地鐵專用通信電源系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

俞悅

摘要：隨著地鐵通信的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的通信設(shè)備對通信電源系統(tǒng)提出了更高更穩(wěn)定的要求，因而專網(wǎng)電源系統(tǒng)不僅需要為專網(wǎng)通信電源不間斷供電 ，還要保證系統(tǒng)的可靠性及實際功能需求。本文根據(jù)實際現(xiàn)場地鐵通信設(shè)備供電需求，設(shè)計了一套由交流配電屏、高頻開關(guān)電源、UPS及蓄電池組構(gòu)成的專用通信電源系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：地鐵通信;電源系統(tǒng);蓄電池組

1.地鐵專用通信電源系統(tǒng)技術(shù)要求

地鐵專網(wǎng)通信電源系統(tǒng)一般包括：交流配電屏、直流供電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)（UPS）和蓄電池組、接地防雷系統(tǒng)、集中監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生交流電中斷或電壓不穩(wěn)的情況下，確保通信專網(wǎng)及其子系統(tǒng)仍能穩(wěn)定可靠地工作，不出現(xiàn)電源中斷的情形，通信電源系統(tǒng)將承擔(dān)地鐵全線范圍內(nèi)所有車站、控制中心、車輛段及停車場專網(wǎng)、公網(wǎng)通信設(shè)備的供電。

隨著地鐵交通的飛速發(fā)展，通信設(shè)備大量增加，同時也不斷更新?lián)Q代，通信電源系統(tǒng)也發(fā)生了革命性的躍變，主要體現(xiàn)在：標(biāo)準(zhǔn)的制（修）定、供電系統(tǒng)可用性的提升、供電方式的完善、技術(shù)裝備水平的提高、維護(hù)方式的變革以及集中監(jiān)控管理的實施等。電源系統(tǒng)不僅要為通信設(shè)備輸送正常的能源，而且要消除電網(wǎng)對設(shè)備的損害，保證供電質(zhì)量。以南京地鐵4號線為例，設(shè)計需要滿足：

1.1安全性能

電源通過交流配電屏由變電所引接雙電源、雙回路的交流電源，采用按一級負(fù)荷供電。當(dāng)使用中的一路供電出現(xiàn)故障時，可以實現(xiàn)自動切換至另一路。而交流電輸出在實際工程中，都需要經(jīng)過不間斷電源設(shè)備（UPS），實現(xiàn)可靠的、穩(wěn)定的、無間斷供電，防止設(shè)備突然斷電。在直流供電系統(tǒng)中，通常采用整流器與高開蓄電池并聯(lián)浮充供電方式。

1.2功能要求

18個車站和車輛段的通信設(shè)備需要提供交流電源（AC 220V）和直流電源（基礎(chǔ)電壓為DC -48V），控制中心同樣也需要配置交流電源和直流電源為中心通信設(shè)備提供電源，同時控制中心還需要配置電源網(wǎng)管，實時監(jiān)控全線所有電源設(shè)備的運行狀態(tài)及故障告警信息。所有交流輸入均由變電所引接，并為UPS及高頻開關(guān)電源供電。220V用電設(shè)備是通過交流配電屏一次輸出，經(jīng)過UPS電源輸出純凈的交流電后，再經(jīng)交流配電屏二次分配給需要交流供電的設(shè)備，直流設(shè)備供電是通過交流配電屏一次回路后經(jīng)過高頻開關(guān)電源的整流單元輸出的-48V直流電源。同時UPS電源和高頻開關(guān)電源都配備蓄電池組，在交流電源停電時，蓄電池組可以反向為UPS和高頻開關(guān)供電，實現(xiàn)不間斷電源的穩(wěn)定輸出。

2.專用通信電源構(gòu)成及實現(xiàn)

南京地鐵4號線專用通信電源系統(tǒng)涵蓋全線范圍內(nèi)所有車站、控制中心及車輛段，為全線通信專用設(shè)備供電。在正線車站、車輛段通信設(shè)備房里分別放置1套交流配電屏、1套UPS電源設(shè)備（含UPS蓄電池）和1套高頻開關(guān)電源（含高開蓄電池），在控制中心通信設(shè)備房里放置1套交流配電屏、2套雙機(jī)并行UPS電源設(shè)備（含UPS蓄電池）和1套高頻開關(guān)電源（含高開蓄電池）。

在每個站點的高頻開關(guān)電源內(nèi)，均安裝智能集中監(jiān)控模塊，采集所有電源設(shè)備運行信息和環(huán)境監(jiān)控信息。智能集中監(jiān)控模塊配置有以太網(wǎng)模塊提供RJ45接口連接至以太網(wǎng)通道，把相關(guān)設(shè)備信息通過傳輸系統(tǒng)傳送至控制中心。在控制中心配置1臺交換機(jī)，通過RJ45口與以太網(wǎng)連接，其余接口分別連接監(jiān)控終端主機(jī)，做為集中監(jiān)控終端設(shè)備對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，可接受時鐘系統(tǒng)的時鐘信號做為標(biāo)準(zhǔn)時間，并發(fā)送系統(tǒng)報警信息給集中報警系統(tǒng)。

南京地鐵4號線電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

2.1蓄電池維護(hù)子系統(tǒng)

蓄電池單體監(jiān)測及維護(hù)子系統(tǒng)是由18個車站和靈山控制中心、青龍山車輛段、靈山綜合通信網(wǎng)，合計21個站點組成，根據(jù)每個站點配備不同的蓄電池數(shù)量及型號，配制相應(yīng)的檢測子系統(tǒng)和維護(hù)子系統(tǒng)。每個站點設(shè)備配備檢測子系統(tǒng)和維護(hù)子系統(tǒng)的主體設(shè)備配備的DB9可以與訪站點的交換機(jī)互聯(lián)，通過以太網(wǎng)，傳輸運行數(shù)據(jù)。每個站點安裝硬件“檢測子系統(tǒng)”和“維護(hù)子系統(tǒng)”，并配置一個4口串口服務(wù)器，在靈山監(jiān)控中心配置一套“管理子系統(tǒng)”，形成多個站點模塊統(tǒng)一監(jiān)控。檢測子系統(tǒng)與維護(hù)子系統(tǒng)具備標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，該端口使用TCP/IP協(xié)議，DB9孔-RJ45接入串口服務(wù)器，RJ45串口服務(wù)器接入以太網(wǎng)實現(xiàn)通信傳輸。靈山控制中心配備數(shù)據(jù)庫對21個站點VRLA進(jìn)行集中監(jiān)控實現(xiàn)集中告警預(yù)警功能。系統(tǒng)構(gòu)成圖如下：

2.2 控制中心電源系統(tǒng)構(gòu)成

以控制中心為例，說明一下通信電源系統(tǒng)設(shè)計思路。

控制中心設(shè)置交流不間斷電源設(shè)備（UPS）、交流配電屏、高頻開關(guān)電源、蓄電池組（含電池架）及電源監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)備。

控制中心UPS電源系統(tǒng)采用雙機(jī)并聯(lián)方式，后備時間2小時，正常運行時兩臺UPS電源分別帶一套蓄電池組，當(dāng)其中一臺UPS故障時，可手動將故障機(jī)的蓄電池組切換至另一臺正常運行的UPS電源，實現(xiàn)兩套蓄電池組為一臺UPS電源提供后備電源。

（1）UPS蓄電池組的配置

控制中心UPS 電源的蓄電池組按一套考慮，采用12V全密封免維護(hù)膠體蓄電池。蓄電池容量計算方法統(tǒng)一采用《YDT 5040-2005》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，此方法可以換算出在國標(biāo)C10標(biāo)準(zhǔn)下的蓄電池容量。

式中：

Q——蓄電池容量（AH）;

K——安全系數(shù)，一般取1.25左右;

I——負(fù)荷電流（A）;

T——放電小時數(shù)（h）;

η——放電容量系數(shù)，根據(jù)放點小時數(shù)為2，查詢蓄電池容量系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)取0.61;

t——實際電池所在地最低環(huán)境溫度數(shù)值，所在地有采暖設(shè)備時，按15℃考慮，無采暖設(shè)備時，按5℃考慮。

α——電池溫度系數(shù)（1/℃），當(dāng)放電小時率≥10時，取α=0.006;當(dāng)1≤放電小時率<10時，取α=0.008;當(dāng)放電小時率<1時，取α=0.01。.

UPS電池的總?cè)萘?，?yīng)按UPS容量，采用式（2.2.2）估算出蓄電池的計算放電電流I，再根據(jù)式（2.2.1）算出蓄電池的容量。

式中：S——UPS額定容量（VA）;

I——蓄電池的計算放電電流（A）;

?——逆變器的效率;

U——蓄電池放電時逆變器的輸入電壓（V）（單體電池電壓1.85V時）。

說明：《YD-T 5040-2005》標(biāo)準(zhǔn)中要求逆變器的輸入電壓（V）是蓄電池單體電池電壓1.85V時的直流電壓，則29節(jié)1組的蓄電池組的逆變器輸入電壓為：1.85V×29節(jié)×6=321.9V，其中29為12V電池節(jié)數(shù)。6為每個12V電池內(nèi)部有6個2V單體電池。

在控制中心設(shè)備室配置KR/B3330型UPS電源，該機(jī)型為三進(jìn)三出，雙機(jī)并聯(lián)，單機(jī)額定容量為30KVA，UPS電源蓄電池后備時間為2小時。本方案采用雙機(jī)并聯(lián)共用電池組，即只需配置1臺設(shè)備按30KVA滿載2小時的后備時間計算蓄電池，另外一臺共用此套蓄電池。

選用一套58節(jié)（2組29節(jié)蓄電池并聯(lián)）HAZE牌HZY12-200型蓄電池（容量為200AH），滿足后備時間2小時。

（2）高頻開關(guān)電源電池組的配置

根據(jù)要求，控制中心的直流電流為200A，包括了電池的充電電流0.1C。

由Q≥KIT/η[1+α﹙t-25﹚] ，由公式I負(fù)載+I電池=200A得，

（K×I負(fù)載×T/0.61[1-0.008（15-25）]）×0.1+I負(fù)載=200A，得出負(fù)載電流 I負(fù)載=138.4A。

再由公式K×I負(fù)載×T/0.61[1-0.008（15-25）]=1.25×138.4×2/0.61×[1-0.008（15-25）]=616.6Ah。

因而配置2組，每組24節(jié)HAZE牌HZY2-375（容量為375AH），型號電池可滿足要求。

3.結(jié)束語

專用通信電源系統(tǒng)承擔(dān)著地鐵全線范圍內(nèi)所有車站、控制中心、車輛段及停車場專網(wǎng)、公網(wǎng)通信設(shè)備的供電，為了保證整個系統(tǒng)的可靠性，需要對電源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、集中管理。本文就南京地鐵4號線為例，提供了一個專網(wǎng)電源設(shè)計的案例，當(dāng)然肯定存在不足，但是可以為其他專網(wǎng)通信系統(tǒng)集中監(jiān)控管理提供一定的參考。

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