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地鐵并機(jī)共用電池組優(yōu)化方案
1前言
圖1機(jī)電系統(tǒng)主要組成
2UpS供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)UpS的供電方式可分為集中供電方式和分散供電方式兩種。集中供電方式，是指由一套大功率UpS向車站整個(gè)弱電系統(tǒng)負(fù)載提供應(yīng)急供電；分散供電方式，就是根據(jù)設(shè)備的需要分別配備適合的中、小功率UpS。在地鐵交通建設(shè)的早期階段，常采用由多臺(tái)中、小功率UpS分別帶不同系統(tǒng)專業(yè)負(fù)載的分散供電設(shè)計(jì)方案，比如：分別為通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、門禁等系統(tǒng)配置獨(dú)立的UpS電源供電。然而，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)用實(shí)踐證明：與采用由多臺(tái)中、小功率UpS組成的分散式供電方案相比較，采用一套大功率UpS的集中供電方案，擁有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和更佳的性價(jià)比。集中供電與分散供電比較見(jiàn)表1。
表1UpS集中供電與分散供電比較
供電方式
中、小功率UpS分散式供電
大功率UpS集中式供電
管理/維護(hù)
設(shè)備分散,管理維護(hù)困難
集中管理,便于專人負(fù)責(zé)和維修
可靠性
可靠性低
多種冗余設(shè)計(jì),可靠性較高
MTBF
低
高
蓄電池利用
蓄電池分散裕量,造成浪費(fèi)
共用蓄電池,集中裕量,節(jié)約成本
占地面積
設(shè)備分散,占地面積大
設(shè)備集中,占地面積小
性能指標(biāo)
采購(gòu)成本
高
低
表2是一地鐵線控制中心、車站及車輛段/停車場(chǎng)對(duì)UpS供電系統(tǒng)典型的配置要求。
表2地鐵UpS供電系統(tǒng)配置要求
系統(tǒng)名稱
車站
控制中心
車輛段/停車場(chǎng)
后備時(shí)間
通信(不含pIS)
20kVA
65kVA
35kVA
2小時(shí)
pIS
15kVA
15kVA
5kVA
0.5小時(shí)
ISCS
15kVA
2小時(shí)
信號(hào)
5kVA
2小時(shí)
AFC
20kVA
0.5小時(shí)
FAS
3kVA
0.5小時(shí)
BAS
12kVA
1小時(shí)
ACS
3kVA
0.5小時(shí)
合計(jì)
93kVA
80kVA
40kVA
UpS容量配置
120kVA
100kVA
50kVA
[page]由表2可知，不同系統(tǒng)的后備時(shí)間長(zhǎng)短和輸出功率大小均是有差別的。當(dāng)采用集中供電方案設(shè)計(jì)時(shí)，UpS的輸出配電柜必需設(shè)計(jì)為具備有分時(shí)控制輸出的智能型配電屏。根據(jù)不同系統(tǒng)對(duì)UpS供電的需要，采用工業(yè)級(jí)的pLC控制并執(zhí)行分時(shí)、自動(dòng)關(guān)斷操作，來(lái)達(dá)到對(duì)各系統(tǒng)“分時(shí)供電”的電源保護(hù)。
圖2“分時(shí)供電”智能型配電屏原理圖
如圖2所示，每一個(gè)需要偵測(cè)實(shí)際功率的負(fù)載分路上都安裝一個(gè)功率偵測(cè)設(shè)備，并將偵測(cè)到的不同負(fù)載實(shí)際功率反饋給pLC。pLC則實(shí)時(shí)接受UpS上報(bào)來(lái)的實(shí)際電池組后備容量，并根據(jù)不同分路負(fù)載的實(shí)際后備時(shí)間需求及實(shí)際功率靈活調(diào)整其后備的時(shí)間，控制分路配電設(shè)備中的負(fù)載交流切離元件，實(shí)現(xiàn)后備時(shí)間根據(jù)應(yīng)用情況自由調(diào)整，達(dá)到電池供電時(shí)合理利用電池、分時(shí)送電的最佳效果。這種系統(tǒng)控制方法能克服目前市面上常見(jiàn)的UpS電源的控制方法所帶來(lái)的控制缺陷，解決了電能浪費(fèi)的問(wèn)題，達(dá)到最優(yōu)化利用電能的目的，最大限度地發(fā)揮UpS系統(tǒng)的供電性能，還可有效的優(yōu)化電池容量的配置、提高供電系統(tǒng)的可靠性、節(jié)省安裝空間。
3臺(tái)達(dá)UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案介紹
為提高供電系統(tǒng)的可靠性，UpS電源系統(tǒng)采用的“1+1”并機(jī)冗余運(yùn)行配置，可升級(jí)為UpS“1+1”并機(jī)共用電池組優(yōu)化方案，利用臺(tái)達(dá)NT系列UpS的并機(jī)技術(shù)和共用電池組功能，不需要增加對(duì)蓄電池的投資，可實(shí)現(xiàn)在市電供電中斷或單臺(tái)UpS故障條件下，能完全保障電源系統(tǒng)后備時(shí)間維持不變。
3.1并機(jī)系統(tǒng)共用電池組原理
UpS“1+1”并機(jī)共用電池組方案原理圖如圖3所示。
圖3UpS“1+1”并機(jī)共用電池組方案原理圖
[page]“1+1”并機(jī)冗余供電系統(tǒng)采用先進(jìn)的獨(dú)特并機(jī)技術(shù)，可在線直接并機(jī)，在UpS單機(jī)之間無(wú)需外加并機(jī)卡或并機(jī)柜，使系統(tǒng)的故障點(diǎn)減少，同時(shí)也減少了選購(gòu)件投資；采用環(huán)路通訊電纜連接來(lái)傳遞實(shí)時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)并機(jī)的“均流”控制，修正的分布式邏輯控制，使得并機(jī)系統(tǒng)中各臺(tái)UpS，均處于完全“平等”的調(diào)控狀態(tài)之中；采用獨(dú)特的同步相位調(diào)制法，每臺(tái)UpS能“智能”地將位于并機(jī)系統(tǒng)中的各臺(tái)UpS的同步跟蹤調(diào)整到最佳狀態(tài)（各臺(tái)之間的相位差幾乎為零）和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)所帶的負(fù)載百分比，實(shí)現(xiàn)高精度的均流和負(fù)載均分。另外，臺(tái)達(dá)NT系列UpS內(nèi)部主要元器件采用模塊化設(shè)計(jì)，減小了平均修復(fù)時(shí)間（MTTR），使“1+1”并機(jī)冗余系統(tǒng)不僅有高可靠性，同時(shí)擁有很高的可用性。
傳統(tǒng)的“1+1”并機(jī)冗余系統(tǒng)，不具備共用電池組功能，每臺(tái)UpS主機(jī)單獨(dú)配置蓄電池，當(dāng)“1+1”并機(jī)冗余供電系統(tǒng)中有一臺(tái)UpS故障時(shí)，系統(tǒng)斷電后放電時(shí)間將減少一半。采用共用電池組方案的并機(jī)系統(tǒng)，在一臺(tái)UpS故障時(shí)系統(tǒng)斷電后放電時(shí)間仍然維持不變。可實(shí)現(xiàn)在市電供電中斷或單臺(tái)UpS故障條件下，完全保障電源系統(tǒng)后備時(shí)間，提供用電設(shè)備安全可靠的電源保障。共用電池組功能是臺(tái)達(dá)NT系列UpS系列獨(dú)特的功能之一。
3.2UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案的優(yōu)點(diǎn)
⑴共用電池組方案優(yōu)點(diǎn)
在不增加電池投資和安裝空間等條件受到限制時(shí)，共用電池組方案具有獨(dú)到的優(yōu)越性。地鐵各車站、控制中心、車輛段及停車場(chǎng)的電池組部分配置無(wú)需變化，僅增加電池組配電箱，以利于方便維護(hù)。
共用電池組方案具有的優(yōu)點(diǎn)如下：
①在單臺(tái)UpS故障條件下，能完全保障電源系統(tǒng)后備時(shí)間；
②不增加電池的投資，系統(tǒng)后備放電時(shí)間不變；
③不增加電池安裝空間、承重方面的建設(shè)；
④不增加電池運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本；
⑤系統(tǒng)擴(kuò)容更加方便；
⑥發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率。
⑵提高系統(tǒng)可靠性
臺(tái)達(dá)NT系列UpS具有獨(dú)特的直接并機(jī)技術(shù)，擺脫了傳統(tǒng)的并機(jī)方案需要增加并機(jī)卡或并機(jī)柜的束縛?？梢灾苯硬C(jī)，消除了增加并機(jī)卡或并機(jī)柜給整個(gè)供電系統(tǒng)帶來(lái)的故障點(diǎn)，大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性。“1+1”并機(jī)冗余供電系統(tǒng)，在正常運(yùn)行中容忍一臺(tái)UpS故障，仍然能保證供電系統(tǒng)持續(xù)為負(fù)載提供不間斷電源，使系統(tǒng)的可靠性得到大幅度的提升。
⑶增加系統(tǒng)安全性
相比原UpS單機(jī)，“1+1”并機(jī)系統(tǒng)中的兩臺(tái)UpS輸出由并機(jī)中的UpS平均分配，各UpS分擔(dān)的負(fù)載減少了一半，可有效延長(zhǎng)UpS的安全使用壽命；當(dāng)并機(jī)系統(tǒng)中的UpS有一臺(tái)發(fā)生故障，故障的UpS會(huì)迅速?gòu)牟C(jī)系統(tǒng)中退出，保證負(fù)載的供電；設(shè)備維護(hù)時(shí)也可把任一臺(tái)機(jī)器脫離系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，方便安全快捷，增加了供電系統(tǒng)安全性。
臺(tái)達(dá)NT系列UpS還具備在線并機(jī)功能，并機(jī)時(shí)不需要對(duì)正在運(yùn)行的UpS停機(jī)或跳轉(zhuǎn)旁路，對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)容和系統(tǒng)維護(hù)提供了不間斷的安全保障。
⑷提升系統(tǒng)可用性
可用性是衡量系統(tǒng)提供持續(xù)服務(wù)的能力。評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)可用性的兩大要素包括：平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）和平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。
可用性（Availability）的計(jì)算公式如下：
參考臺(tái)達(dá)NTUpS系統(tǒng)，原單機(jī)MTBF為286083h，并機(jī)MTBF提高至596006h，MTTR為0.5h?？捎眯杂?jì)算結(jié)果是0.9999991，可見(jiàn)可用性大大提高。
[page]⑸增強(qiáng)抗負(fù)載沖擊能力
單機(jī)UpS容量是額定的，若負(fù)載出現(xiàn)尖峰電流超過(guò)單臺(tái)UpS的過(guò)載電流時(shí)，UpS將會(huì)轉(zhuǎn)旁路或出現(xiàn)故障；在“1+1”并機(jī)系統(tǒng)時(shí)，只有超過(guò)負(fù)載額定容量2倍時(shí)才會(huì)影響UpS系統(tǒng)是否轉(zhuǎn)旁路，相對(duì)而言，系統(tǒng)抗負(fù)載沖擊能力增強(qiáng)了1倍。
4昆明地鐵應(yīng)用案例昆明地鐵6號(hào)線各車站的綜合電源系統(tǒng)統(tǒng)一為專用通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、ISCS、AFC、FAS、BAS、ACS系統(tǒng)提供電源，UpS采用2臺(tái)NT120kVA“1+1”并機(jī)共用電池組方案。UpS電源系統(tǒng)按一級(jí)負(fù)荷供電，兩路獨(dú)立的三相交流電源經(jīng)交流切換箱（動(dòng)照專業(yè)提供）后接入U(xiǎn)pS，經(jīng)UpS輸出的“分時(shí)控制”智能配電屏分路后，分配給各交流供電的設(shè)備和高頻直流開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源輸出-48V電源分路后分配給需要直流供電的通信設(shè)備。UpS設(shè)備負(fù)責(zé)輸出純凈的穩(wěn)定、可靠的交流電源，UpS配備1套蓄電池組，“1+1”采用共用電池組方案，確保在交流電源停電時(shí)或任意一臺(tái)UpS故障時(shí)，備用蓄電池組為各子系統(tǒng)提供所需備用電源。UpS電源系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖4所示。
圖4UpS電源系統(tǒng)構(gòu)架圖
UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案應(yīng)用案例參考附錄。
5總結(jié)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，發(fā)展安全、高效、舒適的地鐵交通已成為解決城市交通問(wèn)題的重要手段。作為保障地鐵交通正常運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)設(shè)施之一的UpS電源系統(tǒng)，除了必須具備高安全、高可靠外，還應(yīng)該符合地鐵行業(yè)的特殊需求。然而，臺(tái)達(dá)電子集團(tuán)具有電力電子行業(yè)40余年的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造經(jīng)驗(yàn)，公司一如既往的不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)，提升產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，了解客戶需求、提供超過(guò)客戶期許的解決方案。中達(dá)電通充分理解地鐵的運(yùn)營(yíng)要求，利用強(qiáng)大的技術(shù)背景及項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)為地鐵客戶提供可靠的動(dòng)力集成化集中解決方案，不僅保證了地鐵運(yùn)行的可靠性與安全性，同時(shí)降低了設(shè)備運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的成本。
附錄
UpS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案應(yīng)用案例
⑴上海地鐵1號(hào)線人民廣場(chǎng)站安全門系統(tǒng)
GES-NT60KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案
⑵上海地鐵1號(hào)線莘莊站安全門系統(tǒng)
GES-NT30KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案
⑶杭州地鐵1號(hào)線專用通信電源系統(tǒng)：
GES-NT40KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案
⑷成都地鐵1號(hào)線專用通信電源系統(tǒng)
GES-NT40KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案
⑸成都地鐵2號(hào)線專用通信電源系統(tǒng)
GES-NT120KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案
⑹沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線專用通信電源系統(tǒng)：
GES-NT80KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案
⑺昆明地鐵6號(hào)線專用通信電源系統(tǒng)
GES-NT120KUpS1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案■
地鐵因其占用土地和空間最少、運(yùn)輸能量最大、運(yùn)行速度最快、環(huán)境污染最小等優(yōu)勢(shì)而成為備受青睞的一種交通方式。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷持續(xù)增長(zhǎng)以及國(guó)家對(duì)交通事業(yè)的巨大投入，城市地鐵建設(shè)就像滴在宣紙上的墨汁，正在大大小小的城市里迅速地發(fā)展。
在地鐵工程建設(shè)各機(jī)電系統(tǒng)中（見(jiàn)圖1），需要采用交流不間斷電源設(shè)備（UpS）來(lái)保證安全和可靠運(yùn)行的功能系統(tǒng)主要有：通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、屏蔽門系統(tǒng)（ACS）、消防報(bào)警系統(tǒng)（FAS）等。能否確保它們長(zhǎng)期安全和可靠地運(yùn)行，將會(huì)直接影響地鐵交通能否正常運(yùn)營(yíng)，所以按一級(jí)負(fù)荷供電設(shè)計(jì)。然而，目前我國(guó)地鐵修建成本每公里約5億元，昂貴的修建成本同時(shí)制約了其機(jī)房各功能系統(tǒng)使用區(qū)域的面積。因此，作為保障關(guān)鍵負(fù)載安全和可靠運(yùn)行的UpS電源系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的按用電設(shè)備所承擔(dān)的調(diào)控專業(yè)來(lái)進(jìn)行劃分，采用中、小功率UpS的分散供電設(shè)計(jì)方案。由于其可靠性低、占用面積大、管理及維護(hù)困難等種種原因，無(wú)法滿足近年來(lái)地鐵用戶對(duì)UpS電源系統(tǒng)高可靠性、便于擴(kuò)展、易于管理和節(jié)省空間的設(shè)計(jì)原則和要求。
2UpS供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)
技術(shù)含量低,容易生產(chǎn),性能指標(biāo)一般
技術(shù)含量高,設(shè)計(jì)嚴(yán)密,性能指標(biāo)較好
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