濟南軌道交通R1線弱電系統(tǒng)不間斷電源建設方案探討

王國富 張立峰 劉海東

（1．濟南軌道交通集團有限公司，250101，濟南；2．山東科技大學土木工程與建筑學院，266590，青島//第一作者，教授級高級工程師）

濟南軌道交通R1線弱電系統(tǒng)不間斷電源建設方案探討

王國富1，2張立峰1劉海東1

（1．濟南軌道交通集團有限公司，250101，濟南；2．山東科技大學土木工程與建筑學院，266590，青島//第一作者，教授級高級工程師）

介紹了濟南市軌道交通R1線的工程概況及建設原則，詳細闡述了R1線不間斷電源（UPS）建設方案，著重論述了供電方式及UPS整合方案的比選。R1線一級負荷中的特別重要負荷不整合，采用UPS分散供電方式；將ISCS（綜合監(jiān)控）、ACS（門禁系統(tǒng)）、AFC（自動售檢票）、OA（協(xié)同辦公）與PIS（乘客信息系統(tǒng)）等專業(yè)的設備進行整合，共用1套UPS；BAS（環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)）獨立設置UPS，其設備與電源設置在ISCS設備機房。整合的負荷UPS采用雙機并聯(lián)冗余供電方式。計算了R1線采用UPS整合方案后的UPS容量及造價，以及機房建筑面積，計算結(jié)果顯示，R1線UPS建設方案提高了供電的安全性和可靠性。

城市軌道交通；不間斷電源；弱電系統(tǒng)；分散供電；綜合系統(tǒng)供電

城市軌道交通弱電系統(tǒng)主要涵蓋通信、信號、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、自動售檢票（AFC）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）、電力監(jiān)控（PSCADA）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）等專業(yè)。為提高運輸效率、保證行車安全，弱電系統(tǒng)多采用不間斷電源（UPS）作為應急電源。UPS能保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性，能確保弱電系統(tǒng)設備正常運行，在確保軌道交通安全運營方面起著重要的作用。弱電系統(tǒng)專業(yè)龐雜，不同城市的軌道交通UPS建設方案也不盡相同。本文對濟南市軌道交通R1線（以下簡稱“R1線”）弱電系統(tǒng)的UPS建設方案進行探討。

1 R1線工程概況及建設原則

1.1 工程概況

R1線是濟南市第1條城市軌道交通線路，位于濟南市西部新城區(qū)，是濟南市軌道交通線網(wǎng)中貫穿西部新城南北的1條主干線。線路全長26.1 km，其中高架線長16.2 km，過渡段長0.2 km，地下線長9.7 km；共設置11座車站（其中4座地下站、7座高架站、4座換乘站）。線路還設置了池東停車場（遠期實施）、范村車輛綜合基地，以及1座控制中心，并在池東站和演馬莊西站預留了延伸條件。R1線弱電系統(tǒng)UPS建設方案的選擇，不僅影響全線的安全運營，也對濟南城市軌道交通線網(wǎng)其它線路有重大影響。

1.2 建設原則

UPS系統(tǒng)建設應考慮工程實際情況及技術發(fā)展趨勢，需遵循一定的建設原則，以保證各系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)供電的安全和可靠。具體原則為：

（1）應符合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》等規(guī)范的要求。

（2）應有利于UPS和蓄電池品牌統(tǒng)一，實現(xiàn)資源共享。

（3）應有利于供電專業(yè)對UPS實現(xiàn)統(tǒng)一維護管理，提高系統(tǒng)專業(yè)維護水平。

（4）應有利于節(jié)省電源設備機房建筑面積，降低工程造價。

2 R1線UPS建設方案

2.1 供電方式

UPS供電方式主要有UPS分散供電和UPS綜合供電兩種。

2.1.1 UPS分散供電

UPS分散供電方式，即各弱電系統(tǒng)交流負載單獨配置1臺小容量UPS作為應急電源提供供電保護，是最常見和最基本的工作方式，其可靠性較差。UPS分散供電示意圖如圖1所示。

圖1 UPS分散供電方式示意圖

2.1.2 UPS綜合供電

隨著大容量UPS系統(tǒng)及其先進控制技術的成熟，弱電系統(tǒng)采用UPS綜合供電方式的城市軌道交通線路逐漸增多。UPS綜合供電方式是對部分弱電系統(tǒng)進行UPS整合，采用大容量UPS統(tǒng)一供電，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。2015年9月底，對國內(nèi)17個城市49條線路（含延長線，不含有軌電車和磁懸浮線）弱電系統(tǒng)UPS供電方式進行了調(diào)研。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，2009年以前大多采用UPS分散供電方式，之后采用UPS綜合供電方式的城市顯著增多。

2.1.3 供電方式對比分析

基于UPS可靠性、節(jié)省資源、維護管理等方面的要求，UPS分散供電與綜合供電方式對比分析如表1所示。

2.2 UPS整合方案

UPS整合有利于資源共享，提高UPS系統(tǒng)的可靠性，但對整合后的UPS管理維護要求高。一旦UPS出現(xiàn)故障，影響范圍大，會引發(fā)嚴重后果，甚至出現(xiàn)信號系統(tǒng)退出等問題。

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定：“在一級負荷中，當中斷供電將造成人員傷亡或重大設備損壞或發(fā)生中毒、爆炸和火災等情況的負荷，以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷，應視為一級負荷中特別重要的負荷。”

GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定：“一級負荷中特別重要的負荷，應增設應急電源，并嚴禁其它負荷接入?！庇捎谝患壺摵芍刑貏e重要的負荷在中斷供電時，將會產(chǎn)生人身傷亡及危害行車安全，造成重大事故，或造成重要設備損壞，影響范圍大；而一級負荷中斷供電時，將會造成人身傷害，或重大經(jīng)濟損失，影響面較小。因此，一級負荷中特別重要的負荷嚴禁與一級負荷整合。

在一級負荷中特別重要的負荷中，F(xiàn)AS設備需要DC 24 V供電，且須就地設置24 V蓄電池；而且FAS屬于消防系統(tǒng)，由公安消防驗收，故FAS應設專用的UPS，不適用于UPS綜合供電。其他一級負荷中特別重要的負荷（專用通信系統(tǒng)設備、信號系統(tǒng)設備、BAS設備等）可以進行整合，采用UPS綜合供電方式。

表1 UPS不同供電方式對比分析表

一級負荷中的PSCADA設備由于位于強電機房內(nèi)且距離其它設備機房較遠，不納入整合方案。因此一級負荷中的ISCS設備、ACS設備、AFC設備、OA（協(xié)同辦公）設備，與二級負荷PIS設備，可以進行整合，采用UPS綜合供電方式。

綜上分析，城市軌道交通弱電系統(tǒng)各專業(yè)能否整合采用UPS綜合供電方式的統(tǒng)計見表2。

表2 不同專業(yè)負荷整合可行性統(tǒng)計

根據(jù)弱電系統(tǒng)整合范圍的不同，UPS整合方案有3個。

（1）方案一：一級負荷中特別重要的負荷（專用通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、BAS）進行整合，采用UPS綜合供電方式。其中BAS設備按照GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》的要求，應獨立設置或與專用通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)共用UPS。目前在我國BAS大多與一級負荷中的ISCS共用 1套 UPS。按照 GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》的要求，一級負荷OA與二級負荷PIS可獨立設置，或與除一級負荷中的特別重要負荷之外的其它負荷整合后共用UPS。目前，在我國OA及PIS基本與專用通信系統(tǒng)共用1套UPS。

（2）方案二：一級負荷與二級負荷中的PIS整合，一級負荷中特別重要的負荷不整合。

（3）方案三：分散供電。（并非整合，不應屬于整合方案）

截至2015年9月底，國內(nèi)49條采用UPS綜合供電方式的城市軌道交通線路弱電系統(tǒng)整合情況統(tǒng)計見表3。

表3 國內(nèi)采用UPS綜合供電方式的線路情況統(tǒng)計表

考慮到R1線為濟南城市軌道交通第1條線路，且目前國內(nèi)將信號系統(tǒng)納入UPS整合的應用案例較少，因此，R1線計劃采用方案二：ISCS、ACS、AFC、OA與PIS整合，共用1套UPS；一級負荷中的特別重要負荷不整合，采用UPS分散供電方式；BAS獨立設置UPS，其設備與電源設置在ISCS設備機房。

2.3 負荷整合后的UPS綜合供電方案

UPS綜合供電方案主要有UPS雙機串聯(lián)熱備供電及雙機并聯(lián)冗余供電方案。二者對比分析見表4。

表4 UPS綜合供電主要方案對比分析表

UPS雙機并聯(lián)冗余供電方案是城市軌道交通行業(yè)中的主流配置方式，技術較為成熟。故R1線弱電系統(tǒng)UPS整合方案初步確定采用雙機并聯(lián)冗余供電方式。一般雙機并聯(lián)冗余供電方案系統(tǒng)示意圖如圖2所示。R1線的UPS雙機并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖2 一般UPS雙機并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)示意圖

2.4 整合方案效果分析

2.4.1 UPS容量及造價

經(jīng)計算，R1 線的 ISCS、ACS、AFC、OA 與 PIS整合的UPS容量為80 kVA。1臺主用UPS及1臺備用UPS的總價為70萬元。采用分散供電時的UPS容量及造價如表5所示。由表5可得，采用分散供電方案時，這5個專業(yè)的子系統(tǒng)需要4個UPS（ISCS與ACS常共用1個UPS），總價為76萬元?？梢奤PS整合后的綜合供電方案造價相對較低。

2.4.2 機房建筑面積

R1線共11個車站，其中有6個信號設備集中站，5個信號設備非集中站。按采用不同供電方式，以前大彥站及池東站為例，對非集中站及集中站機房的建筑面積分析如表6～7所示。

R1線原來采用分散供電方式。現(xiàn)在即便采用了UPS整合方案，部分機房建筑位置也無法更改。由于R1方案只整合了部分一級負荷及PIS，未整合一級負荷中特別重要的負荷，因此機房建筑面積有所增加。現(xiàn)通過優(yōu)化布局站廳層和站臺層的房間，使單個車站的總建筑面積未增加。

圖3 R1線的UPS雙機并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)圖

表5 R1線分散供電時的UPS容量及造價

3 結(jié)語

R1線將部分弱電系統(tǒng)進行UPS整合，采用部分綜合供電方式。這既符合GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》的要求，也提高了供電的安全性和可靠性。而且一旦UPS出現(xiàn)故障，其影響范圍也小于完全采用UPS綜合供電的方案。

表6 信號非集中站（前大彥站）機房建筑面積對比分析表

表7 信號集中站（池東站）機房建筑面積對比分析表

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市軌道交通的規(guī)模建設，為了建設功能適當、經(jīng)濟合理的軌道交通，在執(zhí)行GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》的基礎上，提出了濟南軌道交通R1線弱電系統(tǒng)UPS建設方案，將一級負荷中的ISCS、ACS、AFC、OA設備與二級負荷中的PIS設備采用UPS雙機并聯(lián)冗余供電。該UPS建設方案在國內(nèi)其它城市尚無應用案例，希望能對國內(nèi)城市軌道交通的建設提供積極的參考意義。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.地鐵設計規(guī)范：GB 50157—2013［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.供配電系統(tǒng)設計規(guī)范：GB 50052—2009［S］.北京：中國計劃出版社，2009：3.

［3］ 程強.淺析整合UPS在地鐵車站中的應用［J］.機電工程技術.2012（7），146.

［4］ 盛蓉蓉.UPS整合在城市軌道交通中的應用［J］.世界軌道交通.2009（2），48.

［5］ 胡倩.城市軌道交通車站弱電系統(tǒng)電源整合方案研究［J］.鐵道勘測與設計.2009（5），39.

Construction of Weak Electricity System UPS for Ji'nan Rail Transit R1 Line

WANG Guofu，ZHANG Lifeng，LIU Haidong

The current engineering of Ji'nan rail transit R1 Line and the construction principle are introduced，the weak electricity system UPS is specially described with a comparison between thepowersupply system and the integration with UPS.By adopting UPS，ISCS(integrated supervisory control system)，ACS(access control system)，AFC(automatic fare collection)，OA (office automation)and PIS(passenger information system)could all be integrated.The capacity and cost of UPS after integration for R1 Line and the computer room area are calculated，itshows thatthe construction of weak electricity system UPS can improve the security and stability of R1 Line.

rail transit；uninterrupted power system（UPS）；weak electricity system； decentralized power supply；integrated system power supply

First-author′s address Jinan Rail Transit Group Co.，Ltd.，250101，Jinan，china

U231.8

10.16037/j.1007-869x.2017.12.028

2016-04-11）