UPS在城市軌道交通中的應用

梁明暉

（西安市地下鐵道有限責任公司，陜西 西安710016）

1 UPS概述

UPS是不間斷電源（Uninterruptable Power System）的英文簡稱，是能夠提供持續、穩定、不間斷的電源供應的重要電氣設備。UPS按工作原理可分成后備式、在線互動式和在線雙轉換式三大類，這三種類型的UPS工作方式各不相同，適用于不同的工作場合。目前，國內城市軌道交通領域普遍采用在線雙轉換式UPS電源。

在線雙轉換式UPS的工作原理是：在市電正常時，將市電進行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負載提供交流電；在市電異常時，逆變器由蓄電池提供能量；逆變器始終處于工作狀態，保證無間斷輸出。該類型的UPS具有較寬的輸入電壓范圍，無切換時間且輸出電壓穩定精度高等特點，因而特別適合對電源供應要求較高的系統或設備。在線雙轉換式UPS電源由整流模塊（或整流器）、逆變器、靜態開關、旁路開關、監控模塊和蓄電池組等組成，其結構如圖1所示。

圖8 在線雙轉換式UPS電源結構圖

2 城市軌道交通設備系統對UPS的應用要求

城市軌道交通中包含眾多的設備系統，如通信、信號、綜合監控、環境監控（BAS）、自動售檢票、屏蔽門、門禁、火災自動報警等，這些系統承擔著旅客的安全運輸、信息傳遞以及防災減災等重要任務，屬于重要或特別重要的一級負荷。因此需要高可靠性的后備電源進行不間斷供電，以保證供電質量和供電連續性。上述各系統多為由計算機、網絡設備等構成的重要負載，需要AC380／220 V電源，最適合采用UPS系統進行供電。

由于城市軌道交通線路的運營環境及其設備系統的特殊性，一般要求提供電源的UPS滿足下列要求：

（1）可靠性高，能適應較為封閉的運行環境，以確保各設備系統全天候、穩定、可靠的運行；

（2）安全性高，保護全面，不易造成人為設備故障，不會威脅；

（3）電源質量優，整機效率高，能源消耗少；

（4）綠色環保，避免污染電力環境及自然環境；

（5）便于近、遠端管理，有標準的通訊接口及開放的通訊協議；

（6）盡量少占資源，節省安裝空間。

除了上述的通用要求外，本文以地鐵的設備系統為例，簡要介紹它們對UPS的具體應用要求，如表1所示。

3 UPS電源供電方式

3.1 供電方式分析比較

UPS的供電方式可分為集中供電方式和分散供電方式兩種，如表2所示。集中供電方式一般是指由單臺大功率UPS或兩臺以上并聯的中大功率UPS向車站所有設備系統提供高質量的電源。分散供電則是根據各設備系統的需要分別配備適合的中小功率UPS［1］。國內早期建設的軌道交通線路各設備系統較為獨立，加之當時成熟應用的大功率UPS設備較少，所以多采用分散式供電方式。目前，隨著大功率UPS設備及并機技術的日臻成熟，已有部分城市的新建線路采用UPS集中式供電，如深圳地鐵三號線、北京地鐵機場線等。這兩種UPS供電方式相比較各有利弊，但集中式供電更有利于資源的綜合利用，更有利于設備的專業化維護與管理，同時也有利于節省設備房使用面積，節省工程投資，所以目前整合軌道UPS電源已經成為一個發展趨勢。

表1 地鐵各設備系統對UPS的應用要求

表2 UPS集中供電與分散供電比較

3.2 集中供電方式

集中供電方式可以有多種實現方案，如單機集中供電、雙機單總線集中供電、雙機雙總線集中供電、多機雙總線集中供電等，集中供電方式的具體方案選擇應該在線路初步方案設計時就完全確定，應綜合考慮土建設計、各系統設計方案、運營維護、造價成本等方面。由于具體的集中供電方案有很多，本文無法一一詳細介紹，故選擇幾種典型的方案加以分析。

3.2.1 雙機單總線集中供電方案

該供電方案的拓撲結構如圖2所示，由兩臺直接并聯運行的UPS向所有負載供電，兩臺UPS均分負載。這種供電方案設備采購數量少，容量冗余大便于系統擴容，可靠性高于單機集中供電方案，但任何負載側的故障都可能造成系統間的影響。

圖2 雙機單總線集中供電方案

3.2.2 雙機雙總線集中供電方案

該供電方案的拓撲結構如圖3所示，由兩臺并聯運行的UPS電源向所有負載供電，電源的輸出端由STS控制向負載供電。這種供電方案下兩臺UPS工作相互獨立，可以減少相互間的故障影響，可靠性非常高，但設備采購費用非常大。在建設成本允許的條件下，這種供電方案或較之更可靠更靈活的多機集中供電方案應該是將來城市軌道交通領域UPS供電發展的趨勢。

圖3 雙機雙總線集中供電方案

3.3 分散供電方式

3.3.1 單機分散供電方案

該供電方案的拓撲結構如圖4所示，各系統分別由單臺UPS向其負載供電，即各個系統都配置獨立供電的UPS。這些UPS具有獨立的監控系統，獨立的蓄電池組，單臺設備故障時只對所在系統產生影響。這種方式要求UPS電源的設備數量較多，運營后的維護檢修工作量大。目前，西安地鐵二號線各系統仍采用這種傳統的供電方式。

圖4 單機分散供電方案

3.3.2 雙機分散供電方案

該供電方案的拓撲結構如圖5所示，各系統分別由兩臺并聯運行的UPS向其負載供電，兩臺UPS均分負載，互為備份。這種方式要求UPS電源的設備數量大，設備采購費用高，設備房面積要求大，但這種方式的可靠性較單機分散供電方式有很大提高。目前，有些城市新建地鐵線路選擇采用這種供電方案，如南京地鐵二號線等。

4 UPS蓄電池容量計算方法

蓄電池容量（Ah）是指在標準環境溫度下，蓄電池在給定時間內放電到終止電壓時，可提供的恒定電流（A）與持續放電時間（h）的乘積［2］。蓄電池的配置容量理論上應等于或略大于系統的最大折算負荷容量。容量估算較低可能造成系統的緊急狀態備電時間不能滿足設計規范和實際需要；而容量估算過高則可能造成蓄電池采購費用上升，運營狀態下充電功耗增大帶來的能源浪費和維護成本的上升。因而采用較為準確的方法估算蓄電池的容量對于地鐵建設和運營維護具有非常重要的意義。

圖5 雙機分散供電方案（ATS部分僅為示意）

對于UPS的蓄電池配置容量，可根據蓄電池產品手冊中提供的恒功率放電資料表或者恒流放電曲線，通過恒功率法、電源法、恒流法以及估算法等計算方法來確定蓄電池的容量和數量。本文將以通信系統的UPS蓄電池為例，介紹兩種應用廣泛且相對準確的容量計算方法。

4.1 恒功率法（查表法）

這種方法首先計算在后備時間內，單體蓄電池中每個2 V的Cell至少應向UPS提供的功率，計算步驟為：

計算出Pnc后，可以在蓄電池產品手冊中Umin所對應的恒功率放電參數表中，找出等于或者稍大于Pnc的功率值，這一功率值所對應的蓄電池型號應能滿足UPS系統的備電時間要求。如果表3中所列的功率值均小于Pnc，則可以通過多組蓄電池并聯的方式達到要求。

表3 恒功率法計算參數表

4.2 電源法

這種方法是國家原郵電部為通信行業蓄電池容量選擇而規定的方法，詳細說明請參閱《YDT5040－2005》標準文件，計算步驟為：

（1）計算出蓄電池組的最大放電電流

（2）計算出蓄電池組的最小容量

電源法計算參數如表4。上述兩種計算方法各有側重，恒功率法是UPS蓄電池容量計算的最常用方法。在UPS蓄電池運行環境穩定，且UPS負載長時間在額定容量80%以下運行時建議選用此方法。電源法則全面考慮UPS蓄電池在整個服役期間的性能狀態，在蓄電池運行環境溫度變化較大時，更能準確計算出蓄電池的容量。一般而言，同等條件下，電源法配置的容量要高于恒功率法30%以上。在實際應用中需要綜合考慮鉛酸蓄電池的使用條件、UPS所帶負載情況以及應用場合來選擇計算方法。

表4 電源法計算參數表

5 UPS使用和維護注意事項

UPS電源如果操作使用不當或維護不到位，可能造成設備損壞，導致系統失電等后果，嚴重影響運營安全，所以必須高度重視UPS的正確使用和日常維護。

（1）不能按照UPS的額定容量來使用UPS，長期滿載或過度輕載都會影響UPS的使用壽命。

（2）不應頻繁啟動或關閉UPS電源，否則會引起啟動失敗。

（3）注意防雷擊，保證UPS的有效屏蔽和良好接地。

（4）應注意UPS的使用環境變化，環境溫度過高將極大地縮短蓄電池的使用壽命，溫度和濕度對UPS主機本身的壽命也有很大影響。

（5）UPS主機應定期清潔保養，勿沾染灰塵，延長設備使用壽命。

（6）UPS進出風口要保持通暢，定期檢查設備各連接線，并防止碰撞或松動以及潮濕。

（7）UPS初次使用或長期閑置后使用，應先對蓄電池進行長時間充電后再使用。

（8）不要使UPS長期處于浮充狀態而不放電，長期處于浮充狀態會造成蓄電池內阻增大或永久性損壞。

（9）盡量避免蓄電池的過放電，蓄電池放電虧損將可能導致蓄電池永久性損壞。

（10）平時維護保養時，應仔細查看蓄電池是否有變形、裂紋及漏液痕跡。

6 結束語

城市軌道交通領域中各設備系統多為一級負荷，要求供電質量較高，需要采用高可靠性的交流供電方案。各城市的新建線路一般從整體供電方案、土建結構、工程預算、技術成熟度、應用案例等多個方面綜合評估，最終確定各系統的UPS供電方式并計算出相應的蓄電池配置容量。另外，UPS使用單位應重視UPS主機及蓄電池組在全壽命周期內的使用和維護，特別要關注系統驗交前的設備管理和調試情況。

［1］趙美君.地鐵車站弱電系統集中UPS供電分析［J］.電源技術應用，2007，10（7）：53.

［2］漆逢吉.通信電源［M］.北京：北京郵電大學出版社，2005.