臺(tái)達(dá)UPS在地鐵弱電系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

作者：中達(dá)電通股份有限公司/張彥和

一、              地鐵弱電系統(tǒng)的電源需求

     地鐵弱電系統(tǒng)應(yīng)用在地鐵的車站、車輛段、停車場(chǎng)、控制中心等場(chǎng)所，包括通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控（電力監(jiān)控PSCADA、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控BAS、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警FAS、門禁ACS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)AFC、乘客信息系統(tǒng)PIS、屏蔽門、變電所直流操作、應(yīng)急照明等部分，系統(tǒng)一般由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及自動(dòng)化控制設(shè)備組成，用電為一級(jí)負(fù)荷，因此需要高可靠性的后備電源進(jìn)行不間斷供電，以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。

     屏蔽門驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變電所直流操作以及部分通信設(shè)備分別用到DC110V、DC220V和DC-48V電源，一般由專門的直流電源獨(dú)立供電。應(yīng)急照明一般為交流感應(yīng)式的負(fù)載，分布在整個(gè)車站范圍內(nèi)，點(diǎn)多面廣，多采用EPS供電。剩余的通信、信號(hào)、電力監(jiān)控、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、門禁、火災(zāi)報(bào)警、自動(dòng)售檢票、乘客信息、屏蔽門網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)均為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等容性負(fù)載，需要AC380/220V電源，最適合采用UPS系統(tǒng)進(jìn)行供電。

由于地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境及其設(shè)備的特殊性，一般要求提供電源的UPS系統(tǒng)滿足下列要求：

1．可靠性強(qiáng)，能適應(yīng)地下運(yùn)行環(huán)境，以確保車站各弱電系統(tǒng)設(shè)備全天候、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行；
2.綠色環(huán)保，避免污染電力環(huán)境及自然環(huán)境；
3．安全性高，保護(hù)全面，不易造成人為設(shè)備故障，不會(huì)威脅人身安全；
4．便于近、遠(yuǎn)端管理，有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口及開放的通訊協(xié)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(gè)發(fā)展趨勢(shì)，全國(guó)各地地鐵新建線路都在進(jìn)行UPS整合工作，因?yàn)檫@樣更有利于資源的綜合利用，更有利于設(shè)備的專業(yè)化維護(hù)與管理，同時(shí)也有利于節(jié)省機(jī)房使用面積。

     下表是某地鐵線路弱電系統(tǒng)中適合UPS集中供電的負(fù)載情況，它在地鐵行業(yè)中具有一定的代表性：

二、系統(tǒng)方案選擇

根據(jù)地鐵應(yīng)用環(huán)境對(duì)UPS系統(tǒng)的具體要求，我們選用由臺(tái)達(dá)NT系列UPS(12P)、中達(dá)電通DCF126系列蓄電池和中達(dá)電通智能配電柜組成的雙電源輸入、雙母線架構(gòu)、共享電池組、負(fù)載分時(shí)供電的集中供電組合方案。

該方案的系統(tǒng)示意圖如下：

系統(tǒng)中的兩臺(tái)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(tǒng)有下列特性符合地鐵應(yīng)用環(huán)境的需求:

1．可靠性強(qiáng)，適應(yīng)地下運(yùn)行環(huán)境。如:UPS耐溫、濕度范圍寬,抗外界干擾能力強(qiáng),輸入電源的電壓和頻率范圍寬,輸出電力品質(zhì)高,全橋逆變加隔離變壓器對(duì)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng),內(nèi)部重要線路冗余備份，容錯(cuò)能力強(qiáng),單機(jī)MTBF高達(dá)30萬小時(shí)等。而雙母線架構(gòu)對(duì)負(fù)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(xiàn)了綠色環(huán)保、對(duì)電力環(huán)境及自然環(huán)境污染少的特性。

3．UPS符合CE、TUV、IEC等安全標(biāo)準(zhǔn)，具有過溫、過載、短路、誤操作、電池漏夜等保護(hù)功能，并且有近、遠(yuǎn)端的緊急關(guān)機(jī)功能，安全可靠，不易造成人為設(shè)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(diǎn)以及供選購(gòu)的SNMP、MODBUS卡等，并有開放的通訊協(xié)議提供，便于近、遠(yuǎn)端監(jiān)控管理。對(duì)于本方案可將UPS監(jiān)控納入綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS），與綜合監(jiān)控系統(tǒng)FEP接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的統(tǒng)一監(jiān)控管理。

5．本方案在每個(gè)站點(diǎn)配置一臺(tái)大功率的UPS集中供電，可使負(fù)載綜合利用電力資源。同時(shí)，共享電池組和分時(shí)供電的方式也是綜合利用資源的一個(gè)具體體現(xiàn)。

三、UPS容量選擇

由UPS集中供電的負(fù)載情況表可知，車站、車輛段、停車場(chǎng)和控制中心的負(fù)載量依次為：126KVA、103KVA、74KVA和126KVA。這些負(fù)載都是電腦性的，輸入功率因數(shù)一般為0.7,小于UPS的輸出功率因數(shù)0.8，選擇UPS容量時(shí)應(yīng)當(dāng)按VA值來計(jì)算。為了確保UPS長(zhǎng)期安全可靠地運(yùn)行，負(fù)載量一般設(shè)定在UPS額定容量的60％～80％。所以車站、車輛段、停車場(chǎng)和控制中心應(yīng)分別配置160KVA、160KVA、100KVA和160KVA的UPS，它們的負(fù)載量最大能達(dá)到單臺(tái)UPS的78%、64%、74%和78%，符合系統(tǒng)可靠性的要求。

四、電池配置計(jì)算

本方案采用UPS共享電池組方案，并且市電停掉后要分時(shí)供電給負(fù)載。以車站為例：有40KVA的負(fù)載后備2小時(shí), 46KVA的負(fù)載后備1小時(shí), 40KVA的負(fù)載后備0.5小時(shí)。其負(fù)載-時(shí)間坐標(biāo)圖如下：

基于電池的放電特性，若采用分時(shí)間段（豎直分）計(jì)算法，結(jié)果會(huì)比實(shí)際的配置偏大；若采用分功率段（水平分）計(jì)算法，結(jié)果會(huì)比實(shí)際的配置偏小。這里采用分功率段（水平分）計(jì)算法計(jì)算，然后再將結(jié)果進(jìn)行修正。計(jì)算過程如下：

P（W）  電池提供總功率          P（VA）  負(fù)載標(biāo)稱容量（VA）
 Pf    負(fù)載輸入功率因數(shù)         η        UPS逆變轉(zhuǎn)換效率
 Pnc   每只電池需要提供的功率    n        UPS配置的電池?cái)?shù)量
 N     單顆電池的cell數(shù)
 P（W）={P（VA）×Pf}/η
 Pnc=P（W）/(n×N)

1．40KVA 2小時(shí)：
P（VA）=40KVA             負(fù)載輸入功率因數(shù)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(jù)中達(dá)電通電池的恒功率放電特性表可得出2小時(shí)放電時(shí)間,1.75V截止電壓下, DCF126-12/100型號(hào)的電池能提供68.4W的功率, 169.39/68.4=2.48組.

2．46KVA 1小時(shí)：

P（VA）=46KVA             負(fù)載輸入功率因數(shù)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(jù)中達(dá)電通電池的恒功率放電特性表可得出1小時(shí)放電時(shí)間,1.75V截止電壓下, DCF126-12/100型號(hào)的電池能提供112.2W的功率,194.80/112.2=1.74組.

3．40KVA 0.5小時(shí)：

P（VA）=40KVA             負(fù)載輸入功率因數(shù)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(jù)中達(dá)電通電池的恒功率放電特性表可得出0.5小時(shí)放電時(shí)間,1.75V截止電壓下, DCF126-12/100型號(hào)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(jì)算方法得出的結(jié)果會(huì)比實(shí)際的配置略有偏小，所以取6組應(yīng)當(dāng)足以滿足負(fù)載的后備時(shí)間需求。

    同樣可以計(jì)算出車輛段UPS系統(tǒng)需配置中達(dá)電通DCF126 12/100型號(hào)的電池4組；停車場(chǎng)UPS系統(tǒng)需配置中達(dá)電通DCF126 12/100型號(hào)的電池3組；控制中心UPS系統(tǒng)需配置中達(dá)電通DCF126 12/100型號(hào)的電池6組；

五、供電運(yùn)行方式與邏輯關(guān)系

    結(jié)合方案的系統(tǒng)示意圖可以了解系統(tǒng)的供電運(yùn)行方式與邏輯關(guān)系。

1． 正常供電運(yùn)行方式

兩路主電源為兩臺(tái)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(tái)UPS的旁路同時(shí)接到主電源1或者主電源2上（不同的站點(diǎn)可以不同）。 兩臺(tái)UPS同時(shí)輸出到各個(gè)負(fù)荷側(cè)的STS開關(guān)，通過設(shè)置STS開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)大約各帶一半負(fù)載。這樣能確保兩路電源上的負(fù)載量基本均分，當(dāng)兩臺(tái)UPS都運(yùn)行于旁路狀態(tài)時(shí)，相位仍然同步，STS轉(zhuǎn)換不受影響。

UPS1和UPS2同時(shí)為電池組充電，充電電流各占50%。為了日后維修和保養(yǎng)方便，每臺(tái)UPS和每組電池都裝有自己的連接開關(guān)。

2． UPS故障運(yùn)行方式

a. UPS2故障，則通過STS將所有的負(fù)載切換到UPS1，然后維修UPS2，修復(fù)后再恢復(fù)原帶載運(yùn)行方式；
b. UPS1故障，則通過STS將所有的負(fù)載切換到UPS2，然后維修UPS1，修復(fù)后再恢復(fù)原帶載運(yùn)行方式；
c. 兩臺(tái)UPS都故障，則通過兩臺(tái)UPS的靜態(tài)旁路供電給負(fù)載。此時(shí)，可以將兩臺(tái)UPS打到維修旁路或者輪流關(guān)閉進(jìn)行維修，修復(fù)后再轉(zhuǎn)為原帶載運(yùn)行方式。

3． 電池組故障運(yùn)行方式

電池組分為3—6組并聯(lián)，若發(fā)現(xiàn)電池故障或者報(bào)警，維修人員切除故障的電池分組，進(jìn)行維修維護(hù)工作，修復(fù)后再將電池分組重新投入運(yùn)行。

4． 失去1路主電源運(yùn)行方式

a. UPS2主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負(fù)載切到UPS1；
b. UPS1主電源失電，則UPS2停止輸出，通過STS將所有負(fù)載切到UPS2。

5． 失去2路主電源運(yùn)行方式

此時(shí)兩臺(tái)UPS同時(shí)轉(zhuǎn)到電池組放電狀態(tài)，通過STS后共同分擔(dān)后面的負(fù)載。若此時(shí)任何1臺(tái)UPS故障，其后面的負(fù)載都會(huì)通過STS轉(zhuǎn)移到另外一臺(tái)UPS上去，電池組也會(huì)全部轉(zhuǎn)給正常的UPS使用，后備時(shí)間不受影響。

智能配電柜會(huì)結(jié)合各負(fù)荷的后備時(shí)間要求，按時(shí)切除相應(yīng)的負(fù)載。

6． 檢修運(yùn)行方式

a.     檢修單臺(tái)UPS時(shí)，斷開一臺(tái)進(jìn)行檢修，另一臺(tái)正常運(yùn)行；
b.    檢修單組蓄電池時(shí)，斷開一組進(jìn)行檢修，其它電池組正常運(yùn)行；
c.       當(dāng)兩臺(tái)UPS同時(shí)檢修時(shí)，可將兩臺(tái)UPS打到維修旁路或者輪流關(guān)閉進(jìn)行檢修。

六、方案特點(diǎn)分析

概括起來，該方案具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

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(shè)備可靠性高、節(jié)省安裝空間、維修和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，符合地鐵行業(yè)的的發(fā)展趨勢(shì)。
2. 輸入電源采用雙路同時(shí)分別供電，跟前端采用ATS切換裝置相比，該方案更節(jié)省投資，使雙路電源負(fù)載均分，并且避免了ATS的單點(diǎn)故障。
3．系統(tǒng)采用兩臺(tái)UPS雙母線架構(gòu)，跟單機(jī)和雙機(jī)并聯(lián)架構(gòu)相比，減少了單故障點(diǎn)，增強(qiáng)了可靠度。
4．采用雙機(jī)共享電池組方式，確保任何一臺(tái)UPS故障時(shí)，系統(tǒng)總的后備時(shí)間不受影響，并且同時(shí)具備了以下優(yōu)點(diǎn)：

a．節(jié)省購(gòu)買電池的資金投資，相應(yīng)的搬運(yùn)、安裝等投資也跟著減少。
b. 節(jié)省安裝空間投資,相應(yīng)的裝修費(fèi)、空調(diào)配置等投資也跟著減少。
c. 節(jié)省承重方面的投資。
d. 節(jié)省電耗、維護(hù)保養(yǎng)等運(yùn)營(yíng)成本方面的投資，更加環(huán)保。
e. 系統(tǒng)擴(kuò)容比較方便,主機(jī)和電池組的擴(kuò)容可以分別進(jìn)行，非常安全、方便，可以靈活利用資金。
f. 發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率。對(duì)于傳統(tǒng)的電池配置方案，由于電池?cái)?shù)量較多，停電后電池會(huì)小電流放電，電池容量可能還沒有放掉多少，市電就已經(jīng)恢復(fù)。這種小電流的淺度放電對(duì)電池是沒有好處的，久而久之電池性能就會(huì)下降，一旦某臺(tái)UPS壞掉，其它UPS電池的后備時(shí)間就會(huì)達(dá)不到要求。而對(duì)于共享電池組方案，由于電池?cái)?shù)量相對(duì)較少，停電后電池的放電電流就會(huì)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(zhǎng)電池壽命。一旦某臺(tái)UPS壞掉，系統(tǒng)的后備時(shí)間也不會(huì)受到影響，因?yàn)殡姵夭粫?huì)跟著UPS失效而失效。

5．根據(jù)負(fù)載重要程度，采用分時(shí)供電方式，合理分配資源，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

6．采用臺(tái)達(dá)NT系列UPS，該產(chǎn)品更能符合軌道交通方案需求，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)異、廠家服務(wù)周到。同時(shí)采用冗余的通訊線代替LBS,節(jié)省了投資，提高了效率，增加了系統(tǒng)可靠度。

七、公司、產(chǎn)品及服務(wù)介紹

    臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司(DELTA ELECTRONICS. INC) 在電力電子工業(yè)領(lǐng)域排名世界第一，每月生產(chǎn)超過一百萬臺(tái)轉(zhuǎn)換電源供應(yīng)器，為全球最大的制造商。臺(tái)達(dá)電子在品質(zhì)管制、可靠度的控制及維修服務(wù)方面的杰出表現(xiàn)，已被廣泛的認(rèn)可。每年均收到如 HP、IBM、 NEC、GE…等主要客戶的獎(jiǎng)賞。同時(shí)，設(shè)于世界各地的工廠均通過ISO-9000 認(rèn)證。其研發(fā)和生產(chǎn)的UPS電源銷往世界各地。

中達(dá)電通股份有限公司是臺(tái)達(dá)集團(tuán)在中國(guó)大陸地區(qū)的控股子公司，成立于 1992 年，總部設(shè)在上海浦東。主要為中國(guó)最具成長(zhǎng)潛力的通信、交通、金融、工廠及其它自動(dòng)化市場(chǎng)提供安全可靠、方便周到的一站式服務(wù)。其主要產(chǎn)品和服務(wù)包括動(dòng)力系統(tǒng)、寬帶數(shù)據(jù)、機(jī)電自動(dòng)化、視訊設(shè)備四個(gè)方面。本方案所涉及的UPS、蓄電池和配電柜是動(dòng)力系統(tǒng)中的產(chǎn)品。

臺(tái)達(dá)NT系列UPS采用先進(jìn)的IGBT高頻切換正弦脈寬調(diào)變技術(shù)設(shè)計(jì)，使UPS供電質(zhì)量好、效率高、熱損耗小、噪音低、體積小及壽命長(zhǎng)；同時(shí)采用模組化設(shè)計(jì)可降低平均修護(hù)時(shí)間(MTTR)，使維護(hù)工作更簡(jiǎn)便；藉由微處理器的數(shù)字化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化復(fù)雜的模擬線路及大量減少零件數(shù)目，使系統(tǒng)更為安全可靠。該產(chǎn)品還具有一些其它品牌所難以比擬的優(yōu)異特色，如：8臺(tái)并機(jī)無須并機(jī)卡、共享電池組、電池漏夜保護(hù)、內(nèi)存500筆信息數(shù)據(jù)、智能監(jiān)控，可規(guī)劃干接點(diǎn)等等。

    本方案所選用的中達(dá)電通蓄電池具有失水少、自放電小、密封安全、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一款性價(jià)比很高的產(chǎn)品。

    中達(dá)電通智能配電柜是中達(dá)電通跟斯米克機(jī)電公司合作生產(chǎn)的，內(nèi)部組件采用施耐德或者ABB的高性能產(chǎn)品，整柜外形美觀，性能安全可靠。

    中達(dá)電通的分支機(jī)構(gòu)和服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)多達(dá)一百多個(gè)，遍及全國(guó)各地，可為用戶提供方便快捷的售前、售中、售后服務(wù)。對(duì)國(guó)內(nèi)的用戶鄭重承諾：報(bào)修立刻響應(yīng), 30分鐘內(nèi)提供問題有效解決方案, 2～24小時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)(緊急情況下就近最快的交通工具抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)),故障現(xiàn)場(chǎng)4小時(shí)內(nèi)處理完畢。

八、總結(jié)

    臺(tái)達(dá)NT系列UPS在工廠、醫(yī)療、交通、通信、證券、金融等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。在軌道交通方面已安全運(yùn)行于北京地鐵，上海地鐵9#線、6#線、8#線等，目前又已中標(biāo)沈陽地鐵、南京地鐵等項(xiàng)目。此外在青藏線、京滬線等鐵路交通干線上也都有臺(tái)達(dá)NT系列UPS在正常運(yùn)行，目前該UPS又已中標(biāo)合寧線、京津線等鐵路項(xiàng)目。

    臺(tái)達(dá)NT系列UPS可以組成十多種安裝方案，其中多機(jī)共享電池組方案,在并聯(lián)、雙母線架構(gòu)下都可以采用。目前，在上海鐵路局調(diào)度控制中心有兩臺(tái)30KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在九江電信有兩臺(tái)320KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在山東省委機(jī)要局有兩臺(tái)40KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在山東電視臺(tái)有兩臺(tái)30KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在鷹潭電信有三臺(tái)40KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行等等，這些案例從來沒有因?yàn)楣蚕黼姵亟M而發(fā)生過故障。在臺(tái)達(dá)的UPS生產(chǎn)線上也都是采用共享電池組方式測(cè)試并聯(lián)機(jī)器的。所以說臺(tái)達(dá)UPS在共享電池組方面的技術(shù)是相當(dāng)可靠的，經(jīng)驗(yàn)非常豐富。

    選擇了臺(tái)達(dá)，就選擇了放心！臺(tái)達(dá)以雄厚的實(shí)力、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、可靠的方案、全面快捷的服務(wù)令各行業(yè)的用戶高枕無憂！