应用摘要

　　地铁弱电系统应用在地铁的车站、车辆段、停车场、控制中心等场所，包括通信、信号、综合监控（电力监控PSCADA、环境与设备监控BAS、火灾自动报警FAS、门禁ACS）、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS、屏蔽门、变电所直流操作、应急照明等部分，系统一般由计算机、网络设备及自动化控制设备组成，用电为一级负荷，因此需要高可靠性的后备电源进行不间断供电，以保证供电质量和供电连续性。屏蔽门驱动电机、变电所直流操作以及部分通信设备分别用到DC110V、DC220V和DC-48V电源，一般由专门的直流电源独立供电。应急照明一般为交流感应式的负载，分布在整个车站范围内，点多面广，多采用EPS供电。剩余的通信、信号、电力监控、环境与设备监控、门禁、火灾报警、自动售检票、乘客信息、屏蔽门网络控制等系统均为计算机和网络设备等容性负载控制工程网版权所有，需要AC380/220V电源，最适合采用UPS系统进行供电。由于地铁运营环境及其设备的特殊性，一般要求提供电源的UPS系统满足下列要求： 1.可靠性强，能适应地下运行环境，以确保车站各弱电系统设备全天候、稳定、可靠地运行; 2.绿色环保，避免污染电 力环境及自然环境; 3.安全性高，保护全面，不易造成人为设备故障，不会威胁人身安全; 4.便于近、远端管理，有标准的通讯接口及开放的通讯协议; 5.尽量采用集中式供电，综合利用各种资源。目前，轨道交通UPS电源整合是一个发展趋势，全国各地地铁新建线路都在进行UPS整合工作，因为这样更有利于资源的综合利用，更有利于设备的专业化维护与管理，同时也有利于节省机房使用面积。

　　应用领域

　　交通地铁

　　方案内容

　　根据地铁应用环境对UPS系统的具体要求，我们选用由台达NT系列UPS（12P）、中达电通DCF126系列蓄电池和中达电通智能配电柜组成的双电源输入、双母线架构、共享电池组、负载分时供电的集中供电组合方案。

　　该方案的系统示意图如下：

　　系统中的两台UPS容量相等，互为备份，彼此通过两根相互冗余的通讯线相连，使它们的相位始终同步，确保后面的STS切换顺畅。

　　该系统有下列特性符合地铁应用环境的需求:

　　1.可靠性强，适应地下运行环境。如:UPS耐温、湿度范围宽，抗外界干扰能力强，输入电源的电压和频率范围宽，输出电力品质高，全桥逆变加隔离变压器对负载适应性强，内部重要线路冗余备份，容错能力强，单机MTBF高达30万小时等。而双母线架构对负载又有了双重保障。

　　2.UPS低谐波，高效率，低辐射，低噪音等特性体现了绿色环保、对电力环境及自然环境污染少的特性。

　　3.UPS符合CE、TUV、IEC等安全标准，具有过温、过载、短路、误操作、电池漏夜等保护功能，并且有近、远端的紧急关机功能，安全可靠，不易造成人为设备故障和人身安全威胁。

　　4.UPS配备大型中/英文图形化LCD显示，以及RS232、RS485、20选6的智能干接点以及供选购的SNMP、MODBUS卡等，并有开放的通讯协议提供，便于近、远端监控管理。对于本方案可将UPS监控纳入综合监控系统（ISCS），与综合监控系统FEP接口控制工程网版权所有，实现对电源的统一监控管理。

　　5.本方案在每个站点配置一台大功率的UPS集中供电，可使负载综合利用电力资源。同时，共享电池组和分时供电的方式也是综合利用资源的一个具体体现。

　　技术路线

　　UPS容量选择

　　由UPS集中供电的负载情况表可知，车站、车辆段、停车场和控制中心的负载量依次为：126KVA、103KVA、74KVA和126KVA。这些负载都是电脑性的，输入功率因数一般为0.7，小于UPS的输出功率因数0.8，选择UPS容量时应当按VA值来计算。为了确保UPS长期安全可靠地运行，负载量一般设定在UPS额定容量的60%～80%。所以车站、车辆段、停车场和控制中心应分别配置160KVA、160KVA、100KVA和160KVA的UPS，它们的负载量最大能达到单台UPS的78%、64%、74%和78%，符合系统可靠性的要求。

　　电池配置计算

　　本方案采用UPS共享电池组方案，并且市电停掉后要分时供电给负载。以车站为例：有40KVA的负载后备2小时， 46KVA的负载后备1小时， 40KVA的负载后备0.5小时。

　　基于电池的放电特性，若采用分时间段（竖直分）计算法，结果会比实际的配置偏大;若采用分功率段（水平分）计算法，结果会比实际的配置偏小。这里采用分功率段（水平分）计算法计算，然后再将结果进行修正。计算过程如下：

　　P（W） 电池提供总功率 P（VA） 负载标称容量（VA）

　　Pf 负载输入功率因数 η UPS逆变转换效率

　　Pnc 每只电池需要提供的功率 n UPS配置的电池数量

　　N 单颗电池的cell数

　　P（W）=｛P（VA）×Pf｝/η

    Pnc=P（W）/（n×N）

　　1.40KVA 2小时：

　　P（VA）=40KVA 负载输入功率因数Pf ≈0.7

　　逆变器效率η=0.95 n = 29

　　N = 6

　　P（W）=｛P（VA）×Pf｝/η

　　= ｛40000×0.7｝/0.95

　　=29473.68（W）

　　Pnc=P（W）/（n×N）

　　=29473.68 /（29×6）

　　= 169.39（W）

　　根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出2小时放电时间，1.75V截止电压下， DCF126-12/100型号的电池能提供68.4W的功率， 169.39/68.4=2.48组。

　　2.46KVA 1小时：

　　P（VA）=46KVA 负载输入功率因数Pf ≈0.7

　　逆变器效率η=0.95 n = 29

　　N = 6

　　P（W）=｛P（VA）×Pf｝/η

　　= ｛46000×0.7｝/0.95

　　=33894.74（W）

　　Pnc=P（W）/（n×N）

　　=33894.74 /（29×6）

　　= 194.80（W）

　　根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出1小时放电时间，1.75V截止电压下， DCF126-12 /100型号的电池能提供112.2W的功率，194.80/112.2=1.74组。

　　3.40KVA 0.5小时：

　　P（VA）=40KVA 负载输入功率因数Pf ≈0.7

　　逆变器效率η=0.95 n = 29

　　N = 6

　　P（W）=｛P（VA）×Pf｝/η

　　= ｛40000×0.7｝/0.95

　　=29473.68（W）

　　Pnc=P（W）/（n×N）

　　=29473.68 /（29×6）

　　= 169.39（W）

　　根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出0.5小时放电时间，1.75V截止电压下， DCF126-12/100型号的电池能提供181.3W的功率， 169.39/181.3=0.93组。

　　2.48+1.74+0.93=5.15（组）

　　由于这种计算方法得出的结果会比实际的配置略有偏小，所以取6组应当足以满足负载的后备时间需求。

　　同样可以计算出车辆段UPS系统需配置中达电通DCF126 12/100型号的电池4组;停车场UPS系统需配置中达电通DCF126 12/100型号的电池3组;控制中心UPS系统需配置中达电通DCF126 12/100型号的电池6组;

　　供电运行方式与逻辑关系

　　结合方案的系统示意图可以了解系统的供电运行方式与逻辑关系。

　　1. 正常供电运行方式

　　两路主电源为两台UPS供电，主电源1接UPS1的主输入，主电源2接UPS2的主输入，两台UPS的旁路同时接到主电源1或者主电源2上（不同的站点可以不同）。 两台UPS同时输出到各个负荷侧的STS开关，通过设置STS开关状态，实现大约各带一半负载。这样能确保两路电源上的负载量基本均分，当两台UPS都运行于旁路状态时，相位仍然同步，STS转换不受影响。

　　UPS1和UPS2同时为电池组充电，充电电流各占50%。为了日后维修和保养方便，每台UPS和每组电池都装有自己的连接开关。
　　2. UPS故障运行方式

　　a. UPS2故障，则通过STS将所有的负载切换到UPS1，然后维修UPS2，修复后再恢复原带载运行方式;

　　b. UPS1故障，则通过STS将所有的负载切换到UPS2，然后维修UPS1，修复后再恢复原带载运行方式;

　　c. 两台UPS都故障，则通过两台UPS的静态旁路供电给负载。此时，可以将两台UPS打到维修旁路或者轮流关闭进行维修，修复后再转为原带载运行方式。

　　3. 电池组故障运行方式

　　电池组分为3—6组并联，若发现电池故障或者报警，维修人员切除故障的电池分组，进行维修维护工作，修复后再将电池分组重新投入运行。

　　4. 失去1路主电源运行方式

　　a. UPS2主电源失电，则UPS2停止输出，通过STS将所有负载切到UPS1;

　　b. UPS1主电源失电，则UPS2停止输出，通过STS将所有负载切到UPS2。

　　5. 失去2路主电源运行方式

　　此时两台UPS同时转到电池组放电状态，通过STS后共同分担后面的负载。若此时任何1台UPS故障，其后面的负载都会通过STS转移到另外一台UPS上去，电池组也会全部转给正常的UPS使用，后备时间不受影响。

　　智能配电柜会结合各负荷的后备时间要求，按时切除相应的负载。

　　6. 检修运行方式

　　a. 检修单台UPS时，断开一台进行检修，另一台正常运行;

　　b. 检修单组蓄电池时，断开一组进行检修，其它电池组正常运行;

　　c. 当两台UPS同时检修时www.cechina.cn，可将两台UPS打到维修旁路或者轮流关闭进行检修。

　　其他

　　方案特点分析

　　概括起来，该方案具有以下几个特点:

　　1. UPS电源采用集中式配置，跟分散式配置相比，该方案更能综合利用UPS和蓄电池资源，具有设备可靠性高、节省安装空间、维修和管理方便等优点，符合地铁行业的的发展趋势。

　　2. 输入电源采用双路同时分别供电，跟前端采用ATS切换装置相比，该方案更节省投资，使双路电源负载均分，并且避免了ATS的单点故障。

　　3.系统采用两台UPS双母线架构，跟单机和双机并联架构相比，减少了单故障点，增强了可靠度。

　　4.采用双机共享电池组方式，确保任何一台UPS故障时，系统总的后备时间不受影响，并且同时具备了以下优点：

　　a.节省购买电池的资金投资，相应的搬运、安装等投资也跟着减少。

　　b. 节省安装空间投资，相应的装修费、空调配置等投资也跟着减少。

　　c. 节省承重方面的投资。

　　d. 节省电耗、维护保养等运营成本方面的投资，更加环保。

　　e. 系统扩容比较方便，主机和电池组的扩容可以分别进行，非常安全、方便，可以灵活利用资金。

　　f. 发挥电池的最大效能，提高电池利用率。对于传统的电池配置方案，由于电池数量较多，停电后电池会小电流放电，电池容量可能还没有放掉多少，市电就已经恢复。这种小电流的浅度放电对电池是没有好处的，久而久之电池性能就会下降，一旦某 台UPS坏掉，其它UPS电池的后备时间就会达不到要求。而对于共享电池组方案，由于电池数量相对较少，停电后电池的放电电流就会比较大，电池容量也可以放的比较多，这样有利于提高电池的活性，延长电池寿命。一旦某台UPS坏掉，系统的后备时间也不会受到影响，因为电池不会跟着UPS失效而失效。

　　5.根据负载重要程度，采用分时供电方式，合理分配资源，实现效益最大化。

　　6.采用台达NT系列UPS，该产品更能符合轨道交通方案需求，产品品质优异、厂家服务周到。同时采用冗余的通讯线代替LBS，节省了投资，提高了效率，增加了系统可靠度。