地鐵并機(jī)共用電池組優(yōu)化方案

1 前言

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。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷持續(xù)增長以及國家對(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(見圖1)，需要采用

圖1 機(jī)電系統(tǒng)主要組成

2 UPS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)過長期的運(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表1。

表1 UPS集中供電與分散供電比較

表2是一地鐵線控制中心、車站及車輛段/停車場對(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

由表2可知，不同系統(tǒng)的后備時(shí)間長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的UPS電源的控制方法所帶來的控制缺陷，解決了電能浪費(fèi)的問題，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3 UPS“1+1”并機(jī)共用電池組方案原理圖

“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)也減少了選購件投資;采用環(huán)路通訊電纜連接來傳遞實(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?？蓪?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。

3.2 UPS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、車輛段及停車場的電池組部分配置無需變化，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)迅速從并機(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y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)NT UPS系統(tǒng)，原單機(jī)MTBF為286083h，并機(jī)MTBF提高至596006h，MTTR為0.5h。可用性計(jì)算結(jié)果是0.9999991，可見可用性大大提高。

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)尖峰電流超過單臺(tái)UPS的過載電流時(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)備和高頻直流開關(guān)電源。開關(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4 UPS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題的重要手段。作為保障地鐵交通正常運(yùn)營的基礎(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、提供超過客戶期許的解決方案。中達(dá)電通充分理解地鐵的運(yùn)營要求，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)線人民廣場站安全門系統(tǒng)

GES-NT60K UPS 1+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-NT30K UPS 1+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-NT40K UPS 1+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-NT40K UPS 1+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-NT120K UPS 1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑹ 沈陽地鐵2號(hào)線專用通信電源系統(tǒng)：

GES-NT80K UPS 1+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-NT120K UPS 1+1并機(jī)系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案■