應(yīng) 用 摘 要
地鐵弱電系統(tǒng)應(yīng)用在地鐵的車站、車輛段、停車場、控制中心等場所，包括通信、信號、綜合監(jiān)控(電力監(jiān)控PSCADA、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控BAS、火災(zāi)自動報警FAS、門禁ACS)、自動售檢票系統(tǒng)AFC、乘客信息系統(tǒng)PIS、屏蔽門、變電所直流操作、應(yīng)急照明等部分，系統(tǒng)一般由計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及自動化控制設(shè)備組成，用電為一級負荷，因此需要高可靠性的后備電源進行不間斷供電，以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。屏蔽門驅(qū)動電機、變電所直流操作以及部分通信設(shè)備分別用到DC110V、DC220V和DC-48V電源，一般由專門的直流電源獨立供電。應(yīng)急照明一般為交流感應(yīng)式的負載，分布在整個車站范圍內(nèi)，點多面廣，多采用EPS供電。剩余的通信、信號、電力監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、門禁、火災(zāi)報警、自動售檢票、乘客信息、屏蔽門網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)均為計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等容性負載，需要AC380/220V電源，最適合采用UPS系統(tǒng)進行供電。由于地鐵運營環(huán)境及其設(shè)備的特殊性，一般要求提供電源的UPS系統(tǒng)滿足下列要求： 1.可靠性強，能適應(yīng)地下運行環(huán)境，以確保車站各弱電系統(tǒng)設(shè)備全天候、穩(wěn)定、可靠地運行； 2.綠色環(huán)保，避免污染電力環(huán)境及自然環(huán)境； 3.安全性高，保護全面，不易造成人為設(shè)備故障，不會威脅人身安全； 4.便于近、遠端管理，有標準的通訊接口及開放的通訊協(xié)議； 5.盡量采用集中式供電，綜合利用各種資源。目前，軌道交通UPS電源整合是一個發(fā)展趨勢，全國各地地鐵新建線路都在進行UPS整合工作，因為這樣更有利于資源的綜合利用，更有利于設(shè)備的專業(yè)化維護與管理，同時也有利于節(jié)省機房使用面積。
應(yīng) 用 領(lǐng) 域
交通
地鐵
方 案 內(nèi) 容
根據(jù)地鐵應(yīng)用環(huán)境對UPS系統(tǒng)的具體要求，我們選用由臺達NT系列UPS(12P)、中達電通DCF126系列蓄電池和中達電通智能配電柜組成的雙電源輸入、雙母線架構(gòu)、共享電池組、負載分時供電的集中供電組合方案。
該方案的系統(tǒng)示意圖如下：
系統(tǒng)中的兩臺UPS容量相等，互為備份，彼此通過兩根相互冗余的通訊線相連，使它們的相位始終同步，確保后面的STS切換順暢。
該系統(tǒng)有下列特性符合地鐵應(yīng)用環(huán)境的需求:
1.可靠性強，適應(yīng)地下運行環(huán)境。如:UPS耐溫、濕度范圍寬，抗外界干擾能力強，輸入電源的電壓和頻率范圍寬，輸出電力品質(zhì)高，全橋逆變加隔離變壓器對負載適應(yīng)性強，內(nèi)部重要線路冗余備份，容錯能力強，單機MTBF高達30萬小時等。而雙母線架構(gòu)對負載又有了雙重保障。
低諧波，高效率，低輻射，低噪音等特性體現(xiàn)了綠色環(huán)保、對電力環(huán)境及自然環(huán)境污染少的特性。
符合CE、TUV、IEC等安全標準，具有過溫、過載、短路、誤操作、電池漏夜等保護功能，并且有近、遠端的緊急關(guān)機功能，安全可靠，不易造成人為設(shè)備故障和人身安全威脅。
配備大型中/英文圖形化LCD顯示，以及RS232、RS485、20選6的智能干接點以及供選購的SNMP、MODBUS卡等，并有開放的通訊協(xié)議提供，便于近、遠端監(jiān)控管理。對于本方案可將UPS監(jiān)控納入綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)，與綜合監(jiān)控系統(tǒng)FEP接口，實現(xiàn)對電源的統(tǒng)一監(jiān)控管理。
5.本方案在每個站點配置一臺大功率的UPS集中供電，可使負載綜合利用電力資源。同時，共享電池組和分時供電的方式也是綜合利用資源的一個具體體現(xiàn)。
技 術(shù) 路 線
UPS容量選擇
由UPS集中供電的負載情況表可知，車站、車輛段、停車場和控制中心的負載量依次為：126KVA、103KVA、74KVA和126KVA。這些負載都是電腦性的，輸入功率因數(shù)一般為0.7，小于UPS的輸出功率因數(shù)0.8，選擇UPS容量時應(yīng)當按VA值來計算。為了確保UPS長期安全可靠地運行，負載量一般設(shè)定在UPS額定容量的60%～80%。所以車站、車輛段、停車場和控制中心應(yīng)分別配置160KVA、160KVA、100KVA和160KVA的UPS，它們的負載量最大能達到單臺UPS的78%、64%、74%和78%，符合系統(tǒng)可靠性的要求。
電池配置計算
本方案采用UPS共享電池組方案，并且市電停掉后要分時供電給負載。以車站為例：有40KVA的負載后備2小時， 46KVA的負載后備1小時， 40KVA的負載后備0.5小時。
基于電池的放電特性，若采用分時間段(豎直分)計算法，結(jié)果會比實際的配置偏大；若采用分功率段(水平分)計算法，結(jié)果會比實際的配置偏小。這里采用分功率段(水平分)計算法計算，然后再將結(jié)果進行修正。計算過程如下：
P(W) 電池提供總功率 P(VA) 負載標稱容量(VA)
Pf 負載輸入功率因數(shù) η UPS逆變轉(zhuǎn)換效率
Pnc 每只電池需要提供的功率 n UPS配置的電池數(shù)量
N 單顆電池的cell數(shù)
P(W)={P(VA)×Pf}/η
Pnc=P(W)/(n×N)
1.40KVA 2小時：
P(VA)=40KVA 負載輸入功率因數(shù)Pf ≈0.7
逆變器效率η=0.95 n = 29
N = 6
P(W)={P(VA)×Pf}/η
= {40000×0.7}/0.95
=29473.68(W)
Pnc=P(W)/(n×N)
=29473.68 /(29×6)
= 169.39(W)
根據(jù)中達電通電池的恒功率放電特性表可得出2小時放電時間，1.75V截止電壓下， DCF126-12/100型號的電池能提供68.4W的功率， 169.39/68.4=2.48組.
2.46KVA 1小時：
P(VA)=46KVA 負載輸入功率因數(shù)Pf ≈0.7
逆變器效率η=0.95 n = 29
N = 6
P(W)={P(VA)×Pf}/η
= {46000×0.7}/0.95
=33894.74(W)
Pnc=P(W)/(n×N)
=33894.74 /(29×6)
= 194.80(W)
根據(jù)中達電通電池的恒功率放電特性表可得出1小時放電時間，1.75V截止電壓下， DCF126-12/100型號的電池能提供112.2W的功率，194.80/112.2=1.74組.
3.40KVA 0.5小時：
P(VA)=40KVA 負載輸入功率因數(shù)Pf ≈0.7
逆變器效率η=0.95 n = 29
N = 6
P(W)={P(VA)×Pf}/η
= {40000×0.7}/0.95
=29473.68(W)
Pnc=P(W)/(n×N)
=29473.68 /(29×6)
= 169.39(W)
根據(jù)中達電通電池的恒功率放電特性表可得出0.5小時放電時間，1.75V截止電壓下， DCF126-12/100型號的電池能提供181.3W的功率， 169.39/181.3=0.93組.
2.48+1.74+0.93=5.15(組)
由于這種計算方法得出的結(jié)果會比實際的配置略有偏小，所以取6組應(yīng)當足以滿足負載的后備時間需求。
同樣可以計算出車輛段UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池4組；停車場UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池3組；控制中心UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池6組；
供電運行方式與邏輯關(guān)系
結(jié)合方案的系統(tǒng)示意圖可以了解系統(tǒng)的供電運行方式與邏輯關(guān)系。
1. 正常供電運行方式
兩路主電源為兩臺UPS供電，主電源1接UPS1的主輸入，主電源2接UPS2的主輸入，兩臺UPS的旁路同時接到主電源1或者主電源2上(不同的站點可以不同)。 兩臺UPS同時輸出到各個負荷側(cè)的STS開關(guān)，通過設(shè)置STS開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)大約各帶一半負載。這樣能確保兩路電源上的負載量基本均分，當兩臺UPS都運行于旁路狀態(tài)時，相位仍然同步，STS轉(zhuǎn)換不受影響。
UPS1和UPS2同時為電池組充電，充電電流各占50%。為了日后維修和保養(yǎng)方便，每臺UPS和每組電池都裝有自己的連接開關(guān)。
2. UPS故障運行方式
a. UPS2故障，則通過STS將所有的負載切換到UPS1，然后維修UPS2，修復(fù)后再恢復(fù)原帶載運行方式；
b. UPS1故障，則通過STS將所有的負載切換到UPS2，然后維修UPS1，修復(fù)后再恢復(fù)原帶載運行方式；
c. 兩臺UPS都故障，則通過兩臺UPS的靜態(tài)旁路供電給負載。此時，可以將兩臺UPS打到維修旁路或者輪流關(guān)閉進行維修，修復(fù)后再轉(zhuǎn)為原帶載運行方式。
3. 電池組故障運行方式
電池組分為3—6組并聯(lián)，若發(fā)現(xiàn)電池故障或者報警，維修人員切除故障的電池分組，進行維修維護工作，修復(fù)后再將電池分組重新投入運行。
4. 失去1路主電源運行方式
a. UPS2主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負載切到UPS1；
b. UPS1主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負載切到UPS2。
5. 失去2路主電源運行方式
此時兩臺UPS同時轉(zhuǎn)到電池組放電狀態(tài)，通過STS后共同分擔后面的負載。若此時任何1臺UPS故障，其后面的負載都會通過STS轉(zhuǎn)移到另外一臺UPS上去，電池組也會全部轉(zhuǎn)給正常的UPS使用，后備時間不受影響。
智能配電柜會結(jié)合各負荷的后備時間要求，按時切除相應(yīng)的負載。
6. 檢修運行方式
a. 檢修單臺UPS時，斷開一臺進行檢修，另一臺正常運行；
b. 檢修單組蓄電池時，斷開一組進行檢修，其它電池組正常運行；
c. 當兩臺UPS同時檢修時，可將兩臺UPS打到維修旁路或者輪流關(guān)閉進行檢修。
其 他
方案特點分析
概括起來，該方案具有以下幾個特點:
1. UPS電源采用集中式配置，跟分散式配置相比，該方案更能綜合利用UPS和蓄電池資源，具有設(shè)備可靠性高、節(jié)省安裝空間、維修和管理方便等優(yōu)點，符合地鐵行業(yè)的的發(fā)展趨勢。
2. 輸入電源采用雙路同時分別供電，跟前端采用ATS切換裝置相比，該方案更節(jié)省投資，使雙路電源負載均分，并且避免了ATS的單點故障。
3.系統(tǒng)采用兩臺UPS雙母線架構(gòu)，跟單機和雙機并聯(lián)架構(gòu)相比，減少了單故障點，增強了可靠度。
4.采用雙機共享電池組方式，確保任何一臺UPS故障時，系統(tǒng)總的后備時間不受影響，并且同時具備了以下優(yōu)點：
a.節(jié)省購買電池的資金投資，相應(yīng)的搬運、安裝等投資也跟著減少。
b. 節(jié)省安裝空間投資，相應(yīng)的裝修費、空調(diào)配置等投資也跟著減少。
c. 節(jié)省承重方面的投資。
d. 節(jié)省電耗、維護保養(yǎng)等運營成本方面的投資，更加環(huán)保。
e. 系統(tǒng)擴容比較方便，主機和電池組的擴容可以分別進行，非常安全、方便，可以靈活利用資金。
f. 發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率。對于傳統(tǒng)的電池配置方案，由于電池數(shù)量較多，停電后電池會小電流放電，電池容量可能還沒有放掉多少，市電就已經(jīng)恢復(fù)。這種小電流的淺度放電對電池是沒有好處的，久而久之電池性能就會下降，一旦某臺UPS壞掉，其它UPS電池的后備時間就會達不到要求。而對于共享電池組方案，由于電池數(shù)量相對較少，停電后電池的放電電流就會比較大，電池容量也可以放的比較多，這樣有利于提高電池的活性，延長電池壽命。一旦某臺UPS壞掉，系統(tǒng)的后備時間也不會受到影響，因為電池不會跟著UPS失效而失效。
5.根據(jù)負載重要程度，采用分時供電方式，合理分配資源，實現(xiàn)效益最大化。
6.采用臺達NT系列UPS，該產(chǎn)品更能符合軌道交通方案需求，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)異、廠家服務(wù)周到。同時采用冗余的通訊線代替LBS，節(jié)省了投資，提高了效率，增加了系統(tǒng)可靠度。
（轉(zhuǎn)載）
