王小峰

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，200235，上?！喂こ處?

近幾年，隨著電力電子技術(shù)、大容量電源系統(tǒng)和先進(jìn)控制技術(shù)在電力系統(tǒng)和通信領(lǐng)域中的成熟使用和不斷發(fā)展，為城市軌道交通工程中各弱電電源系統(tǒng)的整合提供了有利條件。城市軌道交通機(jī)電設(shè)備弱電系統(tǒng)各專業(yè)在自行配置UPS(不間斷電源)的情況下，出現(xiàn)了各種UPS 整合配置的方案。如，上海市軌道交通7號(hào)線工程、2號(hào)線東延伸工程，北京地鐵機(jī)場(chǎng)線、4號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線(一期)、大興線、亦莊線、房山線、昌平線，武漢4號(hào)線(一期)，深圳市軌道交通3號(hào)線，蘇州地鐵1號(hào)線等，對(duì)車站內(nèi)各弱電系統(tǒng)的電源不同程度地采取了UPS 整合設(shè)計(jì)。

但是，城市軌道交通車站UPS 整合方案是否可行并滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求?基于該疑問(wèn)，本文針對(duì)目前普遍采用的3 種典型UPS 整合方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入分析與比較，最后得出在車站不宜采用UPS 整合方案的結(jié)論，以供今后城市軌道交通UPS整合方案的決策和設(shè)計(jì)作參考。

1 負(fù)荷類型及分級(jí)

城市軌道交通用電設(shè)備主要包括:通信、信號(hào)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、門禁、站臺(tái)屏蔽門、變電所操作電源、應(yīng)急照明等。這些系統(tǒng)和設(shè)備負(fù)責(zé)地鐵的運(yùn)營(yíng)指揮、電力調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、信息傳遞和乘客導(dǎo)引等，均屬于一級(jí)負(fù)荷。其中，專用通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、變電所操作電源、應(yīng)急照明等為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，因此需要高可靠性的后備電源進(jìn)行不間斷供電，以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。根據(jù)上述要求，對(duì)城市軌道交通供電負(fù)荷的分級(jí)、分布及要求如表1所示。

2 UPS整合范圍分析

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:“一級(jí)負(fù)荷必須采用雙電源雙回路供電;一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，并嚴(yán)禁其他負(fù)荷接入”。因此，在城市軌道交通用電設(shè)備中只有自動(dòng)售檢票、乘客信息系統(tǒng)、門禁和站臺(tái)屏蔽門屬于一級(jí)負(fù)荷，具備UPS 電源整合的條件。由于站臺(tái)屏蔽門驅(qū)動(dòng)電機(jī)屬于電感性負(fù)載，其功率因數(shù)比較低，沖擊電流大，若采用UPS 整合系統(tǒng)供電，會(huì)明顯影響電壓穩(wěn)定、降低電源質(zhì)量，因此，宜單獨(dú)設(shè)置后備電源(實(shí)際工程中也是單獨(dú)設(shè)置)。最終，UPS 的整合范圍只有自動(dòng)售檢票、乘客信息系統(tǒng)、門禁等3 個(gè)系統(tǒng)。

表1 城市軌道交通供電負(fù)荷分級(jí)及分布要求

3 典型UPS整合方案的分析

目前，城市軌道交通采用的比較典型的UPS 整合方案主要有單機(jī)組UPS 整合、雙機(jī)組并機(jī)式UPS整合和雙機(jī)組冗余式UPS 整合等3 種方案。

3.1 單機(jī)組UPS整合方案

該方案各車站分別設(shè)置1 套UPS 電源裝置(含整流器、逆變器、隔離變壓器、蓄電池組)、智能控制單元及饋線智能配電柜。進(jìn)線處設(shè)置雙電源自切裝置(ATS)，饋出母線采用單母線，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 單機(jī)組UPS 整合方案

該方案的優(yōu)點(diǎn)是投資最省。缺點(diǎn)是:①即便被整合系統(tǒng)弱電機(jī)房與UPS 整合電源室集中貼鄰布置，對(duì)被整合的弱電系統(tǒng)而言，實(shí)際上是三電源單回路供電方式，不滿足規(guī)范對(duì)一級(jí)負(fù)荷采用雙電源雙回路供電的要求;② 存在“單點(diǎn)瓶頸”隱患，在UPS的輸出端或配電屏母線出現(xiàn)短路故障時(shí)，可能導(dǎo)致UPS 退運(yùn)，造成被整合系統(tǒng)失電;③ 維修期間的安全性得不到保障，當(dāng)UPS 故障或檢修停電而改由檢修旁路供電時(shí)，其供電質(zhì)量和供電可靠性會(huì)降低;④蓄電池定期活化等維護(hù)工作可能無(wú)法得到保障。

3.2 雙機(jī)組并機(jī)式UPS整合方案

該方案各車站分別設(shè)置2 套UPS 電源裝置(含整流器、逆變器、隔離變壓器、蓄電池組等)、智能控制單元及饋線智能配電柜。每套UPS 進(jìn)線處設(shè)置雙電源ATS，饋出母線采用雙母分?jǐn)嗉幽嘎?lián)開(kāi)關(guān)。正常工作時(shí)，2 套UPS 裝置并機(jī)運(yùn)行，平均分擔(dān)其負(fù)載電流，每臺(tái)UPS 單機(jī)容量能滿足系統(tǒng)總?cè)萘恳蟆Ｆ湎到y(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙機(jī)組并機(jī)式UPS 整合方案

該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以做到定期對(duì)UPS 維護(hù)和蓄電池活化。缺點(diǎn)是:①“單點(diǎn)瓶頸”隱患，在UPS的輸出端、配電屏母線、饋線電纜因故出現(xiàn)短路故障時(shí)，可能導(dǎo)致雙回路的斷路器同時(shí)跳閘，因而造成某個(gè)被整合弱電系統(tǒng)(甚至整個(gè)UPS 整合系統(tǒng))退出運(yùn)行;② UPS 并機(jī)系統(tǒng)的環(huán)流因故發(fā)生偶發(fā)性突然增大，尤其當(dāng)并機(jī)時(shí)若某臺(tái)UPS 存在隱含故障時(shí)，則在切入的瞬間很可能出現(xiàn)由于兩機(jī)不同步而產(chǎn)生的環(huán)流，當(dāng)環(huán)流足夠大時(shí)可能導(dǎo)致UPS逆變器損壞，造成UPS 中斷所有輸出。

3.3 雙機(jī)組冗余式UPS整合方案

各車站分別設(shè)置2 套UPS 電源裝置(含整流器、逆變器、隔離變壓器、蓄電池組等)、負(fù)載同步控制器、智能控制單元及饋線智能配電柜。進(jìn)線處設(shè)置雙電源ATS，饋出母線采用雙母分?jǐn)?，在各專業(yè)設(shè)備機(jī)房設(shè)置靜態(tài)開(kāi)關(guān)(STS)。正常工作時(shí)，2 套UPS 裝置冗余分列運(yùn)行，平均分擔(dān)其負(fù)載電流，每臺(tái)UPS 單機(jī)容量能滿足系統(tǒng)總?cè)萘恳?。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是:① 可以做到定期對(duì)UPS 維護(hù)和蓄電池活化;② 消除了UPS 輸出端“單點(diǎn)瓶頸”隱患;③ 系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流;④ 負(fù)載端STS 會(huì)在小于5 ms 的時(shí)間內(nèi)將備用電源饋送到所轄負(fù)載上，以確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。缺點(diǎn)是投資最大。

3.4 三種UPS整合方案的綜合比較

1)三種UPS 整合方案的設(shè)備配置和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表2、表3所示。

圖3 雙機(jī)組冗余式UPS 整合方案

表2 三種UPS 整合方案的設(shè)備配置

表3 三種UPS 整合方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

2)存在的問(wèn)題:①土建階段，受車站規(guī)模和形式多樣性的影響，當(dāng)出現(xiàn)被整合系統(tǒng)的設(shè)備用房遠(yuǎn)離UPS 電源設(shè)備室時(shí)，建議該系統(tǒng)不納入被整合范圍。因?yàn)楫?dāng)距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，UPS 整合電源室至被整合系統(tǒng)的設(shè)備房之間實(shí)質(zhì)上是三電源單回路供電方式或三電源雙回路供電方式，工程實(shí)際中一方面不可避免會(huì)出現(xiàn)饋線電纜的迂回，另一方面由于與其它管線可能共用橋架，不排除其它專業(yè)維護(hù)或故障導(dǎo)致共用橋架故障，使其供電質(zhì)量和可靠性勢(shì)必大打折扣。②實(shí)際工程中，UPS 整合電源室占地很大，而被整合系統(tǒng)的設(shè)備房面積減少有限(與傳統(tǒng)UPS 分散配置相比較甚至未減少)，不但不能實(shí)現(xiàn)節(jié)約土建面積的初衷，而且為解決UPS 整合電源室的散熱問(wèn)題需增設(shè)專門的通風(fēng)措施，徒增設(shè)備投資。③整合后單臺(tái)UPS 的容量是按實(shí)際需整合容量的1.2 倍配置，如果是冗余式或并機(jī)式配置，設(shè)備系統(tǒng)更龐大。除了與之匹配的成套UPS 裝置的整流/逆變裝置、隔離變壓器、ATS、蓄電池等設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)需全面提升外，后期還需對(duì)大容量蓄電池組進(jìn)行定期充放電，設(shè)備總投資和運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用按周期成本考慮是否會(huì)降低，還需要在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中加以求證。

4 與傳統(tǒng)UPS分散配置的對(duì)比

UPS 整合方案與傳統(tǒng)UPS 分散配置的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表4所示。

表4 UPS 整合方案與傳統(tǒng)UPS 分散配置的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)分析可得出如下結(jié)論:

1)有條件納入U(xiǎn)PS 整合系統(tǒng)的僅有自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)和門禁3 個(gè)系統(tǒng)。3 種UPS整合方案中以雙機(jī)組冗余式UPS 整合方案為最佳，單機(jī)組UPS 整合方案不滿足規(guī)范對(duì)一級(jí)負(fù)荷的供電要求，雙機(jī)組并機(jī)式UPS 整合方案和雙機(jī)組冗余式UPS 整合方案僅滿足規(guī)范對(duì)一級(jí)負(fù)荷供電的要求，而不滿足對(duì)一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的供電要求。

2)UPS 整合方案相對(duì)傳統(tǒng)UPS 分散配置方案的可靠性有所降低。

3)UPS 整合方案對(duì)土建的節(jié)約效果以及設(shè)備按周期成本考慮的總投資是否會(huì)降低，還有待實(shí)際工程的檢驗(yàn)。

綜上所述，現(xiàn)行的車站內(nèi)UPS 整合方案并不比傳統(tǒng)UPS 分散配置方案優(yōu)越，不值得推廣應(yīng)用。

［1］GB 50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50174—2008 電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］詹占崗，陳小林. 城市軌道交通弱電綜合連續(xù)不間斷電源(UPS)研究［J］.城市軌道交通研究，2013(7):102.

［4］周悅.集中式不間斷電源在城市軌道交通應(yīng)用中的關(guān)鍵因素及對(duì)策分析［J］.城市軌道交通研究，2013(8):44.