城市轨道交通车站不间断电源整合的可行性分析

王小峰

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院，200235，上海∥工程师)

近几年，随着电力电子技术、大容量电源系统和先进控制技术在电力系统和通信领域中的成熟使用和不断发展，为城市轨道交通工程中各弱电电源系统的整合提供了有利条件。城市轨道交通机电设备弱电系统各专业在自行配置UPS(不间断电源)的情况下，出现了各种UPS 整合配置的方案。如，上海市轨道交通7号线工程、2号线东延伸工程，北京地铁机场线、4号线、9号线、10号线(一期)、大兴线、亦庄线、房山线、昌平线，武汉4号线(一期)，深圳市轨道交通3号线，苏州地铁1号线等，对车站内各弱电系统的电源不同程度地采取了UPS 整合设计。

但是，城市轨道交通车站UPS 整合方案是否可行并满足现行规范的要求?基于该疑问，本文针对目前普遍采用的3 种典型UPS 整合方案的优缺点进行了深入分析与比较，最后得出在车站不宜采用UPS 整合方案的结论，以供今后城市轨道交通UPS整合方案的决策和设计作参考。

1 负荷类型及分级

城市轨道交通用电设备主要包括:通信、信号、自动售检票系统、火灾报警系统、综合监控系统、环境与设备监控系统、乘客信息系统、门禁、站台屏蔽门、变电所操作电源、应急照明等。这些系统和设备负责地铁的运营指挥、电力调度、设备监控、环境监控、信息传递和乘客导引等，均属于一级负荷。其中，专用通信系统、信号系统、火灾报警系统、综合监控系统、环境与设备监控系统、变电所操作电源、应急照明等为一级负荷中特别重要负荷，因此需要高可靠性的后备电源进行不间断供电，以保证供电质量和供电连续性。根据上述要求，对城市轨道交通供电负荷的分级、分布及要求如表1所示。

2 UPS整合范围分析

GB 50052—2009《供配电系统设计规范》和GB 50157—2013《地铁设计规范》规定:“一级负荷必须采用双电源双回路供电;一级负荷中特别重要的负荷，应增设应急电源，并严禁其他负荷接入”。因此，在城市轨道交通用电设备中只有自动售检票、乘客信息系统、门禁和站台屏蔽门属于一级负荷，具备UPS 电源整合的条件。由于站台屏蔽门驱动电机属于电感性负载，其功率因数比较低，冲击电流大，若采用UPS 整合系统供电，会明显影响电压稳定、降低电源质量，因此，宜单独设置后备电源(实际工程中也是单独设置)。最终，UPS 的整合范围只有自动售检票、乘客信息系统、门禁等3 个系统。

表1 城市轨道交通供电负荷分级及分布要求

3 典型UPS整合方案的分析

目前，城市轨道交通采用的比较典型的UPS 整合方案主要有单机组UPS 整合、双机组并机式UPS整合和双机组冗余式UPS 整合等3 种方案。

3.1 单机组UPS整合方案

该方案各车站分别设置1 套UPS 电源装置(含整流器、逆变器、隔离变压器、蓄电池组)、智能控制单元及馈线智能配电柜。进线处设置双电源自切装置(ATS)，馈出母线采用单母线，其系统架构如图1所示。

图1 单机组UPS 整合方案

该方案的优点是投资最省。缺点是:①即便被整合系统弱电机房与UPS 整合电源室集中贴邻布置，对被整合的弱电系统而言，实际上是三电源单回路供电方式，不满足规范对一级负荷采用双电源双回路供电的要求;② 存在“单点瓶颈”隐患，在UPS的输出端或配电屏母线出现短路故障时，可能导致UPS 退运，造成被整合系统失电;③ 维修期间的安全性得不到保障，当UPS 故障或检修停电而改由检修旁路供电时，其供电质量和供电可靠性会降低;④蓄电池定期活化等维护工作可能无法得到保障。

3.2 双机组并机式UPS整合方案

该方案各车站分别设置2 套UPS 电源装置(含整流器、逆变器、隔离变压器、蓄电池组等)、智能控制单元及馈线智能配电柜。每套UPS 进线处设置双电源ATS，馈出母线采用双母分断加母联开关。正常工作时，2 套UPS 装置并机运行，平均分担其负载电流，每台UPS 单机容量能满足系统总容量要求。其系统架构如图2所示。

图2 双机组并机式UPS 整合方案

该方案的优点是可以做到定期对UPS 维护和蓄电池活化。缺点是:①“单点瓶颈”隐患，在UPS的输出端、配电屏母线、馈线电缆因故出现短路故障时，可能导致双回路的断路器同时跳闸，因而造成某个被整合弱电系统(甚至整个UPS 整合系统)退出运行;② UPS 并机系统的环流因故发生偶发性突然增大，尤其当并机时若某台UPS 存在隐含故障时，则在切入的瞬间很可能出现由于两机不同步而产生的环流，当环流足够大时可能导致UPS逆变器损坏，造成UPS 中断所有输出。

3.3 双机组冗余式UPS整合方案

各车站分别设置2 套UPS 电源装置(含整流器、逆变器、隔离变压器、蓄电池组等)、负载同步控制器、智能控制单元及馈线智能配电柜。进线处设置双电源ATS，馈出母线采用双母分断，在各专业设备机房设置静态开关(STS)。正常工作时，2 套UPS 装置冗余分列运行，平均分担其负载电流，每台UPS 单机容量能满足系统总容量要求。其系统架构如图3所示。

该方案的优点是:① 可以做到定期对UPS 维护和蓄电池活化;② 消除了UPS 输出端“单点瓶颈”隐患;③ 系统不会出现环流;④ 负载端STS 会在小于5 ms 的时间内将备用电源馈送到所辖负载上，以确保系统的安全可靠运行。缺点是投资最大。

3.4 三种UPS整合方案的综合比较

1)三种UPS 整合方案的设备配置和技术经济比较如表2、表3所示。

图3 双机组冗余式UPS 整合方案

表2 三种UPS 整合方案的设备配置

表3 三种UPS 整合方案技术经济比较

2)存在的问题:①土建阶段，受车站规模和形式多样性的影响，当出现被整合系统的设备用房远离UPS 电源设备室时，建议该系统不纳入被整合范围。因为当距离相对较远时，UPS 整合电源室至被整合系统的设备房之间实质上是三电源单回路供电方式或三电源双回路供电方式，工程实际中一方面不可避免会出现馈线电缆的迂回，另一方面由于与其它管线可能共用桥架，不排除其它专业维护或故障导致共用桥架故障，使其供电质量和可靠性势必大打折扣。②实际工程中，UPS 整合电源室占地很大，而被整合系统的设备房面积减少有限(与传统UPS 分散配置相比较甚至未减少)，不但不能实现节约土建面积的初衷，而且为解决UPS 整合电源室的散热问题需增设专门的通风措施，徒增设备投资。③整合后单台UPS 的容量是按实际需整合容量的1.2 倍配置，如果是冗余式或并机式配置，设备系统更庞大。除了与之匹配的成套UPS 装置的整流/逆变装置、隔离变压器、ATS、蓄电池等设备的技术指标需全面提升外，后期还需对大容量蓄电池组进行定期充放电，设备总投资和运营维护费用按周期成本考虑是否会降低，还需要在实际运营中加以求证。

4 与传统UPS分散配置的对比

UPS 整合方案与传统UPS 分散配置的优缺点对比如表4所示。

表4 UPS 整合方案与传统UPS 分散配置的优缺点对比

5 结论

通过分析可得出如下结论:

1)有条件纳入UPS 整合系统的仅有自动售检票系统、乘客信息系统和门禁3 个系统。3 种UPS整合方案中以双机组冗余式UPS 整合方案为最佳，单机组UPS 整合方案不满足规范对一级负荷的供电要求，双机组并机式UPS 整合方案和双机组冗余式UPS 整合方案仅满足规范对一级负荷供电的要求，而不满足对一级负荷中特别重要负荷的供电要求。

2)UPS 整合方案相对传统UPS 分散配置方案的可靠性有所降低。

3)UPS 整合方案对土建的节约效果以及设备按周期成本考虑的总投资是否会降低，还有待实际工程的检验。

综上所述，现行的车站内UPS 整合方案并不比传统UPS 分散配置方案优越，不值得推广应用。

［1］GB 50157—2013 地铁设计规范［S］.

［2］GB 50174—2008 电子信息系统机房设计规范［S］.

［3］詹占岗，陈小林. 城市轨道交通弱电综合连续不间断电源(UPS)研究［J］.城市轨道交通研究，2013(7):102.

［4］周悦.集中式不间断电源在城市轨道交通应用中的关键因素及对策分析［J］.城市轨道交通研究，2013(8):44.