城市軌道交通弱電電源整合方案研究

錢信臣

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概 述

目前，城市軌道交通弱電系統(tǒng)一般包括：通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)(FAS)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、門禁系統(tǒng)(ACS)等，弱電系統(tǒng)大多屬于一級負(fù)荷，需要高可靠性的電源，以保證供電質(zhì)量與供電的連續(xù)性。

通常軌道交通弱電系統(tǒng)供電按專業(yè)自行設(shè)置不間斷電源設(shè)備(UPS)，部分專業(yè)耗電量不大，也配置一套UPS電源設(shè)備，容易造成故障多、效率低、不易管理、可靠性不高、資源浪費大等弊端。若能使用中等容量的UPS供電，不但可以克服以上缺點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端計算機(jī)監(jiān)視和遙控，采用高質(zhì)量高可靠大功率UPS單機(jī)及其冗余并機(jī)功率均分技術(shù)，確保并機(jī)系統(tǒng)控制更加快速、精確、穩(wěn)定。與各專業(yè)自行供電方式相比，提高了供電系統(tǒng)管理的方便性，增大了供電可靠性，并且也便于日后供電系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)。

另外，電源整合不是簡單地將各弱電系統(tǒng)所使用的電源集中設(shè)置，需要考慮到各專業(yè)本身的特殊性、管理所屬權(quán)限、工程實施上等多方面問題。

2 城市軌道弱電電源整合方案

首先，考慮哪些系統(tǒng)不宜納入集中供電系統(tǒng)內(nèi)。原則上，實現(xiàn)多系統(tǒng)UPS集中供電時，可考慮所有弱電系統(tǒng)共有一套集中式UPS供電設(shè)備。但是，一旦電源設(shè)備自身故障或某一弱電系統(tǒng)故障引起UPS電源故障，對整個地鐵弱電系統(tǒng)正常工作甚至是行車運營產(chǎn)生影響，致使故障影響面大，因此不建議將所有弱電系統(tǒng)進(jìn)行UPS整合。

在軌道交通中弱電電源集中供電設(shè)置UPS電源的系統(tǒng)一般蓄電池為在線式，負(fù)荷為交流電負(fù)荷。蓄電池為后備式，主要負(fù)荷為直流電供電的直流自用系統(tǒng)不宜納入集中供電系統(tǒng)。應(yīng)急照明系統(tǒng)需要專門的消防認(rèn)證，也不宜納入集中供電系統(tǒng)。另外，非在線式應(yīng)急電源系統(tǒng)(EPS)也不宜納入集中供電系統(tǒng)[1]。

信號系統(tǒng)設(shè)備的供電為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷[2]。弱電電源集中供電代表著風(fēng)險也是集中的，根據(jù)全國軌道交通電源整合經(jīng)驗，一般信號系統(tǒng)獨立設(shè)置電源設(shè)備。

站臺門系統(tǒng)為沖擊負(fù)荷，在城市軌道交通中一般設(shè)置在車站站臺層。因此，無論從負(fù)荷類型還是機(jī)房位置來說，站臺門系統(tǒng)都不宜納入集中供電系統(tǒng)。

城市軌道交通通信系統(tǒng)可分為：專用通信系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)及民用通信系統(tǒng)。因其管理所屬權(quán)限不同，需要分別討論。專用通信系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)最重要系統(tǒng)，具有所屬子系統(tǒng)眾多，負(fù)載容量大等特點，應(yīng)納入集中供電系統(tǒng)。民用通信系統(tǒng)一般由運營商統(tǒng)一采購，自行建設(shè)民用電源系統(tǒng)，建議不納入集中供電系統(tǒng)。公安通信系統(tǒng)一般由各地軌道交通公司代建，在征得當(dāng)?shù)毓膊块T同意的情況下，建議納入集中供電系統(tǒng)。

車站弱電系統(tǒng)電源整合范圍如表1所示。

表1 車站弱電系統(tǒng)電源整合范圍

3 集中供電UPS系統(tǒng)方案

3.1 功能需求

弱電系統(tǒng)集中供電代表著風(fēng)險也是集中的，為確保車站各弱電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，對UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。為提高電源系統(tǒng)的可靠性，其必須選擇冗余配置的UPS系統(tǒng)方案，建立完善的電源監(jiān)控系統(tǒng)。

集中供電UPS各個弱電系統(tǒng)的后備時間不一致，則需要設(shè)置智能配電系統(tǒng)，設(shè)置分時下電功能。電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)對集中供電電源設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括：電源設(shè)備的交流部件(輸入電源、輸出電源)、整流部件、直流部件、逆變部件等。另外，電源監(jiān)控系統(tǒng)還需具備蓄電池在線監(jiān)測功能。

3.2 系統(tǒng)方案

集中式UPS供電體系一般采用并聯(lián)冗余的方式。UPS并聯(lián)冗余主要有以下三種運行模式：

表2 UPS電源系統(tǒng)運行模式比較表

三種方式各有優(yōu)缺點，而隨著并聯(lián)控制技術(shù)的發(fā)展，功率均分并聯(lián)冗余方式的缺點正在逐步克服。功率均分并聯(lián)冗余的方式具有高可靠性、易于擴(kuò)容、維護(hù)簡單等特點。

由變電所引出的兩路獨立電源至車站整合機(jī)房電源切換箱，電源切換箱輸出切換后的交流電給兩臺UPS。經(jīng)過UPS整流、逆變后再并聯(lián)輸出至交自流配電屏，被整合從配電屏上取電。正常運行時，兩臺UPS各負(fù)擔(dān)50%的負(fù)載，當(dāng)其中一臺故障時，故障UPS從并聯(lián)系統(tǒng)中脫離，所有的負(fù)載都切換到另一臺UPS，同時報修故障UPS。

并機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)實時的負(fù)載均分調(diào)節(jié)和智能化控制功能，兩臺UPS逆變輸出電壓頻率、幅度及相位保持一致。兩臺UPS可共用同一蓄電池組，每臺UPS都設(shè)置靜態(tài)旁路及維修旁路，允許在一臺UPS逆變器工作條件下，對另一臺UPS單機(jī)進(jìn)行維護(hù)與維修操作，從而提高整個集中供電系統(tǒng)的可維護(hù)性。

電源監(jiān)控系統(tǒng)可對整個UPS并機(jī)系統(tǒng)及蓄電池組進(jìn)行實時的監(jiān)測，電源監(jiān)控系統(tǒng)可接入到各地鐵控制中心集中告警系統(tǒng)中，實現(xiàn)集中監(jiān)測告警，如圖1所示。

4 結(jié)束語

城市軌道交通中弱電電源整合是一個發(fā)展趨勢，目前全國各地城市軌道交通新建線路都在進(jìn)行弱電電源整合工作。使用弱電電源整合技術(shù)，可以提高供電系統(tǒng)管理的方便性，增大了供電可靠性，并且有利于節(jié)能降耗。電源整合也代表著風(fēng)險也是集中的，所以弱電系統(tǒng)的整合范圍及集中供電系統(tǒng)的整體可靠性成了關(guān)鍵因素。本文通過分析車站弱電系統(tǒng)的負(fù)荷類型及管理權(quán)限，提出了車站弱電系統(tǒng)的整合的范圍；根據(jù)弱電集中供電系統(tǒng)的特性，提出了UPS并聯(lián)冗余系統(tǒng)方案。該方案具有高可靠性、易于擴(kuò)容、維護(hù)簡單等特點，對弱電集中供電系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性。

圖1 集中供電系統(tǒng)構(gòu)成圖