劉沃鴻

（佛山市軌道交通發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528000）

在地鐵系統(tǒng)中，弱電設(shè)備種類繁多、系統(tǒng)龐大、重要程度高，一旦出現(xiàn)供電問題，將會造成較為嚴(yán)重的行車及客運(yùn)影響，因此供電系統(tǒng)的可靠性尤為重要[1]。為了保證供電的可靠性，地鐵中大部分弱電系統(tǒng)均會配備不間斷電源UPS，如通信、信號、綜合監(jiān)控、門禁、站臺門系統(tǒng)等。不間斷電源UPS的布置方式主要分為集中式和分布式，其中分布式應(yīng)用較為廣泛，如廣佛線和佛山地鐵2號線。與此同時，集中式UPS在地鐵領(lǐng)域的運(yùn)用越來越受到重視，廣州地鐵、上海地鐵、深圳地鐵和北京地鐵等均進(jìn)行了集中式UPS的應(yīng)用實(shí)踐。文章通過對比分析分布式與集中式UPS的各項(xiàng)性能、成本，提出優(yōu)化建議。

1 不間斷電源UPS的兩種布置方式

1.1 分布式UPS布置方式

目前，大多數(shù)地鐵中各個弱電系統(tǒng)配置的UPS仍是使用分布式。分布式UPS的特點(diǎn)是安裝在被供電設(shè)備旁邊，與被供電設(shè)備設(shè)置在同一間設(shè)備房中，當(dāng)其中一個系統(tǒng)的UPS出現(xiàn)故障時不會影響其他系統(tǒng)的UPS正常工作。其供電系統(tǒng)原理是從車站降壓變電所0.4kV的Ⅰ、Ⅱ段母線分別饋出一路電源，經(jīng)雙電源切換箱切換后，再通過UPS給相關(guān)設(shè)備供電[2]。分布式UPS設(shè)置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 分布式UPS設(shè)置結(jié)構(gòu)框圖

1.2 集中式UPS布置方式

集中式UPS主要是對部分弱電系統(tǒng)的UPS裝置進(jìn)行硬件整合和集中布置，其供電系統(tǒng)原理為車站降壓變電所0.4kV兩段母線分別引進(jìn)一路AC380V電源，經(jīng)過雙電源切換裝置后，通過集中式UPS電源系統(tǒng)向通信、信號和FAS等各個弱電系統(tǒng)負(fù)載設(shè)備供電。集中式UPS設(shè)置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 集中式UPS設(shè)置結(jié)構(gòu)框圖

2 集中式UPS與分布式UPS應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)劣對比

2.1 集中式UPS和分布式UPS應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，地鐵中的主流仍然是分布式UPS，包括廣佛線和佛山地鐵2號線。但集中式UPS也已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用和實(shí)踐，如國內(nèi)線路較多的北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵和深圳地鐵，均有應(yīng)用集中式UPS的線路，具體如表1所示。分布式UPS和集中式UPS應(yīng)用占比分布圖如圖3所示。

表1 應(yīng)用集中式UPS的線路

2.2 集中式UPS和分布式UPS優(yōu)劣分析

（1）容量使用率。分布式：各個系統(tǒng)設(shè)備獨(dú)立計(jì)算容量需求，設(shè)計(jì)較為保守，冗余量考慮較多，導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載率相應(yīng)較低。集中式：有利于統(tǒng)籌考慮各個設(shè)備系統(tǒng)的容量需求，進(jìn)行容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高實(shí)際負(fù)載率[3]。以北京地鐵10號線一期為例，容量、功耗和使用效率的對比情況如圖4、圖5所示。

圖3 分布式UPS和集中式UPS占比

圖4 容量和功耗對比圖表

圖5 UPS效率對比表

（2）維護(hù)管理及維護(hù)成本。分布式：不利于維護(hù)管理。各個弱電系統(tǒng)UPS裝置的型號、規(guī)格、備品備件的種類復(fù)雜，需耗費(fèi)大量的人力和物資成本進(jìn)行運(yùn)營維護(hù)。集中式：利于維護(hù)管理。系統(tǒng)集中監(jiān)控、集中維護(hù)保養(yǎng)，設(shè)備型號規(guī)格單一，便于采購和減少備件庫存。以北京地鐵10號線一期為例，其工程通信系統(tǒng)中的民用通信、專用通信、公安通信納入集中式UPS，與其他地鐵項(xiàng)目的分布式UPS的維護(hù)成本對比如表2所示[4]。

表2 分布式UPS與集中式UPS維護(hù)成本對比表

（3）設(shè)備成本。根據(jù)各個地鐵需求和整合范圍差異，分布式UPS和集中式UPS在建設(shè)成本存在較少差異，以廣州地鐵4號線弱電系統(tǒng)共156.3kVA為參照，采用集中式UPS方案后設(shè)備造價比分布式方案高4%[1]。但北京地鐵10號線一期和濟(jì)南軌道交通R1線則相反，建設(shè)成本情況如圖6、圖7所示[4-5]。其他分析如表3和圖8所示[6-7]。

圖6 北京地鐵10號線設(shè)備成本對比圖

圖7 濟(jì)南軌道交通R1線設(shè)備成本對比圖

圖8 分布式UPS和集中式UPS技術(shù)對比

3 集中式UPS整合對象和整合優(yōu)化建議

集中式UPS和分布式UPS各有優(yōu)劣，只有根據(jù)實(shí)際情況，對適合整合的系統(tǒng)采取集中式UPS供電模式，對有獨(dú)特需求的系統(tǒng)采取分布式UPS供電模式才更符合未來地鐵設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)際需求。以下重點(diǎn)對集中式UPS整合對象進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化建議。

3.1 集中式UPS整合對象

地鐵集中式UPS系統(tǒng)的負(fù)載主要采用交流供電，直流電負(fù)載并不宜納入集中供電系統(tǒng)，距離集中電源室較遠(yuǎn)的設(shè)備系統(tǒng)也不宜納入其中[8]。不適合納入集中式UPS的系統(tǒng)及原因如表4所示，可納入集中式UPS系統(tǒng)的負(fù)荷等級和位置如表5所示。廣州地鐵、上海地鐵、北京地鐵、深圳地鐵、哈爾濱地鐵和濟(jì)南地鐵各系統(tǒng)被整合概率如圖9所示。

表3 分布式UPS和集中式UPS分析

表4 不適合納入集中式UPS的系統(tǒng)及原因分析

表5 整合系統(tǒng)負(fù)荷等級和位置

圖9 各弱電系統(tǒng)被整合概率

從圖9可以看出，除了信號系統(tǒng)（保證列車運(yùn)行安全、監(jiān)控列車運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)），其余系統(tǒng)被整合率均高達(dá)66%以上。

綜上所述，對于整合范圍可以得到以下三個方案，如表6所示。

表6 整合方案

3.2 集中式UPS整合方式

地鐵集中式UPS一般會采用冗余備份的供電方式。冗余配置方案主要包括串聯(lián)冗余方式、“1+1”并聯(lián)冗余方式、“N+X”并聯(lián)冗余方式和冗余式雙總線方式。各方式原理圖和特點(diǎn)如圖10、表7所示。供電方式對比圖如圖11所示。

圖10 各方式原理圖

經(jīng)對比分析可知，串聯(lián)冗余式依賴主UPS靜態(tài)旁路的工作狀況，效率最低；“1+1”并聯(lián)冗余的可靠性和成本適合大部分的整合方案，也是應(yīng)用范圍最廣的一種；“N+X”并聯(lián)冗余中間環(huán)節(jié)較多，可靠性和經(jīng)濟(jì)性不如“1+1”并聯(lián)冗余；而冗余式雙總線適合一些可靠性要求高的場合。

3.3 整合優(yōu)化建議

綜上所述，暫不建議采用串聯(lián)冗余式和“N+X”并聯(lián)冗余式兩種方案。對于不同的整合方案，建議采取以下的整合方式：

表7 各方式介紹表

圖11 供電方式對比圖

對于整合方案一和方案二，由于把信號系統(tǒng)排除在了整合范圍之外，在保持集中式UPS系統(tǒng)較高的可靠性的前提下，建議其余被整合的弱電系統(tǒng)設(shè)備房與集中式UPS電源系統(tǒng)緊鄰布置，通過房間布局提高供電可靠性；再綜合成本考慮，建議采用“1+1”并聯(lián)冗余的配置方案。方案一和方案二的區(qū)別是配置UPS容量的大小。

對于整合方案三，由于把信號系統(tǒng)也納入整合范圍以內(nèi)，這使得整個集中式UPS系統(tǒng)的可靠性要求也更高。為了使整合信號系統(tǒng)后的供電可靠性得到保障，建議采用4種配置方式中可靠性最高的冗余式雙總線的配置方案。此方案增加了LBS和STS的投資，一般占總動力投資的25%左右[9]。

已經(jīng)確定使用分布式UPS供電模式的佛山地鐵二號線，由于部分設(shè)備房建筑位置無法更改，采用了UPS整合改造后所需設(shè)備房建筑面積卻有所增加，需重新優(yōu)化布局。故不建議盲目在后期對各個弱電系統(tǒng)進(jìn)行整合。

4 總結(jié)

通過以上的對比分析及優(yōu)化建議，可以得出以下結(jié)論：

（1）分布式UPS在線纜的可靠性、建設(shè)投入、后備時間控制和風(fēng)險分散等方面有著明顯優(yōu)勢，但存在重復(fù)配置、利用率低、品牌多樣和維護(hù)成本高等問題。

（2）集中式UPS的備件、維護(hù)和監(jiān)控高度統(tǒng)一集中，工作效率和功耗等方面有著較為明顯的優(yōu)勢，但其故障影響范圍廣、可靠性及技術(shù)水平要求較高。

（3）對于已經(jīng)確定采用分布式UPS的佛山地鐵二號線，不建議盲目整合。

（4）對于佛山地鐵三號線及后續(xù)線路，應(yīng)綜合考慮建設(shè)成本、運(yùn)營維護(hù)成本和供電可靠性等，可考慮使用集中式UPS方案。

（5）對于把信號系統(tǒng)納入高度整合的方案，應(yīng)重視冗余式雙總線的供電方式，以保證其可靠性和維修便利性。