別碧勇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

1.1 RAMS及在軌道交通領(lǐng)域的應用

RAMS是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可維護性(Maintainability)和安全性(Safely)的縮寫[1]。RAMS概念源于20世紀70年代,用于對大型復雜項目的管理,最早應用于核電、軍工、民航等領(lǐng)域,目前在國外軌道交通行業(yè)也取得了廣泛應用,在國內(nèi)北京地鐵4號線、上海地鐵10號線等已率先引入RAMS管理,國內(nèi)很多新建的軌道交通工程也準備采用RAMS進行安全性和可靠性管理。

英國標準協(xié)會(BSI)1999年頒布了EN 50126《鐵路應用——可靠性、可用性、維修性和安全性的規(guī)范和驗證》,成為歐洲各國軌道運營商和供貨商廣為采用的RAMS管理標準,也是目前軌道交通行業(yè)實施RAMS管理的基礎(chǔ)[2]。RAMS體系既適用于軌道交通工程整個項目,也適用于項目分解后的某個具體系統(tǒng),例如本文要展開研究的軌道交通UPS集中供電系統(tǒng)。

1.2 軌道交通UPS集中供電系統(tǒng)

軌道交通是大型復雜系統(tǒng)工程,其機電系統(tǒng)包括通信、信號、綜合監(jiān)控、自動售檢票、設備與環(huán)境監(jiān)控、火災報警等專業(yè)應用系統(tǒng)。早期這些機電系統(tǒng)不間斷電源(UPS)按照專業(yè)分散配置,各系統(tǒng)不論耗電量大小,均配置一套UPS電源設備,暴露出故障多、管理分散、電池使用壽命低、建設和維護成本高等諸多問題。隨著近些年大容量的UPS技術(shù)的快速發(fā)展,軌道交通建設逐漸采用對通信、信號、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)進行UPS集中供電方式,即采用UPS集中供電系統(tǒng)。上海地鐵7號線、北京地鐵9號線、天津地鐵2號線、蘇州地鐵1號線等項目目前已經(jīng)或正在實施UPS集中供電系統(tǒng)。

UPS集中供電系統(tǒng)主要由幾個部分組成：交流不間斷電源設備(UPS)、交流配電屏、高頻開關(guān)電源、蓄電池及電源監(jiān)控模塊。這個新誕生的系統(tǒng)也面臨以下問題：一方面UPS集中供電系統(tǒng)服務于眾多機電控制系統(tǒng),風險也集中了,對其安全性、可用性要求也就提高了；另一方面,該系統(tǒng)工程實施中涉及到的接口眾多,目前該產(chǎn)品市場成熟度還不高,很難由一家供貨商提供全套產(chǎn)品和服務,存在模塊選型匹配、接口協(xié)調(diào)等問題。

因此,非常有必要對該系統(tǒng)引入RAMS管理,對其可靠性、可用性、可維護性及安全性進行定性和定量分析,研究其方案設計、設備配置、運行管理等全生命周期中存在的風險因素及應對策略。

2 UPS集中供電系統(tǒng)的RAMS設計

2.1 UPS系統(tǒng)可用性和可靠性指標

可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力,通常用平均無故障工作時間 MTBF(Mean Time Between Failure)來衡量。根據(jù)UPS系統(tǒng)的基本需求,綜合考慮系統(tǒng)各設備的可靠性,以及軌道交通運營需求,系統(tǒng)整體可靠性指標MTBF應大于10萬h。

可用性是指在給定的瞬間或在給定的時間間隔內(nèi),處于某種狀態(tài)的產(chǎn)品在給定條件下執(zhí)行所要求功能的能力。通常用可用度來衡量?？捎枚?系統(tǒng)運行時間/(系統(tǒng)運行時間+系統(tǒng)停機時間)×100%。即可用度=MTBF/(MTBF+MTTR)×100%。提高系統(tǒng)可用性的基本方式就是延長MTBF,縮短MTTR。根據(jù)UPS系統(tǒng)的基本需求,屬于具有故障自動恢復能力的可用性,其可用性指標應達到99.9%。

2.2 UPS系統(tǒng)的可用性和可靠性設計

提高UPS系統(tǒng)可用性和可靠性可以從UPS系統(tǒng)運行保護方式、容量冗余配置、后備蓄電池及優(yōu)化、輸入輸出保障等方面入手。

(1)UPS運行保護方式

為確保系統(tǒng)供電可靠性,可采用UPS并機冗余的運行方式,實踐證明,隨著位于UPS冗余系統(tǒng)中的UPS單機的數(shù)量增加,整個UPS并機系統(tǒng)的可靠性是不斷下降的(表1)。軌道交通建議采用1+1并機冗余方案。

表1 并機系統(tǒng)可靠性比較

注：UPS單機MTBF取為1。

(2)UPS容量的冗余考慮

UPS容量根據(jù)負荷量計算確定,為增加系統(tǒng)的可靠性,同時延長UPS使用壽命,一般建議負荷量占UPS輸出功率的60%～70%為宜,同時要考慮UPS的輸出功率因數(shù)。一般計算公式如下

式中Se——UPS設計容量；

n——安全系數(shù),取1.2～1.5；

m——余量系數(shù),取1.15～1.2；

P——所有專業(yè)功率和；

Pi——第i個專業(yè)功率。

(3)后備蓄電池配置與優(yōu)化

后備蓄電池是UPS電源系統(tǒng)的重要組成部分,能將電能轉(zhuǎn)化成化學能存儲。正常情況下,供給負載的電源是外供交流電源經(jīng)UPS整流、逆變后輸出的220/380 V交流電源,同時給蓄電池充電；當外供交流電源故障時,蓄電池放電,將化學能轉(zhuǎn)化成電能。它是決定整個電源系統(tǒng)可用性的重要因素。

后備電池容量配置主要由負載大小、環(huán)境溫度、電池放電率等因素決定,具體計算方法如下

式中C——蓄電池容量；

IL——負載工作電流；

T——后備時間；

α——溫度系數(shù)；

t——工作溫度；

K——蓄電池放電效率,一般取值0.5～1,與放電時間有關(guān)。

其中,后備時間是關(guān)鍵參數(shù)。一般取值方法有3種：簡單的取最大值、算術(shù)平均值、加權(quán)平均計算法。加權(quán)平均計算法可以采用如下公式初步估算

T=(P1×T1+P2×T2+…+Pi×Ti)/

(P1+P2+…+Pi)

式中Pi——專業(yè)i的用電量；

Ti——專業(yè)i的后備時間。

以某軌道交通工程為例,根據(jù)表2的數(shù)據(jù),采用加權(quán)平均計算方法,得T=0.8 h,比簡單取最大值方法電池容量配置核減約60%。而后備蓄電池的造價占到整個電源系統(tǒng)成本的近一半,在滿足系統(tǒng)可用性要求情況下,節(jié)省了投資。

表2 普通車站各專業(yè)的用電需求

2.3 UPS系統(tǒng)的安全性分析

提高UPS系統(tǒng)安全性主要從潛在風險的過程控制上入手。

潛在風險包括方案設計上的缺陷、環(huán)境安全風險、設備安全風險、使用與管理不當?shù)确矫?。其?方案設計方面已在前述章節(jié)中詳細討論,這里從環(huán)境、設備自身、使用管理等方面分析潛在的風險及應對措施[3]。具體分析見表3。

表3 風險要素分析與控制措施

2.4 UPS系統(tǒng)的可維護性分析

提高UPS系統(tǒng)可維修性可以從設備功能、維修機構(gòu)設置和維修方案等層面入手。

(1)設備的可維修性

UPS設備配置上采用1+1并機冗余,另外內(nèi)置維修旁路,維護可以轉(zhuǎn)到維修旁路,單機的維修或擴容均不會對負載產(chǎn)生影響。

在監(jiān)控中心設置UPS電源集中監(jiān)控系統(tǒng),對在各個車站、停車場、車輛段、控制中心的UPS設備等進行遠端遙控、遙測、遙信和監(jiān)控。故障發(fā)生時,監(jiān)控中心應有可聞、可視告警信號(燈亮、鈴響),并對故障進行定位。UPS電源系統(tǒng)重要板卡的告警,在告警顯示上設置專門具體的提示,以便維護人員能迅速判定故障,進行處理。

建立專家數(shù)據(jù)庫：應在監(jiān)控系統(tǒng)軟件內(nèi)存貯各種可能的故障信息,并針對每一種故障給出多種維修和應急處理預案,還應具備自動處理功能,包括整流器和逆變器的開/關(guān)、轉(zhuǎn)旁路、將故障UPS從并機系統(tǒng)中隔離等。

(2)維修機構(gòu)設置

通常UPS系統(tǒng)不單獨設置維修車間,納入在綜合維修基地設置的通號車間或供電車間,下轄一個或多個維修工區(qū),按線路平均分布在鄰近車站上,負責所轄范圍各站UPS設備維護及日常巡檢。

(3)維修方式

UPS設備維護建議采用日常維護、定期檢修、巡檢等方式,即對涉及日常運行的UPS設備,實行預防維修方式,以現(xiàn)場檢修為主,車間檢修為輔。其中對蓄電池的巡檢與例行檢查是重要內(nèi)容之一,主要內(nèi)容見表4。

3 UPS系統(tǒng)RAMS實施建議

(1)制定UPS系統(tǒng)RAMS規(guī)劃

從項目開始制定系統(tǒng)RAMS規(guī)劃,貫穿生命周期,且關(guān)注過程控制。RAMS是過程控制的思維,其關(guān)注的焦點在過程而非結(jié)果,通過建立一套完整的體系對系統(tǒng)性能及效果進行規(guī)范,對實現(xiàn)的過程及方法做系統(tǒng)性的規(guī)定,同時強調(diào)項目全生命周期過程控制(圖1)[4]。

表4 維修檢測方式

圖1 系統(tǒng)安全生命周期流程

(2)RAMS實施需多方參與、分工協(xié)作

UPS系統(tǒng)的生命周期涉及到業(yè)主、設計單位、集成商、供貨商等多家單位,各方在不同階段對RAMS的管理有不同的責任和任務。要成功推行RAMS,各方必須互相配合、且對RAMS管理達成共識。

(3)經(jīng)濟性與安全性的平衡

RAMS管理中引入了目前英國鐵路安全管理中普遍應用的“低至合理可忍受程度原則”,即ALARP(As Low As Reasonable Practicable)原則,如圖2所示[5]。

圖2 ALARP原則示意

基于圖2,在城市軌道交通的安全管理中涉及到3類風險。

第1類：足夠大的風險(圖2中“不可接受區(qū)”)。這些風險是不允許的,不能以任何理由認為其是合理的。如果風險的等級不能降低至此界限以下,則不能進行此項目。

第2類：足夠小的風險(圖2中“廣闊的可接受區(qū)”)?？珊雎赃@些風險,即不需要采用任何方式或方法去減低它,當然必須將該區(qū)域的風險始終保持在該等級水平上。

第3類：介于第1、2類之間的風險(圖2中“ALARP”區(qū))。必須采取可行的、合理成本下的方法將其降到可以接受的最低程度；同時,必須對風險降低而花費的代價評估,在風險和代價之間進行平衡。例如UPS集中供電系統(tǒng)設計中,沒必要在后備蓄電池上盲目追加額外投資,因為這樣的投入與所獲得的改進不成比例。

4 結(jié)語

綜上所述,從UPS系統(tǒng)方案設計、設備配置選型、項目管理、運營維護等各方面,探討了UPS集中供電系統(tǒng)的RAMS引入方法、控制目標及實施細則。提到的各項措施如果在工程建設過程中予以落實,不僅能提高UPS系統(tǒng)的RAMS指標,而且結(jié)合工程經(jīng)驗初步估算,在滿足UPS系統(tǒng)可靠性、可用性、可維護性和安全性保障的前提下,可節(jié)省一次建設成本30%以上,降低運營成本10%以上(減少備品備件損耗和運營維護工作量),經(jīng)濟效益也相當可觀。

[1]EN50126—1999 Railway applications: the specification and demonstration of reliability,availability,maintainability and safety[S]. British Standards Institution, 1999.

[2]陳 蕾.城市軌道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市軌道交通,2007(5):4-5．

[3]崔建樂.地鐵通信電源系統(tǒng)的安全控制[J].都市快軌交通,2008(4):78-79．

[4]汪元輝.安全系統(tǒng)工程[M].天津：天津大學出版社,1999．

[5]陳 蕾.城市軌道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市軌道交通,2007(5):4-5．