地鐵并機共用電池組優(yōu)化方案

1 前言

地鐵因其占用土地和空間最少、運輸能量最大、運行速度最快、環(huán)境污染最小等優(yōu)勢而成為備受青睞的一種交通方式。隨著我國經(jīng)濟的不斷持續(xù)增長以及國家對交通事業(yè)的巨大投入，城市地鐵建設就像滴在宣紙上的墨汁，正在大大小小的城市里迅速地發(fā)展。 在地鐵工程建設各機電系統(tǒng)中(見圖1)，需要采用

圖1 機電系統(tǒng)主要組成

2 UPS供電系統(tǒng)發(fā)展趨勢

UPS的供電方式可分為集中供電方式和分散供電方式兩種。集中供電方式，是指由一套大功率UPS向車站整個弱電系統(tǒng)負載提供應急供電;分散供電方式，就是根據(jù)設備的需要分別配備適合的中、小功率UPS。在地鐵交通建設的早期階段，常采用由多臺中、小功率UPS分別帶不同系統(tǒng)專業(yè)負載的分散供電設計方案，比如：分別為通信、信號、綜合監(jiān)控、門禁等系統(tǒng)配置獨立的UPS電源供電。然而，經(jīng)過長期的運用實踐證明：與采用由多臺中、小功率UPS組成的分散式供電方案相比較，采用一套大功率UPS的集中供電方案，擁有明顯的技術優(yōu)勢和更佳的性價比。集中供電與分散供電比較見表1。

表1 UPS集中供電與分散供電比較

表2是一地鐵線控制中心、車站及車輛段/停車場對UPS供電系統(tǒng)典型的配置要求。

表2 地鐵UPS供電系統(tǒng)配置要求

由表2可知，不同系統(tǒng)的后備時間長短和輸出功率大小均是有差別的。當采用集中供電方案設計時，UPS的輸出配電柜必需設計為具備有分時控制輸出的智能型配電屏。根據(jù)不同系統(tǒng)對UPS供電的需要，采用工業(yè)級的PLC控制并執(zhí)行分時、自動關斷操作，來達到對各系統(tǒng)“分時供電”的電源保護。

圖2 “分時供電”智能型配電屏原理圖

如圖2所示，每一個需要偵測實際功率的負載分路上都安裝一個功率偵測設備，并將偵測到的不同負載實際功率反饋給PLC。PLC則實時接受UPS上報來的實際電池組后備容量，并根據(jù)不同分路負載的實際后備時間需求及實際功率靈活調(diào)整其后備的時間，控制分路配電設備中的負載交流切離元件，實現(xiàn)后備時間根據(jù)應用情況自由調(diào)整，達到電池供電時合理利用電池、分時送電的最佳效果。這種系統(tǒng)控制方法能克服目前市面上常見的UPS電源的控制方法所帶來的控制缺陷，解決了電能浪費的問題，達到最優(yōu)化利用電能的目的，最大限度地發(fā)揮UPS系統(tǒng)的供電性能，還可有效的優(yōu)化電池容量的配置、提高供電系統(tǒng)的可靠性、節(jié)省安裝空間。

3 臺達UPS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案介紹

為提高供電系統(tǒng)的可靠性，UPS電源系統(tǒng)采用的“1+1”并機冗余運行配置，可升級為UPS “1+1”并機共用電池組優(yōu)化方案，利用臺達NT系列UPS的并機技術和共用電池組功能，不需要增加對蓄電池的投資，可實現(xiàn)在市電供電中斷或單臺UPS故障條件下，能完全保障電源系統(tǒng)后備時間維持不變。

3.1 并機系統(tǒng)共用電池組原理

UPS“1+1”并機共用電池組方案原理圖如圖3所示。

圖3 UPS“1+1”并機共用電池組方案原理圖

“1+1”并機冗余供電系統(tǒng)采用先進的獨特并機技術，可在線直接并機，在UPS單機之間無需外加并機卡或并機柜，使系統(tǒng)的故障點減少，同時也減少了選購件投資;采用環(huán)路通訊電纜連接來傳遞實時信號，實現(xiàn)并機的“均流”控制，修正的分布式邏輯控制，使得并機系統(tǒng)中各臺UPS，均處于完全“平等”的調(diào)控狀態(tài)之中;采用獨特的同步相位調(diào)制法，每臺UPS能“智能”地將位于并機系統(tǒng)中的各臺UPS的同步跟蹤調(diào)整到最佳狀態(tài)(各臺之間的相位差幾乎為零)和實時動態(tài)地調(diào)節(jié)所帶的負載百分比，實現(xiàn)高精度的均流和負載均分。另外，臺達NT系列UPS內(nèi)部主要元器件采用模塊化設計，減小了平均修復時間(MTTR)，使“1+1”并機冗余系統(tǒng)不僅有高可靠性，同時擁有很高的可用性。

傳統(tǒng)的“1+1”并機冗余系統(tǒng)，不具備共用電池組功能，每臺UPS主機單獨配置蓄電池，當“1+1”并機冗余供電系統(tǒng)中有一臺UPS故障時，系統(tǒng)斷電后放電時間將減少一半。采用共用電池組方案的并機系統(tǒng)，在一臺UPS故障時系統(tǒng)斷電后放電時間仍然維持不變?？蓪崿F(xiàn)在市電供電中斷或單臺UPS故障條件下，完全保障電源系統(tǒng)后備時間，提供用電設備安全可靠的電源保障。共用電池組功能是臺達NT系列UPS系列獨特的功能之一。

3.2 UPS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案的優(yōu)點

⑴ 共用電池組方案優(yōu)點

在不增加電池投資和安裝空間等條件受到限制時，共用電池組方案具有獨到的優(yōu)越性。地鐵各車站、控制中心、車輛段及停車場的電池組部分配置無需變化，僅增加電池組配電箱，以利于方便維護。

共用電池組方案具有的優(yōu)點如下：

① 在單臺UPS故障條件下，能完全保障電源系統(tǒng)后備時間;

② 不增加電池的投資，系統(tǒng)后備放電時間不變;

③ 不增加電池安裝空間、承重方面的建設;

④ 不增加電池運營維護成本;

⑤ 系統(tǒng)擴容更加方便;

⑥ 發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率。

⑵ 提高系統(tǒng)可靠性

臺達NT系列UPS具有獨特的直接并機技術，擺脫了傳統(tǒng)的并機方案需要增加并機卡或并機柜的束縛。可以直接并機，消除了增加并機卡或并機柜給整個供電系統(tǒng)帶來的故障點，大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性。“1+1”并機冗余供電系統(tǒng)，在正常運行中容忍一臺UPS故障，仍然能保證供電系統(tǒng)持續(xù)為負載提供不間斷電源，使系統(tǒng)的可靠性得到大幅度的提升。

⑶ 增加系統(tǒng)安全性

相比原UPS單機，“1+1”并機系統(tǒng)中的兩臺UPS輸出由并機中的UPS平均分配，各UPS分擔的負載減少了一半，可有效延長UPS的安全使用壽命;當并機系統(tǒng)中的UPS有一臺發(fā)生故障，故障的UPS會迅速從并機系統(tǒng)中退出，保證負載的供電;設備維護時也可把任一臺機器脫離系統(tǒng)進行維護，方便安全快捷，增加了供電系統(tǒng)安全性。

臺達NT系列UPS還具備在線并機功能，并機時不需要對正在運行的UPS停機或跳轉(zhuǎn)旁路，對系統(tǒng)擴容和系統(tǒng)維護提供了不間斷的安全保障。

⑷ 提升系統(tǒng)可用性

可用性是衡量系y提供持續(xù)服務的能力。評估一個系統(tǒng)可用性的兩大要素包括：平均無故障時間(MTBF)和平均修復時間(MTTR)。

可用性(Availability)的計算公式如下：

參考臺達NT UPS系統(tǒng)，原單機MTBF為286083h，并機MTBF提高至596006h，MTTR為0.5h?？捎眯杂嬎憬Y(jié)果是0.9999991，可見可用性大大提高。

⑸ 增強抗負載沖擊能力

單機UPS容量是額定的，若負載出現(xiàn)尖峰電流超過單臺UPS的過載電流時，UPS將會轉(zhuǎn)旁路或出現(xiàn)故障;在“1+1”并機系統(tǒng)時，只有超過負載額定容量2倍時才會影響UPS系統(tǒng)是否轉(zhuǎn)旁路，相對而言，系統(tǒng)抗負載沖擊能力增強了1倍。

4 昆明地鐵應用案例

昆明地鐵6號線各車站的綜合電源系統(tǒng)統(tǒng)一為專用通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、ISCS、AFC、FAS、BAS、ACS系統(tǒng)提供電源，UPS采用2臺NT120kVA“1+1”并機共用電池組方案。UPS電源系統(tǒng)按一級負荷供電，兩路獨立的三相交流電源經(jīng)交流切換箱(動照專業(yè)提供)后接入UPS，經(jīng)UPS輸出的“分時控制”智能配電屏分路后，分配給各交流供電的設備和高頻直流開關電源。開關電源輸出-48V電源分路后分配給需要直流供電的通信設備。UPS設備負責輸出純凈的穩(wěn)定、可靠的交流電源，UPS配備1套蓄電池組，“1+1”采用共用電池組方案，確保在交流電源停電時或任意一臺UPS故障時，備用蓄電池組為各子系統(tǒng)提供所需備用電源。UPS電源系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖4所示。

圖4 UPS電源系統(tǒng)構(gòu)架圖

UPS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案應用案例參考附錄。

5 總結(jié)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的推進，發(fā)展安全、高效、舒適的地鐵交通已成為解決城市交通問題的重要手段。作為保障地鐵交通正常運營的基礎設施之一的UPS電源系統(tǒng)，除了必須具備高安全、高可靠外，還應該符合地鐵行業(yè)的特殊需求。然而，臺達電子集團具有電力電子行業(yè)40余年的設計、生產(chǎn)、制造經(jīng)驗，公司一如既往的不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)，提升產(chǎn)品技術標準，了解客戶需求、提供超過客戶期許的解決方案。中達電通充分理解地鐵的運營要求，利用強大的技術背景及項目實施經(jīng)驗為地鐵客戶提供可靠的動力集成化集中解決方案，不僅保證了地鐵運行的可靠性與安全性，同時降低了設備運營和維護的成本。

附錄

UPS電源系統(tǒng)優(yōu)化方案應用案例

⑴ 上海地鐵1號線人民廣場站安全門系統(tǒng)

GES-NT60K UPS 1+1并機系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑵ 上海地鐵1號線莘莊站安全門系統(tǒng)

GES-NT30K UPS 1+1并機系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑶ 杭州地鐵1號線專用通信電源系統(tǒng)：

GES-NT40K UPS 1+1并機系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑷ 成都地鐵1號線專用通信電源系統(tǒng)

GES-NT40K UPS 1+1并機系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑸ 成都地鐵2號線專用通信電源系統(tǒng)

GES-NT120K UPS 1+1并機系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑹ 沈陽地鐵2號線專用通信電源系統(tǒng)：

GES-NT80K UPS 1+1并機系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案

⑺ 昆明地鐵6號線專用通信電源系統(tǒng)

GES-NT120K UPS 1+1并機系統(tǒng)，采用共用電池組優(yōu)化方案■