城市軌道交通通信系統UPS電源可用性提升方案研究

丁稱發

1 現狀研究

早期軌道交通通信、信號、綜合監控等弱電系統的UPS電源通常為各自獨立設計，其中通信配置的UPS電源容量較小，一般在10～30 kVA左右。相對而言，大容量的UPS主機在元器件選型、安全保護程序設計、主控板卡和風扇冗余等方面比中小容量UPS主機做得更完善，可靠性更高。理論上，小容量UPS的MTBF（平均無故障工作時間）值約為4萬～14萬h，中容量UPS的MTBF值約為13萬～22萬h，大容量UPS的MTBF值約為20萬～40萬h［1-2］，因受使用環境、元器件老化等因素影響，其實際值遠小于理論值。為提高UPS電源的可用性和維護效率，節約UPS電源用房面積［3］，目前普遍采用整合各弱電系統UPS電源的做法［4］，如深圳地鐵、廣州地鐵和成都地鐵，目前普遍采用配置公共的綜合UPS電源，同時為通信、綜合監控、自動售檢票、安防、FAS、BAS或信號等弱電系統供電。綜合UPS電源整合項目調研情況見表1。深圳地鐵采用的傳統綜合UPS電路原理見圖1。

圖1 傳統綜合UPS電路原理

表1 綜合UPS整合范圍調查

整合各弱電專業的UPS電源后，帶來的效果是顯著的。各專業可以共享備用容量，提高UPS電源的負載率，降低變壓器的輕載損耗，同時可以提高運維效率。但是，把所有弱電系統的配電放在一套UPS電源里，一旦其中某一個部件出故障，承擔的風險也隨之加大。近幾年，隨著地鐵裝備國產化水平的提高，由UPS電源故障引起的地鐵停運事故也逐步增多［5］，國產UPS電源設計水平、開關元件的質量、控制邏輯與國際一線品牌還存在一定差距。以下分析UPS電源的常見故障類型及原因，通過改進設計提高UPS電源的可用性。

2 故障原因分析

1）雙電源自動轉換開關容易造成單點故障

雙電源自動轉換開關（ATSE）是一臺技術含量較高的部件，其質量的好壞，直接影響輸出端的配電安全。因ATSE質量問題引起的停電事故已不在少數。當下一級ATSE斷路器與負載斷路器之間的保護電流設定值不匹配時，負載短路，斷路器未能起到保護ATSE的作用，負載短路沖擊電流容易加速ATSE損壞。

2）UPS主機單電源輸入降低了UPS電源的可用性

有些UPS主機采用單電源輸入，UPS主輸入與靜態旁路輸入共用輸入源［6］，一旦出現逆變器故障或電容漏液短路時，短路沖擊電流導致上級保護斷路器跳閘，而使UPS無法轉換靜態旁路供電，導致負載斷電。30 kVA以上的UPS，一般具備獨立的主路輸入和靜態旁路輸入，即使沒有也可在招標階段提出單獨增加靜態旁路輸入的需求。有些UPS主機在出廠時，默認把靜態旁路輸入和主輸入短接，安裝時可拆除短接條改成雙電源輸入。

3）UPS主機無法快速隔離自身故障

在UPS主機出現嚴重故障時，如逆變器短路、濾波電容漏液、擊穿等，UPS控制板無法跟蹤靜態旁路的相位、頻率和電壓，為保證負載不失電，控制邏輯會強制內部的靜態轉換開關（STS）切換到靜態旁路供電。STS切換主要是利用2路雙向可控硅（SCR）來控制電路通斷的。根據可控硅的特性可知，控制電路可以實時控制SCR開啟，卻無法實時關閉，SCR必須在電流過零點后才能關閉。正常情況下，UPS主機實時跟蹤靜態旁路電源的相位、幅值和頻率，并保持主路輸出與靜態旁路電源同幅、同相和同頻，STS在“先斷后通”的控制原則下，可以在5～10 ms內實現主路電源和靜態旁路電源間的切換。當UPS主機逆變輸出部分出現短路瞬間，主路逆變電源已失步，STS瞬間接通靜態旁路電源，卻無法與主路快速分離，靜態旁路電源經STS反向注入逆變器輸出電路，造成包括逆變橋臂、母線電容等器件的二次短路，這種反灌是不受控的，容易引起逆變橋臂、母線電容的爆炸。巨大短路電流，不僅造成UPS負載失電，而且造成UPS主機故障范圍擴大，損失進一步加大。圖2是以三相電中的一相為例說明UPS內部靜態開關在正常與特定故障場景下的切換過程。

圖2 UPS靜態開關切換場景

3 改進建議

3.1 可用性定義

GB/T 2900.13—2008/IEC 60050（191）：1990將可用性（Availability）定義為，在要求的外部資源得到保證的前提下，產品在給定的條件下，在給定的時刻或時間區間內處于能完成要求的功能狀態的能力。它是產品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。可用性的計算式為

由式（1）可知，要想提高UPS電源的可用性，就必須減少故障次數或故障修復時間。

3.2 雙UPS并機方案

雙UPS并機方案已在不少城市的軌道交通項目中使用。2臺同品牌、同型號的UPS通過并機線同步，實現2臺UPS輸出同幅、同相，共擔負載。雙UPS并機方案系統示意見圖3。當一臺UPS主機出現故障時，自動關閉故障UPS主機的輸出，由另一臺UPS承擔負載供電，雙UPS并機方案可以實現在負載不斷電的情況下對故障UPS檢修。然而在某些情況下，一臺UPS故障會拉垮另一臺UPS，雙UPS并機方案只能在UPS主機發生一般性故障時實現冗余備份［7-8］。故雙UPS并機方案電源的可用性提高并不明顯，相對于單UPS方案99.985 379%的可用性而言［1］，僅提高了0.000 7個百分點。根據《鐵路信號源系統設備：第6部分：不間斷電源（UPS）及蓄電池組》（TB/T 1528.6—2018），在UPS電源整合了信號系統設備供電時仍無法滿足信號電源99.999 5%的可用性要求。

圖3 雙UPS并機方案系統示意

3.3 雙UPS雙母線方案

利用重要設備雙電源冗余的特點，配置2套完全獨立的UPS主機、配電母線和開關元件，每一套電源分別向負載設備供電，2路電源在各設備內部低壓直流側并聯。當2套UPS電源均正常工作時，負載設備的雙電源均衡輸出，共擔設備用電；若一臺UPS故障，不影響另一臺UPS輸出，由用電設備的另一個電源模塊擔負起設備的所有用電。為保證在單臺UPS設備下電檢修時仍然保證負載能獲得2路不同的電源供電，在2路UPS電源之外，設置2路維修旁路。雙UPS雙母線系統示意見圖4。對于少數只有單電源但又比較重要的設備，可采用單相小容量STS靜態開關在負載端進行雙電源切換［9］，用較低的成本實現雙電源供電。

圖4 雙UPS雙母線系統示意

考慮到地鐵供電質量比較高，UPS電源2路輸入電源同時出故障的概率非常低，甚至可以取消UPS輸入端的雙電源轉換開關ATSE，改用斷路器可靠性更高，而且節約工程投資。

在2套UPS電源帶載單電源用電設備配平時，失去2路市電后，2臺UPS的后備電池放電速度基本相同。從節約工程投資角度出發，每一臺UPS主機配置的電池數量可按式（2）計算，約為單臺UPS方案所需蓄電池總數的60%［10］。

式中：n為蓄電池總臺數；P為負載總功率，單位kW；h為UPS后備時間，單位h；η為UPS逆變器效率；K1為電池老化系數，取值0.8～0.85；K2為不平衡系數，建議取值1.1～1.3；W為所選電池型號對應UPS后備時間放電功率。若各專業后備時間不同，應分別計算。

雙UPS雙母線方案相對于傳統的方案，2套系統是并聯關系，不增加故障節點，可以大幅度提高UPS電源的可用性，從市電引入，開關元件、UPS設備及配電箱輸出均相互獨立，任何一點故障，均可由另一套電源供電，維持負載始終不斷電，理論上可用性達到99.999 997%［1］，完全滿足信號系統用電的需求。在設備運營日常檢修時，可切斷任意一套UPS的電源，對UPS主機或開關進行除塵、維修，不僅保證了運維人員的安全，而且不必再等運營結束后檢修，大幅度提高了運維效率。該方案被大多數銀行、大型數據中心、民航和廣電所采用，但是造價相對較高，相對于單UPS方案成本提高約10%。

3.4 UPS負載容量統計建議

地鐵弱電綜合UPS所帶負載基本恒定，后期大幅增加負載的概率非常低。設計單位普遍以設備標稱額定功率統計UPS負載功率，并據此配置后備蓄電池的容量，導致工程中UPS實際負載率特別低，普遍只有20%～25%，后備蓄電池放電測試時需4～5 h才能把存儲的電量放完，遠大于地鐵設計規范對通信后備供電時間的要求。深圳地鐵2、3、5、6號線車站UPS負載情況抽樣統計見圖5，其中福保站1和福保站2為同一座車站2套并機UPS主機的負載數據。

圖5 車站綜合UPS電源負載抽樣統計

電子設備負載標稱額定功率與實際工作功率相差比較大。特別是IT類設備，標稱額定功率是指在滿配CPU、硬盤、板卡或其他硬件處于最強運算能力時的耗電需求。但實際工程中，計算機類設備滿配硬件的概率極低，CPU計算及存儲也不是持續高負荷運行。在計算IT設備實際用電功率時，可引入配置系數C，同時利用系數K，通過C和K修正IT設備的實際功率。重點根據GPU顯卡、物理CPU和硬盤配置數量確定C的取值，參考值0.7～1.0。K根據計算量大小確定，地鐵工程參考值為0.6～0.85，UPS容量為經過修正后的負載功率之和的1.2倍。為耐受電子設備通電時電容充電的瞬時大電流，各終端用電回路配電開關的容量應按設備最大功率選型。

4 結論

1）通過增加1臺UPS主機和回路開關，實現雙路電源在終端設備內通過直流并聯，減少雙電源之間的切換，充分發揮IT設備雙電源冗余的作用，提高UPS電源的可用性，確保地鐵通信、信號等設備配電的安全。

2）通過精準計算UPS負載的功率，合理配置UPS的容量和后備蓄電池數量，不僅節約工程投資，還能提高UPS電源的工作效率，降低空調給UPS設備散熱的能耗，達到節能降耗的目的。