摘要：地铁弱电系统由于其运营环境及设备的特殊性,对其提供电源保障的UPS的可靠性、安全性、可管理性等要求较高。文中介绍了UPS在地铁弱电系统中的应用,并提供了相应的解决方案。
　　
　　1 地铁弱电系统的电源需求
　　
　　地铁弱电系统应用在地铁的车站、车辆段、停车场、控制中心等场所,包括通信、信号、综合监控(电力监控PSCADA、环境与设备监控BAS、火灾自动报警FAS、门禁ACS)、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS、屏蔽门、变电所直流操作、应急照明等部分,系统一般由计算机、网络设备及自动化控制设备组成,用电为一级负荷,因此需要高可靠的后备电源进行不间断供电,以保证供电质量和供电连续性。
　　
　　屏蔽门驱动电机、变电所直流操作以及部分通信设备分别用到DC110V、DC220V和DC-48V电源,一般由专门的直流电源独立供电。应急照明一般为交流感应式的负载,分布在整个车站范围内,点多面广,多采用EPS供电。剩余的通信、信号、电力监控、环境与设备监控、门禁、火灾报警、自动售检票、乘客信息、屏蔽门网络控制等系统均为计算机和网络设备等负载,需要380/220V交流电源,适合采用UPS系统进行供电。
　　
　　由于地铁运营环境及其设备的特殊性,一般要求提供不间断电源的UPS供电系统满足下列要求:
　　
　　(1)可靠性强,能适应地下运行环境,以确保车站各弱电系统设备全天候、稳定、可靠地运行;
　　
　　(2)绿色环保,避免污染电力环境及自然环境;
　　
　　(3)安全性高,保护全面,不易造成人为设备故障,不会威胁人身安全;
　　
　　(4)便于近、远端管理,有标准的通讯接口及开放的通讯协议;
　　
　　(5)尽量采用集中式供电,综合利用各种资源。目前,轨道交通UPS电源整合是一个发展趋势,全国各地地铁新建线路都在进行UPS整合工作,因为这样更有利于资源的综合利用,更有利于设备的专业化维护与管理,同时也有利于节省机房使用面积。

　　
　　表1是某地铁线路弱电系统中适合UPS集中供电的负载情况,其在地铁行业中具有一定的代表性。
　　
　　2 系统方案选择
　　
　　根据地铁应用环境对UPS系统的具体要求,选用了由台达NT系列UPS(12P)、中达电通DCF126系列蓄电池和中达电通智能配电柜组成的双电源输入、双母线架构、共享电池组、负载分时供电的集中供电组合方案。

　　　　
　　该方案的供电系统如图1所示。
　　
　　系统中的两台UPS容量相同,互为备份,彼此通过两根相互冗余的通讯线相连,使它们的相位始终同步,确保后面的STS切换顺畅。
　　
　　该系统有下列特性符合地铁应用环境的需求:
　　
　　(1)可靠性强,适应地下运行环境。如:UPS耐温、耐湿范围宽,抗外界*能力强,输入电源的电压和频率范围宽,输出电力品质高,全桥逆变加隔离变压器对负载适应性强,内部重要线路冗余备份,容错能力强,单机MTBF高达30万小时等。而双母线架构对负载又有了双重保障。
　　
　　(2)UPS具备低谐波、高效率、低辐射、低噪音等特性,体现了绿色环保,以及对电力环境和自然环境污染少的特性。
　　
　　(3)UPS符合CE、TUV、IEC等安全标准,具有过温、过载、短路、误操作、电池漏液等保护功能,并且有近、远端的紧急关机功能,安全可靠,不易造成人为设备故障和人身安全威胁。
　　
　　(4)UPS配备大型中/英文图形化LCD显示,以及RS232、RS485、20选6的智能干接点以及供选购的SNMP、MODBUS卡等,并有开放的通讯协议提供,便于近、远端监控管理。对于本方案可将UPS监控纳入综合监控系统(ISCS)及其FEP接口,实现对电源的统一监控管理。
　　
　　(5)本方案在每个站点配置一台大功率的UPS集中供电,可使负载综合利用电力资源。同时,共享电池组和分时供电的方式也是综合利用资源的一个具体体现。
　　
　　3 UPS容量选择
　　
　　表1负载情况可知,车站、车辆段、停车场和控制中心的负载量依次为:126kVA、103kVA、74kVA和126kVA。这些负载输入功率因数一般为0.7,小于UPS的负载功率因数0.8,选择UPS容量时应当按上述容量值来计算。为了确保UPS长期安全可靠地运行,负载量一般设定在UPS额定容量的60%～80%。所以车站、车辆段、停车场和控制中心应分别配置160kVA、160kVA、100kVA和160kVA的UPS,它们的负载量最大能达到单台UPS的78%、64%、74%和78%,符合系统可靠性的要求。
　　
　　4 电池配置计算
　　
　　本方案采用UPS共享电池组方案,并且市电停掉后要分时供电给负载。以车站为例:有40kVA的负载后备2h,46kVA的负载后备1h,40kVA的负载后备0.5h。其负载-时间坐标图如图2所示。

　　
　　基于电池的放电特性,若采用分时间段(竖直分)计算法,结果会比实际的配置偏大;若采用分功率段(水平分)计算法,结果会比实际的配置偏小。这里采用分功率段(水平分)计算法计算,然后再将其结果进行修正。计算过程如下:
　　
　　设P(W)为电池提供总功率
　　
　　P(VA)为负载标称容量(VA)
　　
　　PF为负载输入功率因数
　　
　　η为UPS逆变转换效率
　　
　　Pnc为每只电池需要提供的功率
　　
　　n为UPS配置的电池数量
　　
　　N为每只电池的单体数
　　
　　则P(W)={P(VA)×PF}/η
　　
　　Pnc=P(W)/(n×N)
　　
　　(1)40kVA2h
　　
　　P(VA)=40kVA负载输入功率因数PF≈0.7;
　　
　　逆变器效率η=0.95;
　　
　　n=29;
　　
　　N=6。
　　
　　P(W)={P(VA)×PF}/η
　　
　　=(40000×0.7)/0.95
　　
　　=29473.68(W)
　　
　　Pnc=P(W)/(n×N)
　　
　　=29473.68/(29×6)
　　
　　=169.39(W)
　　
　　根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出2h放电时间,1.75V截止电压下,DCF126-12/100型号的电池能提供68.4W的功率,得出169.39/68.4=2.48组。
　　
　　(2)46kVA1h
　　
　　P(VA)=46kVA负载输入功率因数PF≈0.7;
　　
　　逆变器效率η=0.95;
　　
　　n=29;
　　
　　N=6；
　　
　　P(W)={P(VA)×PF}/η
　　
　　=(46000×0.7)/0.95
　　
　　=33894.74(W)
　　
　　Pnc=P(W)/(n×N)
　　
　　=33894.74/(29×6)
　　
　　=194.80(W)
　　
　　根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出1h放电时间,1.75V截止电压下,DCF126-12/100型号的电池能提供112.2W的功率,得出194.80/112.2=1.74组。
　　
　　(3)40kVA0.5h
　　
　　P(VA)=40kVA负载输入功率因数PF≈0.7;
　　
　　逆变器效率η=0.95;
　　
　　n=29;
　　
　　N=6。
　　
　　P(W)={P(VA)×PF}/η
　　
　　=(40000×0.7)/0.95
　　
　　=29473.68(W)
　　
　　Pnc=P(W)/(n×N)
　　
　　=29473.68/(29×6)
　　
　　=169.39(W)
　　
　　根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出0.5h放电时间,1.75V截止电压下,DCF126-12/100型号的电池能提供181.3W的功率,得出169.39/181.3=0.93组。
　　
　　电池组总计是
　　
　　2.48+1.74+0.93=5.15(组)
　　
　　由于这种计算方法得出的结果会比实际的配置略有偏小,所以取6组应当足以满足负载的后备时间需求。
　　
　　同样可以计算出车辆段UPS系统需配置中达电通DCF126-12/100型号的电池4组;停车场UPS系统需配置中达电通DCF126-12/100型号的电池3组;控制中心UPS系统需配置中达电通DCF126-12/100型号的电池6组。

（未完待续）
　　
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