臺達UPS在地鐵弱電系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

作者：中達電通股份有限公司/張彥和

一、              地鐵弱電系統(tǒng)的電源需求

     地鐵弱電系統(tǒng)應(yīng)用在地鐵的車站、車輛段、停車場、控制中心等場所，包括通信、信號、綜合監(jiān)控（電力監(jiān)控PSCADA、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控BAS、火災(zāi)自動報警FAS、門禁ACS）、自動售檢票系統(tǒng)AFC、乘客信息系統(tǒng)PIS、屏蔽門、變電所直流操作、應(yīng)急照明等部分，系統(tǒng)一般由計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及自動化控制設(shè)備組成，用電為一級負荷，因此需要高可靠性的后備電源進行不間斷供電，以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。

     屏蔽門驅(qū)動電機、變電所直流操作以及部分通信設(shè)備分別用到DC110V、DC220V和DC-48V電源，一般由專門的直流電源獨立供電。應(yīng)急照明一般為交流感應(yīng)式的負載，分布在整個車站范圍內(nèi)，點多面廣，多采用EPS供電。剩余的通信、信號、電力監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、門禁、火災(zāi)報警、自動售檢票、乘客信息、屏蔽門網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)均為計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等容性負載，需要AC380/220V電源，最適合采用UPS系統(tǒng)進行供電。

由于地鐵運營環(huán)境及其設(shè)備的特殊性，一般要求提供電源的UPS系統(tǒng)滿足下列要求：

1．可靠性強，能適應(yīng)地下運行環(huán)境，以確保車站各弱電系統(tǒng)設(shè)備全天候、穩(wěn)定、可靠地運行；
2.綠色環(huán)保，避免污染電力環(huán)境及自然環(huán)境；
3．安全性高，保護全面，不易造成人為設(shè)備故障，不會威脅人身安全；
4．便于近、遠端管理，有標準的通訊接口及開放的通訊協(xié)議；
5．盡量采用集中式供電，綜合利用各種資源。目前，軌道交通UPS電源整合是一個發(fā)展趨勢，全國各地地鐵新建線路都在進行UPS整合工作，因為這樣更有利于資源的綜合利用，更有利于設(shè)備的專業(yè)化維護與管理，同時也有利于節(jié)省機房使用面積。

     下表是某地鐵線路弱電系統(tǒng)中適合UPS集中供電的負載情況，它在地鐵行業(yè)中具有一定的代表性：

二、系統(tǒng)方案選擇

根據(jù)地鐵應(yīng)用環(huán)境對UPS系統(tǒng)的具體要求，我們選用由臺達NT系列UPS(12P)、中達電通DCF126系列蓄電池和中達電通智能配電柜組成的雙電源輸入、雙母線架構(gòu)、共享電池組、負載分時供電的集中供電組合方案。

該方案的系統(tǒng)示意圖如下：

系統(tǒng)中的兩臺UPS容量相等，互為備份，彼此通過兩根相互冗余的通訊線相連，使它們的相位始終同步，確保后面的STS切換順暢。

該系統(tǒng)有下列特性符合地鐵應(yīng)用環(huán)境的需求:

1．可靠性強，適應(yīng)地下運行環(huán)境。如:UPS耐溫、濕度范圍寬,抗外界干擾能力強,輸入電源的電壓和頻率范圍寬,輸出電力品質(zhì)高,全橋逆變加隔離變壓器對負載適應(yīng)性強,內(nèi)部重要線路冗余備份，容錯能力強,單機MTBF高達30萬小時等。而雙母線架構(gòu)對負載又有了雙重保障。

2．UPS低諧波，高效率，低輻射，低噪音等特性體現(xiàn)了綠色環(huán)保、對電力環(huán)境及自然環(huán)境污染少的特性。

3．UPS符合CE、TUV、IEC等安全標準，具有過溫、過載、短路、誤操作、電池漏夜等保護功能，并且有近、遠端的緊急關(guān)機功能，安全可靠，不易造成人為設(shè)備故障和人身安全威脅。

4．UPS配備大型中/英文圖形化LCD顯示，以及RS232、RS485、20選6的智能干接點以及供選購的SNMP、MODBUS卡等，并有開放的通訊協(xié)議提供，便于近、遠端監(jiān)控管理。對于本方案可將UPS監(jiān)控納入綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS），與綜合監(jiān)控系統(tǒng)FEP接口，實現(xiàn)對電源的統(tǒng)一監(jiān)控管理。

5．本方案在每個站點配置一臺大功率的UPS集中供電，可使負載綜合利用電力資源。同時，共享電池組和分時供電的方式也是綜合利用資源的一個具體體現(xiàn)。

三、UPS容量選擇

由UPS集中供電的負載情況表可知，車站、車輛段、停車場和控制中心的負載量依次為：126KVA、103KVA、74KVA和126KVA。這些負載都是電腦性的，輸入功率因數(shù)一般為0.7,小于UPS的輸出功率因數(shù)0.8，選擇UPS容量時應(yīng)當(dāng)按VA值來計算。為了確保UPS長期安全可靠地運行，負載量一般設(shè)定在UPS額定容量的60％～80％。所以車站、車輛段、停車場和控制中心應(yīng)分別配置160KVA、160KVA、100KVA和160KVA的UPS，它們的負載量最大能達到單臺UPS的78%、64%、74%和78%，符合系統(tǒng)可靠性的要求。

四、電池配置計算

本方案采用UPS共享電池組方案，并且市電停掉后要分時供電給負載。以車站為例：有40KVA的負載后備2小時, 46KVA的負載后備1小時, 40KVA的負載后備0.5小時。其負載-時間坐標圖如下：

基于電池的放電特性，若采用分時間段（豎直分）計算法，結(jié)果會比實際的配置偏大；若采用分功率段（水平分）計算法，結(jié)果會比實際的配置偏小。這里采用分功率段（水平分）計算法計算，然后再將結(jié)果進行修正。計算過程如下：

P（W）  電池提供總功率          P（VA）  負載標稱容量（VA）
 Pf    負載輸入功率因數(shù)         η        UPS逆變轉(zhuǎn)換效率
 Pnc   每只電池需要提供的功率    n        UPS配置的電池數(shù)量
 N     單顆電池的cell數(shù)
 P（W）={P（VA）×Pf}/η
 Pnc=P（W）/(n×N)

1．40KVA 2小時：
P（VA）=40KVA             負載輸入功率因數(shù)Pf ≈0.7
逆變器效率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)

    根據(jù)中達電通電池的恒功率放電特性表可得出2小時放電時間,1.75V截止電壓下, DCF126-12/100型號的電池能提供68.4W的功率, 169.39/68.4=2.48組.

2．46KVA 1小時：

P（VA）=46KVA             負載輸入功率因數(shù)Pf ≈0.7
逆變器效率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)

    根據(jù)中達電通電池的恒功率放電特性表可得出1小時放電時間,1.75V截止電壓下, DCF126-12/100型號的電池能提供112.2W的功率,194.80/112.2=1.74組.

3．40KVA 0.5小時：

P（VA）=40KVA             負載輸入功率因數(shù)Pf ≈0.7
逆變器效率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)

    根據(jù)中達電通電池的恒功率放電特性表可得出0.5小時放電時間,1.75V截止電壓下, DCF126-12/100型號的電池能提供181.3W的功率, 169.39/181.3=0.93組. 2.48+1.74+0.93=5.15(組)

   由于這種計算方法得出的結(jié)果會比實際的配置略有偏小，所以取6組應(yīng)當(dāng)足以滿足負載的后備時間需求。

    同樣可以計算出車輛段UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池4組；停車場UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池3組；控制中心UPS系統(tǒng)需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池6組；

五、供電運行方式與邏輯關(guān)系

    結(jié)合方案的系統(tǒng)示意圖可以了解系統(tǒng)的供電運行方式與邏輯關(guān)系。

1． 正常供電運行方式

兩路主電源為兩臺UPS供電，主電源1接UPS1的主輸入，主電源2接UPS2的主輸入，兩臺UPS的旁路同時接到主電源1或者主電源2上（不同的站點可以不同）。 兩臺UPS同時輸出到各個負荷側(cè)的STS開關(guān)，通過設(shè)置STS開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)大約各帶一半負載。這樣能確保兩路電源上的負載量基本均分，當(dāng)兩臺UPS都運行于旁路狀態(tài)時，相位仍然同步，STS轉(zhuǎn)換不受影響。

UPS1和UPS2同時為電池組充電，充電電流各占50%。為了日后維修和保養(yǎng)方便，每臺UPS和每組電池都裝有自己的連接開關(guān)。

2． UPS故障運行方式

a. UPS2故障，則通過STS將所有的負載切換到UPS1，然后維修UPS2，修復(fù)后再恢復(fù)原帶載運行方式；
b. UPS1故障，則通過STS將所有的負載切換到UPS2，然后維修UPS1，修復(fù)后再恢復(fù)原帶載運行方式；
c. 兩臺UPS都故障，則通過兩臺UPS的靜態(tài)旁路供電給負載。此時，可以將兩臺UPS打到維修旁路或者輪流關(guān)閉進行維修，修復(fù)后再轉(zhuǎn)為原帶載運行方式。

3． 電池組故障運行方式

電池組分為3—6組并聯(lián)，若發(fā)現(xiàn)電池故障或者報警，維修人員切除故障的電池分組，進行維修維護工作，修復(fù)后再將電池分組重新投入運行。

4． 失去1路主電源運行方式

a. UPS2主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負載切到UPS1；
b. UPS1主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負載切到UPS2。

5． 失去2路主電源運行方式

此時兩臺UPS同時轉(zhuǎn)到電池組放電狀態(tài)，通過STS后共同分擔(dān)后面的負載。若此時任何1臺UPS故障，其后面的負載都會通過STS轉(zhuǎn)移到另外一臺UPS上去，電池組也會全部轉(zhuǎn)給正常的UPS使用，后備時間不受影響。

智能配電柜會結(jié)合各負荷的后備時間要求，按時切除相應(yīng)的負載。

6． 檢修運行方式

a.     檢修單臺UPS時，斷開一臺進行檢修，另一臺正常運行；
b.    檢修單組蓄電池時，斷開一組進行檢修，其它電池組正常運行；
c.       當(dāng)兩臺UPS同時檢修時，可將兩臺UPS打到維修旁路或者輪流關(guān)閉進行檢修。

六、方案特點分析

概括起來，該方案具有以下幾個特點:

1. UPS電源采用集中式配置，跟分散式配置相比，該方案更能綜合利用UPS和蓄電池資源，具有設(shè)備可靠性高、節(jié)省安裝空間、維修和管理方便等優(yōu)點，符合地鐵行業(yè)的的發(fā)展趨勢。
2. 輸入電源采用雙路同時分別供電，跟前端采用ATS切換裝置相比，該方案更節(jié)省投資，使雙路電源負載均分，并且避免了ATS的單點故障。
3．系統(tǒng)采用兩臺UPS雙母線架構(gòu)，跟單機和雙機并聯(lián)架構(gòu)相比，減少了單故障點，增強了可靠度。
4．采用雙機共享電池組方式，確保任何一臺UPS故障時，系統(tǒng)總的后備時間不受影響，并且同時具備了以下優(yōu)點：

a．節(jié)省購買電池的資金投資，相應(yīng)的搬運、安裝等投資也跟著減少。
b. 節(jié)省安裝空間投資,相應(yīng)的裝修費、空調(diào)配置等投資也跟著減少。
c. 節(jié)省承重方面的投資。
d. 節(jié)省電耗、維護保養(yǎng)等運營成本方面的投資，更加環(huán)保。
e. 系統(tǒng)擴容比較方便,主機和電池組的擴容可以分別進行，非常安全、方便，可以靈活利用資金。
f. 發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率。對于傳統(tǒng)的電池配置方案，由于電池數(shù)量較多，停電后電池會小電流放電，電池容量可能還沒有放掉多少，市電就已經(jīng)恢復(fù)。這種小電流的淺度放電對電池是沒有好處的，久而久之電池性能就會下降，一旦某臺UPS壞掉，其它UPS電池的后備時間就會達不到要求。而對于共享電池組方案，由于電池數(shù)量相對較少，停電后電池的放電電流就會比較大，電池容量也可以放的比較多，這樣有利于提高電池的活性，延長電池壽命。一旦某臺UPS壞掉，系統(tǒng)的后備時間也不會受到影響，因為電池不會跟著UPS失效而失效。

5．根據(jù)負載重要程度，采用分時供電方式，合理分配資源，實現(xiàn)效益最大化。

6．采用臺達NT系列UPS，該產(chǎn)品更能符合軌道交通方案需求，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)異、廠家服務(wù)周到。同時采用冗余的通訊線代替LBS,節(jié)省了投資，提高了效率，增加了系統(tǒng)可靠度。

七、公司、產(chǎn)品及服務(wù)介紹

    臺達電子工業(yè)股份有限公司(DELTA ELECTRONICS. INC) 在電力電子工業(yè)領(lǐng)域排名世界第一，每月生產(chǎn)超過一百萬臺轉(zhuǎn)換電源供應(yīng)器，為全球最大的制造商。臺達電子在品質(zhì)管制、可靠度的控制及維修服務(wù)方面的杰出表現(xiàn)，已被廣泛的認可。每年均收到如 HP、IBM、 NEC、GE…等主要客戶的獎賞。同時，設(shè)于世界各地的工廠均通過ISO-9000 認證。其研發(fā)和生產(chǎn)的UPS電源銷往世界各地。

中達電通股份有限公司是臺達集團在中國大陸地區(qū)的控股子公司，成立于 1992 年，總部設(shè)在上海浦東。主要為中國最具成長潛力的通信、交通、金融、工廠及其它自動化市場提供安全可靠、方便周到的一站式服務(wù)。其主要產(chǎn)品和服務(wù)包括動力系統(tǒng)、寬帶數(shù)據(jù)、機電自動化、視訊設(shè)備四個方面。本方案所涉及的UPS、蓄電池和配電柜是動力系統(tǒng)中的產(chǎn)品。

臺達NT系列UPS采用先進的IGBT高頻切換正弦脈寬調(diào)變技術(shù)設(shè)計，使UPS供電質(zhì)量好、效率高、熱損耗小、噪音低、體積小及壽命長；同時采用模組化設(shè)計可降低平均修護時間(MTTR)，使維護工作更簡便；藉由微處理器的數(shù)字化設(shè)計，簡化復(fù)雜的模擬線路及大量減少零件數(shù)目，使系統(tǒng)更為安全可靠。該產(chǎn)品還具有一些其它品牌所難以比擬的優(yōu)異特色，如：8臺并機無須并機卡、共享電池組、電池漏夜保護、內(nèi)存500筆信息數(shù)據(jù)、智能監(jiān)控，可規(guī)劃干接點等等。

    本方案所選用的中達電通蓄電池具有失水少、自放電小、密封安全、使用壽命長等優(yōu)點，是一款性價比很高的產(chǎn)品。

    中達電通智能配電柜是中達電通跟斯米克機電公司合作生產(chǎn)的，內(nèi)部組件采用施耐德或者ABB的高性能產(chǎn)品，整柜外形美觀，性能安全可靠。

    中達電通的分支機構(gòu)和服務(wù)網(wǎng)點多達一百多個，遍及全國各地，可為用戶提供方便快捷的售前、售中、售后服務(wù)。對國內(nèi)的用戶鄭重承諾：報修立刻響應(yīng), 30分鐘內(nèi)提供問題有效解決方案, 2～24小時趕赴現(xiàn)場(緊急情況下就近最快的交通工具抵達現(xiàn)場),故障現(xiàn)場4小時內(nèi)處理完畢。

八、總結(jié)

    臺達NT系列UPS在工廠、醫(yī)療、交通、通信、證券、金融等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。在軌道交通方面已安全運行于北京地鐵，上海地鐵9#線、6#線、8#線等，目前又已中標沈陽地鐵、南京地鐵等項目。此外在青藏線、京滬線等鐵路交通干線上也都有臺達NT系列UPS在正常運行，目前該UPS又已中標合寧線、京津線等鐵路項目。

    臺達NT系列UPS可以組成十多種安裝方案，其中多機共享電池組方案,在并聯(lián)、雙母線架構(gòu)下都可以采用。目前，在上海鐵路局調(diào)度控制中心有兩臺30KVA的UPS共享電池組在正常運行；在九江電信有兩臺320KVA的UPS共享電池組在正常運行；在山東省委機要局有兩臺40KVA的UPS共享電池組在正常運行；在山東電視臺有兩臺30KVA的UPS共享電池組在正常運行；在鷹潭電信有三臺40KVA的UPS共享電池組在正常運行等等，這些案例從來沒有因為共享電池組而發(fā)生過故障。在臺達的UPS生產(chǎn)線上也都是采用共享電池組方式測試并聯(lián)機器的。所以說臺達UPS在共享電池組方面的技術(shù)是相當(dāng)可靠的，經(jīng)驗非常豐富。

    選擇了臺達，就選擇了放心！臺達以雄厚的實力、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、可靠的方案、全面快捷的服務(wù)令各行業(yè)的用戶高枕無憂！