地鐵綜合監控系統供電優化設計

國電南京自動化股份有限公司 秦成虎 陳銘暉

南京地鐵7號線是南京首條按GOA4標準設計的無人駕駛線路。首次在工程建設過程中引入第三方安全評估，對系統的可用性、可靠性、可維護性和安全性（RAMS）都有著嚴格的要求。作為系統運營監控核心的綜合監控系統，其供電系統的RAMS指標直接影響到整個地鐵線網的安全運行。為保證綜合監控系統的可靠、安全運行，通常要配備不間斷電源設備（UPS）。目前地鐵的UPS配置有兩種趨勢，一種是按用電設備所承擔的專業功能來進行劃分，采取中、小功率的UPS電源分散供電模式設計；一種是采用一套大功率UPS系統向車站或中心的所有弱電系統負載提供UPS電源的集中供電方式[1-2]。

雖然UPS電源集中供電系統采用冗余UPS技術、具有更高的可靠性，但由于電池相對集中，對電池管理提出更高的要求，導致電源的風險過于集中。雖然供電系統出現問題的概率降低了，但萬一出現電源系統故障時對地鐵系統的運營影響卻增大許多。所以目前UPS電源分散供電方案還廣泛地應用于地鐵弱電系統的供電設計中。

1 電源系統方案

為保證綜合監控系統設備穩定、可靠地連續運行，在車站和中心分別設置獨立的綜合監控供電系統。供電系統主要由交流雙電源切換裝置、隔離變壓器、UPS及蓄電池和電源監控系統組成。設備房低壓變壓器輸出的兩路獨立交流供電引至雙電源切換裝置，切換后的交流電源引入隔離變壓器、然后接入UPS，UPS輸出到負載設備。設計中采用雙電源切換、UPS冗余等技術，提高電源系統的可靠性、可用性（圖1）。

圖1 電源系統方案

1.1 雙電源自動切換裝置

從設備房低壓變壓器引出兩路獨立電源接到雙電源自動切換裝置輸入端，用于在工作電源故障的緊急情況下將負載電路從工作電源自動轉換到備用電源。雙電源切換裝置的集成控制器實時檢測被監測輸入電源（兩路）的工作狀況，如監測到工作的輸入電源發生故障（如欠壓、失壓、斷相等）且備用電源工作正常時，則控制器發出切換指令，轉換開關將負載工作電源切換到備用電源，以保證負荷不間斷運行。為防止雙電源自動切換裝置故障影響系統運營，為雙電源切換裝置設計了供電旁路斷路器，即Q1和Q4。

1.2 隔離變壓器

考慮到牽引變壓器和列車供電接觸網的影響，交流供電系統中的多次諧波及電磁干擾相對嚴重，有時甚至會導致電網中性線的電壓波動，從而影響UPS系統的安全運行。在UPS的輸入端設置隔離變壓器，不僅可隔離外部線網對UPS系統的影響，還可為UPS系統構成新的中性點，形成一個相對獨立的供電系統，從而提高系統供電的安全性。另外，由于UPS自身也是一個電磁干擾源，為防止本系統的UPS對外部電源的影響，增加隔離變壓器也可降低綜合監控系統電源輸入端的傳導發射干擾。

1.3 UPS電源

在本系統中，采取雙UPS并機運行的模式（圖2）。本系統的兩臺UPS系統在并機運行時，不需實時采集對方系統的電流、電壓、頻率和相位等參數就能實現系統同步，并在運行系統間實現負載電流的均勻分配。每個并聯工作的UPS系統只需控制自己的輸出電壓、電流、頻率及相位即可實現輸出同步、負載均衡及故障UPS快速脫機等功能。

圖2 UPS并機運行

并機運行的兩臺UPS系統同步跟蹤交流旁路電源的頻率和相位，由于并機運行的UPS的旁路電源是同一電源，因此每臺UPS的逆變器輸出的電壓、頻率和相位等參數近似相同，此時UPS系統還可小幅度地快速調整輸出電源的相位，減小兩個UPS系統輸出的差異，以使得可能出現在UPS并機系統中的各臺UPS間的“環流”盡可能地減小，理想情況下環流為零。為提高調節精度，在該并機系統中采用“高頻度小步長”的調控方法，它在1秒內對UPS的逆變器執行3000次同步跟蹤調節。當UPS間出現相位差時即會產生環流，通過各自的電流監測電路，當某臺UPS檢測到電流增大時其CPU會控制輸出電源的相位向相反方向移動，減少環流，反復多次直到找到一個最小的電流值點，即同相點。

正常情況下并機運行的UPS系統輸出電源具有同電壓、同頻率和同相位的特性，并均分負載。當負載突然變大時會引起UPS輸出電流加大(ΔI＞0)，輸出電壓降低(ΔV＜0)，此時電壓及電流的變化值之乘積為負值(ΔI×ΔV＜0)。當負載減小時會引起UPS輸出電流減小(ΔI＜0)、輸出電壓升高(ΔV＞0)，電壓及電流的變化值之乘積為負值(ΔI×ΔV＜0)。當其中一臺UPS出現故障時，該UPS輸出電壓在升高或降低的同時反而會引起它的輸出電流同樣升高或降低，即ΔI×ΔV＞0。因此可以將ΔI×ΔV的正負作為判據判斷UPS系統是否正常工作。利用這一判據，當系統中某一臺UPS單機發生故障時，發生故障的UPS可自動診斷出故障并脫離系統退出運行。全部負載由性能依然正常的UPS并聯承擔。由于每臺UPS的容量都按1倍安全余量設計，單臺UPS供電系統也可一直維持系統連續工作，直到故障UPS修復并恢復多機并聯運行狀態。

2 可維護性設計

可維護性作為RAMS中的一項指標，關系到系統維修時間、可用率及維護人員的工作量。可維護性是指在不影響供電系統其他部分正常運行情況下，對供電系統中的問題設備、部件進行維護、維修或更換等操作，消除缺陷、恢復系統的工作能力。提高系統的可維護性包括縮短故障情況下設備的維修時間和減少設備維修頻率兩個方面。前者需在設計時考慮各部件功能的相對獨立性，后者則需在設計時為設備提供有效、可靠的檢測措施，及時發現系統中的問題，開始預防性的維護或維修。

模塊化設計：在系統設計時，基于模塊化設計思想提高系統的可維護性。本供電系統由配電柜、隔離變壓器柜、UPS柜和電池柜組成。為方便系統檢修和維護在系統中配置必要的隔離設備，當個別部件故障后，在不影響電源系統工作的前提下將故障部件進行隔離，使其具備維修條件并進行修復，當修復完成后再恢復到運行狀態。如圖1中的Q6、Q7和Q8所示，當隔離變壓器故障時可先斷開Q6和Q7，UPS系統進入電池供電模式，然后合上Q8使系統接入外部電源，此時系統可正常工作且隔離變壓器已從系統中解列，滿足維修的條件，從而節省維修準備的時間。

電池監控系統：為便于對UPS系統進行遠程監控和集中管理，本系統將UPS系統的監控信息接入綜合監控系統（圖3），在控制中心實時監控UPS的工作模式、溫度、電流、電壓等參數信息，控制UPS模式切換等，同時接收UPS系統的告警信息，系統維護人員根據相關的告警信息，及時制定應對處理策略[3]。另外由于UPS連續不間斷地工作，蓄電池長期處于充電狀態、電池活性變差，容易出現故障。為此需監控蓄電池單體的電壓、內阻、極柱溫度、單體紋波電流、紋波電壓等數據，運維人員可及時了解蓄電池的工作狀態。在該系統中，通過單體電池監測模塊實現單節電池電壓的實時監控，如電池電壓高于電壓平均值則對電池進行放電、如電池電壓低于平均值則對電池進行充電以達到主動均衡的目的。采集到的單節電池信息會被電池管理主控模塊接收并轉發給綜合監控系統，在綜合監控系統中對電池的狀態進行集中監測。

圖3 電池監測系統

3 系統RAMS分析

FTA（Fault Tree Analysis，事故樹分析法）是系統RAMS分析中的常用的定量或定性分析方法之一，故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖，用來表示故障事件產生的原因及其邏輯關系的邏輯樹圖[4]。利用FTA進行UPS供電系統可靠性評估有助于發現系統設計中的可靠性、安全性的薄弱環節，為系統設計提供指導和驗證。故障樹的計算結果取決于事件組合的失效概率和對系統整體建模[5]。為便于比較，在對圖1進行FTA建模的同時，建立沒有雙電源自動切換裝置及UPS冗余配置的供電系統的FTA模型（即去除故障樹中的虛線框部分）并計算，對圖1進行FTA建模（圖4）。

圖4 供電系統的故障樹

結合相關設備的失效數據，通過對故障樹進行分析計算，優化前、后的不可用度(Q)、MTBF(106h)、MTTR(h)分別為：3.065E -06/1E-14、0.1658/2.857E+07、0.5083/0.2857。從計算結果可知，經過優化的系統在系統不可用度、MTBF及MTTR等指標上都有較大的優化。

結論：地鐵綜合監控系統作為地鐵工程弱電系統的一級負荷對供電質量要求很高，通過將RAMS技術應用到工程設計中，基于RAMS分析和優化設計的綜合監控系統供電系統具有較高的可靠性、可用性和可維護性和安全性，滿足全自動無人駕駛系統對綜合監控系統的RAMS要求。