地鐵車站UPS電源整合方式和容量確定

黃 俊

（南昌軌道交通設計研究院有限公司，江西南昌 330038）

1 UPS電源整合的意義

運營管理方面：整合電源，使運營管理更便捷、更集中，解決了設備過于分散、運營管理不方便的問題。

工程投資方面：集中設置UPS，可減少UPS設備用房面積，還可減少UPS設備重復配置，減少定向投資。

人力資源方面：整合后只需要一組維護人員，改變了各專業重復設置維護人員的情況，降低了人工成本，提高了運營維護工作效率。

備品備件方面：進行電源整合后，車站電源設備統一，減少了運營備品備件的種類。

2 車站UPS電源整合主要原則

所有被整合的電源系統必須滿足UPS電源技術要求，確保各機電系統UPS電源的安全、可靠和可行性需求；UPS電源整合方案應充分考慮系統可靠性及運營維護的統一性；UPS電源室應在負荷中心附近設置；UPS電源整合方案應根據各系統的容量需求、負載特點和備用時間等進行綜合計算[1]。

3 車站UPS電源整合主要范圍

3.1 各專業整合分析

（1）變電所：變電所操作電源為直流電源，若采用UPS電源供電，則需要增加直流輸出裝置。此外，變電所操作電源大多為沖擊性負荷，影響系統電壓穩定，所以變電所操作電源應獨立設置，不納入整合。

（2）通信系統：商用通信、專用通信、公安通信系統主要為網絡設備、計算機等容性負載，需要AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。鑒于商用通信、公安通信的使用和專用通信并不相同，且與專用通信無法同期投入運營，因此商用通信、公安通信不納入整合。

（3）信號系統：可納入UPS電源整合。鑒于行車安全信號要求的安全性、可靠性等級較高，根據相關規范要求，此信號系統應采用專用電源，不納入整合。

（4）應急照明：主要為感性負載，分布在整個車站內，范圍廣、容量大、重要程度高[2]。不宜納入整合范圍。由動力照明專業在照明配電間單獨設置EPS電源進行供電。

（5）屏蔽門系統：負載主要集中于站臺，驅動電機為電感性負載，沖擊電流大。屏蔽門系統宜獨立設置后備電源，不納入整合。

（6）綜合監控系統：主要為網絡設備、計算機等容性負載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

（7）自動售檢票系統：主要為網絡設備、計算機等容性負載以及閘機等AFC終端設備，需AC 380/220 V電源，適合采用UPS電源供電。

（8）FAS系統：由于消防設備、線纜有耐火等級要求，消防系統產品技術應受公安部消防認證監督，相關設備需要有FAS系統使用的驗證資質，應接受安裝現場消防驗收。FAS系統應設置專用不間斷電源，不納入UPS整合。

（9）門禁系統：主要為網絡設備、計算機等容性負載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

（10）旅客信息顯示系統：主要為網絡設備、計算機等容性負載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

（11）環境與設備監控：主要為網絡設備、計算機等容性負載，需AC 380/220 V電源，適合用UPS電源供電。

3.2 整合范圍匯總

整合范圍：專用通信、綜合監控系統、AFC、門禁、環境與設備監控、旅客信息系統等。

不整合范圍：商用通信、公安通信、信號、屏蔽門系統、火災自動報警系統、變電所直流輔助電源、車站應急照明系統。

4 車站UPS電源整合方案比選

軌道交通UPS電源整合存在三種方式：單UPS電源整合方式、雙UPS電源整合方式、直流電源整合方式。

4.1 方案一：單UPS電源整合方式

地鐵車站UPS電源系統設置一套UPS電源裝置（包含蓄電池、整流器、逆變器）、饋線智能配電柜、智能控制單元[3]。

（1）UPS電源裝置運行方式。

正常工作時，UPS裝置將切換后的交流進線電源整流并逆變，為各個系統提供高質量電源；當兩路交流進線電源均失電時，UPS裝置將電池儲存能量逆變，為各個系統提供高質量電源；當UPS出現故障時，自動無間斷切換至靜態旁路，由切換后的交流進線電源直接對各系統供電，此時雖然可以持續供電，但進線電源的波動以及上級電源的倒切時，都將造成電源的短時中斷，影響各系統正常工作。

（2）智能控制單元。

智能控制單元控制UPS電源裝置、蓄電池和饋線智能配電柜，實現UPS電源系統監控信息的上傳。

（3）饋線智能配電柜。

各系統均由饋線智能配電柜配置一路AC 380/220 V電源。為了優化蓄電池總容量，應按照各系統所需要的不同后備時間，確定蓄電池容量。饋線智能配電柜對不同后備時間的系統，可以按照時間順序切除負載，并在交流輸入電源失電情況下，通過PLC控制單元依次斷開后備時間為30 min、1 h、2 h的負載。

（4）蓄電池。

設置一組蓄電池，其容量由故障后不同的后備時間在各系統負載需求計算后確定。

4.2 方案二：雙UPS電源整合方式

地鐵車站UPS電源系統設置兩套UPS電源裝置（包含蓄電池、整流器、逆變器等）、智能控制單元、饋線智能配電柜和負載同步控制器組成。

（1）UPS電源裝置運行方式。

正常工作時，UPS裝置將切換后的交流進線電源整流并逆變，由兩套UPS均流，共同為各系統提供高質量電源；母聯隔離開關正常時處于投入狀態；當兩路交流進線電源均失電時，UPS裝置將電池儲存能量逆變，為各個系統提供高質量電源；當一套UPS出現故障時，另一套UPS對各系統進行供電；當兩臺UPS均故障時，則切換后的交流進線電源由靜態旁路直接為各系統進行供電。

（2）蓄電池。

每臺UPS電源單獨設置一組蓄電池，其容量由故障后不同的后備時間在各系統負載需求計算后確定，考慮到使用效率，每一組蓄電池按系統總容量的50%配置。

（3）智能控制單元。

負責控制UPS電源裝置、饋線智能配電柜、蓄電池，上傳UPS電源系統的監控信息。

（4）饋線智能配電柜。

各系統均由饋線智能配電柜配置兩路AC 380/220 V電源。為優化蓄電池總容量，應按照各系統需要的不同后備時間確定蓄電池的容量。饋線智能配電柜對不同后備時間的系統，可以按照時間順序切除負載，并且在交流輸入電源失電情況下，可以通過PLC控制單元依次斷開后備時間為30 min、1 h、2 h的負載。

（5）負載同步控制器。

確保兩套UPS裝置輸出相同的電壓幅值、波形、頻率和相位。

4.3 方案三：直流電源整合方式

直流電源整合方式主要整合直流電源蓄電池組、充電模塊，為變電所、通信、信號、綜合監控、自動售檢票、屏蔽門等提供DC220 V不停電電源[4]。

方案三中，對于分散設置方式，集中設置蓄電池、高頻開關充電模塊，方便對蓄電池進行統一管理，設置專業維修部門，可有效減少重復配置硬件，降低蓄電池容量，減少占地面積。但通信、信號、綜合監控等弱電系統需要的電源主要為交流AC 220/380 V，此系統還需要獨立配置逆變器，考慮到電源可靠性等因素，各系統還設置了不含蓄電池的UPS。所以直流電源整合方式不是UPS電源系統的主要整合方式，不推薦使用。

因此，本文將方案一和方案二進行對比。電源整合方式比較成果如表1所示。

表1 電源整合方式比較成果

通過比較可知，采用兩套UPS的方式優勢明顯，技術先進，可靠性和可維護性更高，性價比合理。因此，推薦選用方案二。

5 UPS容量選擇及選型建議

5.1 目前在建工程中UPS容量選擇存在的問題

目前已投入運行的軌道交通工程UPS系統出現UPS容量偏大的問題，即UPS計算容量遠大于實際用電，但實際運行過程中負載率較低，造成了UPS容量浪費，增加了設備、土建投資。主要原因包括：（1）確定容量時，各系統設備尚未招標，容量需求按最大情況考慮；（2）各用電系統容量需求均考慮設備擴展的預留；（3）各用電系統設計過程中在累計標注設備容量后，又引入了一定的可靠系數，導致負荷增大；（4）設備的標注容量根據設備最大功率運行時產生的負荷確定。

5.2 UPS容量選擇

UPS容量應在各系統用電需求統計基礎上，綜合考慮功率因數及UPS需要系數等因素來確定。在低壓配電設計中一般考慮設備的需要系數。UPS供電設備多為靜態設備，即計算機等電子通信設備，在正常運行狀態時，所有設備均處于運行或熱備用狀態，只有AFC專業有部分動力負荷，同時系數考慮較高。根據調查結果，結合上述分析，需要系數可按0.5～0.8考慮。

6 結語

UPS的集中整合，在確立了合理的UPS集中方案后，要切合實際，綜合考慮各專業容量需求，不能簡單地將各專業需求容量進行疊加，如此才能將UPS集中設置方案的優點充分發揮，獲得最大的經濟效益。