地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)供電優(yōu)化設(shè)計

國電南京自動化股份有限公司 秦成虎 陳銘暉

南京地鐵7號線是南京首條按GOA4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的無人駕駛線路。首次在工程建設(shè)過程中引入第三方安全評估，對系統(tǒng)的可用性、可靠性、可維護(hù)性和安全性（RAMS）都有著嚴(yán)格的要求。作為系統(tǒng)運營監(jiān)控核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，其供電系統(tǒng)的RAMS指標(biāo)直接影響到整個地鐵線網(wǎng)的安全運行。為保證綜合監(jiān)控系統(tǒng)的可靠、安全運行，通常要配備不間斷電源設(shè)備（UPS）。目前地鐵的UPS配置有兩種趨勢，一種是按用電設(shè)備所承擔(dān)的專業(yè)功能來進(jìn)行劃分，采取中、小功率的UPS電源分散供電模式設(shè)計；一種是采用一套大功率UPS系統(tǒng)向車站或中心的所有弱電系統(tǒng)負(fù)載提供UPS電源的集中供電方式[1-2]。

雖然UPS電源集中供電系統(tǒng)采用冗余UPS技術(shù)、具有更高的可靠性，但由于電池相對集中，對電池管理提出更高的要求，導(dǎo)致電源的風(fēng)險過于集中。雖然供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題的概率降低了，但萬一出現(xiàn)電源系統(tǒng)故障時對地鐵系統(tǒng)的運營影響卻增大許多。所以目前UPS電源分散供電方案還廣泛地應(yīng)用于地鐵弱電系統(tǒng)的供電設(shè)計中。

1 電源系統(tǒng)方案

為保證綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定、可靠地連續(xù)運行，在車站和中心分別設(shè)置獨立的綜合監(jiān)控供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)主要由交流雙電源切換裝置、隔離變壓器、UPS及蓄電池和電源監(jiān)控系統(tǒng)組成。設(shè)備房低壓變壓器輸出的兩路獨立交流供電引至雙電源切換裝置，切換后的交流電源引入隔離變壓器、然后接入UPS，UPS輸出到負(fù)載設(shè)備。設(shè)計中采用雙電源切換、UPS冗余等技術(shù)，提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性（圖1）。

圖1 電源系統(tǒng)方案

1.1 雙電源自動切換裝置

從設(shè)備房低壓變壓器引出兩路獨立電源接到雙電源自動切換裝置輸入端，用于在工作電源故障的緊急情況下將負(fù)載電路從工作電源自動轉(zhuǎn)換到備用電源。雙電源切換裝置的集成控制器實時檢測被監(jiān)測輸入電源（兩路）的工作狀況，如監(jiān)測到工作的輸入電源發(fā)生故障（如欠壓、失壓、斷相等）且備用電源工作正常時，則控制器發(fā)出切換指令，轉(zhuǎn)換開關(guān)將負(fù)載工作電源切換到備用電源，以保證負(fù)荷不間斷運行。為防止雙電源自動切換裝置故障影響系統(tǒng)運營，為雙電源切換裝置設(shè)計了供電旁路斷路器，即Q1和Q4。

1.2 隔離變壓器

考慮到牽引變壓器和列車供電接觸網(wǎng)的影響，交流供電系統(tǒng)中的多次諧波及電磁干擾相對嚴(yán)重，有時甚至?xí)?dǎo)致電網(wǎng)中性線的電壓波動，從而影響UPS系統(tǒng)的安全運行。在UPS的輸入端設(shè)置隔離變壓器，不僅可隔離外部線網(wǎng)對UPS系統(tǒng)的影響，還可為UPS系統(tǒng)構(gòu)成新的中性點，形成一個相對獨立的供電系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)供電的安全性。另外，由于UPS自身也是一個電磁干擾源，為防止本系統(tǒng)的UPS對外部電源的影響，增加隔離變壓器也可降低綜合監(jiān)控系統(tǒng)電源輸入端的傳導(dǎo)發(fā)射干擾。

1.3 UPS電源

在本系統(tǒng)中，采取雙UPS并機(jī)運行的模式（圖2）。本系統(tǒng)的兩臺UPS系統(tǒng)在并機(jī)運行時，不需實時采集對方系統(tǒng)的電流、電壓、頻率和相位等參數(shù)就能實現(xiàn)系統(tǒng)同步，并在運行系統(tǒng)間實現(xiàn)負(fù)載電流的均勻分配。每個并聯(lián)工作的UPS系統(tǒng)只需控制自己的輸出電壓、電流、頻率及相位即可實現(xiàn)輸出同步、負(fù)載均衡及故障UPS快速脫機(jī)等功能。

圖2 UPS并機(jī)運行

并機(jī)運行的兩臺UPS系統(tǒng)同步跟蹤交流旁路電源的頻率和相位，由于并機(jī)運行的UPS的旁路電源是同一電源，因此每臺UPS的逆變器輸出的電壓、頻率和相位等參數(shù)近似相同，此時UPS系統(tǒng)還可小幅度地快速調(diào)整輸出電源的相位，減小兩個UPS系統(tǒng)輸出的差異，以使得可能出現(xiàn)在UPS并機(jī)系統(tǒng)中的各臺UPS間的“環(huán)流”盡可能地減小，理想情況下環(huán)流為零。為提高調(diào)節(jié)精度，在該并機(jī)系統(tǒng)中采用“高頻度小步長”的調(diào)控方法，它在1秒內(nèi)對UPS的逆變器執(zhí)行3000次同步跟蹤調(diào)節(jié)。當(dāng)UPS間出現(xiàn)相位差時即會產(chǎn)生環(huán)流，通過各自的電流監(jiān)測電路，當(dāng)某臺UPS檢測到電流增大時其CPU會控制輸出電源的相位向相反方向移動，減少環(huán)流，反復(fù)多次直到找到一個最小的電流值點，即同相點。

正常情況下并機(jī)運行的UPS系統(tǒng)輸出電源具有同電壓、同頻率和同相位的特性，并均分負(fù)載。當(dāng)負(fù)載突然變大時會引起UPS輸出電流加大(ΔI＞0)，輸出電壓降低(ΔV＜0)，此時電壓及電流的變化值之乘積為負(fù)值(ΔI×ΔV＜0)。當(dāng)負(fù)載減小時會引起UPS輸出電流減小(ΔI＜0)、輸出電壓升高(ΔV＞0)，電壓及電流的變化值之乘積為負(fù)值(ΔI×ΔV＜0)。當(dāng)其中一臺UPS出現(xiàn)故障時，該UPS輸出電壓在升高或降低的同時反而會引起它的輸出電流同樣升高或降低，即ΔI×ΔV＞0。因此可以將ΔI×ΔV的正負(fù)作為判據(jù)判斷UPS系統(tǒng)是否正常工作。利用這一判據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)中某一臺UPS單機(jī)發(fā)生故障時，發(fā)生故障的UPS可自動診斷出故障并脫離系統(tǒng)退出運行。全部負(fù)載由性能依然正常的UPS并聯(lián)承擔(dān)。由于每臺UPS的容量都按1倍安全余量設(shè)計，單臺UPS供電系統(tǒng)也可一直維持系統(tǒng)連續(xù)工作，直到故障UPS修復(fù)并恢復(fù)多機(jī)并聯(lián)運行狀態(tài)。

2 可維護(hù)性設(shè)計

可維護(hù)性作為RAMS中的一項指標(biāo)，關(guān)系到系統(tǒng)維修時間、可用率及維護(hù)人員的工作量?？删S護(hù)性是指在不影響供電系統(tǒng)其他部分正常運行情況下，對供電系統(tǒng)中的問題設(shè)備、部件進(jìn)行維護(hù)、維修或更換等操作，消除缺陷、恢復(fù)系統(tǒng)的工作能力。提高系統(tǒng)的可維護(hù)性包括縮短故障情況下設(shè)備的維修時間和減少設(shè)備維修頻率兩個方面。前者需在設(shè)計時考慮各部件功能的相對獨立性，后者則需在設(shè)計時為設(shè)備提供有效、可靠的檢測措施，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題，開始預(yù)防性的維護(hù)或維修。

模塊化設(shè)計：在系統(tǒng)設(shè)計時，基于模塊化設(shè)計思想提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。本供電系統(tǒng)由配電柜、隔離變壓器柜、UPS柜和電池柜組成。為方便系統(tǒng)檢修和維護(hù)在系統(tǒng)中配置必要的隔離設(shè)備，當(dāng)個別部件故障后，在不影響電源系統(tǒng)工作的前提下將故障部件進(jìn)行隔離，使其具備維修條件并進(jìn)行修復(fù)，當(dāng)修復(fù)完成后再恢復(fù)到運行狀態(tài)。如圖1中的Q6、Q7和Q8所示，當(dāng)隔離變壓器故障時可先斷開Q6和Q7，UPS系統(tǒng)進(jìn)入電池供電模式，然后合上Q8使系統(tǒng)接入外部電源，此時系統(tǒng)可正常工作且隔離變壓器已從系統(tǒng)中解列，滿足維修的條件，從而節(jié)省維修準(zhǔn)備的時間。

電池監(jiān)控系統(tǒng)：為便于對UPS系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中管理，本系統(tǒng)將UPS系統(tǒng)的監(jiān)控信息接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)（圖3），在控制中心實時監(jiān)控UPS的工作模式、溫度、電流、電壓等參數(shù)信息，控制UPS模式切換等，同時接收UPS系統(tǒng)的告警信息，系統(tǒng)維護(hù)人員根據(jù)相關(guān)的告警信息，及時制定應(yīng)對處理策略[3]。另外由于UPS連續(xù)不間斷地工作，蓄電池長期處于充電狀態(tài)、電池活性變差，容易出現(xiàn)故障。為此需監(jiān)控蓄電池單體的電壓、內(nèi)阻、極柱溫度、單體紋波電流、紋波電壓等數(shù)據(jù)，運維人員可及時了解蓄電池的工作狀態(tài)。在該系統(tǒng)中，通過單體電池監(jiān)測模塊實現(xiàn)單節(jié)電池電壓的實時監(jiān)控，如電池電壓高于電壓平均值則對電池進(jìn)行放電、如電池電壓低于平均值則對電池進(jìn)行充電以達(dá)到主動均衡的目的。采集到的單節(jié)電池信息會被電池管理主控模塊接收并轉(zhuǎn)發(fā)給綜合監(jiān)控系統(tǒng)，在綜合監(jiān)控系統(tǒng)中對電池的狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)測。

圖3 電池監(jiān)測系統(tǒng)

3 系統(tǒng)RAMS分析

FTA（Fault Tree Analysis，事故樹分析法）是系統(tǒng)RAMS分析中的常用的定量或定性分析方法之一，故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，用來表示故障事件產(chǎn)生的原因及其邏輯關(guān)系的邏輯樹圖[4]。利用FTA進(jìn)行UPS供電系統(tǒng)可靠性評估有助于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計中的可靠性、安全性的薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)和驗證。故障樹的計算結(jié)果取決于事件組合的失效概率和對系統(tǒng)整體建模[5]。為便于比較，在對圖1進(jìn)行FTA建模的同時，建立沒有雙電源自動切換裝置及UPS冗余配置的供電系統(tǒng)的FTA模型（即去除故障樹中的虛線框部分）并計算，對圖1進(jìn)行FTA建模（圖4）。

圖4 供電系統(tǒng)的故障樹

結(jié)合相關(guān)設(shè)備的失效數(shù)據(jù)，通過對故障樹進(jìn)行分析計算，優(yōu)化前、后的不可用度(Q)、MTBF(106h)、MTTR(h)分別為：3.065E -06/1E-14、0.1658/2.857E+07、0.5083/0.2857。從計算結(jié)果可知，經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)在系統(tǒng)不可用度、MTBF及MTTR等指標(biāo)上都有較大的優(yōu)化。

結(jié)論：地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為地鐵工程弱電系統(tǒng)的一級負(fù)荷對供電質(zhì)量要求很高，通過將RAMS技術(shù)應(yīng)用到工程設(shè)計中，基于RAMS分析和優(yōu)化設(shè)計的綜合監(jiān)控系統(tǒng)供電系統(tǒng)具有較高的可靠性、可用性和可維護(hù)性和安全性，滿足全自動無人駕駛系統(tǒng)對綜合監(jiān)控系統(tǒng)的RAMS要求。