UPS在城市軌道交通中的應(yīng)用

梁明暉

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安710016）

1 UPS概述

UPS是不間斷電源（Uninterruptable Power System）的英文簡(jiǎn)稱，是能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源供應(yīng)的重要電氣設(shè)備。UPS按工作原理可分成后備式、在線互動(dòng)式和在線雙轉(zhuǎn)換式三大類，這三種類型的UPS工作方式各不相同，適用于不同的工作場(chǎng)合。目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域普遍采用在線雙轉(zhuǎn)換式UPS電源。

在線雙轉(zhuǎn)換式UPS的工作原理是：在市電正常時(shí)，將市電進(jìn)行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負(fù)載提供交流電；在市電異常時(shí)，逆變器由蓄電池提供能量；逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無(wú)間斷輸出。該類型的UPS具有較寬的輸入電壓范圍，無(wú)切換時(shí)間且輸出電壓穩(wěn)定精度高等特點(diǎn)，因而特別適合對(duì)電源供應(yīng)要求較高的系統(tǒng)或設(shè)備。在線雙轉(zhuǎn)換式UPS電源由整流模塊（或整流器）、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、旁路開(kāi)關(guān)、監(jiān)控模塊和蓄電池組等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖8 在線雙轉(zhuǎn)換式UPS電源結(jié)構(gòu)圖

2 城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)對(duì)UPS的應(yīng)用要求

城市軌道交通中包含眾多的設(shè)備系統(tǒng)，如通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控（BAS）、自動(dòng)售檢票、屏蔽門、門禁、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警等，這些系統(tǒng)承擔(dān)著旅客的安全運(yùn)輸、信息傳遞以及防災(zāi)減災(zāi)等重要任務(wù)，屬于重要或特別重要的一級(jí)負(fù)荷。因此需要高可靠性的后備電源進(jìn)行不間斷供電，以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。上述各系統(tǒng)多為由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成的重要負(fù)載，需要AC380／220 V電源，最適合采用UPS系統(tǒng)進(jìn)行供電。

由于城市軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)環(huán)境及其設(shè)備系統(tǒng)的特殊性，一般要求提供電源的UPS滿足下列要求：

（1）可靠性高，能適應(yīng)較為封閉的運(yùn)行環(huán)境，以確保各設(shè)備系統(tǒng)全天候、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行；

（2）安全性高，保護(hù)全面，不易造成人為設(shè)備故障，不會(huì)威脅；

（3）電源質(zhì)量?jī)?yōu)，整機(jī)效率高，能源消耗少；

（4）綠色環(huán)保，避免污染電力環(huán)境及自然環(huán)境；

（5）便于近、遠(yuǎn)端管理，有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口及開(kāi)放的通訊協(xié)議；

（6）盡量少占資源，節(jié)省安裝空間。

除了上述的通用要求外，本文以地鐵的設(shè)備系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)要介紹它們對(duì)UPS的具體應(yīng)用要求，如表1所示。

3 UPS電源供電方式

3.1 供電方式分析比較

UPS的供電方式可分為集中供電方式和分散供電方式兩種，如表2所示。集中供電方式一般是指由單臺(tái)大功率UPS或兩臺(tái)以上并聯(lián)的中大功率UPS向車站所有設(shè)備系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源。分散供電則是根據(jù)各設(shè)備系統(tǒng)的需要分別配備適合的中小功率UPS［1］。國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的軌道交通線路各設(shè)備系統(tǒng)較為獨(dú)立，加之當(dāng)時(shí)成熟應(yīng)用的大功率UPS設(shè)備較少，所以多采用分散式供電方式。目前，隨著大功率UPS設(shè)備及并機(jī)技術(shù)的日臻成熟，已有部分城市的新建線路采用UPS集中式供電，如深圳地鐵三號(hào)線、北京地鐵機(jī)場(chǎng)線等。這兩種UPS供電方式相比較各有利弊，但集中式供電更有利于資源的綜合利用，更有利于設(shè)備的專業(yè)化維護(hù)與管理，同時(shí)也有利于節(jié)省設(shè)備房使用面積，節(jié)省工程投資，所以目前整合軌道UPS電源已經(jīng)成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

表1 地鐵各設(shè)備系統(tǒng)對(duì)UPS的應(yīng)用要求

表2 UPS集中供電與分散供電比較

3.2 集中供電方式

集中供電方式可以有多種實(shí)現(xiàn)方案，如單機(jī)集中供電、雙機(jī)單總線集中供電、雙機(jī)雙總線集中供電、多機(jī)雙總線集中供電等，集中供電方式的具體方案選擇應(yīng)該在線路初步方案設(shè)計(jì)時(shí)就完全確定，應(yīng)綜合考慮土建設(shè)計(jì)、各系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、造價(jià)成本等方面。由于具體的集中供電方案有很多，本文無(wú)法一一詳細(xì)介紹，故選擇幾種典型的方案加以分析。

3.2.1 雙機(jī)單總線集中供電方案

該供電方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩臺(tái)直接并聯(lián)運(yùn)行的UPS向所有負(fù)載供電，兩臺(tái)UPS均分負(fù)載。這種供電方案設(shè)備采購(gòu)數(shù)量少，容量冗余大便于系統(tǒng)擴(kuò)容，可靠性高于單機(jī)集中供電方案，但任何負(fù)載側(cè)的故障都可能造成系統(tǒng)間的影響。

圖2 雙機(jī)單總線集中供電方案

3.2.2 雙機(jī)雙總線集中供電方案

該供電方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，由兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的UPS電源向所有負(fù)載供電，電源的輸出端由STS控制向負(fù)載供電。這種供電方案下兩臺(tái)UPS工作相互獨(dú)立，可以減少相互間的故障影響，可靠性非常高，但設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用非常大。在建設(shè)成本允許的條件下，這種供電方案或較之更可靠更靈活的多機(jī)集中供電方案應(yīng)該是將來(lái)城市軌道交通領(lǐng)域UPS供電發(fā)展的趨勢(shì)。

圖3 雙機(jī)雙總線集中供電方案

3.3 分散供電方式

3.3.1 單機(jī)分散供電方案

該供電方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，各系統(tǒng)分別由單臺(tái)UPS向其負(fù)載供電，即各個(gè)系統(tǒng)都配置獨(dú)立供電的UPS。這些UPS具有獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，獨(dú)立的蓄電池組，單臺(tái)設(shè)備故障時(shí)只對(duì)所在系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這種方式要求UPS電源的設(shè)備數(shù)量較多，運(yùn)營(yíng)后的維護(hù)檢修工作量大。目前，西安地鐵二號(hào)線各系統(tǒng)仍采用這種傳統(tǒng)的供電方式。

圖4 單機(jī)分散供電方案

3.3.2 雙機(jī)分散供電方案

該供電方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，各系統(tǒng)分別由兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的UPS向其負(fù)載供電，兩臺(tái)UPS均分負(fù)載，互為備份。這種方式要求UPS電源的設(shè)備數(shù)量大，設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用高，設(shè)備房面積要求大，但這種方式的可靠性較單機(jī)分散供電方式有很大提高。目前，有些城市新建地鐵線路選擇采用這種供電方案，如南京地鐵二號(hào)線等。

4 UPS蓄電池容量計(jì)算方法

蓄電池容量（Ah）是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下，蓄電池在給定時(shí)間內(nèi)放電到終止電壓時(shí)，可提供的恒定電流（A）與持續(xù)放電時(shí)間（h）的乘積［2］。蓄電池的配置容量理論上應(yīng)等于或略大于系統(tǒng)的最大折算負(fù)荷容量。容量估算較低可能造成系統(tǒng)的緊急狀態(tài)備電時(shí)間不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和實(shí)際需要；而容量估算過(guò)高則可能造成蓄電池采購(gòu)費(fèi)用上升，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下充電功耗增大帶來(lái)的能源浪費(fèi)和維護(hù)成本的上升。因而采用較為準(zhǔn)確的方法估算蓄電池的容量對(duì)于地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)具有非常重要的意義。

圖5 雙機(jī)分散供電方案（ATS部分僅為示意）

對(duì)于UPS的蓄電池配置容量，可根據(jù)蓄電池產(chǎn)品手冊(cè)中提供的恒功率放電資料表或者恒流放電曲線，通過(guò)恒功率法、電源法、恒流法以及估算法等計(jì)算方法來(lái)確定蓄電池的容量和數(shù)量。本文將以通信系統(tǒng)的UPS蓄電池為例，介紹兩種應(yīng)用廣泛且相對(duì)準(zhǔn)確的容量計(jì)算方法。

4.1 恒功率法（查表法）

這種方法首先計(jì)算在后備時(shí)間內(nèi)，單體蓄電池中每個(gè)2 V的Cell至少應(yīng)向UPS提供的功率，計(jì)算步驟為：

計(jì)算出Pnc后，可以在蓄電池產(chǎn)品手冊(cè)中Umin所對(duì)應(yīng)的恒功率放電參數(shù)表中，找出等于或者稍大于Pnc的功率值，這一功率值所對(duì)應(yīng)的蓄電池型號(hào)應(yīng)能滿足UPS系統(tǒng)的備電時(shí)間要求。如果表3中所列的功率值均小于Pnc，則可以通過(guò)多組蓄電池并聯(lián)的方式達(dá)到要求。

表3 恒功率法計(jì)算參數(shù)表

4.2 電源法

這種方法是國(guó)家原郵電部為通信行業(yè)蓄電池容量選擇而規(guī)定的方法，詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參閱《YDT5040－2005》標(biāo)準(zhǔn)文件，計(jì)算步驟為：

（1）計(jì)算出蓄電池組的最大放電電流

（2）計(jì)算出蓄電池組的最小容量

電源法計(jì)算參數(shù)如表4。上述兩種計(jì)算方法各有側(cè)重，恒功率法是UPS蓄電池容量計(jì)算的最常用方法。在UPS蓄電池運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定，且UPS負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間在額定容量80%以下運(yùn)行時(shí)建議選用此方法。電源法則全面考慮UPS蓄電池在整個(gè)服役期間的性能狀態(tài)，在蓄電池運(yùn)行環(huán)境溫度變化較大時(shí)，更能準(zhǔn)確計(jì)算出蓄電池的容量。一般而言，同等條件下，電源法配置的容量要高于恒功率法30%以上。在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮鉛酸蓄電池的使用條件、UPS所帶負(fù)載情況以及應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇計(jì)算方法。

表4 電源法計(jì)算參數(shù)表

5 UPS使用和維護(hù)注意事項(xiàng)

UPS電源如果操作使用不當(dāng)或維護(hù)不到位，可能造成設(shè)備損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)失電等后果，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)安全，所以必須高度重視UPS的正確使用和日常維護(hù)。

（1）不能按照UPS的額定容量來(lái)使用UPS，長(zhǎng)期滿載或過(guò)度輕載都會(huì)影響UPS的使用壽命。

（2）不應(yīng)頻繁啟動(dòng)或關(guān)閉UPS電源，否則會(huì)引起啟動(dòng)失敗。

（3）注意防雷擊，保證UPS的有效屏蔽和良好接地。

（4）應(yīng)注意UPS的使用環(huán)境變化，環(huán)境溫度過(guò)高將極大地縮短蓄電池的使用壽命，溫度和濕度對(duì)UPS主機(jī)本身的壽命也有很大影響。

（5）UPS主機(jī)應(yīng)定期清潔保養(yǎng)，勿沾染灰塵，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

（6）UPS進(jìn)出風(fēng)口要保持通暢，定期檢查設(shè)備各連接線，并防止碰撞或松動(dòng)以及潮濕。

（7）UPS初次使用或長(zhǎng)期閑置后使用，應(yīng)先對(duì)蓄電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充電后再使用。

（8）不要使UPS長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)而不放電，長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)會(huì)造成蓄電池內(nèi)阻增大或永久性損壞。

（9）盡量避免蓄電池的過(guò)放電，蓄電池放電虧損將可能導(dǎo)致蓄電池永久性損壞。

（10）平時(shí)維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)查看蓄電池是否有變形、裂紋及漏液痕跡。

6 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通領(lǐng)域中各設(shè)備系統(tǒng)多為一級(jí)負(fù)荷，要求供電質(zhì)量較高，需要采用高可靠性的交流供電方案。各城市的新建線路一般從整體供電方案、土建結(jié)構(gòu)、工程預(yù)算、技術(shù)成熟度、應(yīng)用案例等多個(gè)方面綜合評(píng)估，最終確定各系統(tǒng)的UPS供電方式并計(jì)算出相應(yīng)的蓄電池配置容量。另外，UPS使用單位應(yīng)重視UPS主機(jī)及蓄電池組在全壽命周期內(nèi)的使用和維護(hù)，特別要關(guān)注系統(tǒng)驗(yàn)交前的設(shè)備管理和調(diào)試情況。

［1］趙美君.地鐵車站弱電系統(tǒng)集中UPS供電分析［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2007，10（7）：53.

［2］漆逢吉.通信電源［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.