城市軌道交通弱電系統集中UPS容量的計算

李冬

城市軌道交通系統包含眾多的弱電系統，如通信、信號、綜合監控、環境與設備監控、旅客信息顯示、門禁、自動售檢票、火災自動報警、屏蔽門、應急照明、變電所綜合自動化等系統，這些系統主要由計算機、網絡設備及自動化控制設備等組成，負責地鐵內部信息傳遞、車站旅客運輸、環境監控、乘客導引等，屬于重要或特別重要的一級負荷，需要可靠性很高的電源來保證供電質量和連續性。

隨著近年來電力設備制造工藝和應用技術的發展，目前在通信機房和大型數據中心，均有采用大容量UPS系統集中供電的先例，大容量UPS電源系統和先進控制技術在通信和數據中心等領域有較成熟的經驗，為在軌道交通工程中實現對各個弱電系統UPS電源的集中提供了有利條件。

結合目前技術發展和實際工程需要，有必要對地鐵弱電系統采用集中UPS系統容量選擇的方法進行研究，并給出具體的有指導性的計算方法。

一、負荷統計

通過對各系統UPS電源的需求分析，并結合各系統對UPS電源專業的提資，綜合考慮確定集中UPS系統整合范圍為：綜合監控（含環境與設備監控、門禁）、專用通信、自動售檢票（計算機網絡設備）、辦公自動化（包含票務室、站長室的視頻監控）、旅客信息顯示、環控電控室的智能低壓、車輛段/停車場安防。

根據整合范圍，分別對車站、車輛段、停車場、控制中心各被整合系統進行了統計，如表1～4所示。

車站各系統負荷統計算表 表1

說明：旅客信息顯示系統中的戶外LED負荷不納入集中UPS系統。

車輛段各系統負荷統計表 表2

說明：只對綜合樓內UPS進行整合，其他單體建筑UPS不整合。

停車場各系統負荷統計表 表3

控制中心各系統負荷統計表 表4

說明：調度大廳的大屏幕負荷不納入集中UPS系統。

二、UPS電源容量

根據各專業所提負荷資料，各站點集中UPS系統的計算總容量為：

根據對北京上海地鐵等已采用集中UPS系統地區的了解，設計階段如按各專業提資直接相加得出的UPS容量普遍偏大，往往導致線路開通后UPS的負荷率很低。為準確衡量地鐵各系統提資與目前實際各系統的需求之間的差異，現對既有線UPS使用情況進行了調研。

以下是對廣州地鐵五號線、二號線典型車站、車輛段、停車場、控制中心弱電系統分散設置UPS的情況的調查結果。

車輛段各弱電系統分散式UPS調查表（五號線魚珠）

停車場各弱電系統分散式UPS調查表（二號線大洲）

控制中心各弱電系統分散式UPS調查表（五號線魚珠）

車站各弱電系統分散式UPS調查表（五號線三溪）

根據對廣州地鐵五號線、二號線的實地調查情況，結合其它地區UPS整合后容量普遍偏大的教訓，本次按調研出的各弱電專業實際需要的UPS容量進行計算和選型，并考慮一定的預量，而電池后備時間按各系統提資進行考慮，這種調研、統計的方法能更準確地體現各系統對UPS的實際需求。因此，考慮到UPS的最佳負載率在75%左右，以及不同線路不同廠家的負載設備的能耗差異（考慮系數1.3）和遠期UPS負載增加的可能（考慮系數1.3），對UPS容量計算如下：

車站UPS容量：（3+2.1+2.3+1.95+6.8+2）/0.75×1.3×1.3=40.9kVA

結合產品的規格，取60kVA。

車輛段UPS容量：（2+6+3+3+3+5+12+3）/0.75×1.3×1.3=83.4 kVA

結合產品的規格，取100kVA。

停車場U P S容量：（2+2.8+5+2+6）/0.75×1.3×1.3=40.2 kVA

結合產品的規格，取60 kVA。

控制中心U P S容量：(4+6+1 7+3+2+6)/0.75×1.3×1.3=85.6kVA

結合產品的規格，取100kVA。

三、蓄電池容量

目前在工程設計中蓄電池的容量計算主要有兩種方法，一是電壓控制計算法，此方法比較精確簡單。另一種是國際上普遍采用的階梯負荷計算法。此方法概念清楚，計算精度高，它的特點是在保證蓄電池終止電壓不低于最低允許電壓的前提下來計算蓄電池容量。由于集中UPS系統采用的是分時斷電的運行模式，為了得到比較精確的計算結果，本文采用階梯負荷計算法。

1.計算方法

（1）按負荷階梯分段予以計算，取其中計算容量最大者。

（2）當有隨機負荷（指末期沖擊負荷）時，隨機負荷單獨計算所需容量，并疊加在第一階段以外的計算容量最大的放電階段，然后與第一階段選擇計算容量比較后取其大者。

2.計算步驟

（1）直流負荷統計

直流負荷統計表

上表中各系統實際負荷取值為廣州地鐵現場調查值，再分別考慮1.3（設備差異系數）和1.3（遠期預留系數）的系數。

另外，由于集中系統的負載均為計算機類型，故負載的功率因數按0.8考慮，

逆變器效率按0.8考慮（滿載時逆變器效率一般能達到0.9以上，但是從安全和經濟的角度考慮，一般考慮負載率為75%左右時的效率）。

（2）繪制負荷曲線

（3）按直流母線允許最低電壓要求，確定單體蓄電池放電終止電壓。計算容量時，根據蓄電池型式、終止電壓和放電時間，從上表中查找容量換算系數（KC）。

根據《電力工程電氣設計手冊—電氣二次部分》的要求，為保證直流負荷端的電壓滿足要求，直流母線電壓的波動范圍按以下原則確定：對于控制、信號、保護裝置等負荷時，電壓波動范圍按+10%，-15%考慮；對于事故照明、直流電動機、逆變電源裝置、斷路器電磁操動機構的合閘回路，電壓波動范圍按±10%考慮。因此，集中UPS系統蓄電池放電終止電壓按1.8V考慮。電池選取閥控式密封鉛酸電池。

④ 閥控式密封鉛酸蓄電池（膠體）（單體2V）的容量選擇系數表

①按第一階段（0～1min）計算容量：

②按第二階段（1～30 min）計算容量：

③按第三階段（30～60 min）計算容量：

④按第四階段（60～120 min）計算容量：

將CR疊加在CC2–CCn中最大的階段上，然后與CC1比較，取其大者，即為蓄電池的計算容量。

由于整合的系統中沒有沖擊性負荷，因此，不用校驗隨機負荷對容量的影響。

經計算第二階段計算容量最大，為339 Ah，選取容量為400 Ah。

經同樣方法，計算出：

車輛段第二階段計算容量最大，為635Ah，選取容量為700Ah；

停車場第二、三階段計算容量最大，為332 Ah，選取容量為400Ah；

控制中心第二階段計算容量最大，為597 Ah，選取容量為700Ah；

其中，式中：

CC1～CCn——蓄電池10h放電率各階段的計算容量，Ah；

CR——隨機負荷計算容量，Ah；

I1、I2…In——各階段的負荷電流，A；

IR——隨機負荷電流，A；

KK——可靠系數，取1.4；

KC——1min放電時的容量換算系數，1/h；

KCR——隨機（5s）負荷的容量換算系數，1/h；

KC1——各計算階段中全部放電時間的容量換算系數，1/h；

KC2——各計算階段中除第1階梯時間外放電時間的容量換算系數，1/h；

KC3——各計算階段中除第1、2階梯時間外放電時間的容量換算系數，1/h；

KCn——各計算階段中最后1個階梯放電時間的容量換算系數，1/h。

四、結語

軌道交通工程弱電集中UPS系統設計正日漸成為一種趨勢，關于集中UPS系統設備容量計算和選取的基礎是各被整合系統所提基礎資料，建議地鐵集中UPS系統實施中，由業主統一協調各被整合專業向集中UPS系統提資，強化提資準確性，明確實際使用負荷和負荷裕量，避免各專業所提負荷容量過大，造成設備容量選取過大的問題。同時，設計人員應在各專業提資基礎上，統一綜合考慮各系統裕量，做到合理配置設備容量，使集中UPS系統在成本控制、設備管理方面起到更顯著作用。