集中式與分布式UPS在地鐵弱電系統中的應用對比與優化建議

劉沃鴻

（佛山市軌道交通發展有限公司，廣東 佛山 528000）

在地鐵系統中，弱電設備種類繁多、系統龐大、重要程度高，一旦出現供電問題，將會造成較為嚴重的行車及客運影響，因此供電系統的可靠性尤為重要[1]。為了保證供電的可靠性，地鐵中大部分弱電系統均會配備不間斷電源UPS，如通信、信號、綜合監控、門禁、站臺門系統等。不間斷電源UPS的布置方式主要分為集中式和分布式，其中分布式應用較為廣泛，如廣佛線和佛山地鐵2號線。與此同時，集中式UPS在地鐵領域的運用越來越受到重視，廣州地鐵、上海地鐵、深圳地鐵和北京地鐵等均進行了集中式UPS的應用實踐。文章通過對比分析分布式與集中式UPS的各項性能、成本，提出優化建議。

1 不間斷電源UPS的兩種布置方式

1.1 分布式UPS布置方式

目前，大多數地鐵中各個弱電系統配置的UPS仍是使用分布式。分布式UPS的特點是安裝在被供電設備旁邊，與被供電設備設置在同一間設備房中，當其中一個系統的UPS出現故障時不會影響其他系統的UPS正常工作。其供電系統原理是從車站降壓變電所0.4kV的Ⅰ、Ⅱ段母線分別饋出一路電源，經雙電源切換箱切換后，再通過UPS給相關設備供電[2]。分布式UPS設置結構框圖如圖1所示。

圖1 分布式UPS設置結構框圖

1.2 集中式UPS布置方式

集中式UPS主要是對部分弱電系統的UPS裝置進行硬件整合和集中布置，其供電系統原理為車站降壓變電所0.4kV兩段母線分別引進一路AC380V電源，經過雙電源切換裝置后，通過集中式UPS電源系統向通信、信號和FAS等各個弱電系統負載設備供電。集中式UPS設置結構框圖如圖2所示。

圖2 集中式UPS設置結構框圖

2 集中式UPS與分布式UPS應用現狀及優劣對比

2.1 集中式UPS和分布式UPS應用現狀

目前，地鐵中的主流仍然是分布式UPS，包括廣佛線和佛山地鐵2號線。但集中式UPS也已經得到廣泛的應用和實踐，如國內線路較多的北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵和深圳地鐵，均有應用集中式UPS的線路，具體如表1所示。分布式UPS和集中式UPS應用占比分布圖如圖3所示。

表1 應用集中式UPS的線路

2.2 集中式UPS和分布式UPS優劣分析

（1）容量使用率。分布式：各個系統設備獨立計算容量需求，設計較為保守，冗余量考慮較多，導致實際負載率相應較低。集中式：有利于統籌考慮各個設備系統的容量需求，進行容量的優化設計，提高實際負載率[3]。以北京地鐵10號線一期為例，容量、功耗和使用效率的對比情況如圖4、圖5所示。

圖3 分布式UPS和集中式UPS占比

圖4 容量和功耗對比圖表

圖5 UPS效率對比表

（2）維護管理及維護成本。分布式：不利于維護管理。各個弱電系統UPS裝置的型號、規格、備品備件的種類復雜，需耗費大量的人力和物資成本進行運營維護。集中式：利于維護管理。系統集中監控、集中維護保養，設備型號規格單一，便于采購和減少備件庫存。以北京地鐵10號線一期為例，其工程通信系統中的民用通信、專用通信、公安通信納入集中式UPS，與其他地鐵項目的分布式UPS的維護成本對比如表2所示[4]。

表2 分布式UPS與集中式UPS維護成本對比表

（3）設備成本。根據各個地鐵需求和整合范圍差異，分布式UPS和集中式UPS在建設成本存在較少差異，以廣州地鐵4號線弱電系統共156.3kVA為參照，采用集中式UPS方案后設備造價比分布式方案高4%[1]。但北京地鐵10號線一期和濟南軌道交通R1線則相反，建設成本情況如圖6、圖7所示[4-5]。其他分析如表3和圖8所示[6-7]。

圖6 北京地鐵10號線設備成本對比圖

圖7 濟南軌道交通R1線設備成本對比圖

圖8 分布式UPS和集中式UPS技術對比

3 集中式UPS整合對象和整合優化建議

集中式UPS和分布式UPS各有優劣，只有根據實際情況，對適合整合的系統采取集中式UPS供電模式，對有獨特需求的系統采取分布式UPS供電模式才更符合未來地鐵設備系統的實際需求。以下重點對集中式UPS整合對象進行分析，并提出優化建議。

3.1 集中式UPS整合對象

地鐵集中式UPS系統的負載主要采用交流供電，直流電負載并不宜納入集中供電系統，距離集中電源室較遠的設備系統也不宜納入其中[8]。不適合納入集中式UPS的系統及原因如表4所示，可納入集中式UPS系統的負荷等級和位置如表5所示。廣州地鐵、上海地鐵、北京地鐵、深圳地鐵、哈爾濱地鐵和濟南地鐵各系統被整合概率如圖9所示。

表3 分布式UPS和集中式UPS分析

表4 不適合納入集中式UPS的系統及原因分析

表5 整合系統負荷等級和位置

圖9 各弱電系統被整合概率

從圖9可以看出，除了信號系統（保證列車運行安全、監控列車運行的關鍵系統），其余系統被整合率均高達66%以上。

綜上所述，對于整合范圍可以得到以下三個方案，如表6所示。

表6 整合方案

3.2 集中式UPS整合方式

地鐵集中式UPS一般會采用冗余備份的供電方式。冗余配置方案主要包括串聯冗余方式、“1+1”并聯冗余方式、“N+X”并聯冗余方式和冗余式雙總線方式。各方式原理圖和特點如圖10、表7所示。供電方式對比圖如圖11所示。

圖10 各方式原理圖

經對比分析可知，串聯冗余式依賴主UPS靜態旁路的工作狀況，效率最低；“1+1”并聯冗余的可靠性和成本適合大部分的整合方案，也是應用范圍最廣的一種；“N+X”并聯冗余中間環節較多，可靠性和經濟性不如“1+1”并聯冗余；而冗余式雙總線適合一些可靠性要求高的場合。

3.3 整合優化建議

綜上所述，暫不建議采用串聯冗余式和“N+X”并聯冗余式兩種方案。對于不同的整合方案，建議采取以下的整合方式：

表7 各方式介紹表

圖11 供電方式對比圖

對于整合方案一和方案二，由于把信號系統排除在了整合范圍之外，在保持集中式UPS系統較高的可靠性的前提下，建議其余被整合的弱電系統設備房與集中式UPS電源系統緊鄰布置，通過房間布局提高供電可靠性；再綜合成本考慮，建議采用“1+1”并聯冗余的配置方案。方案一和方案二的區別是配置UPS容量的大小。

對于整合方案三，由于把信號系統也納入整合范圍以內，這使得整個集中式UPS系統的可靠性要求也更高。為了使整合信號系統后的供電可靠性得到保障，建議采用4種配置方式中可靠性最高的冗余式雙總線的配置方案。此方案增加了LBS和STS的投資，一般占總動力投資的25%左右[9]。

已經確定使用分布式UPS供電模式的佛山地鐵二號線，由于部分設備房建筑位置無法更改，采用了UPS整合改造后所需設備房建筑面積卻有所增加，需重新優化布局。故不建議盲目在后期對各個弱電系統進行整合。

4 總結

通過以上的對比分析及優化建議，可以得出以下結論：

（1）分布式UPS在線纜的可靠性、建設投入、后備時間控制和風險分散等方面有著明顯優勢，但存在重復配置、利用率低、品牌多樣和維護成本高等問題。

（2）集中式UPS的備件、維護和監控高度統一集中，工作效率和功耗等方面有著較為明顯的優勢，但其故障影響范圍廣、可靠性及技術水平要求較高。

（3）對于已經確定采用分布式UPS的佛山地鐵二號線，不建議盲目整合。

（4）對于佛山地鐵三號線及后續線路，應綜合考慮建設成本、運營維護成本和供電可靠性等，可考慮使用集中式UPS方案。

（5）對于把信號系統納入高度整合的方案，應重視冗余式雙總線的供電方式，以保證其可靠性和維修便利性。