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   應用摘要

　　地鐵弱電系統應用在地鐵的車站、車輛段、停車場、控制中心等場所，包括通信、信號、綜合監控（電力監控PSCADA、環境與設備監控BAS、火災自動報警FAS、門禁ACS）、自動售檢票系統AFC、乘客信息系統PIS、屏蔽門、變電所直流操作、應急照明等部分，系統一般由計算機、網絡設備及自動化控制設備組成，用電為一級負荷，因此需要高可靠性的后備電源進行不間斷供電，以保證供電質量和供電連續性。屏蔽門驅動電機、變電所直流操作以及部分通信設備分別用到DC110V、DC220V和DC-48V電源，一般由專門的直流電源獨立供電。應急照明一般為交流感應式的負載，分布在整個車站范圍內，點多面廣，多采用EPS供電。剩余的通信、信號、電力監控、環境與設備監控、門禁、火災報警、自動售檢票、乘客信息、屏蔽門網絡控制等系統均為計算機和網絡設備等容性負載控制工程網版權所有，需要AC380/220V電源，最適合采用UPS系統進行供電。由于地鐵運營環境及其設備的特殊性，一般要求提供電源的UPS系統滿足下列要求： 1.可靠性強，能適應地下運行環境，以確保車站各弱電系統設備全天候、穩定、可靠地運行; 2.綠色環保，避免污染電 力環境及自然環境; 3.安全性高，保護全面，不易造成人為設備故障，不會威脅人身安全; 4.便于近、遠端管理，有標準的通訊接口及開放的通訊協議; 5.盡量采用集中式供電，綜合利用各種資源。目前，軌道交通UPS電源整合是一個發展趨勢，全國各地地鐵新建線路都在進行UPS整合工作，因為這樣更有利于資源的綜合利用，更有利于設備的專業化維護與管理，同時也有利于節省機房使用面積。

　　應用領域

　　交通地鐵

　　方案內容

　　根據地鐵應用環境對UPS系統的具體要求，我們選用由臺達NT系列UPS（12P）、中達電通DCF126系列蓄電池和中達電通智能配電柜組成的雙電源輸入、雙母線架構、共享電池組、負載分時供電的集中供電組合方案。

　　該方案的系統示意圖如下：

　　系統中的兩臺UPS容量相等，互為備份，彼此通過兩根相互冗余的通訊線相連，使它們的相位始終同步，確保后面的STS切換順暢。

　　該系統有下列特性符合地鐵應用環境的需求:

　　1.可靠性強，適應地下運行環境。如:UPS耐溫、濕度范圍寬，抗外界干擾能力強，輸入電源的電壓和頻率范圍寬，輸出電力品質高，全橋逆變加隔離變壓器對負載適應性強，內部重要線路冗余備份，容錯能力強，單機MTBF高達30萬小時等。而雙母線架構對負載又有了雙重保障。

　　2.UPS低諧波，高效率，低輻射，低噪音等特性體現了綠色環保、對電力環境及自然環境污染少的特性。

　　3.UPS符合CE、TUV、IEC等安全標準，具有過溫、過載、短路、誤操作、電池漏夜等保護功能，并且有近、遠端的緊急關機功能，安全可靠，不易造成人為設備故障和人身安全威脅。

　　4.UPS配備大型中/英文圖形化LCD顯示，以及RS232、RS485、20選6的智能干接點以及供選購的SNMP、MODBUS卡等，并有開放的通訊協議提供，便于近、遠端監控管理。對于本方案可將UPS監控納入綜合監控系統（ISCS），與綜合監控系統FEP接口控制工程網版權所有，實現對電源的統一監控管理。

　　5.本方案在每個站點配置一臺大功率的UPS集中供電，可使負載綜合利用電力資源。同時，共享電池組和分時供電的方式也是綜合利用資源的一個具體體現。

　　技術路線

　　UPS容量選擇

　　由UPS集中供電的負載情況表可知，車站、車輛段、停車場和控制中心的負載量依次為：126KVA、103KVA、74KVA和126KVA。這些負載都是電腦性的，輸入功率因數一般為0.7，小于UPS的輸出功率因數0.8，選擇UPS容量時應當按VA值來計算。為了確保UPS長期安全可靠地運行，負載量一般設定在UPS額定容量的60%～80%。所以車站、車輛段、停車場和控制中心應分別配置160KVA、160KVA、100KVA和160KVA的UPS，它們的負載量最大能達到單臺UPS的78%、64%、74%和78%，符合系統可靠性的要求。

　　電池配置計算

　　本方案采用UPS共享電池組方案，并且市電停掉后要分時供電給負載。以車站為例：有40KVA的負載后備2小時， 46KVA的負載后備1小時， 40KVA的負載后備0.5小時。

　　基于電池的放電特性，若采用分時間段（豎直分）計算法，結果會比實際的配置偏大;若采用分功率段（水平分）計算法，結果會比實際的配置偏小。這里采用分功率段（水平分）計算法計算，然后再將結果進行修正。計算過程如下：

　　P（W） 電池提供總功率 P（VA） 負載標稱容量（VA）

　　Pf 負載輸入功率因數 η UPS逆變轉換效率

　　Pnc 每只電池需要提供的功率 n UPS配置的電池數量

　　N 單顆電池的cell數

　　P（W）=｛P（VA）×Pf｝/η

    Pnc=P（W）/（n×N）

　　1.40KVA 2小時：

　　P（VA）=40KVA 負載輸入功率因數Pf ≈0.7

　　逆變器效率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）

　　根據中達電通電池的恒功率放電特性表可得出2小時放電時間，1.75V截止電壓下， DCF126-12/100型號的電池能提供68.4W的功率， 169.39/68.4=2.48組。

　　2.46KVA 1小時：

　　P（VA）=46KVA 負載輸入功率因數Pf ≈0.7

　　逆變器效率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）

　　根據中達電通電池的恒功率放電特性表可得出1小時放電時間，1.75V截止電壓下， DCF126-12

/100型號的電池能提供112.2W的功率，194.80/112.2=1.74組。

　　3.40KVA 0.5小時：

　　P（VA）=40KVA 負載輸入功率因數Pf ≈0.7

　　逆變器效率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）

　　根據中達電通電池的恒功率放電特性表可得出0.5小時放電時間，1.75V截止電壓下， DCF126-12/100型號的電池能提供181.3W的功率， 169.39/181.3=0.93組。

　　2.48+1.74+0.93=5.15（組）

　　由于這種計算方法得出的結果會比實際的配置略有偏小，所以取6組應當足以滿足負載的后備時間需求。

　　同樣可以計算出車輛段UPS系統需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池4組;停車場UPS系統需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池3組;控制中心UPS系統需配置中達電通DCF126 12/100型號的電池6組;

　　供電運行方式與邏輯關系

　　結合方案的系統示意圖可以了解系統的供電運行方式與邏輯關系。

　　1. 正常供電運行方式

　　兩路主電源為兩臺UPS供電，主電源1接UPS1的主輸入，主電源2接UPS2的主輸入，兩臺UPS的旁路同時接到主電源1或者主電源2上（不同的站點可以不同）。 兩臺UPS同時輸出到各個負荷側的STS開關，通過設置STS開關狀態，實現大約各帶一半負載。這樣能確保兩路電源上的負載量基本均分，當兩臺UPS都運行于旁路狀態時，相位仍然同步，STS轉換不受影響。

　　UPS1和UPS2同時為電池組充電，充電電流各占50%。為了日后維修和保養方便，每臺UPS和每組電池都裝有自己的連接開關。
　　2. UPS故障運行方式

　　a. UPS2故障，則通過STS將所有的負載切換到UPS1，然后維修UPS2，修復后再恢復原帶載運行方式;

　　b. UPS1故障，則通過STS將所有的負載切換到UPS2，然后維修UPS1，修復后再恢復原帶載運行方式;

　　c. 兩臺UPS都故障，則通過兩臺UPS的靜態旁路供電給負載。此時，可以將兩臺UPS打到維修旁路或者輪流關閉進行維修，修復后再轉為原帶載運行方式。

　　3. 電池組故障運行方式

　　電池組分為3—6組并聯，若發現電池故障或者報警，維修人員切除故障的電池分組，進行維修維護工作，修復后再將電池分組重新投入運行。

　　4. 失去1路主電源運行方式

　　a. UPS2主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負載切到UPS1;

　　b. UPS1主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負載切到UPS2。

　　5. 失去2路主電源運行方式

　　此時兩臺UPS同時轉到電池組放電狀態，通過STS后共同分擔后面的負載。若此時任何1臺UPS故障，其后面的負載都會通過STS轉移到另外一臺UPS上去，電池組也會全部轉給正常的UPS使用，后備時間不受影響。

　　智能配電柜會結合各負荷的后備時間要求，按時切除相應的負載。

　　6. 檢修運行方式

　　a. 檢修單臺UPS時，斷開一臺進行檢修，另一臺正常運行;

　　b. 檢修單組蓄電池時，斷開一組進行檢修，其它電池組正常運行;

　　c. 當兩臺UPS同時檢修時www.cechina.cn，可將兩臺UPS打到維修旁路或者輪流關閉進行檢修。

　　其他

　　方案特點分析

　　概括起來，該方案具有以下幾個特點:

　　1. UPS電源采用集中式配置，跟分散式配置相比，該方案更能綜合利用UPS和蓄電池資源，具有設備可靠性高、節省安裝空間、維修和管理方便等優點，符合地鐵行業的的發展趨勢。

　　2. 輸入電源采用雙路同時分別供電，跟前端采用ATS切換裝置相比，該方案更節省投資，使雙路電源負載均分，并且避免了ATS的單點故障。

　　3.系統采用兩臺UPS雙母線架構，跟單機和雙機并聯架構相比，減少了單故障點，增強了可靠度。

　　4.采用雙機共享電池組方式，確保任何一臺UPS故障時，系統總的后備時間不受影響，并且同時具備了以下優點：

　　a.節省購買電池的資金投資，相應的搬運、安裝等投資也跟著減少。

　　b. 節省安裝空間投資，相應的裝修費、空調配置等投資也跟著減少。

　　c. 節省承重方面的投資。

　　d. 節省電耗、維護保養等運營成本方面的投資，更加環保。

　　e. 系統擴容比較方便，主機和電池組的擴容可以分別進行，非常安全、方便，可以靈活利用資金。

　　f. 發揮電池的最大效能，提高電池利用率。對于傳統的電池配置方案，由于電池數量較多，停電后電池會小電流放電，電池容量可能還沒有放掉多少，市電就已經恢復。這種小電流的淺度放電對電池是沒有好處的，久而久之電池性能就會下降，一旦某 臺UPS壞掉，其它UPS電池的后備時間就會達不到要求。而對于共享電池組方案，由于電池數量相對較少，停電后電池的放電電流就會比較大，電池容量也可以放的比較多，這樣有利于提高電池的活性，延長電池壽命。一旦某臺UPS壞掉，系統的后備時間也不會受到影響，因為電池不會跟著UPS失效而失效。

　　5.根據負載重要程度，采用分時供電方式，合理分配資源，實現效益最大化。

　　6.采用臺達NT系列UPS，該產品更能符合軌道交通方案需求，產品品質優異、廠家服務周到。同時采用冗余的通訊線代替LBS，節省了投資，提高了效率，增加了系統可靠度。