呼和浩特地鐵1號(hào)線車輛弱電系統(tǒng)電源整合方案研究

劉 芽 李致興 劉占英 張振義 楚 研

(1.呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710000)

0 引言

早期建設(shè)的城市軌道交通工程中，為保證設(shè)備的可靠運(yùn)行，各弱電系統(tǒng)一般都單獨(dú)設(shè)置后備電源，這種設(shè)置方法在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)中逐漸顯現(xiàn)出很多問題，例如電源維護(hù)工作量大，資源利用率低，投資高，設(shè)備分散造成的管理難度增大等。近年來，新建設(shè)的線路開始對(duì)電源進(jìn)行集中整合，但每個(gè)城市整合方式各有不同，沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

呼和浩特地鐵1號(hào)線車輛電源整合方案主要為各車站、停車場(chǎng)、車輛段、信號(hào)樓和控制中心的專用通信系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、安防系統(tǒng)設(shè)備提供高質(zhì)量、高可靠性的電源供應(yīng)，保證在主電源故障(中斷或發(fā)生超限波動(dòng))的情況下，系統(tǒng)設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)仍能正常工作，等待主電源恢復(fù)正常。

1 設(shè)備電源分析

設(shè)備電源整合前，先確定各車站、停車場(chǎng)、車輛段、信號(hào)樓和控制中心的整合范圍，并對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行分類，然后選擇合適的整合設(shè)置方式。

1.1 整合范圍

車站、停車場(chǎng)、車輛段整合范圍：信號(hào)系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)(AFC)、乘客信息(PIS)、門禁(ACS)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警(FAS)等。

控制中心整合范圍：云平臺(tái)、專用通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)等。

1.2 負(fù)荷等級(jí)

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)負(fù)荷等級(jí)進(jìn)行規(guī)定[1]：

(1) 一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷：專用通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

(2) 一級(jí)負(fù)荷：公安通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、門禁。

(3) 二級(jí)負(fù)荷：乘客信息系統(tǒng)。

2 電源整合方案對(duì)比

傳統(tǒng)不間斷電源供電設(shè)備，主要有UPS(不間斷電源)和高壓直流方案兩種，兩者對(duì)比如表1所示。

根據(jù)對(duì)呼和浩特市云計(jì)算基地的參觀，以及對(duì)高壓直流設(shè)備的調(diào)研可知，高壓直流設(shè)備主要用于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備供電。而地鐵弱電系統(tǒng)，具有設(shè)備種類繁雜、設(shè)置分散、專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)。根據(jù)近期調(diào)研，目前大部分地鐵系統(tǒng)設(shè)備供電需求適配于UPS設(shè)備，為220 V交流電，不支持高壓直流供電，所以選擇采用UPS形式供電[2]。

表1 不間斷電源對(duì)比

3 UPS設(shè)置方案

3.1 控制中心UPS設(shè)置方案

根據(jù)呼和浩特市地鐵線網(wǎng)規(guī)劃，所有線路共用一個(gè)控制中心，采用全新的云平臺(tái)弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。隨著后期線路的不斷接入，弱電系統(tǒng)用電量還有很大的提升需求?？紤]到控制中心弱電設(shè)備用電，出于提升用電效率，提高運(yùn)維管理水平的需求，采用集中UPS配置方式。因此控制中心綜合樓UPS容量應(yīng)具備良好的擴(kuò)展性、安全性及可靠性。

基于以上分析，在當(dāng)前應(yīng)用場(chǎng)景下，UPS設(shè)置方案選擇采用模塊化并機(jī)方案，如遇到故障，故障UPS模塊自動(dòng)退出系統(tǒng)，由其他功率模塊來承擔(dān)負(fù)載?；谌哂嗖C(jī)技術(shù)，設(shè)備可確保電源的最高可用性。針對(duì)控制中心設(shè)計(jì)方案，采用UPS多個(gè)主機(jī)并聯(lián)，滿足用電需求，可根據(jù)后期線路用電量需求進(jìn)行擴(kuò)容。由于控制中心的重要性，UPS需具備冗余功能，模塊化布置UPS可采用N+X配置，N

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每組均模塊化布置UPS，并機(jī)數(shù)量控制在5臺(tái)左右。后期線路接入引起的供電需求擴(kuò)容，可依模塊化并機(jī)原則，將UPS分為多組來進(jìn)行配置。例如：根據(jù)設(shè)備及技術(shù)調(diào)研，估算1條線弱電設(shè)備在控制中心對(duì)用電量的需求為1 500 kVA，若一次建設(shè)兩條線路，則總用電量為3 000 kVA。則可考慮配置8臺(tái)單機(jī)容量為500 kVA，總?cè)萘? 000 kVA，采用模塊化配置，每4臺(tái)為一組，每組容量為2 000 kVA，配置方式為3主1備(熱備)[4]。后續(xù)建設(shè)可根據(jù)用電量繼續(xù)設(shè)置并機(jī)。

綜上所述，呼和浩特地鐵1號(hào)線車輛控制中心采用模塊化布置UPS，如圖1所示。每臺(tái)UPS具備部分負(fù)載能力，單組電池方案，UPS均分電池，低壓配電雙路輸入，通過ATS切換至一路，供給各臺(tái)UPS及維修旁路，每臺(tái)UPS輸出一路，匯流至母線，經(jīng)配電后，供2路同源電給各系統(tǒng)。

圖1 控制中心電源整合系統(tǒng)示意圖

3.2 車站、停車場(chǎng)、車輛段UPS設(shè)置方案

各車站、停車場(chǎng)、車輛段UPS設(shè)置分散，單個(gè)UPS負(fù)載較小，均屬于一次建設(shè)，無須考慮擴(kuò)容的需求。因此，各車站、信號(hào)樓、停車列檢庫(kù)、停車場(chǎng)、綜合樓均分散設(shè)置UPS。

方案1： 每座車站設(shè)置2臺(tái)UPS，每臺(tái)UPS均可具備全部負(fù)載能力，單組電池方案，2組UPS均分電池，低壓配電雙路輸入，通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(ATS)切換至一路，供給2臺(tái)UPS及維修旁路，每臺(tái)UPS輸出一路母線，經(jīng)配電后，供2路同源電給各系統(tǒng)[5]。以120 kVA為例，如圖2所示。

方案2：每座車站分別設(shè)置2套UPS電源整合系統(tǒng)；一套為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電，另一套為非特別重要的負(fù)荷供電。

一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的整合范圍：信號(hào)系統(tǒng)、專用通信系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；在各車站整合UPS電源室設(shè)置雙機(jī)雙蓄電池組，每臺(tái)UPS裝置配置1組蓄電池，每組蓄電池容量按系統(tǒng)容量的50%考慮，每臺(tái)UPS容量均具備為全部負(fù)載供電的能力，2臺(tái)UPS主機(jī)均分蓄電池，正常運(yùn)行情況下，每臺(tái)UPS為50%負(fù)載供電，1臺(tái)UPS主機(jī)故障時(shí)，剩余1臺(tái)UPS主機(jī)仍可為全部負(fù)載供電。

其他負(fù)荷整合范圍：綜合監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票、乘客信息顯示系統(tǒng)。在各車站整合UPS電源室設(shè)置單機(jī)單電池組，按系統(tǒng)容量的100%考慮。以電源整合系統(tǒng)1(80 kVA)、電源整合系統(tǒng)2(40 kVA)為例，如圖3和圖4所示。

圖2 方案1電源整合系統(tǒng)示意圖

圖3 方案2中特別重要負(fù)荷電源整合系統(tǒng)示意圖

圖4 方案2中其他負(fù)荷電源整合系統(tǒng)示意圖

從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、投資、占地、運(yùn)維和電池?cái)?shù)量5個(gè)方面對(duì)方案1和方案2進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比，并繪制表格(見表2)。其中GB 50157—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>

表2 方案1和方案2對(duì)比

通過表2的對(duì)比，2種整合方式在投資、占地、運(yùn)維、電池?cái)?shù)量等方面，均無較大差距，而分成2組整合方式，符合規(guī)范要求。

因此，呼和浩特地鐵1號(hào)線各車站、停車場(chǎng)、車輛段采用分組整合方案，每座車站分別設(shè)置2套UPS電源整合系統(tǒng)；一套為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電(專用通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng))，另一套為非特別重要的負(fù)荷供電(公安通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng))。

4 結(jié)束語

上文所采用的整合方案在工程實(shí)施中應(yīng)用效果良好，有效解決了弱電系統(tǒng)電源維護(hù)工作量大、資源利用率低、投資高、設(shè)備分散造成的管理難度增大等缺點(diǎn)，還提高了軌道交通弱電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，弱電系統(tǒng)的電源整合必將得到廣泛應(yīng)用。