城市軌道交通車站不間斷電源整合的可行性分析

王小峰

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，200235，上海∥工程師)

近幾年，隨著電力電子技術、大容量電源系統(tǒng)和先進控制技術在電力系統(tǒng)和通信領域中的成熟使用和不斷發(fā)展，為城市軌道交通工程中各弱電電源系統(tǒng)的整合提供了有利條件。城市軌道交通機電設備弱電系統(tǒng)各專業(yè)在自行配置UPS(不間斷電源)的情況下，出現(xiàn)了各種UPS 整合配置的方案。如，上海市軌道交通7號線工程、2號線東延伸工程，北京地鐵機場線、4號線、9號線、10號線(一期)、大興線、亦莊線、房山線、昌平線，武漢4號線(一期)，深圳市軌道交通3號線，蘇州地鐵1號線等，對車站內各弱電系統(tǒng)的電源不同程度地采取了UPS 整合設計。

但是，城市軌道交通車站UPS 整合方案是否可行并滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求?基于該疑問，本文針對目前普遍采用的3 種典型UPS 整合方案的優(yōu)缺點進行了深入分析與比較，最后得出在車站不宜采用UPS 整合方案的結論，以供今后城市軌道交通UPS整合方案的決策和設計作參考。

1 負荷類型及分級

城市軌道交通用電設備主要包括:通信、信號、自動售檢票系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、門禁、站臺屏蔽門、變電所操作電源、應急照明等。這些系統(tǒng)和設備負責地鐵的運營指揮、電力調度、設備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、信息傳遞和乘客導引等，均屬于一級負荷。其中，專用通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、變電所操作電源、應急照明等為一級負荷中特別重要負荷，因此需要高可靠性的后備電源進行不間斷供電，以保證供電質量和供電連續(xù)性。根據上述要求，對城市軌道交通供電負荷的分級、分布及要求如表1所示。

2 UPS整合范圍分析

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》和GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定:“一級負荷必須采用雙電源雙回路供電;一級負荷中特別重要的負荷，應增設應急電源，并嚴禁其他負荷接入”。因此，在城市軌道交通用電設備中只有自動售檢票、乘客信息系統(tǒng)、門禁和站臺屏蔽門屬于一級負荷，具備UPS 電源整合的條件。由于站臺屏蔽門驅動電機屬于電感性負載，其功率因數比較低，沖擊電流大，若采用UPS 整合系統(tǒng)供電，會明顯影響電壓穩(wěn)定、降低電源質量，因此，宜單獨設置后備電源(實際工程中也是單獨設置)。最終，UPS 的整合范圍只有自動售檢票、乘客信息系統(tǒng)、門禁等3 個系統(tǒng)。

表1 城市軌道交通供電負荷分級及分布要求

3 典型UPS整合方案的分析

目前，城市軌道交通采用的比較典型的UPS 整合方案主要有單機組UPS 整合、雙機組并機式UPS整合和雙機組冗余式UPS 整合等3 種方案。

3.1 單機組UPS整合方案

該方案各車站分別設置1 套UPS 電源裝置(含整流器、逆變器、隔離變壓器、蓄電池組)、智能控制單元及饋線智能配電柜。進線處設置雙電源自切裝置(ATS)，饋出母線采用單母線，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 單機組UPS 整合方案

該方案的優(yōu)點是投資最省。缺點是:①即便被整合系統(tǒng)弱電機房與UPS 整合電源室集中貼鄰布置，對被整合的弱電系統(tǒng)而言，實際上是三電源單回路供電方式，不滿足規(guī)范對一級負荷采用雙電源雙回路供電的要求;② 存在“單點瓶頸”隱患，在UPS的輸出端或配電屏母線出現(xiàn)短路故障時，可能導致UPS 退運，造成被整合系統(tǒng)失電;③ 維修期間的安全性得不到保障，當UPS 故障或檢修停電而改由檢修旁路供電時，其供電質量和供電可靠性會降低;④蓄電池定期活化等維護工作可能無法得到保障。

3.2 雙機組并機式UPS整合方案

該方案各車站分別設置2 套UPS 電源裝置(含整流器、逆變器、隔離變壓器、蓄電池組等)、智能控制單元及饋線智能配電柜。每套UPS 進線處設置雙電源ATS，饋出母線采用雙母分斷加母聯(lián)開關。正常工作時，2 套UPS 裝置并機運行，平均分擔其負載電流，每臺UPS 單機容量能滿足系統(tǒng)總容量要求。其系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 雙機組并機式UPS 整合方案

該方案的優(yōu)點是可以做到定期對UPS 維護和蓄電池活化。缺點是:①“單點瓶頸”隱患，在UPS的輸出端、配電屏母線、饋線電纜因故出現(xiàn)短路故障時，可能導致雙回路的斷路器同時跳閘，因而造成某個被整合弱電系統(tǒng)(甚至整個UPS 整合系統(tǒng))退出運行;② UPS 并機系統(tǒng)的環(huán)流因故發(fā)生偶發(fā)性突然增大，尤其當并機時若某臺UPS 存在隱含故障時，則在切入的瞬間很可能出現(xiàn)由于兩機不同步而產生的環(huán)流，當環(huán)流足夠大時可能導致UPS逆變器損壞，造成UPS 中斷所有輸出。

3.3 雙機組冗余式UPS整合方案

各車站分別設置2 套UPS 電源裝置(含整流器、逆變器、隔離變壓器、蓄電池組等)、負載同步控制器、智能控制單元及饋線智能配電柜。進線處設置雙電源ATS，饋出母線采用雙母分斷，在各專業(yè)設備機房設置靜態(tài)開關(STS)。正常工作時，2 套UPS 裝置冗余分列運行，平均分擔其負載電流，每臺UPS 單機容量能滿足系統(tǒng)總容量要求。其系統(tǒng)架構如圖3所示。

該方案的優(yōu)點是:① 可以做到定期對UPS 維護和蓄電池活化;② 消除了UPS 輸出端“單點瓶頸”隱患;③ 系統(tǒng)不會出現(xiàn)環(huán)流;④ 負載端STS 會在小于5 ms 的時間內將備用電源饋送到所轄負載上，以確保系統(tǒng)的安全可靠運行。缺點是投資最大。

3.4 三種UPS整合方案的綜合比較

1)三種UPS 整合方案的設備配置和技術經濟比較如表2、表3所示。

圖3 雙機組冗余式UPS 整合方案

表2 三種UPS 整合方案的設備配置

表3 三種UPS 整合方案技術經濟比較

2)存在的問題:①土建階段，受車站規(guī)模和形式多樣性的影響，當出現(xiàn)被整合系統(tǒng)的設備用房遠離UPS 電源設備室時，建議該系統(tǒng)不納入被整合范圍。因為當距離相對較遠時，UPS 整合電源室至被整合系統(tǒng)的設備房之間實質上是三電源單回路供電方式或三電源雙回路供電方式，工程實際中一方面不可避免會出現(xiàn)饋線電纜的迂回，另一方面由于與其它管線可能共用橋架，不排除其它專業(yè)維護或故障導致共用橋架故障，使其供電質量和可靠性勢必大打折扣。②實際工程中，UPS 整合電源室占地很大，而被整合系統(tǒng)的設備房面積減少有限(與傳統(tǒng)UPS 分散配置相比較甚至未減少)，不但不能實現(xiàn)節(jié)約土建面積的初衷，而且為解決UPS 整合電源室的散熱問題需增設專門的通風措施，徒增設備投資。③整合后單臺UPS 的容量是按實際需整合容量的1.2 倍配置，如果是冗余式或并機式配置，設備系統(tǒng)更龐大。除了與之匹配的成套UPS 裝置的整流/逆變裝置、隔離變壓器、ATS、蓄電池等設備的技術指標需全面提升外，后期還需對大容量蓄電池組進行定期充放電，設備總投資和運營維護費用按周期成本考慮是否會降低，還需要在實際運營中加以求證。

4 與傳統(tǒng)UPS分散配置的對比

UPS 整合方案與傳統(tǒng)UPS 分散配置的優(yōu)缺點對比如表4所示。

表4 UPS 整合方案與傳統(tǒng)UPS 分散配置的優(yōu)缺點對比

5 結論

通過分析可得出如下結論:

1)有條件納入UPS 整合系統(tǒng)的僅有自動售檢票系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)和門禁3 個系統(tǒng)。3 種UPS整合方案中以雙機組冗余式UPS 整合方案為最佳，單機組UPS 整合方案不滿足規(guī)范對一級負荷的供電要求，雙機組并機式UPS 整合方案和雙機組冗余式UPS 整合方案僅滿足規(guī)范對一級負荷供電的要求，而不滿足對一級負荷中特別重要負荷的供電要求。

2)UPS 整合方案相對傳統(tǒng)UPS 分散配置方案的可靠性有所降低。

3)UPS 整合方案對土建的節(jié)約效果以及設備按周期成本考慮的總投資是否會降低，還有待實際工程的檢驗。

綜上所述，現(xiàn)行的車站內UPS 整合方案并不比傳統(tǒng)UPS 分散配置方案優(yōu)越，不值得推廣應用。

［1］GB 50157—2013 地鐵設計規(guī)范［S］.

［2］GB 50174—2008 電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范［S］.

［3］詹占崗，陳小林. 城市軌道交通弱電綜合連續(xù)不間斷電源(UPS)研究［J］.城市軌道交通研究，2013(7):102.

［4］周悅.集中式不間斷電源在城市軌道交通應用中的關鍵因素及對策分析［J］.城市軌道交通研究，2013(8):44.