地鐵并機共用電池組優(yōu)化方案

1 前言

地鐵因其占用土地和空間最少、運輸能量最大、運行速度最快、環(huán)境污染最小等優(yōu)勢而成為備受青睞的一種交通方式。隨著(zhù)我國經(jīng)濟的不斷持續增長(cháng)以及國家對交通事業(yè)的巨大投入，城市地鐵建設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。 在地鐵工程建設各機電系統中(見(jiàn)圖1)，需要采用

圖1 機電系統主要組成

2 UPS供電系統發(fā)展趨勢

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(chē)站整個(gè)弱電系統負載提供應急供電;分散供電方式，就是根據設備的需要分別配備適合的中、小功率UPS。在地鐵交通建設的早期階段，常采用由多臺中、小功率UPS分別帶不同系統專(zhuān)業(yè)負載的分散供電設計方案，比如：分別為通信、信號、綜合監控、門(mén)禁等系統配置獨立的UPS電源供電。然而，經(jīng)過(guò)長(cháng)期的運用實(shí)踐證明：與采用由多臺中、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)勢和更佳的性?xún)r(jià)比。集中供電與分散供電比較見(jiàn)表1。

表1 UPS集中供電與分散供電比較

表2是一地鐵線(xiàn)控制中心、車(chē)站及車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)對UPS供電系統典型的配置要求。

表2 地鐵UPS供電系統配置要求

由表2可知，不同系統的后備時(shí)間長(cháng)短和輸出功率大小均是有差別的。當采用集中供電方案設計時(shí)，UPS的輸出配電柜必需設計為具備有分時(shí)控制輸出的智能型配電屏。根據不同系統對UPS供電的需要，采用工業(yè)級的PLC控制并執行分時(shí)、自動(dòng)關(guān)斷操作，來(lái)達到對各系統“分時(shí)供電”的電源保護。

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)需要偵測實(shí)際功率的負載分路上都安裝一個(gè)功率偵測設備，并將偵測到的不同負載實(shí)際功率反饋給PLC。PLC則實(shí)時(shí)接受UPS上報來(lái)的實(shí)際電池組后備容量，并根據不同分路負載的實(shí)際后備時(shí)間需求及實(shí)際功率靈活調整其后備的時(shí)間，控制分路配電設備中的負載交流切離元件，實(shí)現后備時(shí)間根據應用情況自由調整，達到電池供電時(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，解決了電能浪費的問(wèn)題，達到最優(yōu)化利用電能的目的，最大限度地發(fā)揮UPS系統的供電性能，還可有效的優(yōu)化電池容量的配置、提高供電系統的可靠性、節省安裝空間。

3 臺達UPS電源系統優(yōu)化方案介紹

為提高供電系統的可靠性，UPS電源系統采用的“1+1”并機冗余運行配置，可升級為UPS “1+1”并機共用電池組優(yōu)化方案，利用臺達NT系列UPS的并機技術(shù)和共用電池組功能，不需要增加對蓄電池的投資，可實(shí)現在市電供電中斷或單臺UPS故障條件下，能完全保障電源系統后備時(shí)間維持不變。

3.1 并機系統共用電池組原理

UPS“1+1”并機共用電池組方案原理圖如圖3所示。

圖3 UPS“1+1”并機共用電池組方案原理圖

“1+1”并機冗余供電系統采用先進(jìn)的獨特并機技術(shù)，可在線(xiàn)直接并機，在UPS單機之間無(wú)需外加并機卡或并機柜，使系統的故障點(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(lái)傳遞實(shí)時(shí)信號，實(shí)現并機的“均流”控制，修正的分布式邏輯控制，使得并機系統中各臺UPS，均處于完全“平等”的調控狀態(tài)之中;采用獨特的同步相位調制法，每臺UPS能“智能”地將位于并機系統中的各臺UPS的同步跟蹤調整到最佳狀態(tài)(各臺之間的相位差幾乎為零)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調節所帶的負載百分比，實(shí)現高精度的均流和負載均分。另外，臺達NT系列UPS內部主要元器件采用模塊化設計，減小了平均修復時(shí)間(MTTR)，使“1+1”并機冗余系統不僅有高可靠性，同時(shí)擁有很高的可用性。

傳統的“1+1”并機冗余系統，不具備共用電池組功能，每臺UPS主機單獨配置蓄電池，當“1+1”并機冗余供電系統中有一臺UPS故障時(shí)，系統斷電后放電時(shí)間將減少一半。采用共用電池組方案的并機系統，在一臺UPS故障時(shí)系統斷電后放電時(shí)間仍然維持不變?？蓪?shí)現在市電供電中斷或單臺UPS故障條件下，完全保障電源系統后備時(shí)間，提供用電設備安全可靠的電源保障。共用電池組功能是臺達NT系列UPS系列獨特的功能之一。

3.2 UPS電源系統優(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到的優(yōu)越性。地鐵各車(chē)站、控制中心、車(chē)輛段及停車(chē)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。

共用電池組方案具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

① 在單臺UPS故障條件下，能完全保障電源系統后備時(shí)間;

② 不增加電池的投資，系統后備放電時(shí)間不變;

③ 不增加電池安裝空間、承重方面的建設;

④ 不增加電池運營(yíng)維護成本;

⑤ 系統擴容更加方便;

⑥ 發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率。

⑵ 提高系統可靠性

臺達NT系列UPS具有獨特的直接并機技術(shù)，擺脫了傳統的并機方案需要增加并機卡或并機柜的束縛?？梢灾苯硬C，消除了增加并機卡或并機柜給整個(gè)供電系統帶來(lái)的故障點(diǎn)，大大提高了供電系統的可靠性。“1+1”并機冗余供電系統，在正常運行中容忍一臺UPS故障，仍然能保證供電系統持續為負載提供不間斷電源，使系統的可靠性得到大幅度的提升。

⑶ 增加系統安全性

相比原UPS單機，“1+1”并機系統中的兩臺UPS輸出由并機中的UPS平均分配，各UPS分擔的負載減少了一半，可有效延長(cháng)UPS的安全使用壽命;當并機系統中的UPS有一臺發(fā)生故障，故障的UPS會(huì )迅速從并機系統中退出，保證負載的供電;設備維護時(shí)也可把任一臺機器脫離系統進(jìn)行維護，方便安全快捷，增加了供電系統安全性。

臺達NT系列UPS還具備在線(xiàn)并機功能，并機時(shí)不需要對正在運行的UPS停機或跳轉旁路，對系統擴容和系統維護提供了不間斷的安全保障。

⑷ 提升系統可用性

可用性是衡量系y提供持續服務(wù)的能力。評估一個(gè)系統可用性的兩大要素包括：平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)和平均修復時(shí)間(MTTR)。

可用性(Availability)的計算公式如下：

參考臺達NT UPS系統，原單機MTBF為286083h，并機MTBF提高至596006h，MTTR為0.5h?？捎眯杂嬎憬Y果是0.9999991，可見(jiàn)可用性大大提高。

⑸ 增強抗負載沖擊能力

單機UPS容量是額定的，若負載出現尖峰電流超過(guò)單臺UPS的過(guò)載電流時(shí)，UPS將會(huì )轉旁路或出現故障;在“1+1”并機系統時(shí)，只有超過(guò)負載額定容量2倍時(shí)才會(huì )影響UPS系統是否轉旁路，相對而言，系統抗負載沖擊能力增強了1倍。

4 昆明地鐵應用案例

昆明地鐵6號線(xiàn)各車(chē)站的綜合電源系統統一為專(zhuān)用通信系統、信號系統、ISCS、AFC、FAS、BAS、ACS系統提供電源，UPS采用2臺NT120kVA“1+1”并機共用電池組方案。UPS電源系統按一級負荷供電，兩路獨立的三相交流電源經(jīng)交流切換箱(動(dòng)照專(zhuān)業(yè)提供)后接入UPS，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備。UPS設備負責輸出純凈的穩定、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UPS故障時(shí)，備用蓄電池組為各子系統提供所需備用電源。UPS電源系統構架圖如圖4所示。

圖4 UPS電源系統構架圖

UPS電源系統優(yōu)化方案應用案例參考附錄。

5 總結

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(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營(yíng)的基礎設施之一的UPS電源系統，除了必須具備高安全、高可靠外，還應該符合地鐵行業(yè)的特殊需求。然而，臺達電子集團具有電力電子行業(yè)40余年的設計、生產(chǎn)、制造經(jīng)驗，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)標準，了解客戶(hù)需求、提供超過(guò)客戶(hù)期許的解決方案。中達電通充分理解地鐵的運營(yíng)要求，利用強大的技術(shù)背景及項目實(shí)施經(jīng)驗為地鐵客戶(hù)提供可靠的動(dòng)力集成化集中解決方案，不僅保證了地鐵運行的可靠性與安全性，同時(shí)降低了設備運營(yíng)和維護的成本。

附錄

UPS電源系統優(yōu)化方案應用案例

⑴ 上海地鐵1號線(xiàn)人民廣場(chǎng)站安全門(mén)系統

GES-NT60K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑵ 上海地鐵1號線(xiàn)莘莊站安全門(mén)系統

GES-NT30K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑶ 杭州地鐵1號線(xiàn)專(zhuān)用通信電源系統：

GES-NT40K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑷ 成都地鐵1號線(xiàn)專(zhuān)用通信電源系統

GES-NT40K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑸ 成都地鐵2號線(xiàn)專(zhuān)用通信電源系統

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

⑹ 沈陽(yáng)地鐵2號線(xiàn)專(zhuān)用通信電源系統：

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

⑺ 昆明地鐵6號線(xiàn)專(zhuān)用通信電源系統

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