UPS整合系统在城市轨道交通中的应用

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摘要:文章针对不间断电源,论述了城市轨道交通ups整合设置原则,电源整合系统构成,UPS电源整合系统运行方式,指出UPS整合电源必将得到快速发展和广泛应用。

关键词:UPS整合系统;城市轨道交通;整合设置原则;Delta变换式;UPS电源原理

中图分类号:TP303文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)21-0067-04

目前,国内城市轨道交通的TEL、SIG、ISCS、BAS、OA、ACS、AFC、FAS、ASD及PSCADA等弱电系统,属于一级负荷,需要可靠性很高的电源,以保证供电质量和供电连续性。在以往的轨道交通工程中,车站各弱电系统分别配置自己的电源系统,存在设备重复配置、利用率低、占地面积大、维修成本高、经济上不合理及不利于环保等缺点。在运营维护中,各系统基本没有专业的电源维护人员,造成实质上的电源系统维护少或维护不当的状况导致蓄电池容量降低,不能达到备用时间要求。

随着电力电子设备制造工艺和应用技术的发展,大容量电源系统和先进控制技术在通信和电力系统中成熟使用,为轨道交通工程中实现对各个弱电电源系统的整合提供了有利条件,在北京地铁十号线(一期)工程中已经就车站弱电系统电源整合进行了初步尝试。

1不间断电源概述

交流不间断电源简称不间断电源,也称UPS(Uninter-ruptible Power Supply),是一种高质量、高稳定性和高可靠性的独立电源设备。早在20世纪60年代,国外就已经开始使用不间断电源了。随着个人计算机的普及及通信设备的广泛应用,UPS在世界范围内得到了极为迅速的发展。

不间断电源UPS大致分为以下四种:

1.1在线式(online)UPS电源

在线式UPS的特点是:无论电网交流电压正常还是中断,UPS的逆变器始终处于工作状态,并向负载提供全部所需电能。其主电路结构如图1所示。

1.2后备式UPS电源

在电网供电电压正常时,负载始终由电网直接供电。只有当电网供电中断或不正常时,才由UPS中的逆变器将蓄电池储存的直流电逆变为交流电向负载供电。后备式UPS的工作原理图如图2所示:

1.3在线互动式UPS电源

在线互动式UPS电源也称准在线UPS电源,其蓄电池充电由具有双向逆变功能的逆变器工作在整流状态来实现。其电路和结构如图3所示:

1.4Delta变换式UPS电源

在Delta变换式UPS电源中,电网电压经串联的补偿电压补偿后再向负载供电,可向负载提供较高质量的电源,补偿电压来自Delta变流器交流输出端输出变压器的二次线圈。其原理图如图4所示:

2城市轨道交通UPS整合设置原则

北京地铁10号线对弱电各系统UPS电源采用集成化、智能化的设计理念,对各电源系统的蓄电池、装置进行硬件整合和集中布置,便于电源系统的统一维护与管理。通过集中布置减少设备用房面积,降低车站土建工程造价。通过硬件整合减少设备重复配置,实现资源共享节省设备投资。电源品牌统一选型,便于设备招标。⑴整合电源系统应满足所有被整合的各系统对UPS电源的技术指标要求,保证各系统不间断电源的可行性、可靠性、安全性;⑵整合电源室应靠近负荷中心布置,以便于馈电电缆布局,减少线路压降及线损,提高供电线路的安全可靠性;⑶电源系统整合应根据被整合各系统的负载性质、容量需求、备用时间统一计算,以便选择UPS和蓄电池容量;⑷电源系统整合应考虑监控要求、过电压保护及接地措施以及对环境温度要求等;⑸UPS电源整合系统只提供交流220/380V电源,其他等级电源由用电系统自行解决;⑹UPS电源整合系统不整合各系统就地设备侧的DC48V/DC24V蓄电池。

3UPS电源整合范围分析

根据各弱电系统电源需求、电源特点分析如下:

⑴TEL、SIG、ISCS、OA及AFC主要为计算机和网络设备等容性负载,需AC380/220V电源,适于采用UPS整合电源进行供电。

⑵ASD系统的负载主要分布在站台上,其驱动电机属于电感性负载,功率因数比较低,冲击电流大,若采用源整合系统供电,会明显影响电压稳定,降低电源质量。因此,ASD系统不适宜采用电源整合系统供电,宜独立设置后备电源。

⑶应急照明主要是电感性负载,其负载分布在整个车站范围内且点多面广,供电线路迂回,因此应急照明系统不宜纳入电源整合范围。

综上所述,TEL、SIG、ISCS、OA及AFC等系统纳入电源整合范围,屏蔽门系统、变电所辅助电源、应急照明由各个系统独立设置后备电源。

4电源整合系统构成

各车站UPS电源整合系统主要包括UPS装置2套(包括支架、隔离变压器、旁路开关、控制单元等)、电池系统2套(含电池支架)、稳压,输入配电柜1套,输出配电柜2套。其中主要设备有UPS主机、智能控制单元、智能配电柜、蓄电池组等。如图5所示:

目前,北京新城线轨道交通采用工业级、双变换、纯在线一体化UPS,两台UPS电源装置冗余运行,在两路引入电源自动转换或中断时,UPS应无时间中断地从后备电池上提供后备电源。系统设置静态旁路,在特殊运行方式下投入使用。UPS智能控制单元负责控制管理UPS电源装置、电池组等。对UPS装置进行集中监控、自动报警及监控信息上传。

5UPS电源整合系统运行方式

5.1UPS电源整合系统正常运行方式

变电所400V为UPS电源整合系统提供两路电源。系统正常时,变电所的400V母线分别给两套UPS装置提供主备电源。两台UPS装置并机运行,各分担50%负荷;并机系统指定追踪系统旁路电源,UPS将变电所400V电源经整流、逆变后给各个系统供电,同时给蓄电池组充电。

5.2一路400V电源停电时

一路400V电源停电时,由进线柜内双电源切换装置切换到另一路400V电源,维持为UPS电源整合系统提供电源。

5.3两路400V电源停电时

两路400V电源均停电时,UPS电源整合系统将蓄电池电源逆变,给各个系统供电。

5.4一台UPS装置故障时

当发生一台UPS逆变器故障,另外一台UPS装置正常时,则故障UPS装置退出运行,另一台UPS装置承担系统全部负荷,如过载则自动切换到静态旁路。

当发生一台UPS整流器故障,另外一台UPS装置正常时,则故障UPS装置先经蓄电池放电,给系统负载供电与另一套UPS装置均担负载,蓄电池放电结束后,该故障UPS装置退出运行,由另一台UPS装置承担系统全部负荷,如过载则自动切换到静态旁路。

5.5两台UPS均故障时

当两台UPS逆变器均故障时,转换到静态旁路,维持供电。

当UPS整流器部分故障,则电池放电,放电结束后,转换到静态旁路。

当一台UPS逆变器故障、另一台整流器故障时,转换到静态旁路。

5.6两路进线均停电,且一台UPS故障时

两路进线均停电,且一台UPS整流器故障,另一台UPS装置正常时,UPS装置对电池电源进行逆变,给各个系统供电。

两路进线均停电,且一台UPS逆变器故障退出运行,另一台UPS装置正常时,正常UPS装置对蓄电池电源进行逆变,给各个系统供电。供电容量满足50%要求。

5.7智能馈线配电柜的馈出开关故障时

系统正常运行时,两套智能配电柜分别馈出一路电源给各系统。当一路馈出开关故障时,退出相应的开关设备,进行检修,另一路维持运行,给相关系统供电。

5.8蓄电池维修或故障

当系统需要进行蓄电池维护或蓄电池故障时,退出需要维护的蓄电池组或故障蓄电池组,进行维护或检修;此时,一套UPS无蓄电池工作,另一套UPS正常。

5.9UPS装置维护

需要对UPS装置维护时,退出该UPS装置上口的开关,以及出口开关,蓄电池开关,使UPS装置彻底无电,进行维护。另一套UPS装置正常工作,给各系统提供电源。

5.10智能馈线配电柜维护

需要对智能馈线配电柜进行维护时,退出需要维护的馈线柜的相应UPS装置总开关、母线联络开关以及馈线开关,使柜体内无电,进行维护。另一套智能馈线配电柜正常工作,给各系统提供电源。

5.11进线配电柜维护

需要对进线配电柜进行维护时,退出对应的变电所400V开关以及进线柜内的相应的UPS装置进线开关,进行维护。UPS电源整合系统将蓄电池电源逆变,给各个系统供电。

5.12UPS智能控制单元故障

一套UPS智能控制单元故障,该UPS装置退出运行,由另一台UPS装置承担系统全部负荷。

两套UPS智能控制单元均故障,此两台UPS装置均退出运行,系统自动转换到静态旁路,装置承担系统全部负荷。

6系统主要功能

在市电中断时,各弱电系统仍可正常工作一段时间。备用时间为:控制中心的弱电系统设备为4小时,车站的弱电系统设备为2小时。

6.1同步功能

保证两套UPS装置输出的电压幅值相同、频率相同和相位相同.

6.2放电功能

每套UPS具有配套的在线放电装置或UPS具有电池保护性放电功能。另提供移动放电装置一套,用于电池核对性充放电。放电电流连续可调,精度不小于1A。最大放电电流不小于50A。

6.3保护功能

设备应具备充分的自身保护功能,外部设备或系统故障,不应引起UPS系统装置故障。保护功能主要包括:交流进线缺相保护、防雷保护、过电压及过电流保护。

6.4信号功能

主要包括总进线电流、总馈线电流、交直流电压、进线功率因数、系统工作状态、旁路工作状态及装置故障总信号等。

系统的正常/故障信号除在本盘显示外,还通过数字通信的方式传向综合监控系统。系统故障信号除以通信方式上送监控系统外,还有硬接点出口。在盘上的故障信号显示,能当地/远方复归或在故障消失后自动复归,但保留汉化显示的历史记录,且故障显示配有灯光试验按钮。

6.5通信功能

本系统装置采用路由器提供冗余以太网电口通信方式将信息上传。所有设备的信息均由一对冗余的以太网口上传到综合监控系统。

6.6测量功能

盘面表计,直接显示交流进线电压、直流母线电压和馈线电流、浮充电流、蓄电池电压;或用户指定的其它重要测量量。嵌入式安装,直流表计准确度不低于1.0级,附加分流器准确度不低于0.5级。

监控单元采集并以数字通信方式送综合监控系统显示的测量内容有:交流电源电压、母线电压、馈线电流、蓄电池电压、蓄电池充/放电压、放电电流、每个模块电压和电流等。

6.7系统具有冷启动功能

即使在没有市电的情况下也能启动,此时负载由电池通过逆变器供电,前提是电池开关必须先闭合。

6.8系统具有缓启动功能

整流器/充电器的输出电压是斜坡、缓慢上升的,可以避免开机是对电网的冲击。

6.9抗负载突变功能

当负载由0～100%跃变时,有电池情况下,电压的瞬间变化在±2%以内。无电池情况下,电压的瞬间变化为±2%～±6%,并且都在20ms内恢复到±1%。

6.10切换功能测试

通过UPS智能监控装置或者按钮可对UPS各种自动切换功能进行试验。

7UPS整合取得的收效

(1)UPS电源设备房间面积得到了合理的控制和有效的利用,减少了电源设备用房面积,节省了投资。

表1设备房间面积对比表

序号 系统名称 整合前(m2) 整合后(m2)

控制中心 典型车站 控制中心 典型车站

1 通信系统 50 80 30

2 信号系统 30

3 自动售检票系统(AFC) 15

4 综合监控系统(ISCS) 15

5 旅客信息系统(PIS) 5

6 火灾报警系统(FAS) 5

合 计 120 80 30

(2)有助于统一UPS电源、蓄电池、备品备件的品牌型号,节省工程投资,提高维修质量和效率。

表2UPS电源整合前后投资对比表

序号 系统名称 分散供电 整合后

UPS容量(kVA) 供电时间

(h) 价格

(万元) UPS容量(kVA) 供电时间

(hour) 价格

(元)

1 通信系统(TEL) 55 4 55.1 120 ≥2 96

2 信号系统(SIG) 20 0.5 22

3 自动售检票系统(AFC) 10 1 7.6

4 综合监控系统(ISCS) 20 1 12.6

5 旅客信息系统(PIS) 20 1 22

6 火灾报警系统(FAS) 8 1 4.2

合计 133 156.5 120 96

(3)UPS整合系统提高了系统的可靠性。实现集中供电,提高了系统的可靠性。UPS单机容量越大,产品的可靠性越高。

从UPS运行调查表明,所选用的UPS单机的额定输出功率越大,它的可靠性也越高(MTFB值越大)。20kVA在线式UPS的平均无故障间隔时间约25×104h,而200kVA的UPS的平均无故障间隔时间约45×102h,可靠性提高80%。

(4)节约电量成本。UPS容量越大,效率越高,功耗越低。下表表示一个典型车站的功耗,集中设置比分散设置节省约34%。

表3UPS电源整合前后电量成本对比表

序号 系统名称 分散供电 整合后

UPS容量(kVA) 效率 功耗

(kVA) UPS容量(kVA) 效率 功耗

(kVA)

1 通信系统() 55 92% 4.408 120 94% 7.2

2 信号系统 20 92% 1.6

3 自动售检票系统(AFC) 10 92% 0.8

4 综合监控系统(ISCS) 20 92% 1.6

5 旅客信息系统(PIS) 20 92% 1.6

6 火灾报警系统(FAS) 8 90% 0.8

合计 133 10.808 120 94% 7.2

(5)节约维护成本(见表4)

表4UPS电源整合前后维护成本对比表

序号 系统名称 分散设置 整合后

UPS容量 数量 UPS容量 数量

1 民用通信系统 25k 2 120k 2

2 专用通信系统 15k 2

3 公安通信系统 15k 2

4 信号系统 20k 2

5 自动售检票系统(AFC) 10k 2

6 综合监控系统(ISCS) 20k 2

7 旅客信息系统(PIS) 20k 2

8 火灾报警系统(FAS) 8k 2

小计 133k 16 120k 2

第一年平均故障率 3% 2%

平均故障次数 0.54 0.04

平均人工维护成本 1500元 3000元

第一年维护成本对比 810元 120元

(6)便于安装、维护和管理。分散设置,由于各系统各自采购,不同厂商、不同品牌,需要使用更多种类的电缆和配电开关。系统安装的规范性和统一性得不到有效保证,导致备品备件种类多。维护和管理人员多。此外,由于分散供电,不但会加大UPS后期维护的工作量,更会增加各蓄电池组维护的工作量和蓄电池后期的更换成本。而整合后的集中式供电系统可以通过后台监控软件,在一台PC机上实现对UPS的统一监控和管理,而分散供电系统要达到相同的效果,必将在监控系统上做出更大的投资。

8结语

通过在北京地铁10号线(一期)UPS电源整合系统的设计和应用,UPS电源整合对合理配置电源资源起到了较大的作用,具有更高的适应性、可用性、可靠性、可维护性和可扩展性。随着轨道交通的快速发展,UPS整合电源必将得到快速发展和广泛应用。

参考文献

[1]李伟章,等.城市轨道交通通信[M].中国铁道出版社,2008.

[2]陈兴华,等.地铁设备监理[M].中国铁道出版社,2007.

[3]周鹤良,等.电气工程师手册[M].中国电力出版社,2008.

[4] 刘卡丁.弱电系统后备电源整合与智能化计时管理[J].城市轨道交通,2007,(3).

作者简介:郑旭日(1966-),男(朝鲜族),吉林磐石人,华铁工程咨询有限责任公司总监,工程师,研究方向:电力系统及其自动化。