中铁电气化局集团公司       王纪红
　　
　　摘要通过对城市轨道交通系统配套的常规不间断电源(UPS)及其弱电系统的分析,针对各种常规电源系统的缺点,提出了以直流220V电源为基础,进行集约化配置和管理的一体化电源解决方案。并与常规的弱电电源配置方案进行了比较,阐述一体化电源的构成和主要优点,并提出了一体化电源的设计要点。
　　
　　城市轨道交通弱电设备种类繁多、系统庞大,包括通信、信号、各类设备监控系统、自动售检票、屏蔽门、火灾自动报警、事故照明、变电所直流操作电源等系统。弱电系统负荷大部分是计算机类负载,同时还有少量采用直流48V或直流24V供电的设备。作为地铁这样一种大规模公共交通工具,其安全性显得尤为重要,对供电质量或供电可靠性要求很高,尤其在供电系统发生故障(失电)时,还需要配备应急后备供电电源,在一定时间内为这些系统设备提供应急用电。
　　
　　目前,轨道交通各弱电系统一般都按照专业不同分别设置独立的后备电源。对于计算机类负荷,一般是使用常规不间断电源(UPS)。220V交流电源经过UPS内部的整流滤波电路后,一方面给蓄电池充电,同时又给逆变器供电。一旦交流断电,则自动由蓄电池向逆变器供电,从而保证重要负载的不间断运行。UPS一般选择在线式运行方式,输出波形为标准正弦波,它具有接线简单、使用方便的优点,断电后能够保证设备安全、稳定、连续运行,并具有在一定程度上改善工作电压波形质量和抑制电网低频常态干扰的作用。
　　
　　对于直流操作电源、直流48V或24V直流供电设备,一般是单独配置一套直流操作电源和48V或24V直流电源,并配置独立的蓄电池组,来保证设备安全可靠地持续供电。
　　
　　上述方案的优点是:各专业独立配置后备电源,后备电源设备由各专业自行管理,针对性较强,可靠性也较好,可以避免单机故障造成其它弱电系统电源瘫痪。缺点是蓄电池数量多,安装分散,维护工作量大,运行费用高,不能统一管理,无法全面掌握弱电电源系统的工作状态,占用面积大,土建投资高,各系统独立运行,无法实现资源互补。为有效解决上述问题,本文提出了轨道交通一体化电源解决方案。
　　
　　1一体化电源的构成及特点
　　
　　所谓一体化电源,是将各专业相互独立的直流操作电源系统、交流不间断供电电源系统(UPS)、直流48V及24V电源经过整体规划后,进行统筹配置的一种电源构成及运行方式。一体化电源的特点是在保证各专业弱电电源系统可靠性的前提下,(1)大量减少了系统配套的蓄电池数量,避免蓄电池重复投资;(2)有效的减少整个弱电电源系统占用的空间,节省弱电电源系统的土建投资;(3)简化
　　
　　系统接线及维护工作量,节省人力投入,降低运行成本;(4)一体化电源系统配备智能化的监控装置,运行人员可以全面监控一体化电源运行状态,从而提高了运行的可靠性；(5)系统配备智能负载切换装置,有效的延长后备电源的后备时间。经过统一规划、集中监控,统筹配置后的一体化电源可以成为一个功能完善的独立后备电源系统(见图1)。

　　
　　从图1可以看出,直流220V电源是一体化电源中的核心部分。其主要功能是:①为车站变电所的操作电源供电;②对蓄电池组进行充电；③为专用型UPS提供直流供电；④为直流48V或直流24V直流变换器提供直流供电。
　　
　　目前,直流220V电源一般都采用高频开关整流模块方式,按照N+1备份的方式设计,各整流模块自动均流,所有模块共同分担负载电流,一旦个别模块失效,将自动退出运行,其他模块再平均分担负载电流。由于任意模块故障不会影响直流电源的正常运行,极大地提高了系统的可靠性。同时,整流模块一般都采用热插拔技术,更换模块十分方便,缩短了维护时间。
　　
　　蓄电池组一般采用阀控密封免维护蓄电池组,直流220V电源系统对蓄电池组的智能化管理和专业的维护人员,使蓄电池组的使用寿命大大增加;由于直流220V蓄电池组的容量一般较大,电压稳定,所以各类负载的后备供电时间也有可靠的保证。
　　
　　专用型不间断电源(UPS)是一体化电源的重要组成部分,一般采用在线式运行方式,正常情况下由交流电经整流、逆变双级变换后为各专业的设备供电,一旦交流电中断,立即改由直流220V蓄电池组经逆变后对设备提供不间断的交流电源。由于逆变器一直处于在线状态,所以电网中存在的电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变、电压跌落、持续过压或者欠压甚至电压中断等电网质量问题都可以得到彻底的解决,使计算机类设备安全稳定地运行。
　　
　　DC/DC直流变换器是一体化电源系统中的另外一个组成部分。针对车站或控制中心的一些48V或24V直流用电设备,采用直流变换器将直流220V电源变换为所需要的48V或24V电源。直流变换器一般也采用N+1备份的方式配置,任意模块故障不会影响正常供电。
　　
　　一体化电源属于集中式供电,电源系统的所有信息都可以通过电源系统上的监控器统一上传,以实现对一体化电源的集中管理。
　　
　　2一体化电源设计要点
　　
　　城市轨道交通中各种设备的用电要求和技术标准各不相同,一体化电源在设计时要充分考虑到各类用电设备的特点和要求。
　　
　　在设计一体化电源时,要注意以下几个方面事项。
　　
　　(1)城市轨道交通弱电设备的重要程度各不相同,其要求的后备时间也各不相同,所以在计算蓄电池容量时,应充分考虑不同负载和后备时间,配备足够容量的蓄电池组。
　　
　　(2)专用型UPS在正常工作时由交流电整流后逆变输出,故专用型UPS负荷为事故型负荷,而非直流220V电源的经常性负荷;直流变换器无论交流电正常与否,均需用直流220V电源,故直流变换器为直流220V电源的经常性负荷,在计算整流模块的数量时,应将直流变换器的负荷统计在内。
　　
　　(3)各级空气开关在设计时应考虑好上下级之间的级差配合,一般选择的级差配合应大于2级。
　　
　　(4)由于不同种类的用电负荷要求的后备时间各不相同,要求在监控器的控制下,各配电开关具有分级切载功能,即在交流电停电后,监控器可按照不同用电负荷的后备供电时间,自动依次切除各级负荷。
　　
　　(5)专用型UPS的输入端除从交流电源引入外还从直流220V电源引入,为消除UPS电源对直流电源的不良影响,一般要求在UPS的直流输入侧设置直流防反二极管和反灌杂音抑制器,确保UPS不影响直流母线的正常运行。
　　
　　综上所述,常规弱电电源存在维护工作量大、运行成本高、占地面积大等缺点。本文提出的一体化电源方案可以将城市轨道交通中的直流220V电源、交流220V电源(UPS)、直流48V电源或直流24V电源集中到一起,实现集中控制,统一进行集约化管理,减小了占地面积,降低了成本,节约了运行费用,消除了以往分散式设置供电电源的各种缺点,使资源的利用更加充分合理,管理更加科学方便,是一种较为理想的弱电电源系统供电解决方案。该方案已经在北京地铁首都机场线工程中得到应用。
　　
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