地鐵并機共用電池組優化方案

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、環境污染最小等優勢而成為備受青睞的一種交通方式。隨著我國經濟的不斷持續增長以及國家對交通事業的巨大投入，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展。 在地鐵工程建設各機電系統中(見圖1)，需要采用

圖1 機電系統主要組成

2 UPS供電系統發展趨勢

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負載提供應急供電;分散供電方式，就是根據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分別帶不同系統專業負載的分散供電設計方案，比如：分別為通信、信號、綜合監控、門禁等系統配置獨立的UPS電源供電。然而，經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供電系統典型的配置要求。

表2 地鐵UPS供電系統配置要求

由表2可知，不同系統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。根據不同系統對UPS供電的需要，采用工業級的PLC控制并執行分時、自動關斷操作，來達到對各系統“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，并根據不同分路負載的實際后備時間需求及實際功率靈活調整其后備的時間，控制分路配電設備中的負載交流切離元件，實現后備時間根據應用情況自由調整，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，達到最優化利用電能的目的，最大限度地發揮UPS系統的供電性能，還可有效的優化電池容量的配置、提高供電系統的可靠性、節省安裝空間。

3 臺達UPS電源系統優化方案介紹

為提高供電系統的可靠性，UPS電源系統采用的“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后備時間維持不變。

3.1 并機系統共用電池組原理

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，使系統的故障點減少，同時也減少了選購件投資;采用環路通訊電纜連接來傳遞實時信號，實現并機的“均流”控制，修正的分布式邏輯控制，使得并機系統中各臺UPS，均處于完全“平等”的調控狀態之中;采用獨特的同步相位調制法，每臺UPS能“智能”地將位于并機系統中的各臺UPS的同步跟蹤調整到最佳狀態(各臺之間的相位差幾乎為零)和實時動態地調節所帶的負載百分比，實現高精度的均流和負載均分。另外，臺達NT系列UPS內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”并機冗余系統不僅有高可靠性，同時擁有很高的可用性。

傳統的“1+1”并機冗余系統，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”并機冗余供電系統中有一臺UPS故障時，系統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，在一臺UPS故障時系統斷電后放電時間仍然維持不變。可實現在市電供電中斷或單臺UPS故障條件下，完全保障電源系統后備時間，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電源系統優化方案的優點

⑴ 共用電池組方案優點

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點如下：

① 在單臺UPS故障條件下，能完全保障電源系統后備時間;

② 不增加電池的投資，系統后備放電時間不變;

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 系統擴容更加方便;

⑥ 發揮電池的最大效能，提高電池利用率。

⑵ 提高系統可靠性

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帶來的故障點，大大提高了供電系統的可靠性。“1+1”并機冗余供電系統，在正常運行中容忍一臺UPS故障，仍然能保證供電系統持續為負載提供不間斷電源，使系統的可靠性得到大幅度的提升。

⑶ 增加系統安全性

相比原UPS單機，“1+1”并機系統中的兩臺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;當并機系統中的UPS有一臺發生故障，故障的UPS會迅速從并機系統中退出，保證負載的供電;設備維護時也可把任一臺機器脫離系統進行維護，方便安全快捷，增加了供電系統安全性。

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停機或跳轉旁路，對系統擴容和系統維護提供了不間斷的安全保障。

⑷ 提升系統可用性

可用性是衡量系y提供持續服務的能力。評估一個系統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，原單機MTBF為286083h，并機MTBF提高至596006h，MTTR為0.5h。可用性計算結果是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，若負載出現尖峰電流超過單臺UPS的過載電流時，UPS將會轉旁路或出現故障;在“1+1”并機系統時，只有超過負載額定容量2倍時才會影響UPS系統是否轉旁路，相對而言，系統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統一為專用通信系統、信號系統、ISCS、AFC、FAS、BAS、ACS系統提供電源，UPS采用2臺NT120kVA“1+1”并機共用電池組方案。UPS電源系統按一級負荷供電，兩路獨立的三相交流電源經交流切換箱(動照專業提供)后接入UPS，經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提供所需備用電源。UPS電源系統構架圖如圖4所示。

圖4 UPS電源系統構架圖

UPS電源系統優化方案應用案例參考附錄。

5 總結

隨著我國經濟的發展和城市化進程的推進，發展安全、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，除了必須具備高安全、高可靠外，還應該符合地鐵行業的特殊需求。然而，臺達電子集團具有電力電子行業40余年的設計、生產、制造經驗，公司一如既往的不斷提升產品品質，提升產品技術標準，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電源系統優化方案應用案例

⑴ 上海地鐵1號線人民廣場站安全門系統

GES-NT60K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優化方案

⑵ 上海地鐵1號線莘莊站安全門系統

GES-NT30K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優化方案

⑶ 杭州地鐵1號線專用通信電源系統：

GES-NT40K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優化方案

⑷ 成都地鐵1號線專用通信電源系統

GES-NT40K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優化方案

⑸ 成都地鐵2號線專用通信電源系統

GES-NT120K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優化方案

⑹ 沈陽地鐵2號線專用通信電源系統：

GES-NT80K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優化方案

⑺ 昆明地鐵6號線專用通信電源系統

GES-NT120K UPS 1+1并機系統，采用共用電池組優化方案■