量大小,均配置一套UPS電源設(shè)備,暴露出故障多、管理分散、電池使用壽命低、建設(shè)和維護(hù)成本高等諸多問(wèn)題。隨著近些年大容量的UPS技術(shù)的快速發(fā)展,軌道交通建設(shè)逐漸采用對(duì)通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)進(jìn)行UPS集中供電方式,即采用UPS集中供電系統(tǒng)。上海地鐵7號(hào)線(xiàn)、北京地鐵9號(hào)線(xiàn)、天津地鐵2號(hào)線(xiàn)、蘇州地鐵1號(hào)線(xiàn)等項(xiàng)目目前已經(jīng)或正在實(shí)施UPS集中供電系統(tǒng)。

UPS集中供電系統(tǒng)主要由幾個(gè)部分組成：交流不間斷電源設(shè)備(UPS)、交流配電屏、高頻開(kāi)關(guān)電源、蓄電池及電源監(jiān)控模塊。這個(gè)新誕生的系統(tǒng)也面臨以下問(wèn)題：一方面UPS集中供電系統(tǒng)服務(wù)于眾多機(jī)電控制系統(tǒng),風(fēng)險(xiǎn)也集中了,對(duì)其安全性、可用性要求也就提高了；另一方面,該系統(tǒng)工程實(shí)施中涉及到的接口眾多,目前該產(chǎn)品市場(chǎng)成熟度還不高,很難由一家供貨商提供全套產(chǎn)品和服務(wù),存在模塊選型匹配、接口協(xié)調(diào)等問(wèn)題。

因此,非常有必要對(duì)該系統(tǒng)引入RAMS管理,對(duì)其可靠性、可用性、可維護(hù)性及安全性進(jìn)行定性和定量分析,研究其方案設(shè)計(jì)、設(shè)備配置、運(yùn)行管理等全生命周期中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素及應(yīng)對(duì)策略。

2 UPS集中供電系統(tǒng)的RAMS設(shè)計(jì)

2.1 UPS系統(tǒng)可用性和可靠性指標(biāo)

可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力,通常用平均無(wú)故障工作時(shí)間 MTBF(Mean Time Between Failure)來(lái)衡量。根據(jù)UPS系統(tǒng)的基本需求,綜合考慮系統(tǒng)各設(shè)備的可靠性,以及軌道交通運(yùn)營(yíng)需求,系統(tǒng)整體可靠性指標(biāo)MTBF應(yīng)大于10萬(wàn)h。

可用性是指在給定的瞬間或在給定的時(shí)間間隔內(nèi),處于某種狀態(tài)的產(chǎn)品在給定條件下執(zhí)行所要求功能的能力。通常用可用度來(lái)衡量。可用度=系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間/(系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間+系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間)×100%。即可用度=MTBF/(MTBF+MTTR)×100%。提高系統(tǒng)可用性的基本方式就是延長(zhǎng)MTBF,縮短MTTR。根據(jù)UPS系統(tǒng)的基本需求,屬于具有故障自動(dòng)恢復(fù)能力的可用性,其可用性指標(biāo)應(yīng)達(dá)到99.9%。

2.2 UPS系統(tǒng)的可用性和可靠性設(shè)計(jì)

提高UPS系統(tǒng)可用性和可靠性可以從UPS系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)方式、容量冗余配置、后備蓄電池及優(yōu)化、輸入輸出保障等方面入手。

(1)UPS運(yùn)行保護(hù)方式

為確保系統(tǒng)供電可靠性,可采用UPS并機(jī)冗余的運(yùn)行方式,實(shí)踐證明,隨著位于UPS冗余系統(tǒng)中的UPS單機(jī)的數(shù)量增加,整個(gè)UPS并機(jī)系統(tǒng)的可靠性是不斷下降的(表1)。軌道交通建議采用1+1并機(jī)冗余方案。

表1 并機(jī)系統(tǒng)可靠性比較

注：UPS單機(jī)MTBF取為1。

(2)UPS容量的冗余考慮

UPS容量根據(jù)負(fù)荷量計(jì)算確定,為增加系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)延長(zhǎng)UPS使用壽命,一般建議負(fù)荷量占UPS輸出功率的60%～70%為宜,同時(shí)要考慮UPS的輸出功率因數(shù)。一般計(jì)算公式如下

式中Se——UPS設(shè)計(jì)容量；

n——安全系數(shù),取1.2～1.5；

m——余量系數(shù),取1.15～1.2；

P——所有專(zhuān)業(yè)功率和；

Pi——第i個(gè)專(zhuān)業(yè)功率。

(3)后備蓄電池配置與優(yōu)化

后備蓄電池是UPS電源系統(tǒng)的重要組成部分,能將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲(chǔ)。正常情況下,供給負(fù)載的電源是外供交流電源經(jīng)UPS整流、逆變后輸出的220/380 V交流電源,同時(shí)給蓄電池充電；當(dāng)外供交流電源故障時(shí),蓄電池放電,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。它是決定整個(gè)電源系統(tǒng)可用性的重要因素。

后備電池容量配置主要由負(fù)載大小、環(huán)境溫度、電池放電率等因素決定,具體計(jì)算方法如下

式中C——蓄電池容量；

IL——負(fù)載工作電流；

T——后備時(shí)間；

α——溫度系數(shù)；

t——工作溫度；

K——蓄電池放電效率,一般取值0.5～1,與放電時(shí)間有關(guān)。

其中,后備時(shí)間是關(guān)鍵參數(shù)。一般取值方法有3種：簡(jiǎn)單的取最大值、算術(shù)平均值、加權(quán)平均計(jì)算法。加權(quán)平均計(jì)算法可以采用如下公式初步估算

T=(P1×T1+P2×T2+…+Pi×Ti)/

(P1+P2+…+Pi)

式中Pi——專(zhuān)業(yè)i的用電量；

Ti——專(zhuān)業(yè)i的后備時(shí)間。

以某軌道交通工程為例,根據(jù)表2的數(shù)據(jù),采用加權(quán)平均計(jì)算方法,得T=0.8 h,比簡(jiǎn)單取最大值方法電池容量配置核減約60%。而后備蓄電池的造價(jià)占到整個(gè)電源系統(tǒng)成本的近一半,在滿(mǎn)足系統(tǒng)可用性要求情況下,節(jié)省了投資。

表2 普通車(chē)站各專(zhuān)業(yè)的用電需求

2.3 UPS系統(tǒng)的安全性分析

提高UPS系統(tǒng)安全性主要從潛在風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程控制上入手。

潛在風(fēng)險(xiǎn)包括方案設(shè)計(jì)上的缺陷、環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)、使用與管理不當(dāng)?shù)确矫?。其?方案設(shè)計(jì)方面已在前述章節(jié)中詳細(xì)討論,這里從環(huán)境、設(shè)備自身、使用管理等方面分析潛在的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施[3]。具體分析見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)險(xiǎn)要素分析與控制措施

2.4 UPS系統(tǒng)的可維護(hù)性分析

提高UPS系統(tǒng)可維修性可以從設(shè)備功能、維修機(jī)構(gòu)設(shè)置和維修方案等層面入手。

(1)設(shè)備的可維修性

UPS設(shè)備配置上采用1+1并機(jī)冗余,另外內(nèi)置維修旁路,維護(hù)可以轉(zhuǎn)到維修旁路,單機(jī)的維修或擴(kuò)容均不會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生影響。

在監(jiān)控中心設(shè)置UPS電源集中監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)在各個(gè)車(chē)站、停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛段、控制中心的UPS設(shè)備等進(jìn)行遠(yuǎn)端遙控、遙測(cè)、遙信和監(jiān)控。故障發(fā)生時(shí),監(jiān)控中心應(yīng)有可聞、可視告警信號(hào)(燈亮、鈴響),并對(duì)故障進(jìn)行定位。UPS電源系統(tǒng)重要板卡的告警,在告警顯示上設(shè)置專(zhuān)門(mén)具體的提示,以便維護(hù)人員能迅速判定故障,進(jìn)行處理。

建立專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)：應(yīng)在監(jiān)控系統(tǒng)軟件內(nèi)存貯各種可能的故障信息,并針對(duì)每一種故障給出多種維修和應(yīng)急處理預(yù)案,還應(yīng)具備自動(dòng)處理功能,包括整流器和逆變器的開(kāi)/關(guān)、轉(zhuǎn)旁路、將故障UPS從并機(jī)系統(tǒng)中隔離等。

(2)維修機(jī)構(gòu)設(shè)置

通常UPS系統(tǒng)不單獨(dú)設(shè)置維修車(chē)間,納入在綜合維修基地設(shè)置的通號(hào)車(chē)間或供電車(chē)間,下轄一個(gè)或多個(gè)維修工區(qū),按線(xiàn)路平均分布在鄰近車(chē)站上,負(fù)責(zé)所轄范圍各站UPS設(shè)備維護(hù)及日常巡檢。

(3)維修方式

UPS設(shè)備維護(hù)建議采用日常維護(hù)、定期檢修、巡檢等方式,即對(duì)涉及日常運(yùn)行的UPS設(shè)備,實(shí)行預(yù)防維修方式,以現(xiàn)場(chǎng)檢修為主,車(chē)間檢修為輔。其中對(duì)蓄電池的巡檢與例行檢查是重要內(nèi)容之一,主要內(nèi)容見(jiàn)表4。

3 UPS系統(tǒng)RAMS實(shí)施建議

(1)制定UPS系統(tǒng)RAMS規(guī)劃

從項(xiàng)目開(kāi)始制定系統(tǒng)RAMS規(guī)劃,貫穿生命周期,且關(guān)注過(guò)程控制。RAMS是過(guò)程控制的思維,其關(guān)注的焦點(diǎn)在過(guò)程而非結(jié)果,通過(guò)建立一套完整的體系對(duì)系統(tǒng)性能及效果進(jìn)行規(guī)范,對(duì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程及方法做系統(tǒng)性的規(guī)定,同時(shí)強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目全生命周期過(guò)程控制(圖1)[4]。

表4 維修檢測(cè)方式

圖1 系統(tǒng)安全生命周期流程

(2)RAMS實(shí)施需多方參與、分工協(xié)作

UPS系統(tǒng)的生命周期涉及到業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、集成商、供貨商等多家單位,各方在不同階段對(duì)RAMS的管理有不同的責(zé)任和任務(wù)。要成功推行RAMS,各方必須互相配合、且對(duì)RAMS管理達(dá)成共識(shí)。

(3)經(jīng)濟(jì)性與安全性的平衡

RAMS管理中引入了目前英國(guó)鐵路安全管理中普遍應(yīng)用的“低至合理可忍受程度原則”,即ALARP(As Low As Reasonable Practicable)原則,如圖2所示[5]。

圖2 ALARP原則示意

基于圖2,在城市軌道交通的安全管理中涉及到3類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)。

第1類(lèi)：足夠大的風(fēng)險(xiǎn)(圖2中“不可接受區(qū)”)。這些風(fēng)險(xiǎn)是不允許的,不能以任何理由認(rèn)為其是合理的。如果風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)不能降低至此界限以下,則不能進(jìn)行此項(xiàng)目。

第2類(lèi)：足夠小的風(fēng)險(xiǎn)(圖2中“廣闊的可接受區(qū)”)?？珊雎赃@些風(fēng)險(xiǎn),即不需要采用任何方式或方法去減低它,當(dāng)然必須將該區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)始終保持在該等級(jí)水平上。

第3類(lèi)：介于第1、2類(lèi)之間的風(fēng)險(xiǎn)(圖2中“ALARP”區(qū))。必須采取可行的、合理成本下的方法將其降到可以接受的最低程度；同時(shí),必須對(duì)風(fēng)險(xiǎn)降低而花費(fèi)的代價(jià)評(píng)估,在風(fēng)險(xiǎn)和代價(jià)之間進(jìn)行平衡。例如UPS集中供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,沒(méi)必要在后備蓄電池上盲目追加額外投資,因?yàn)檫@樣的投入與所獲得的改進(jìn)不成比例。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,從UPS系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、設(shè)備配置選型、項(xiàng)目管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各方面,探討了UPS集中供電系統(tǒng)的RAMS引入方法、控制目標(biāo)及實(shí)施細(xì)則。提到的各項(xiàng)措施如果在工程建設(shè)過(guò)程中予以落實(shí),不僅能提高UPS系統(tǒng)的RAMS指標(biāo),而且結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)初步估算,在滿(mǎn)足UPS系統(tǒng)可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性保障的前提下,可節(jié)省一次建設(shè)成本30%以上,降低運(yùn)營(yíng)成本10%以上(減少備品備件損耗和運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量),經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。

[1]EN50126—1999 Railway applications: the specification and demonstration of reliability,availability,maintainability and safety[S]. British Standards Institution, 1999.

[2]陳 蕾.城市軌道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市軌道交通,2007(5):4-5．

[3]崔建樂(lè).地鐵通信電源系統(tǒng)的安全控制[J].都市快軌交通,2008(4):78-79．

[4]汪元輝.安全系統(tǒng)工程[M].天津：天津大學(xué)出版社,1999．

[5]陳 蕾.城市軌道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市軌道交通,2007(5):4-5．