AFC系統(tǒng)采用集中式后備電源的經(jīng)濟(jì)可行性研究

余壯杰+周錦源+周健明+蔡媚媚

【摘 要】城市軌道交通的AFC系統(tǒng)需要可靠性較高的電源以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。目前大都數(shù)AFC系統(tǒng)的UPS采用分散式供電方式，然而該方式具有可靠性低、占用面積大、管理及維護(hù)成本高等種種缺點(diǎn)，無法滿足近年來地鐵用戶對(duì)UPS電源系統(tǒng)高可靠性、便于擴(kuò)展、易于管理和節(jié)省空間的設(shè)計(jì)原則和要求，因此對(duì)采用集中式后備電源為AFC系統(tǒng)供電的可行性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文簡(jiǎn)要闡述了UPS的工作原理和設(shè)置方式，從經(jīng)濟(jì)方面分析了AFC系統(tǒng)采用集中式后備電源的可行性，并根據(jù)AFC系統(tǒng)對(duì)電源的要求，給出采用集中式UPS供電的合理性建議。

【關(guān)鍵詞】AFC系統(tǒng)；UPS；經(jīng)濟(jì)可行性

0 引言

目前AFC系統(tǒng)的UPS大都采用分散供電方式，存在設(shè)備重復(fù)配置、利用率低、占地面積大、經(jīng)濟(jì)上不合理等缺點(diǎn)，而采用集中式UPS供電可以克服這些缺點(diǎn)。隨著電力電子設(shè)備制造工藝和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，大容量電源和控制技術(shù)在通信和電力系統(tǒng)中應(yīng)用已經(jīng)成熟，為弱電電源系統(tǒng)的集中整合提供了條件。目前已有部分城市嘗試采用集中式UPS為弱電系統(tǒng)供電，如上海7、9、11、13、2號(hào)線東延、2號(hào)線西延，北京4號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線、15號(hào)線等。集中式UPS雖然可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，然而決定是否采用該方式還需綜合考慮成本問題，因此有必要對(duì)分散式UPS和集中式UPS的成本進(jìn)行分析對(duì)比。

1 UPS概述

不間斷電源（UPS）是利用電池化學(xué)能作為后備能量，在市電斷電等電網(wǎng)故障時(shí)，通過連續(xù)放電來實(shí)現(xiàn)供電的連續(xù)性，不間斷地為負(fù)載提供（交流）電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。其電源系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：整流、儲(chǔ)能、變換和開關(guān)控制。

UPS的配置方式可分為分散式和集中式兩種。分散式就是根據(jù)設(shè)備的需要分別配備適合的中、小功率UPS。集中式是用一臺(tái)較大功率的UPS負(fù)載所有設(shè)備。[1]

為了提高集中式UPS電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，往往需要將多臺(tái)UPS進(jìn)行冗余連接，這種冗余連接技術(shù)包括串聯(lián)連接和并聯(lián)連接。其中又以并聯(lián)冗余連接具有較高的可靠性。[2]

目前城市軌道交通后備電源整合方案中較多采用的是“1+l”并聯(lián)冗余方案，該集中式UPS電源系統(tǒng)設(shè)置兩套UPS電源裝置，主要包含UPS主機(jī)單元、蓄電池及配電柜。[3]

UPS主機(jī)單元包括高頻開關(guān)模塊、逆變器、隔離變壓器、靜態(tài)旁路、檢修旁路、綜合測(cè)控裝置等。兩套UPS裝置容量相等，平時(shí)分別帶總負(fù)荷的50%左右，若其中一臺(tái)UPS裝置出現(xiàn)故障，另外一臺(tái)UPS裝置帶所有負(fù)荷。

蓄電池按兩套（每套兩組）配置，分別接入兩套UPS電源裝置。兩套蓄電池的總?cè)萘繎?yīng)滿足失電后被整合設(shè)備總負(fù)荷100%的供電需求。平時(shí)，每套UPS裝置的電池，保證一臺(tái)UPS裝置對(duì)負(fù)載供電的要求。若一臺(tái)UPS裝置出現(xiàn)故障時(shí)，投入兩套裝置的電池為全部負(fù)荷供電，電池不進(jìn)行備份。

2 分散式UPS成本分析

目前地鐵站級(jí)設(shè)備SC、TVM、AGM、BOM、TCM均分別配置各自的后備電源，暴露出故障多、管理分散、電池使用壽命低、建設(shè)和維護(hù)成本高等諸多問題，下面進(jìn)行成本分析。

2.1 采購(gòu)成本

以本人從事的某城市地鐵某站為例進(jìn)行分析，該站首次后備電源采購(gòu)成本（僅設(shè)備成本，建設(shè)所需成本除外）如表1所示。

由于電器設(shè)備為消耗型器材，存在一定的使用壽命。為了保障設(shè)備的正常運(yùn)營(yíng)，地鐵會(huì)按一定周期更換后備電池?，F(xiàn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)為兩年更換一次，以該站為例，其每年的UPS后備電池更換成本為：每種設(shè)備的后備電池現(xiàn)場(chǎng)數(shù)量分別乘以該設(shè)備后備電池單價(jià)后求和，再除以2，得出平均每年更換后備電池的成本為15873元。

2.2 維護(hù)成本

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本

現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本包括故障維護(hù)成本和計(jì)劃?rùn)z修維護(hù)成本。

故障維護(hù)成本，即現(xiàn)場(chǎng)維修人員所需的工時(shí)。從調(diào)查數(shù)據(jù)可知，該站每年的AFC系統(tǒng)后備電源故障數(shù)量約為9次，平均故障修復(fù)時(shí)間約為30分鐘，每次更換需要兩人合作完成，故每年所需故障維護(hù)成本為0.5小時(shí)/人/次*2人*9次=9小時(shí)。

計(jì)劃?rùn)z修維護(hù)成本，即維修人員進(jìn)行計(jì)劃性檢修所需的工時(shí)。計(jì)劃性檢修包括季檢、年檢、周期更換電池等。維修人員在進(jìn)行季檢、年檢時(shí)，需要對(duì)后備電源模塊進(jìn)行維護(hù)，檢測(cè)后備電源模塊在市電斷電的情況下維持供電的性能；另外周期更換電池也需要一定的人力成本。以該站為例，通過檢修相關(guān)計(jì)劃要求，計(jì)算出每年計(jì)劃性檢修的維護(hù)成本為86小時(shí)。

因此，后備電源的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本為9+86=95小時(shí)。

2.2.2 返修維護(hù)成本

當(dāng)出現(xiàn)維修人員現(xiàn)場(chǎng)解決不了故障的時(shí)候，后備電源需返回維修，這時(shí)同樣地包含了不可忽略的人力成本、運(yùn)輸成本、材料成本。

3 集中式UPS成本分析

目前城市軌道交通后備電源整合方案中較多采用的是“1+l”并聯(lián)冗余方案，以下對(duì)該方案進(jìn)行成本分析

3.1 采購(gòu)成本

集中式UPS的采購(gòu)主要成本包括UPS主機(jī)、蓄電池及配電柜的成本。UPS主機(jī)選用深圳山特的3C3-EX30KS型號(hào)，單價(jià)35000元，數(shù)量2個(gè)；蓄電池選用深圳山特的12V100AH鉛酸免維護(hù)電池，單價(jià)505元，數(shù)量70個(gè)（庫(kù)存6個(gè)）；配電柜單價(jià)2000元，數(shù)量1個(gè)?？傆?jì)采購(gòu)成本107350元。

3.2 維護(hù)成本

集中式UPS的故障率極低，地鐵某線路的BAS系統(tǒng)就是采用集中式UPS，開通至今已兩年多，全線只出現(xiàn)過一次故障，因此集中式UPS的故障維護(hù)成本非常低。且該線路的BAS系統(tǒng)為單機(jī)系統(tǒng)，而“1+1”并機(jī)系統(tǒng)比單機(jī)系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，因此故障維護(hù)成本比單機(jī)系統(tǒng)更低，此處忽略不計(jì)。

其中該UPS的維護(hù)計(jì)劃分為每月清潔1次和每季度充放電測(cè)試1次。每次清潔時(shí)間為半小時(shí)，充放電時(shí)間為1小時(shí)。故可計(jì)算出該站采用集中式UPS供電時(shí)的計(jì)劃?rùn)z修維護(hù)成本為：12個(gè)月*0.5h+4個(gè)季度*1h=10小時(shí)。

對(duì)于電池周期性更換，如同樣按照現(xiàn)時(shí)兩年為周期更換計(jì)算，每次更換需要32320元，與分散式成本相仿。

綜上，通過UPS分散式供電與集中式供電的成本對(duì)比，可知集中式供電的采購(gòu)成本比分散式節(jié)約了16%，維護(hù)成本比分散式節(jié)約了89%。

4 結(jié)論

通過對(duì)UPS采用 “1+1”并機(jī)冗余供電方案為AFC系統(tǒng)供電，該方案可提高系統(tǒng)的可靠性、可用度，且具有可維修性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，在技術(shù)上是可行的；通過成本分析可知，雖然UPS分散式供電與“1+1”并機(jī)冗余供電兩種配置方式的前期投資成本差別不明顯，但是由于集中式UPS能夠降低故障率，大大節(jié)約維護(hù)成本；另外有助于統(tǒng)一UPS電源、蓄電池、備品備件的品牌型號(hào)，便于維護(hù)管理，提高維修質(zhì)量和效率。在成本角度考慮采用集中式UPS為AFC系統(tǒng)供電是較合算的。

UPS整合的目的是優(yōu)化配置、集中利用、減少投資、統(tǒng)一維護(hù)管理和降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。地鐵弱電系統(tǒng)采用集中式UPS可以解決系統(tǒng)分設(shè)UPS帶來的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的不便，實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)，降低用電量，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)部分城市已在進(jìn)行弱電系統(tǒng)UPS電源整合的嘗試，城市軌道交通領(lǐng)域資源整合是發(fā)展趨勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭旭日.UPS整合系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（21）.

[2]黃紹毅.UPS供電系統(tǒng)可靠性的計(jì)算分析[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2005，27（5）.

[3]趙美君.地鐵車站弱電系統(tǒng)集中UPS供電分析[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2007，10（7）.

[責(zé)任編輯：王偉平]