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簡談集中式不間斷電源在城市軌道交通應(yīng)用中的關(guān)鍵因素及對策分析
在城市軌道交通車站中分布著大量的弱電系統(tǒng)設(shè)備，主要涵蓋于通信、信號、火災(zāi)報(bào)警(FAS)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控(EMCS)、自動(dòng)售檢票(AFC)、門禁等弱電系統(tǒng)中，它們對于確保乘客的人身安全、保障軌道交通的正常運(yùn)營起著關(guān)鍵作用。由于其重要性，為了保證供電的連續(xù)性和可靠性，除了采用雙電源雙回線路供電外，還增設(shè)應(yīng)急電源作為備用供電方式。
在城市軌道交通中應(yīng)用的應(yīng)急電源一般有獨(dú)立于正常電源的發(fā)電機(jī)組、獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路、不間斷電源(UninterruptablePowerSupply，簡為UPS)、應(yīng)急電源(EmergencyPowerSupply，簡為EPS)等。由于弱電系統(tǒng)設(shè)備大多為工控機(jī)、服務(wù)器等精密儀器，對逆變切換時(shí)間要求較短，對輸出電壓、頻率等的穩(wěn)定性要求較高，所以軌道交通弱電系統(tǒng)一般采用UPS作為應(yīng)急電源。
以往建設(shè)的線路，弱電系統(tǒng)均分別設(shè)置各自的UPS，存在設(shè)備分散、數(shù)量多、品牌雜、日常維護(hù)工作量大等問題。隨著資源共享理念的深入，軌道交通行業(yè)紛紛采用集中式UPS，使得弱電系統(tǒng)UPS整合已經(jīng)成為一種技術(shù)發(fā)展趨勢。
1集中式UPS的優(yōu)勢
分散式UPS是指各弱電系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置UPS。分散式UPS的結(jié)構(gòu)如圖1所示：車站降壓變電所400V一、二段母線需饋出多路電源，以保證通信、信號、FAS等每個(gè)系統(tǒng)有兩路電源至電源切換箱，經(jīng)過雙電源自動(dòng)切換后，再通過各弱電系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置的UPS給相關(guān)設(shè)備供電。
當(dāng)采用集中式UPS時(shí)，各弱電系統(tǒng)不再單獨(dú)設(shè)置UPS：車站降壓變電所400V一、二段母線僅需分別饋出一路電源至電源切換箱，由電源切換箱輸送電源至集中式UPS柜，經(jīng)集中式UPS柜饋出電源至配電屏，由配電屏負(fù)責(zé)向通信、信號、FAS等各弱電系統(tǒng)進(jìn)行供電。
與各弱電系統(tǒng)分設(shè)UPS方式相比，集中式UPS在工程投資、設(shè)備采購、運(yùn)營維護(hù)管理等方面有著明顯的優(yōu)勢。具體優(yōu)勢如下：
1)減少變電所饋出回路和UPS設(shè)備的數(shù)量，節(jié)省投資;
2)統(tǒng)一UPS設(shè)備的型號，便于設(shè)備集中采購;
3)設(shè)備集中，能夠減少UPS設(shè)備用房的面積，且有利于對UPS進(jìn)行集中監(jiān)控、維護(hù)保養(yǎng)。
2問題的提出
近年來，隨著集中式UPS在軌道交通工程的不斷推廣應(yīng)用，各類故障、事故頻繁發(fā)生，使得其在實(shí)際應(yīng)用中遇到了瓶頸。為此，有必要分析影響集中式UPS在軌道交通中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
2.1設(shè)計(jì)因素
對于集中式UPS系統(tǒng)，不合理的設(shè)計(jì)會使得UPS系統(tǒng)的安全、可靠性降低，直接威脅弱電系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。
2.1.1單UPS設(shè)計(jì)方案
有些線路采用單臺UPS供電的設(shè)計(jì)方案。由于集中式UPS系統(tǒng)所供給的弱電系統(tǒng)涉及多專業(yè)，如果此時(shí)UPS出現(xiàn)故障情況，將直接影響多個(gè)弱電系統(tǒng)的運(yùn)行，給軌道交通的正常運(yùn)營帶來較大的影響。
2.1.2單母線不分段設(shè)計(jì)方案
該方案雖然是雙UPS系統(tǒng)，但是采用了單母線不分段的設(shè)計(jì)。如圖4所示，UPS1和UPS2分別通過6QM、7QM斷路器饋出，匯聚至8QM斷路器，通過8QM統(tǒng)一饋出至母線上供電給各弱電系統(tǒng)。如果8QM斷路器故障跳閘，那么各弱電系統(tǒng)設(shè)備將瞬時(shí)失去電源，即使手動(dòng)合上5QM斷路器，采用由變電所直接提供電源給各類負(fù)荷的方式，那也需要一定的時(shí)間，并且由于采用了變電所直接提供電源方式，降低了電源的供電質(zhì)量。
2.2設(shè)備制造因素
僅有合理、完善的設(shè)計(jì)方案還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，設(shè)備制造也是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)。
2.2.1軟件設(shè)置
弱電系統(tǒng)采用的工控機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備，對電源質(zhì)量的要求高，需要UPS為其提供穩(wěn)定、無波形失真、無干擾的高質(zhì)量正弦波電源。此需求除了與UPS硬件設(shè)備的品質(zhì)等有關(guān)外，還與設(shè)備制造商進(jìn)行軟件設(shè)置、調(diào)試中對控制系統(tǒng)的邏輯設(shè)置等有關(guān)。
當(dāng)某臺UPS出現(xiàn)故障且另一臺UPS單機(jī)運(yùn)行正常時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)切換至另一臺UPS，由該UPS向負(fù)載繼續(xù)供電，以提供具有高品質(zhì)電源，提高集中式UPS系統(tǒng)的可靠性。但在實(shí)際運(yùn)用中，有部分設(shè)備制造商在進(jìn)行控制邏輯設(shè)置時(shí)，并沒有直接切換至另一臺UPS，而是采用直接切換至旁路的做法。由于旁路采用的是市電直接供電，電壓的穩(wěn)定性、電源的波形等電源質(zhì)量參數(shù)不能滿足弱電系統(tǒng)設(shè)備的要求，可能造成弱電系統(tǒng)設(shè)備不能正常運(yùn)行。
2.2.2分級切換
后備時(shí)間是指在市電斷電后，UPS能夠提供給相關(guān)用電設(shè)備的最大供電時(shí)間。對于軌道交通來說，當(dāng)從車站降壓變電所供給的二路電源失電后，UPS系統(tǒng)采用蓄電池經(jīng)逆變向各弱電系統(tǒng)進(jìn)行供電的方式。在許多UPS系統(tǒng)故障案例中，出現(xiàn)了正常電源故障后，由蓄電池供電時(shí)，供電時(shí)間不能滿足各設(shè)備所需的用電時(shí)間的情況，蓄電池供電時(shí)間明顯低于設(shè)備所需的后備時(shí)間。出現(xiàn)這一情況，除了蓄電池本身的問題(如蓄電池質(zhì)量問題、老化問題)外，大部分原因是由于UPS在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，未做到分級切換。
3對策分析
3.1設(shè)計(jì)因素的相應(yīng)對策
采用雙UPS、單母線分段的設(shè)計(jì)方案是解決問題的方法之一。采用雙UPS時(shí)，兩套UPS平均分擔(dān)其負(fù)載，互備冗余運(yùn)行;如果一臺UPS出現(xiàn)故障，能通過選擇性操作自動(dòng)將故障UPS從系統(tǒng)中脫離出來，這樣另一臺UPS仍能向負(fù)載提供可靠的高品質(zhì)電源。
當(dāng)采用雙UPS且單母線分段的設(shè)計(jì)方案時(shí)，如果此時(shí)6QM斷路器故障，UPS2仍能向負(fù)載供電，避免了單母線不分段設(shè)計(jì)方案因饋出斷路器故障而無法向負(fù)載供電的情況出現(xiàn)，提高了UPS系統(tǒng)的供電可靠性。
3.2設(shè)備制造因素的相應(yīng)對策
1)集中式UPS系統(tǒng)是一個(gè)集成度較高的系統(tǒng)，對設(shè)備制造商或供應(yīng)商的要求較高，需選擇有一定資質(zhì)、信譽(yù)高、有較豐富經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，以確保設(shè)備的質(zhì)量和良好的售后服務(wù)。
2)設(shè)備制造企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)用戶需求進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、軟件設(shè)置，如：了解各弱電系統(tǒng)對電壓范圍、頻率、功率因數(shù)、輸出電壓穩(wěn)定精度、輸出電壓不平衡度、輸出波形失真度、電源切換時(shí)間、后備時(shí)間等需求。
3.3施工因素的相應(yīng)對策
1)選擇有一定資質(zhì)、信譽(yù)高的專業(yè)施工安裝公司與監(jiān)理公司，以確保建設(shè)施工質(zhì)量;
2)加強(qiáng)施工建設(shè)期間的管理，以確保規(guī)范施工、按圖施工，杜絕野蠻施工等情況發(fā)生;
3)對設(shè)備的進(jìn)出線電纜統(tǒng)一加裝銅夾并進(jìn)行固定，防止接線松動(dòng)等情況發(fā)生;
4)認(rèn)真對待設(shè)備的交接驗(yàn)收工作，因?yàn)橄鄳?yīng)的交接、驗(yàn)收試驗(yàn)?zāi)軌蚴沟貌灰?guī)范施工所存在的安全隱患提前暴露出來。
3.4運(yùn)營維護(hù)因素的相應(yīng)對策
1)制定完善的運(yùn)營、維修、維護(hù)管理制度，建立專業(yè)的運(yùn)營、維護(hù)團(tuán)隊(duì)。
2)對于沒有故障報(bào)警及上傳故障信息的設(shè)備，增加故障信息報(bào)警及上傳功能，以確保車站運(yùn)行或維護(hù)人員能第一時(shí)間了解設(shè)備故障信息，為快速處理故障贏得時(shí)間。
3)對于已經(jīng)采用故障報(bào)警及上傳功能的設(shè)備，采取屏蔽一些無關(guān)緊要的運(yùn)行信息、突出顯示設(shè)備故障信息、故障聲光報(bào)警等技術(shù)手段，以簡化報(bào)文信息，便于車站運(yùn)行或維護(hù)人員快速了解設(shè)備故障情況。
4)加強(qiáng)設(shè)備的巡視和維護(hù)保養(yǎng)力度，定期對設(shè)備進(jìn)行專業(yè)的維護(hù)保養(yǎng)。主要維護(hù)保養(yǎng)內(nèi)容有：外觀檢查，接線端子、接口轉(zhuǎn)換裝置等部件的除塵保養(yǎng)，蓄電池充放電試驗(yàn)、核容試驗(yàn)等。
5)鑒于UPS系統(tǒng)對環(huán)境溫度的要求較高，應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)備的使用規(guī)定和環(huán)境溫度規(guī)定，加強(qiáng)對設(shè)備區(qū)(UPS系統(tǒng)放置處)溫度的控制，確保良好的通風(fēng)和適宜的溫度。
4結(jié)語
與分散式UPS相比，集中式UPS具有明顯的優(yōu)勢。但是，它是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)，無論從前期的設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工，還是后期的運(yùn)營、維護(hù)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏，都會導(dǎo)致集中式UPS出現(xiàn)問題，進(jìn)而影響軌道交通的正常運(yùn)營。希望在今后的軌道交通工程中，各系統(tǒng)、各專業(yè)能通力配合、緊密聯(lián)系，做到精益求精，真正發(fā)揮集中式UPS的優(yōu)勢，更好地為各弱電系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的電源。
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