上海市軌道交通2號線東延伸段工程弱電UPS整合技術的設計研究

孫 瑤

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司電化電信處,天津 300251)

1 概述

上海市軌道交通2號線東延伸段工程弱電系統(tǒng)包含通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、火災自動報警系統(tǒng)(FAS)、門禁系統(tǒng)(ACS)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)等,系統(tǒng)用電為Ⅰ級負荷,需要高可靠性的后備電源進行不間斷供電,以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。

1.1 各專業(yè)UPS分別設置的缺點和不足

傳統(tǒng)設計中,UPS由各專業(yè)自行配置,存在諸多缺點：

(1)各專業(yè)所選UPS容量小,抗沖擊能力?。?/p>

(2)電池資源不能共享；

(3)UPS分散、數(shù)量多、品牌多,故障率高,維護困難；

(4)分散的電源室占用較大的建筑面積。

1.2 UPS電源整合設置的優(yōu)點

(1)集中配置,減少UPS電源設備的數(shù)量,提高設備可靠性；

(2)統(tǒng)一UPS電源設備的型號,便于設備的集中采購；

(3)有利于統(tǒng)一對UPS電源進行監(jiān)控、維護保養(yǎng)；

(4)減少UPS電源設備用房的面積。

2 UPS電源整合系統(tǒng)方案

2.1 UPS整合需求分析

上海市軌道交通2號線東延伸段工程UPS電源系統(tǒng)整合范圍含全線各車站通信系統(tǒng)(不含高頻開關電源)、信號系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)。

屏蔽門系統(tǒng)電源、變電所操作電源、應急照明電源在各系統(tǒng)設備室獨立設置,不納入電源整合范圍。

綜上所述,結合上海地方標準及實際情況,制定UPS電源整合范圍及UPS電源容量，如表1所示。

注：1.車站AFC的UPS供電只包括車站級計算機系統(tǒng),不包括現(xiàn)場設備(閘機、售票機、充值機等),車站AFC現(xiàn)場級設備仍采用交流Ⅰ級負荷供電,分散設置小UPS方式；2.控制中心的大屏幕為交流Ⅰ級負荷供電,不納入中心UPS整合范圍。

2.2 UPS電源整合系統(tǒng)方案

為確保車站各弱電系統(tǒng)設備全天候、穩(wěn)定、可靠運行,采用安全、可靠的一體化UPS供電系統(tǒng)非常重要。

UPS電源整合負責為被整合的相關設備專業(yè)提供兩路不間斷電源,并在各專業(yè)設備室設置STS靜態(tài)開關,電源整合系統(tǒng)與相關系統(tǒng)接口位置在STS的出口,即各車站通信、信號等弱電設備室各弱電系統(tǒng)設置的就地配電柜進線斷路器上口處,UPS電源整合系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 UPS電源整合系統(tǒng)

2.2.1 UPS電源整合系統(tǒng)構架

系統(tǒng)設置2套UPS電源裝置(含整流器、逆變器、蓄電池組)、負載同步控制器、智能控制單元、輸出母線(采用單母線分段方式)和饋線智能配電柜。

2套UPS共用一組電池組。

(1)UPS電源裝置

正常工作時,2套UPS裝置冗余并機運行,平均分擔其負載電流,每臺UPS單機容量能滿足系統(tǒng)總?cè)萘恳蟆?/p>

每臺UPS都設置靜態(tài)旁路和檢修旁路。

在運行中,如遇到某臺UPS出現(xiàn)故障時,能通過選擇性操作自動將故障的UPS單機從UPS并機系統(tǒng)中脫離出來,另一臺UPS仍能向它的負載提供具有100%“高可利用率”的高品質(zhì)電源,從而提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)允許在UPS的逆變器電源供電的條件下,對位于UPS并機系統(tǒng)中的另一臺UPS單機執(zhí)行“不帶電”的定期維護/故障檢修操作,提高UPS供電系統(tǒng)的可維護性。

(2)負載同步控制器

保證2套UPS裝置輸出電壓幅值相同、頻率相同和相位相同的正弦波。

(3)智能控制單元

智能控制單元負責控制管理UPS電源裝置、饋線智能配電柜和各系統(tǒng)就地配電柜。對UPS電源整合系統(tǒng)監(jiān)控信息上傳。

(4)饋線智能配電柜

饋線智能配電柜向各系統(tǒng)輸出提供AC380/220V不間斷電源。由于各系統(tǒng)的后備時間不同,為了優(yōu)化蓄電池的總?cè)萘?饋線智能配電柜能對不同后備時間的系統(tǒng),按照時間順序切除負載,即交流輸入電源失電情況下,饋線智能配電柜通過控制單元將后備時間為30 min，1、2、4 h的負載順序切掉。

饋線智能配電柜可通過在饋線智能配電柜內(nèi)設置PLC控制模塊,通過邏輯編程控制饋出回路的供電時間,并應具備電池監(jiān)測功能,可設置根據(jù)實際負載情況,動態(tài)延長各負載后備時間的功能。

(5)就地配電柜

“如果將常委會機關視作動車，那么每個委室、每項工作都是一節(jié)車廂。為每節(jié)車廂裝上黨建‘發(fā)動機’，使黨建工作與依法履職有機結合、協(xié)同發(fā)力，有效解決了黨建工作和業(yè)務工作脫節(jié)問題，形成了全員參與、全員共建的良好黨建格局。”市人大常委會副秘書長、機關黨委書記王增寶說。

由電源整合系統(tǒng)在各專業(yè)設備機房設置STS靜態(tài)開關。由各弱電系統(tǒng)在各自設備室設置就地配電柜配電。

2.2.2 配置方案

(1)電源輸入方案

每臺UPS的主電源從降壓變電所的一段400 V母線引入,旁路電源從降壓變電所的另一段400 V母線引入。即降壓變電所400 V共給UPS整合提供4路獨立電源,每段母線2路。

(2)輸出母線

采用UPS單母線分段供電系統(tǒng),末端雙電源切換開關采用靜態(tài)切換開關STS。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)接入方案

2號線東延伸段工程UPS電源系統(tǒng)由車站SCADA系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控管理。

(4)電池組設置方案

2.2.3 供電運行方式與邏輯關系

(1)正常供電運行方式

2路主電源為2臺UPS供電,2臺UPS同時輸出到4個負荷側(cè)的STS開關,通過設置STS開關狀態(tài),實現(xiàn)大約各帶50%負載。

UPS1為全部電池組充電,UPS2與電池組斷開,兩個UPS與電池組之間的斷路器互鎖,不能同時合閘。

(2)UPS故障運行方式

①UPS2故障,則通過STS將所有的負載都切換到UPS1,同時報修UPS2,修好后回復原帶載運行方式。

②UPS1故障,則通過STS將所有的負載都切換到UPS2,將電池組切換到UPS2,由UPS2向電池組充電,同時報修UPS1,修好后回復原帶載運行方式。

③2臺UPS都故障了,則通過后故障UPS的靜態(tài)旁路供電。

(3)電池組故障運行方式

通過電池動態(tài)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)電池故障并報警,維修人員切除故障的電池分組,進行維修維護工作；修復后,電池分組重新投入運行。

(4)失去1路主電源運行方式

①UPS2主電源失電,則UPS2停止輸出,通過STS將所有負載切到UPS1主機。

②UPS1主電源失電,則UPS1停止輸出,通過STS將所有負載切換到UPS2主機。

(5)失去2路主電源運行方式

此時2套UPS同時轉(zhuǎn)到電池組放電狀態(tài),通過STS后共同分擔后面的負載,若此時任何一套UPS故障,其后面的負載會通過STS轉(zhuǎn)移到另外一臺UPS上去,電池組也會全部轉(zhuǎn)給正常的UPS使用,后備時間不受影響。

智能配電柜監(jiān)測電池狀態(tài),并結合各負荷后備時間要求,動態(tài)決定何時切除負荷。

(6)檢修運行方式

①1臺UPS正常運行,另一臺UPS進行檢修。

②切除一個分組的電池進行維護,其他電池分組照常工作。

③只有當2臺UPS同時故障,2路靜態(tài)旁路也故障時,需啟用檢修旁路。

2.3 系統(tǒng)容量確定

2.3.1 UPS電源容量

系統(tǒng)設置2套完全相同的UPS電源裝置,每臺UPS都能滿足各弱電系統(tǒng)總?cè)萘康囊?即每臺UPS按100%容量進行配置。在實際工作中,為確保UPS能長期安全可靠地運行,所推薦的最大負載量一般為UPS額定輸出功率的60%～80%。

根據(jù)相關工程經(jīng)驗,結合本工程電源整合范圍以及各系統(tǒng)電源容量需求進行統(tǒng)計計算。

由表1可知,車站、停車場和控制中心的負載量依次為： 100、76、120 kVA,輸入功率因數(shù)一般為0.7,小于UPS的輸出功率因數(shù)0.8。為了確保UPS長期安全可靠地運行,負載量一般設定在UPS額定容量的60%～80%。所以車站、停車場和控制中心應分別配置130、100、160 kVA的UPS,它們的負載量最大能達到單臺UPS的77%、76%、75%,符合系統(tǒng)可靠性的要求。

2.3.2 蓄電池容量

配置1套蓄電池,由2套UPS電源裝置共享,蓄電池容量按照失電后各系統(tǒng)負載不同后備時間需求計算選取,考慮到蓄電池的使用效率結合工程造價,該組蓄電池滿足系統(tǒng)總?cè)萘?00%的需求配置。

本工程采用UPS共享電池組方案,并且市電停掉后要分時供電給負載。以車站為例：有30 kVA的負載后備4 h,30 kVA的負載后備0.5 h,30 kVA的負載后備1 h, 10 kVA的負載后備0.5 h。根據(jù)上海申通軌道交通研究所弱電UPS整合設計指導意見,本工程建議配置200 AH蓄電池。

基于電池的放電特性,若采用分時間段(豎直分)計算法,結果會比實際的配置偏大；若采用分功率段(水平分)計算法,結果會比實際的配置偏小。這里采用分功率段(水平分)計算法計算,然后再將結果進行修正。經(jīng)計算得出：

(1)30 kVA的負載后備4 h,需要配置1.54組中達電通DCF126-12/200型號的電池。

(2)30 kVA 的負載后備0.5 h,需要配置0.35組中達電通DCF126-12/200型號的電池。

(3)30 kVA的負載后備1 h,需要配置0.59組中達電通DCF126-12/200型號的電池。

(4)10 kVA 的負載后備0.5 h,需要配置0.12組中達電通DCF126-12/200型號的電池。

因此,車站需要配置 1.54+0.35+0.59+0.12=2.60組中達電通DCF126-12/200型號的電池。

由于這種計算方法得出的結果會比實際的配置略有偏小,所以取4組應當足以滿足負載的后備時間需求,共享蓄電池分為4組各25%容量并聯(lián)。

同樣可以計算出，停車場UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126-12/200型號的電池4組,控制中心UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126-12/200型號的電池4組。

因上海地鐵現(xiàn)有線路UPS電池組普遍存在配置偏大的問題,且初近遠期的負荷也有一定不同,為減小可能的電池組配置過大問題,電池組分為兩期配置。初期配置一半容量,即100 AH。運行后,酌情增加另外一半電池。

3 與相關專業(yè)接口

UPS整合不僅與相關被整合專業(yè)存在大量接口,還與低壓動力照明、建筑、供電系統(tǒng)、接地等相關專業(yè)存在接口。因此,需要劃分各系統(tǒng)之間的接口關系,保證接口的協(xié)調(diào)性和完整性,保證電源整合系統(tǒng)安全、可靠的為各個系統(tǒng)提供后備電源。

3.1 UPS電源整合與各被整合系統(tǒng)接口

電源整合系統(tǒng)與相關系統(tǒng)(含通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng))接口位置在車站各弱電設備室該系統(tǒng)設置的就地配電柜進線斷路器上口處。

電源整合與弱電系統(tǒng)接口(圖2)。

圖2 電源整合與各被整合系統(tǒng)接口

UPS電源整合與各被整合弱電系統(tǒng)具體接口見表2。

3.2 UPS電源整合與相關專業(yè)接口(表3)

表2 UPS電源整合與各被整合弱電系統(tǒng)接口

表3 UPS電源整合與相關專業(yè)接口

4 UPS電源設備的維護管理

UPS電源整合將會實現(xiàn)UPS設備的統(tǒng)一維護管理,由維修中心的供電系統(tǒng)綜合檢修車間負責全線UPS電源設備的定期維護保養(yǎng),系統(tǒng)專業(yè)的維護人員只負責日常的巡檢,有利于整個UPS系統(tǒng)穩(wěn)定、安全地運行,達到減員增效的目的。

5 結論

(1)軌道交通弱電UPS電源整合技術是一個發(fā)展趨勢,目前全國各地軌道交通新建線路都在進行UPS整合工作。

(2)專業(yè)化維護、管理；UPS電源整合使今后的維護、管理更專業(yè),更有利于提高電池組的維護水平,延長電池組壽命。

(3)軌道交通弱電UPS電源整合技術有利于節(jié)能降耗。

(4)UPS電源整合是地鐵設計技術創(chuàng)新的重要工作內(nèi)容。

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