城市軌道交通弱電系統(tǒng)集中UPS容量的計(jì)算

李冬

城市軌道交通系統(tǒng)包含眾多的弱電系統(tǒng)，如通信、信號、綜合監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、旅客信息顯示、門禁、自動售檢票、火災(zāi)自動報(bào)警、屏蔽門、應(yīng)急照明、變電所綜合自動化等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及自動化控制設(shè)備等組成，負(fù)責(zé)地鐵內(nèi)部信息傳遞、車站旅客運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)控、乘客導(dǎo)引等，屬于重要或特別重要的一級負(fù)荷，需要可靠性很高的電源來保證供電質(zhì)量和連續(xù)性。

隨著近年來電力設(shè)備制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前在通信機(jī)房和大型數(shù)據(jù)中心，均有采用大容量UPS系統(tǒng)集中供電的先例，大容量UPS電源系統(tǒng)和先進(jìn)控制技術(shù)在通信和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有較成熟的經(jīng)驗(yàn)，為在軌道交通工程中實(shí)現(xiàn)對各個(gè)弱電系統(tǒng)UPS電源的集中提供了有利條件。

結(jié)合目前技術(shù)發(fā)展和實(shí)際工程需要，有必要對地鐵弱電系統(tǒng)采用集中UPS系統(tǒng)容量選擇的方法進(jìn)行研究，并給出具體的有指導(dǎo)性的計(jì)算方法。

一、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

通過對各系統(tǒng)UPS電源的需求分析，并結(jié)合各系統(tǒng)對UPS電源專業(yè)的提資，綜合考慮確定集中UPS系統(tǒng)整合范圍為：綜合監(jiān)控（含環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、門禁）、專用通信、自動售檢票（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）、辦公自動化（包含票務(wù)室、站長室的視頻監(jiān)控）、旅客信息顯示、環(huán)控電控室的智能低壓、車輛段/停車場安防。

根據(jù)整合范圍，分別對車站、車輛段、停車場、控制中心各被整合系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1～4所示。

車站各系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)算表 表1

說明：旅客信息顯示系統(tǒng)中的戶外LED負(fù)荷不納入集中UPS系統(tǒng)。

車輛段各系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表 表2

說明：只對綜合樓內(nèi)UPS進(jìn)行整合，其他單體建筑UPS不整合。

停車場各系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表 表3

控制中心各系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表 表4

說明：調(diào)度大廳的大屏幕負(fù)荷不納入集中UPS系統(tǒng)。

二、UPS電源容量

根據(jù)各專業(yè)所提負(fù)荷資料，各站點(diǎn)集中UPS系統(tǒng)的計(jì)算總?cè)萘繛椋?/p>

根據(jù)對北京上海地鐵等已采用集中UPS系統(tǒng)地區(qū)的了解，設(shè)計(jì)階段如按各專業(yè)提資直接相加得出的UPS容量普遍偏大，往往導(dǎo)致線路開通后UPS的負(fù)荷率很低。為準(zhǔn)確衡量地鐵各系統(tǒng)提資與目前實(shí)際各系統(tǒng)的需求之間的差異，現(xiàn)對既有線UPS使用情況進(jìn)行了調(diào)研。

以下是對廣州地鐵五號線、二號線典型車站、車輛段、停車場、控制中心弱電系統(tǒng)分散設(shè)置UPS的情況的調(diào)查結(jié)果。

車輛段各弱電系統(tǒng)分散式UPS調(diào)查表（五號線魚珠）

停車場各弱電系統(tǒng)分散式UPS調(diào)查表（二號線大洲）

控制中心各弱電系統(tǒng)分散式UPS調(diào)查表（五號線魚珠）

車站各弱電系統(tǒng)分散式UPS調(diào)查表（五號線三溪）

根據(jù)對廣州地鐵五號線、二號線的實(shí)地調(diào)查情況，結(jié)合其它地區(qū)UPS整合后容量普遍偏大的教訓(xùn)，本次按調(diào)研出的各弱電專業(yè)實(shí)際需要的UPS容量進(jìn)行計(jì)算和選型，并考慮一定的預(yù)量，而電池后備時(shí)間按各系統(tǒng)提資進(jìn)行考慮，這種調(diào)研、統(tǒng)計(jì)的方法能更準(zhǔn)確地體現(xiàn)各系統(tǒng)對UPS的實(shí)際需求。因此，考慮到UPS的最佳負(fù)載率在75%左右，以及不同線路不同廠家的負(fù)載設(shè)備的能耗差異（考慮系數(shù)1.3）和遠(yuǎn)期UPS負(fù)載增加的可能（考慮系數(shù)1.3），對UPS容量計(jì)算如下：

車站UPS容量：（3+2.1+2.3+1.95+6.8+2）/0.75×1.3×1.3=40.9kVA

結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格，取60kVA。

車輛段UPS容量：（2+6+3+3+3+5+12+3）/0.75×1.3×1.3=83.4 kVA

結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格，取100kVA。

停車場U P S容量：（2+2.8+5+2+6）/0.75×1.3×1.3=40.2 kVA

結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格，取60 kVA。

控制中心U P S容量：(4+6+1 7+3+2+6)/0.75×1.3×1.3=85.6kVA

結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格，取100kVA。

三、蓄電池容量

目前在工程設(shè)計(jì)中蓄電池的容量計(jì)算主要有兩種方法，一是電壓控制計(jì)算法，此方法比較精確簡單。另一種是國際上普遍采用的階梯負(fù)荷計(jì)算法。此方法概念清楚，計(jì)算精度高，它的特點(diǎn)是在保證蓄電池終止電壓不低于最低允許電壓的前提下來計(jì)算蓄電池容量。由于集中UPS系統(tǒng)采用的是分時(shí)斷電的運(yùn)行模式，為了得到比較精確的計(jì)算結(jié)果，本文采用階梯負(fù)荷計(jì)算法。

1.計(jì)算方法

（1）按負(fù)荷階梯分段予以計(jì)算，取其中計(jì)算容量最大者。

（2）當(dāng)有隨機(jī)負(fù)荷（指末期沖擊負(fù)荷）時(shí)，隨機(jī)負(fù)荷單獨(dú)計(jì)算所需容量，并疊加在第一階段以外的計(jì)算容量最大的放電階段，然后與第一階段選擇計(jì)算容量比較后取其大者。

2.計(jì)算步驟

（1）直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

上表中各系統(tǒng)實(shí)際負(fù)荷取值為廣州地鐵現(xiàn)場調(diào)查值，再分別考慮1.3（設(shè)備差異系數(shù)）和1.3（遠(yuǎn)期預(yù)留系數(shù)）的系數(shù)。

另外，由于集中系統(tǒng)的負(fù)載均為計(jì)算機(jī)類型，故負(fù)載的功率因數(shù)按0.8考慮，

逆變器效率按0.8考慮（滿載時(shí)逆變器效率一般能達(dá)到0.9以上，但是從安全和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，一般考慮負(fù)載率為75%左右時(shí)的效率）。

（2）繪制負(fù)荷曲線

（3）按直流母線允許最低電壓要求，確定單體蓄電池放電終止電壓。計(jì)算容量時(shí)，根據(jù)蓄電池型式、終止電壓和放電時(shí)間，從上表中查找容量換算系數(shù)（KC）。

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊—電氣二次部分》的要求，為保證直流負(fù)荷端的電壓滿足要求，直流母線電壓的波動范圍按以下原則確定：對于控制、信號、保護(hù)裝置等負(fù)荷時(shí)，電壓波動范圍按+10%，-15%考慮；對于事故照明、直流電動機(jī)、逆變電源裝置、斷路器電磁操動機(jī)構(gòu)的合閘回路，電壓波動范圍按±10%考慮。因此，集中UPS系統(tǒng)蓄電池放電終止電壓按1.8V考慮。電池選取閥控式密封鉛酸電池。

④ 閥控式密封鉛酸蓄電池（膠體）（單體2V）的容量選擇系數(shù)表

①按第一階段（0～1min）計(jì)算容量：

②按第二階段（1～30 min）計(jì)算容量：

③按第三階段（30～60 min）計(jì)算容量：

④按第四階段（60～120 min）計(jì)算容量：

將CR疊加在CC2–CCn中最大的階段上，然后與CC1比較，取其大者，即為蓄電池的計(jì)算容量。

由于整合的系統(tǒng)中沒有沖擊性負(fù)荷，因此，不用校驗(yàn)隨機(jī)負(fù)荷對容量的影響。

經(jīng)計(jì)算第二階段計(jì)算容量最大，為339 Ah，選取容量為400 Ah。

經(jīng)同樣方法，計(jì)算出：

車輛段第二階段計(jì)算容量最大，為635Ah，選取容量為700Ah；

停車場第二、三階段計(jì)算容量最大，為332 Ah，選取容量為400Ah；

控制中心第二階段計(jì)算容量最大，為597 Ah，選取容量為700Ah；

其中，式中：

CC1～CCn——蓄電池10h放電率各階段的計(jì)算容量，Ah；

CR——隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量，Ah；

I1、I2…In——各階段的負(fù)荷電流，A；

IR——隨機(jī)負(fù)荷電流，A；

KK——可靠系數(shù)，取1.4；

KC——1min放電時(shí)的容量換算系數(shù)，1/h；

KCR——隨機(jī)（5s）負(fù)荷的容量換算系數(shù)，1/h；

KC1——各計(jì)算階段中全部放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1/h；

KC2——各計(jì)算階段中除第1階梯時(shí)間外放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1/h；

KC3——各計(jì)算階段中除第1、2階梯時(shí)間外放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1/h；

KCn——各計(jì)算階段中最后1個(gè)階梯放電時(shí)間的容量換算系數(shù)，1/h。

四、結(jié)語

軌道交通工程弱電集中UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)正日漸成為一種趨勢，關(guān)于集中UPS系統(tǒng)設(shè)備容量計(jì)算和選取的基礎(chǔ)是各被整合系統(tǒng)所提基礎(chǔ)資料，建議地鐵集中UPS系統(tǒng)實(shí)施中，由業(yè)主統(tǒng)一協(xié)調(diào)各被整合專業(yè)向集中UPS系統(tǒng)提資，強(qiáng)化提資準(zhǔn)確性，明確實(shí)際使用負(fù)荷和負(fù)荷裕量，避免各專業(yè)所提負(fù)荷容量過大，造成設(shè)備容量選取過大的問題。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在各專業(yè)提資基礎(chǔ)上，統(tǒng)一綜合考慮各系統(tǒng)裕量，做到合理配置設(shè)備容量，使集中UPS系統(tǒng)在成本控制、設(shè)備管理方面起到更顯著作用。