淺談軌道交通系統(tǒng)的不間斷電源(UPS)應(yīng)用需求

劉魁，孫洪卓

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.北京鼎漢技術(shù)股份有限公司，北京 100070)

淺談軌道交通系統(tǒng)的不間斷電源(UPS)應(yīng)用需求

劉魁1，孫洪卓2

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.北京鼎漢技術(shù)股份有限公司，北京 100070)

因軌道交通不間斷電源系統(tǒng)的故障問題而導(dǎo)致的軌道交通線路降級運營(臨時停車、增大發(fā)車間隔等)的事故屢見不鮮，嚴(yán)重影響公共交通運行安全及社會秩序。本文闡述了軌道交通不間斷電源(UPS)的使用環(huán)境和多年來發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合各種類型UPS的產(chǎn)品與技術(shù)特性，對實際使用與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匯總分析，指出了軌道交通對UPS的特殊要求。

軌道交通；不間斷電源(UPS)；工頻機(jī)；高頻機(jī)；工業(yè)UPS；商業(yè)UPS

軌道交通行業(yè)的不間斷電源(UPS)作為終端設(shè)備安全供電的末級保障，本文結(jié)合軌道交通UPS的多年的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，從UPS的行業(yè)需求、產(chǎn)品要求、技術(shù)性能(不限于GB/T 7260.1—2008～ GB/T 7260.4—2008《不間斷電源設(shè)備》，YD/T 1095—2008《通信用不間斷電源》[1])等角度，立足高可靠性UPS應(yīng)用拋磚引玉，為軌道交通安全運營加以鋪墊。

1 行業(yè)需求

根據(jù)行業(yè)要求與負(fù)載特性，UPS供電方案是提升系統(tǒng)可靠性與可用度的重要角度。各城市地鐵對不間斷電源(UPS)的供電方案不盡相同，但從供電方式上常見的有分散式供電和集中式供電(整合)兩種方式；而國鐵中則以分散式供電方案為主。關(guān)于軌道交通各子系統(tǒng)方案與容量統(tǒng)計，詳見表1。

表1 軌道交通各子系統(tǒng)方案與容量統(tǒng)計

序號系統(tǒng)分類地鐵的UPS方案與容量國鐵的UPS方案與容量1信號系統(tǒng)(信號系統(tǒng)計算機(jī)、網(wǎng)路設(shè)備、控制設(shè)備等)集中站：20～60kVA非集中站：5～10kVACTC：200～300kVA站點：30～60kVA中繼站：10～20kVA2通信系統(tǒng)地鐵(傳輸、無線、公務(wù)電話、專用電話、視頻監(jiān)控、廣播、時鐘、集中告警、乘客信息系統(tǒng)等)：20～40kVAUPS：1～5kVA通信多采用-48VDC高頻開關(guān)電源3自動售檢票系統(tǒng)站點集中式供電：20～40kVA旅服系統(tǒng)(集中式)：10～20kVA4火災(zāi)報警系統(tǒng)5kVA—5綜合監(jiān)控系統(tǒng)(計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等)20～30kVA環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)：一般不單獨設(shè)計UPS6運營控制中心、調(diào)度中心控制中心：30～200kVA運營指揮中心：100～300kVA國鐵列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(CTC)：200～300kVA調(diào)度所：最大500kVA

注：表格中為主要系統(tǒng)需求，地鐵各子系統(tǒng)分類以GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[2]為參照

2 軌道交通行業(yè)對UPS產(chǎn)品的要求

2.1 物理環(huán)境

物理環(huán)境是UPS等電氣設(shè)備適用性的關(guān)鍵因素，除國內(nèi)存在較大的南北方氣候差異外，軌道交通具有比商用數(shù)據(jù)中心機(jī)房更苛刻的物理環(huán)境(電網(wǎng)、溫度、濕度、震動、氣壓等)要求。

(1)應(yīng)用于軌道交通的UPS應(yīng)注意的物理環(huán)境造成的問題

軌道交通在線路建設(shè)期，機(jī)房內(nèi)無溫度控制裝置，UPS主機(jī)極易被腐蝕，在正式運營初期出現(xiàn)UPS故障頻發(fā)的問題。故此，要求在建設(shè)期惡劣環(huán)境下避免使用UPS為負(fù)載供電，同時要求應(yīng)用于線路上的UPS應(yīng)從產(chǎn)品角度：“具備獨立的風(fēng)道、全三防處理等設(shè)計”，以適應(yīng)物理環(huán)境。

軌道交通運營電源機(jī)房中存在大量的導(dǎo)電金屬粉塵(能譜分析圖可能存在硅、鈣、鋁、鐵、鎂等)。導(dǎo)電粉塵是致使標(biāo)準(zhǔn)UPS主機(jī)移植到軌道交通環(huán)境后出現(xiàn)水土不服故障頻發(fā)的重要根源。

(2)從現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)角度看，軌道交通UPS可以通過標(biāo)準(zhǔn)控制來達(dá)成產(chǎn)品可靠性

中鐵檢驗認(rèn)證中心CRCC產(chǎn)品認(rèn)證實施細(xì)則特定要求-國鐵信號電源屏(智能)[3]要求信號電源系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備UPS除了應(yīng)符合恒定濕熱試驗外，還須符合GB/T2423.4—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分:試驗方法試驗Db》規(guī)定的6周期(40 ℃，95%RH)的交變濕熱(試驗Db)試驗，以滿足高溫、高濕的使用要求。

在地鐵，設(shè)計要求往往出現(xiàn)“UPS應(yīng)采用工業(yè)級產(chǎn)品”。然而，并無標(biāo)準(zhǔn)能夠直接界定出“何為工業(yè)級UPS”。故在國內(nèi)軌道交通所使用的主機(jī)多為標(biāo)準(zhǔn)商用數(shù)據(jù)中心場合開發(fā)的產(chǎn)品，并不適合惡劣環(huán)境的工業(yè)領(lǐng)域”。如果真正需要約束采用“適應(yīng)惡劣環(huán)境的UPS”，最好的方式是采用國標(biāo)GB/T 4943.1—2011《信息技術(shù)設(shè)備》或GB/T 72511—2005《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備:第一部分:型式試驗和部分型式試驗成套設(shè)備》中規(guī)定的“污染等級3”(爬電距離、絕緣間隙與電壓之間的關(guān)系)來描述需求更為貼切。然而，軌道交通目前主流UPS制造商供貨的產(chǎn)品，均為符合較低標(biāo)準(zhǔn)的“污染等級2”要求。

綜上，既有各軌道交通使用中的UPS多數(shù)“不能完全滿足”上述的物理環(huán)境要求。

2.2 電網(wǎng)環(huán)境

在現(xiàn)今的地鐵、國鐵的電源子系統(tǒng)等的供電均采用獨立的變壓器，設(shè)計雙電源切換裝置，輸入電壓、頻率的穩(wěn)定性較好。但在早期的普速國鐵、或地方鐵路的電網(wǎng)卻大相徑庭，沿途車站牽引電受機(jī)車運營影響極大。例：某早期普速國鐵貨運專線用UPS經(jīng)常故障，而后測試發(fā)現(xiàn)，在列車經(jīng)過時UPS的輸入電壓諧波總畸變率最大時超過40%。表2為某普速國鐵現(xiàn)場UPS輸入市電測試數(shù)據(jù)。

表2 普速國鐵某站點現(xiàn)場UPS輸入市電測試數(shù)據(jù)

分類I路(貫通電)II路(牽引電)輸入電壓224V224V/225V輸入電壓波形畸變率(THDU)3%10 8/16 9%

從表2中可以看出，早期的普速國鐵供電I路(市電)具備較好的電網(wǎng)環(huán)境，但UPS需要適應(yīng)在II路(牽引電)供電的使用要求。

UPS需要適應(yīng)惡劣的電網(wǎng)環(huán)境，具備較寬的主路電壓輸入范圍以及外界高諧波的電網(wǎng)環(huán)境，在電網(wǎng)任何突變的情況下均能良好的工作。

2.3 負(fù)載環(huán)境

軌道交通涉及的各個子系統(tǒng)的負(fù)載繁多，UPS實際帶載率極低。

(1)實際工況下多數(shù)僅有30%以下的UPS帶載率。因此，在軌道交通中的UPS都不能達(dá)到高效節(jié)能的效果。采用可控硅整流加輸入諧波濾波器的UPS在低負(fù)載率的情況下，需要避免因諧波濾波器的過補(bǔ)償而造成UPS輸入側(cè)無功電流過大而導(dǎo)致線纜發(fā)熱、斷路器誤動作的問題。

(2)軌道交通各專業(yè)之間通過隔離變壓器進(jìn)行物理隔離，單個隔離變壓器啟動瞬間會對UPS造成10倍甚至幾十倍的勵磁電流沖擊(額定標(biāo)稱220V/10A的變壓器啟動會在ms時間內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)200A的沖擊電流)。因軌道交通存在隔離變壓器與沖擊性負(fù)載，為此從安全角度上考慮需UPS設(shè)計加以一定的容量冗余。并結(jié)合適當(dāng)子系統(tǒng)的集中化供電方式設(shè)計，會使得供電系統(tǒng)的可靠性大幅提升。

2.4 UPS系統(tǒng)方案需求

UPS系統(tǒng)方案的設(shè)計需以安全、可靠為準(zhǔn)繩。在實際工程中，UPS的設(shè)計方案并未完全按照GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》的A或B級機(jī)房的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計，而是根據(jù)業(yè)主對可靠性的要求以及各子系統(tǒng)差異化的需求選擇單臺UPS(單機(jī))、多臺UPS(并機(jī)、雙母線等)的設(shè)計方案。目前在軌道交通各系統(tǒng)UPS的應(yīng)用方案如表3。

表3 軌道交通系統(tǒng)UPS供電方案概覽

序號分類系統(tǒng)方案1地鐵信號截止2016年1月，除了上海、無錫、蘇州等為兩臺雙機(jī)系統(tǒng)方案，其他地區(qū)多為單臺UPS系統(tǒng)方案。但2015年12月后傾向于兩臺雙機(jī)系統(tǒng)的區(qū)域不斷增加2地鐵通信分散方案或集中供電。早期為分散單機(jī)較多，2009年后雙機(jī)并機(jī)集中供電方案成為趨勢，但單臺UPS系統(tǒng)方案仍被采用3地鐵控制中心包含單臺UPS和2N并機(jī)的方案，其中兩臺并機(jī)占據(jù)大多數(shù)4客專信號系統(tǒng)兩臺并機(jī)系統(tǒng)5普鐵信號電源早期一般無UPS。如有，單臺UPS或兩臺并機(jī)系統(tǒng)不統(tǒng)一6國鐵調(diào)度所多數(shù)采用雙母線系統(tǒng)2×(N+X)方案

2.5 UPS技術(shù)要求

結(jié)合大量實際應(yīng)用及實際物理環(huán)境、電網(wǎng)環(huán)境、負(fù)載環(huán)境等因素，總結(jié)軌道交通對于UPS產(chǎn)品技術(shù)的需求如下(包括不限于)：

2.5.1 工頻機(jī)和高頻機(jī)的選擇

同UPS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(沒有工頻機(jī)和高頻機(jī)的區(qū)分)，在軌道交通對于“工頻機(jī)和高頻機(jī)” 的字樣很少出現(xiàn)在招標(biāo)文件里。大家更多關(guān)注的是UPS采用的“整流方式”是高頻(IGBT、MOSFET等方式)，還是SCR可控硅(6P、12P)、UPS輸出端是否設(shè)計了內(nèi)置輸出隔離變壓器、UPS是否是高功率密度(模塊化或模塊化結(jié)構(gòu))、電池支持方式與數(shù)量配置等問題，但基本不會提及UPS內(nèi)部最高的工作電壓(母線電壓)。

對于軌道交通行業(yè)的共識是“安全可靠是衡量需求的最基本的硬性標(biāo)準(zhǔn)”。結(jié)合目前UPS的設(shè)計，軌道交通更適用于高可靠性的工頻機(jī)。

2.5.2 隔離變壓器需求

工頻機(jī)UPS內(nèi)置的隔離變壓器作用為逆變器輸出變壓、主路逆變器與主路輸出有效隔離的作用。輸出隔離變壓器選型直接影響到系統(tǒng)參數(shù)，常見的有△/Y型變壓器、△/Z型變壓器。兩種不同的隔離變壓器對比如表4所示。

在各廠家標(biāo)準(zhǔn)品設(shè)計中，△/Z型變壓器雖然具備更好的可靠性，但多數(shù)廠家考慮成本與體積因數(shù)而將△/Y型變壓器作為標(biāo)配，△/Z型變壓器作為選配。

各個廠家標(biāo)準(zhǔn)UPS的零線基本不是隔離的，如需要實現(xiàn)真正意義上的系統(tǒng)隔離，需要增加輸入隔離變壓器及旁路隔離變壓器來予以完善。

2.5.3 節(jié)能環(huán)保需求

在UPS電源系統(tǒng)設(shè)計上如何挖潛降耗,降低用電量大的系統(tǒng)設(shè)備能耗，制定用能、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)效率也是建設(shè)綠色軌道交通的一個必要的出發(fā)點。

無輸出隔離變壓器的高頻機(jī)采用高功率密度設(shè)計，節(jié)能是最主要的優(yōu)點之一。而可控硅整流的工頻機(jī)效率低于無輸出隔離變壓器的高頻機(jī)，但工頻機(jī)在可靠性上略勝一籌。結(jié)合軌道交通的節(jié)能要求，需要UPS在低負(fù)載率、高可靠性的前提下，進(jìn)行效率優(yōu)化以提高節(jié)能效果。

電磁兼容是UPS技術(shù)認(rèn)證不可或缺的一部分。軌道交通的EMC建議采用GB 7260.2—2009《電磁兼容性(EMC)要求》(BS EN 62040-2-2006 Uninterruptible power systems (UPS))中的要求，電源端子騷擾電壓、輻射騷擾場強(qiáng)應(yīng)滿足C3類工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其他均按A類要求執(zhí)行。

2.5.4 維護(hù)性需求

UPS的重量多達(dá)數(shù)百千克，標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)需要充分考慮并柜安裝的需求，需要做到全正面維護(hù)或前后維護(hù)，不能接受側(cè)面維護(hù)。

表4 UPS內(nèi)輸出隔離變壓器對比

序號參數(shù)△/Y型變壓器△/Z型變壓器1輸出隔離變壓器功能變壓、隔離變壓、隔離2原理圖△/Y型變壓器原理圖△/Z型變壓器原理圖3不平衡負(fù)載短期的100%不平衡帶載△/Z型變壓器具有不平衡負(fù)載的自動均分功能，確?！白儔浩鞲边叀钡呢?fù)載不平衡到了“變壓器原邊”會分配到三相，100%不平衡帶載可長期可靠穩(wěn)定運行。4負(fù)載不平衡時的相位精度<3°<1°5不平衡時的穩(wěn)壓精度<1%(100%線性負(fù)載)<12%(100%非線性負(fù)載)<1%(100%線性負(fù)載)<3%(100%非線性負(fù)載)6體積小大7成本低高

UPS的維護(hù)性存在的誤區(qū)之一評估各廠家主機(jī)標(biāo)稱的MTBF(平均故障間隔時間)與MTTR(平均恢復(fù)前時間)等設(shè)計參數(shù)，但多數(shù)機(jī)型計算的都是在標(biāo)準(zhǔn)工況下而計算出來的“虛值(僅做參考值)”。任何電子精密設(shè)備都需要優(yōu)質(zhì)的維護(hù)保養(yǎng)、及時維修更換低壽命元器件與易損件才能得以保證。

維護(hù)UPS是很少軌道交通運營業(yè)主能夠獨立完成的，即便是有模塊化設(shè)計或模塊化結(jié)構(gòu)也是如此。這就要求設(shè)備供貨商或制造商有專業(yè)的素養(yǎng)，及時的響應(yīng)、開放核心升級技術(shù)、惠民的服務(wù)價格來為用戶排憂解難。

2.5.5 其他UPS專屬需求

◆時鐘統(tǒng)一：UPS會出現(xiàn)時間偏移，上位機(jī)的時間統(tǒng)一可滿足綜合監(jiān)控、集中告警系統(tǒng)的管理需求。

◆較小的UPS啟動沖擊電流：UPS在主路啟動過程中會產(chǎn)生極大的沖擊電流，該電流會導(dǎo)致輸入斷路器誤動作。但如UPS采用軟啟動則會有效避免沖擊電流的產(chǎn)生，使得配電斷路器的設(shè)計容量更為合理。

◆反接保護(hù)：主路或旁路、電池組的反接保護(hù)，避免誤操作而造成設(shè)備故障。

◆電池檢測：檢測蓄電池斷路器或蓄電池組間任意連線斷開時告警，保障UPS具備充足的后備時間。

◆監(jiān)控單元：大屏幕監(jiān)控，可設(shè)置開機(jī)參數(shù)、便于UPS運營維護(hù)。

◆低煙、無鹵、阻燃(功率線纜與電路板等)：打破UPS電源行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)品設(shè)計，保障人身、財產(chǎn)安全。

◆工業(yè)型斷路器：避免誤動作等故障事件發(fā)生，需滿足工業(yè)型斷路器GB14048.2—2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》(IEC 60947-2-2013 low-voltage switchgear and controlgear-part 2: circuit-breakers)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

◆自動、維修旁路：無論UPS主機(jī)容量，有效保障不間斷供電。

◆防鼠、防蛇：避免施工期、運營期UPS主機(jī)電源的故障。

◆電池可調(diào)設(shè)計：蓄電池組內(nèi)電池數(shù)量靈活設(shè)置。

3 小結(jié)與展望

近年來國內(nèi)外UPS品牌和廠商數(shù)量大幅增長，在國內(nèi)就有上百個UPS主機(jī)品牌。真正擁有自主開發(fā)能力、掌握核心技術(shù)的廠家、品牌屈指可數(shù)。伴隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)、石油石化、電力等工業(yè)行業(yè)的特殊應(yīng)用場合需求的巨大增加，出現(xiàn)了高頻模塊化商業(yè)數(shù)據(jù)中心用UPS與工業(yè)用UPS兩個極端的發(fā)展趨勢。

按既有UPS的行業(yè)內(nèi)定義，作者認(rèn)為：綜合技術(shù)及商務(wù)因素，對于軌道交通UPS的需求更適合的UPS主機(jī)應(yīng)采用全三防、帶內(nèi)置隔離變壓器、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的“專屬UPS主機(jī)”。而非傳統(tǒng)的商業(yè)UPS或石油石化、電力行業(yè)設(shè)計的工業(yè)UPS主機(jī)。UPS是一個仍需精細(xì)化挖掘的產(chǎn)品，本文以客戶高安全、高可靠為前提的角度出發(fā)，為促進(jìn)軌道交通乃至整個UPS行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展加以鋪墊。

[1] YD/T1095—2008，通信用不間斷電源—UPS [S].

[2] GB50157—2013，地鐵設(shè)計規(guī)范 [S].

[3] 中鐵檢驗認(rèn)證中心(CRCC). 中鐵認(rèn)函〔2012〕284號 CRCC產(chǎn)品認(rèn)證實施細(xì)則特定要求-國鐵信號電源屏(智能)V1.0 [S].

Application Requirements of UPS in Rail Transit System

LIU Kui1, SUN Hongzhuo2

(1.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd，Wuhan430063，China；2.BeijingDinghanTechnologyCo.,Ltd，Beijing100070,China)

A failure of uninterruptible power system that causes rail transit line downgrade operations (temporary stop increasing departure interval, etc) has happened more than once in rail transit system, severely affecting not only the safty of public transport system but also social order.This article describes the environment of uninterrupted power systems(UPS)in rail transit, and the problems found in the courses of utilization over many years. The advantages and disadvantages of various types of UPS are analyzed on rail transit system, and requirements for special UPS in rail transit environment are proposed on the basis of a summary on both what required by standard and that in-service.

rail transit; uninterruptible power systems (UPS); transformer-base UPS; transformer-less UPS; industrial UPS; business UPS

2016-03-14；

2016-05-09

劉魁(1985—)，男，湖南省人，工程師，具有多年從事軌道交通通信系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，熟悉軌道交通UPS的技術(shù)需求和方案設(shè)計、制造商背景及產(chǎn)品技術(shù)特性與應(yīng)用情況等。

2095-1671(2016)03-0154-05

TM92

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