台达UPS地铁弱电系统解决方案

应 用 摘 要

　　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，因此需要高可靠性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容性负载，需要AC380/220V电源，最适合采用UPS系统进行供电。由于地铁运营环境及其设备的特殊性，一般要求提供电源的UPS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。
   　　应 用 领 域

　　交通
   　　地铁
   　　方 案 内 容
   　　根据地铁应用环境对UPS系统的具体要求，我们选用由台达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。
   　　该方案的系统示意图如下：
   
   　　系统中的两台UPS容量相等，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、湿度范围宽，抗外界干扰能力强，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低谐波，高效率，低辐射，低噪音等特性体现了绿色环保、对电力环境及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、电池漏夜等保护功能，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），与综合监控系统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。
   　　技 术 路 线
   　　UPS容量选择
   　　由UPS集中供电的负载情况表可知，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。这些负载都是电脑性的，输入功率因数一般为0.7，小于UPS的输出功率因数0.8，选择UPS容量时应当按VA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。
   　　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2小时， 46KVA的负载后备1小时， 40KVA的负载后备0.5小时。
   　　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，然后再将结果进行修正。计算过程如下：
   　　P（W） 电池提供总功率 P（VA） 负载标称容量（VA）
   　　Pf 负载输入功率因数 η UPS逆变转换效率
   　　Pnc 每只电池需要提供的功率 n UPS配置的电池数量
   　　N 单颗电池的cell数
   　　P（W）=｛P（VA）×Pf｝/η
   　　Pnc=P（W）/（n×N）
   　　1.40KVA 2小时：
   　　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2小时放电时间，1.75V截止电压下， DCF126-12/100型号的电池能提供68.4W的功率， 169.39/68.4=2.48组.
   　　2.46KVA 1小时：
   　　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1小时放电时间，1.75V截止电压下， DCF126-12/100型号的电池能提供112.2W的功率，194.80/112.2=1.74组.
   　　3.40KVA 0.5小时：
   　　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0.5小时放电时间，1.75V截止电压下， DCF126-12/100型号的电池能提供181.3W的功率， 169.39/181.3=0.93组.
   　　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;
   　　供电运行方式与逻辑关系
   　　结合方案的系统示意图可以了解系统的供电运行方式与逻辑关系。
   　　1. 正常供电运行方式
   　　两路主电源为两台UPS供电，主电源1接UPS1的主输入，主电源2接UPS2的主输入，两台UPS的旁路同时接到主电源1或者主电源2上（不同的站点可以不同）。 两台UPS同时输出到各个负荷侧的STS开关，通过设置STS开关状态，实现大约各带一半负载。这样能确保两路电源上的负载量基本均分，当两台UPS都运行于旁路状态时，相位仍然同步，STS转换不受影响。
   　　UPS1和UPS2同时为电池组充电，充电电流各占50%。为了日后维修和保养方便，每台UPS和每组电池都装有自己的连接开关。
   　　2. UPS故障运行方式
   　　a. UPS2故障，则通过STS将所有的负载切换到UPS1，然后维修UPS2，修复后再恢复原带载运行方式;
   　　b. UPS1故障，则通过STS将所有的负载切换到UPS2，然后维修UPS1，修复后再恢复原带载运行方式;
   　　c. 两台UPS都故障，则通过两台UPS的静态旁路供电给负载。此时，可以将两台UPS打到维修旁路或者轮流关闭进行维修，修复后再转为原带载运行方式。
   　　3. 电池组故障运行方式
   　　电池组分为3—6组并联，若发现电池故障或者报警，维修人员切除故障的电池分组，进行维修维护工作，修复后再将电池分组重新投入运行。
   　　4. 失去1路主电源运行方式
   　　a. UPS2主电源失电，则UPS2停止输出，通过STS将所有负载切到UPS1;
   　　b. UPS1主电源失电，则UPS2停止输出，通过STS将所有负载切到UPS2。
   　　5. 失去2路主电源运行方式
   　　此时两台UPS同时转到电池组放电状态，通过STS后共同分担后面的负载。若此时任何1台UPS故障，其后面的负载都会通过STS转移到另外一台UPS上去，电池组也会全部转给正常的UPS使用，后备时间不受影响。
   　　智能配电柜会结合各负荷的后备时间要求，按时切除相应的负载。
   　　6. 检修运行方式
   　　a. 检修单台UPS时，断开一台进行检修，另一台正常运行;
   　　b. 检修单组蓄电池时，断开一组进行检修，其它电池组正常运行;
   　　c. 当两台UPS同时检修时，可将两台UPS打到维修旁路或者轮流关闭进行检修。
   　　其 他
   　　方案特点分析
   　　概括起来，该方案具有以下几个特点:
   　　1. UPS电源采用集中式配置，跟分散式配置相比，该方案更能综合利用UPS和蓄电池资源，具有设备可靠性高、节省安装空间、维修和管理方便等优点，符合地铁行业的的发展趋势。
   　　2. 输入电源采用双路同时分别供电，跟前端采用ATS切换装置相比，该方案更节省投资，使双路电源负载均分，并且避免了ATS的单点故障。
   　　3.系统采用两台UPS双母线架构，跟单机和双机并联架构相比，减少了单故障点，增强了可靠度。
   　　4.采用双机共享电池组方式，确保任何一台UPS故障时，系统总的后备时间不受影响，并且同时具备了以下优点：
   　　a.节省购买电池的资金投资，相应的搬运、安装等投资也跟着减少。
   　　b. 节省安装空间投资，相应的装修费、空调配置等投资也跟着减少。
   　　c. 节省承重方面的投资。
   　　d. 节省电耗、维护保养等运营成本方面的投资，更加环保。
   　　e. 系统扩容比较方便，主机和电池组的扩容可以分别进行，非常安全、方便，可以灵活利用资金。
   　　f. 发挥电池的最大效能，提高电池利用率。对于传统的电池配置方案，由于电池数量较多，停电后电池会小电流放电，电池容量可能还没有放掉多少，市电就已经恢复。这种小电流的浅度放电对电池是没有好处的，久而久之电池性能就会下降，一旦某台UPS坏掉，其它UPS电池的后备时间就会达不到要求。而对于共享电池组方案，由于电池数量相对较少，停电后电池的放电电流就会比较大，电池容量也可以放的比较多，这样有利于提高电池的活性，延长电池寿命。一旦某台UPS坏掉，系统的后备时间也不会受到影响，因为电池不会跟着UPS失效而失效。
   　　5.根据负载重要程度，采用分时供电方式，合理分配资源，实现效益最大化。
   　　6.采用台达NT系列UPS，该产品更能符合轨道交通方案需求，产品品质优异、厂家服务周到。同时采用冗余的通讯线代替LBS，节省了投资，提高了效率，增加了系统可靠度。