青島地鐵設(shè)備系統(tǒng) UPS 設(shè)置方式研究

羅情平，陳修哲

（青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島 266045）

0 引言

城市軌道交通工程中，設(shè)備系統(tǒng)是保障列車安全運(yùn)行、正常運(yùn)營(yíng)、應(yīng)急處置和智能聯(lián)動(dòng)的中樞神經(jīng)，主要包括專用通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)、站臺(tái)門系統(tǒng)等，這類設(shè)備系統(tǒng)對(duì)電源的質(zhì)量、供電的連續(xù)性、供電的可靠性要求較高。為滿足其配電需求，需要采用 UPS 設(shè)備為其提供高可靠性、高品質(zhì)的不間斷電源。

早期的國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程建設(shè)中，大多采用各設(shè)備系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置UPS電源系統(tǒng)的方式。但是，這種UPS 電源系統(tǒng)的設(shè)置方式在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中暴露出了一些弊端，如設(shè)備分散、維護(hù)管理專業(yè)化程度低、日常維護(hù)管理工作量大、經(jīng)濟(jì)性低等問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市軌道交通行業(yè)開始對(duì) UPS 進(jìn)行不同程度的集中設(shè)置，但各地的集中范圍、實(shí)施方式等各有不同。另外，伴隨著大容量電源系統(tǒng)、先進(jìn)控制技術(shù)、分時(shí)下電技術(shù)等的成熟應(yīng)用和不斷進(jìn)步，也為城市軌道交通中各設(shè)備系統(tǒng) UPS的集中設(shè)置提供了有利條件。

1 設(shè)備系統(tǒng)電源技術(shù)分析

1.1 電源需求分析

城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng) UPS 按設(shè)置地點(diǎn)可分為車站、控制中心以及車輛段/停車場(chǎng)。由于車輛段/停車場(chǎng)各設(shè)備系統(tǒng)機(jī)房設(shè)置相對(duì)分散，距離較遠(yuǎn)，設(shè)備系統(tǒng)集中設(shè)置UPS 的功率會(huì)大量損失在傳輸線路上，造成不必要的浪費(fèi)。因此，車輛段/停車場(chǎng)一般不采用集中設(shè)置 UPS 的方式，僅在正線車站、控制中心統(tǒng)籌考慮是否將 UPS 進(jìn)行集中設(shè)置，具體分析如下。

（1）通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)由民用通信、公安通信、專用通信三大部分組成。民用通信系統(tǒng)大多由鐵塔公司負(fù)責(zé)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)；公安通信系統(tǒng)一般專供地鐵公安使用，相對(duì)獨(dú)立；專用通信系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)的負(fù)載主要為容性負(fù)載，并且多為計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等，具備 UPS 集中設(shè)置條件。

（2）信號(hào)系統(tǒng)。信號(hào)系統(tǒng)是保證列車運(yùn)行安全、監(jiān)控列車運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì) UPS 的要求比較高。結(jié)合運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)及需求，為保證其獨(dú)立性，一般獨(dú)立設(shè)置信號(hào)系統(tǒng)的 UPS 電源，為信號(hào)系統(tǒng)提供高質(zhì)量、高可靠的不間斷電源。

天津地鐵 2 號(hào)線、深圳地鐵 3 號(hào)線曾經(jīng)將信號(hào)系統(tǒng)納入集中設(shè)置范圍，但在其后續(xù)的新建線路中均不再采用此種做法。

（3）綜合監(jiān)控系統(tǒng)（含門禁）、BAS 系統(tǒng)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)（含門禁）、BAS 系統(tǒng)負(fù)載主要為計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、PLC 控制器，大多集中在設(shè)備室，具備UPS 集中設(shè)置條件。

（4）AFC 系統(tǒng)。AFC 系統(tǒng)中的車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC）負(fù)載主要為計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，并且集中在設(shè)備室，具備 UPS 集中設(shè)置條件。

AFC系統(tǒng)中的終端設(shè)備（SLE）早期大多采用設(shè)備內(nèi)部分散設(shè)置 1 kVA 左右的小 UPS，這種設(shè)置方式存在小容量 UPS 穩(wěn)定性及可靠性不高、維護(hù)管理工作量較大、實(shí)際使用壽命較低等問(wèn)題。因此，將終端設(shè)備也納入集中設(shè)置范圍。

（5）FAS 系統(tǒng)。FAS 系統(tǒng)位于車控室的主機(jī)柜，一般直接采用蓄電池作為應(yīng)急電源（DC 24V），并且須經(jīng)過(guò)消防部門的 CCCF 認(rèn)證。但是，F(xiàn)AS 系統(tǒng)工作站可由集中式 UPS 提供不間斷電源。

（6）站臺(tái)門系統(tǒng)。站臺(tái)門系統(tǒng)運(yùn)行方式比較特殊，一般分為控制電源和驅(qū)動(dòng)電源，兩者分開設(shè)置。驅(qū)動(dòng)電源負(fù)載一般為分散性的非線性電動(dòng)機(jī)負(fù)載，采用直流電源，啟動(dòng)電流較大，對(duì)電源系統(tǒng)有較大影響；控制電源一般采用交流電源，但是負(fù)載容量較小。因此，站臺(tái)門系統(tǒng)適合采用UPS 分散設(shè)置方式。

（7）應(yīng)急照明系統(tǒng)。應(yīng)急照明系統(tǒng)對(duì)供電要求沒(méi)有達(dá)到 UPS 等級(jí)，不需要絕對(duì)的不間斷供電。作為后備式電源系統(tǒng)，其對(duì)電能質(zhì)量要求較低，并且用電點(diǎn)比較分散，更適合就地設(shè)置獨(dú)立的 EPS 應(yīng)急電源系統(tǒng)，且 EPS 系統(tǒng)需要通過(guò)消防認(rèn)證。因此，不宜納入集中設(shè)置范圍。

（8）變電所控制電源。變電所需要的不間斷電源主要用于變電所設(shè)備的控制、合閘等操作，一般為直流電源。考慮到牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，后備電源適合獨(dú)立設(shè)置，即變電所自行設(shè)置交直流屏，滿足后備電源需求；同時(shí)考慮到變電所與車站其他設(shè)備系統(tǒng)分不同層分散在車站兩端，變電所控制電源距離集中電源室較遠(yuǎn)，若整合需跨越整座車站，線路迂回、壓降較大，因此不宜納入集中設(shè)置范圍。

1.2 負(fù)荷等級(jí)

按照 GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)負(fù)荷等級(jí)進(jìn)行規(guī)定：

（1）專用通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)、BAS 系統(tǒng)、變電所控制電源、地下車站及區(qū)間的應(yīng)急照明均為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷；

（2）綜合監(jiān)控系統(tǒng)（含門禁）、AFC 系統(tǒng)、站臺(tái)門系統(tǒng)為一級(jí)負(fù)荷；

（3）PIS 系統(tǒng)為二級(jí)負(fù)荷。

2 集中與分散設(shè)置方式對(duì)比分析

2.1 維護(hù)管理

（1）分散設(shè)置。UPS 電源系統(tǒng)隨著各設(shè)備系統(tǒng)招標(biāo)，品牌、規(guī)格、型號(hào)不一致，存在設(shè)備及備品備件種類繁多問(wèn)題，維護(hù)及運(yùn)營(yíng)管理不方便。不同設(shè)備系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同的歸口管理部門，各部門均需負(fù)責(zé) UPS 的維護(hù)工作，造成人力資源浪費(fèi)、重復(fù)配置。

（2）集中設(shè)置。品牌統(tǒng)一，備件的類型和數(shù)量少，便于集中化管理，可實(shí)現(xiàn)資源共享，優(yōu)化人員配置，提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)的專業(yè)化程度。

2.2 設(shè)備房

（1）分散設(shè)置。設(shè)備系統(tǒng)多單獨(dú)設(shè)置電源室，占用的設(shè)備房面積較多。

（2）集中設(shè)置。UPS 電源系統(tǒng)集中設(shè)置于統(tǒng)一的電源室，方便運(yùn)營(yíng)人員在同一個(gè)物理地點(diǎn)對(duì) UPS、蓄電池進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)、管理。

2.3 設(shè)計(jì)容量

（1）分散設(shè)置。各設(shè)備系統(tǒng)單獨(dú)計(jì)算自己的容量需求，設(shè)計(jì)較為保守，冗余量考慮較多，實(shí)際負(fù)載率較低。

（2）集中設(shè)置。統(tǒng)籌考慮各設(shè)備系統(tǒng)的容量需求，進(jìn)行容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4 故障影響范圍

（1）分散設(shè)置。故障影響面較小，各專業(yè)使用專為本系統(tǒng)提供的不間斷電源。

（2）集中設(shè)置。故障影響面較大，納入集中范圍的系統(tǒng)均會(huì)受到影響。

3 設(shè)置方式

3.1 設(shè)置原則

綜合考慮房間、容量、管理、監(jiān)控以及維護(hù)保養(yǎng)需求，采用集中式 UPS 電源系統(tǒng)符合系統(tǒng)集成、資源共享的發(fā)展趨勢(shì)。但是，隨著集中式 UPS 電源系統(tǒng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，被納入整合的設(shè)備系統(tǒng)越來(lái)越多。部分設(shè)備系統(tǒng)因?qū)ψ陨硇∪萘?UPS 電源缺乏合理有效的維護(hù)管理，只要是需要 UPS 配電的設(shè)備，不論負(fù)荷等級(jí)，不論是否為應(yīng)急電源或備用電源，均希望納入集中式 UPS電源系統(tǒng)，造成了 UPS 高度集中化。同時(shí)，隨著集中式UPS 電源系統(tǒng)供電的設(shè)備越來(lái)越多，一旦 UPS 發(fā)生故障，影響面較廣，將影響到多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)。因此，在考慮 UPS 電源的集中設(shè)置方式中，不應(yīng)盲目追求和放大集中整合式 UPS 電源系統(tǒng)供電帶來(lái)的好處，而忽略了其不足。

另外，GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，并嚴(yán)禁其他負(fù)荷接入?！?/p>

青島地鐵組織各線路相關(guān)設(shè)計(jì)院對(duì) UPS 設(shè)置方式進(jìn)行了多次研討，在嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家有關(guān)規(guī)范和要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合各設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)是否納入集中范圍進(jìn)行慎重研究，按照“適度集中、適度整合”原則，確定采用分散式與集中式相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)置，并最終形成了《青島地鐵設(shè)備系統(tǒng) UPS 設(shè)置原則》標(biāo)準(zhǔn)，在青島地鐵 4 號(hào)、6 號(hào)、8 號(hào)線等線路中進(jìn)行具體實(shí)施。隨著該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，可有效減少 UPS 備品備件的種類和數(shù)量，也有利于 UPS 的專業(yè)化維護(hù)和集中化管理。

3.2 實(shí)施方式

集中式 UPS 的具體實(shí)施方式主要有“單 UPS+ 單蓄電池”、“雙 UPS+ 雙蓄電池”（各 50% 負(fù)載）等，在國(guó)內(nèi)各城市均有應(yīng)用。不同的實(shí)施方式各有利弊，表1 從可靠性、維護(hù)性、成本等方面對(duì)不同的實(shí)施方式進(jìn)行了分析。綜合表1 分析結(jié)果，青島地鐵對(duì)一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷設(shè)備系統(tǒng)的綜合 UPS 電源采用“雙 UPS+ 雙蓄電池”（各 50% 負(fù)載）方式，以提高系統(tǒng)可靠性、冗余度；其他負(fù)荷的綜合 UPS 電源采用“單 UPS+ 單蓄電池”方式，在滿足可靠性要求的條件下可節(jié)約工程投資。

（1）一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。提供不間斷電源，包括專用通信系統(tǒng)、BAS 系統(tǒng)、FAS 系統(tǒng)工作站，采用“雙 UPS+ 雙蓄電池”（各 50% 負(fù)載）實(shí)施方式。

（2）其他負(fù)荷。提供不間斷電源，包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)（含門禁）、AFC 系統(tǒng)（含車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、終端設(shè)備）、PIS 系統(tǒng)，采用“單 UPS + 單蓄電池”實(shí)施方式。

（3）在綜合 UPS 電源系統(tǒng)中配備蓄電池組在線均衡裝置，用于蓄電池的電壓、電流、內(nèi)阻、容量等參數(shù)檢測(cè)，可自動(dòng)對(duì)單節(jié)電池電壓進(jìn)行均衡調(diào)整，使它們工作在相同的電壓狀態(tài)，避免過(guò)充或欠充現(xiàn)象，以提高蓄電池組運(yùn)行質(zhì)量，防止蓄電池組快速老化，延長(zhǎng)蓄電池組使用壽命。

（4）對(duì)性能落后的單節(jié)電池進(jìn)行在線活化，對(duì)蓄電池內(nèi)部電極板的結(jié)晶和硫酸的沉淀進(jìn)行激活，以防止蓄電池因長(zhǎng)期浮充而導(dǎo)致的硫酸鹽化，消除從內(nèi)部引起的安全隱患，確保蓄電池處于最佳狀態(tài)。

表1 集中式 UPS 不同實(shí)施方式對(duì)比分析

3.3 維護(hù)管理

（1）集中式 UPS 電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)多個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的電源供電需求，運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)高度重視相關(guān)的維護(hù)保養(yǎng)工作，設(shè)置專門的維護(hù)保養(yǎng)班組，配備相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員，并配置專業(yè)的檢修、維護(hù)工具，制定完善的維護(hù)管理制度。

（2）定期對(duì) UPS 及蓄電池進(jìn)行清潔保養(yǎng)，查看電源室的環(huán)境溫度、濕度是否在合理范圍，查看蓄電池是否存在變形、漏液、裂紋等問(wèn)題。設(shè)置專門的移動(dòng)充放電裝置，對(duì)蓄電池組定期進(jìn)行充放電管理，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

青島地鐵對(duì)各設(shè)備系統(tǒng)的電源需求進(jìn)行了細(xì)致的技術(shù)分析，在滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)負(fù)荷等級(jí)、接入要求等相關(guān)規(guī)定的前提條件下，結(jié)合設(shè)備系統(tǒng)的特點(diǎn)確定集中范圍，并以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式明確各線路設(shè)備系統(tǒng)采用分散式 UPS 與集中式 UPS 相結(jié)合的方式進(jìn)行工程實(shí)施。

“適度集中、適度整合”的 UPS設(shè)置原則，既能保證 UPS 綜合電源系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和故障影響范圍，也符合當(dāng)今資源共享的理念和專業(yè)化維護(hù)、集中管理的發(fā)展趨勢(shì)。

集中式 UPS 系統(tǒng)作為一個(gè)綜合電源系統(tǒng)，在具體實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)注意對(duì)設(shè)計(jì)、設(shè)備生產(chǎn)、安裝調(diào)試、使用保養(yǎng)等各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，協(xié)調(diào)各專業(yè)密切配合，做好接口對(duì)接和提資工作，有效發(fā)揮集中式 UPS 的優(yōu)勢(shì)，為相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)提供高質(zhì)量、干凈、可靠的不間斷電源。

[1]GB 50157-2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2013.

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