AFC系统采用集中式后备电源的经济可行性研究

余壮杰+周锦源+周健明+蔡媚媚

【摘 要】城市轨道交通的AFC系统需要可靠性较高的电源以保证供电质量和供电连续性。目前大都数AFC系统的UPS采用分散式供电方式，然而该方式具有可靠性低、占用面积大、管理及维护成本高等种种缺点，无法满足近年来地铁用户对UPS电源系统高可靠性、便于扩展、易于管理和节省空间的设计原则和要求，因此对采用集中式后备电源为AFC系统供电的可行性进行研究具有重要的现实意义。本文简要阐述了UPS的工作原理和设置方式，从经济方面分析了AFC系统采用集中式后备电源的可行性，并根据AFC系统对电源的要求，给出采用集中式UPS供电的合理性建议。

【关键词】AFC系统；UPS；经济可行性

0 引言

目前AFC系统的UPS大都采用分散供电方式，存在设备重复配置、利用率低、占地面积大、经济上不合理等缺点，而采用集中式UPS供电可以克服这些缺点。随着电力电子设备制造工艺和应用技术的发展，大容量电源和控制技术在通信和电力系统中应用已经成熟，为弱电电源系统的集中整合提供了条件。目前已有部分城市尝试采用集中式UPS为弱电系统供电，如上海7、9、11、13、2号线东延、2号线西延，北京4号线、机场线、15号线等。集中式UPS虽然可以提高系统稳定性，然而决定是否采用该方式还需综合考虑成本问题，因此有必要对分散式UPS和集中式UPS的成本进行分析对比。

1 UPS概述

不间断电源（UPS）是利用电池化学能作为后备能量，在市电断电等电网故障时，通过连续放电来实现供电的连续性，不间断地为负载提供（交流）电能的一种能量转换装置。其电源系统由四个部分组成：整流、储能、变换和开关控制。

UPS的配置方式可分为分散式和集中式两种。分散式就是根据设备的需要分别配备适合的中、小功率UPS。集中式是用一台较大功率的UPS负载所有设备。[1]

为了提高集中式UPS电源系统运行的可靠性，往往需要将多台UPS进行冗余连接，这种冗余连接技术包括串联连接和并联连接。其中又以并联冗余连接具有较高的可靠性。[2]

目前城市轨道交通后备电源整合方案中较多采用的是“1+l”并联冗余方案，该集中式UPS电源系统设置两套UPS电源装置，主要包含UPS主机单元、蓄电池及配电柜。[3]

UPS主机单元包括高频开关模块、逆变器、隔离变压器、静态旁路、检修旁路、综合测控装置等。两套UPS装置容量相等，平时分别带总负荷的50%左右，若其中一台UPS装置出现故障，另外一台UPS装置带所有负荷。

蓄电池按两套（每套两组）配置，分别接入两套UPS电源装置。两套蓄电池的总容量应满足失电后被整合设备总负荷100%的供电需求。平时，每套UPS装置的电池，保证一台UPS装置对负载供电的要求。若一台UPS装置出现故障时，投入两套装置的电池为全部负荷供电，电池不进行备份。

2 分散式UPS成本分析

目前地铁站级设备SC、TVM、AGM、BOM、TCM均分别配置各自的后备电源，暴露出故障多、管理分散、电池使用寿命低、建设和维护成本高等诸多问题，下面进行成本分析。

2.1 采购成本

以本人从事的某城市地铁某站为例进行分析，该站首次后备电源采购成本（仅设备成本，建设所需成本除外）如表1所示。

由于电器设备为消耗型器材，存在一定的使用寿命。为了保障设备的正常运营，地铁会按一定周期更换后备电池。现时的标准为两年更换一次，以该站为例，其每年的UPS后备电池更换成本为：每种设备的后备电池现场数量分别乘以该设备后备电池单价后求和，再除以2，得出平均每年更换后备电池的成本为15873元。

2.2 维护成本

2.2.1 现场维护成本

现场维护成本包括故障维护成本和计划检修维护成本。

故障维护成本，即现场维修人员所需的工时。从调查数据可知，该站每年的AFC系统后备电源故障数量约为9次，平均故障修复时间约为30分钟，每次更换需要两人合作完成，故每年所需故障维护成本为0.5小时/人/次*2人*9次=9小时。

计划检修维护成本，即维修人员进行计划性检修所需的工时。计划性检修包括季检、年检、周期更换电池等。维修人员在进行季检、年检时，需要对后备电源模块进行维护，检测后备电源模块在市电断电的情况下维持供电的性能；另外周期更换电池也需要一定的人力成本。以该站为例，通过检修相关计划要求，计算出每年计划性检修的维护成本为86小时。

因此，后备电源的现场维护成本为9+86=95小时。

2.2.2 返修维护成本

当出现维修人员现场解决不了故障的时候，后备电源需返回维修，这时同样地包含了不可忽略的人力成本、运输成本、材料成本。

3 集中式UPS成本分析

目前城市轨道交通后备电源整合方案中较多采用的是“1+l”并联冗余方案，以下对该方案进行成本分析

3.1 采购成本

集中式UPS的采购主要成本包括UPS主机、蓄电池及配电柜的成本。UPS主机选用深圳山特的3C3-EX30KS型号，单价35000元，数量2个；蓄电池选用深圳山特的12V100AH铅酸免维护电池，单价505元，数量70个（库存6个）；配电柜单价2000元，数量1个。总计采购成本107350元。

3.2 维护成本

集中式UPS的故障率极低，地铁某线路的BAS系统就是采用集中式UPS，开通至今已两年多，全线只出现过一次故障，因此集中式UPS的故障维护成本非常低。且该线路的BAS系统为单机系统，而“1+1”并机系统比单机系统具有更高的稳定性和可靠性，因此故障维护成本比单机系统更低，此处忽略不计。

其中该UPS的维护计划分为每月清洁1次和每季度充放电测试1次。每次清洁时间为半小时，充放电时间为1小时。故可计算出该站采用集中式UPS供电时的计划检修维护成本为：12个月*0.5h+4个季度*1h=10小时。

对于电池周期性更换，如同样按照现时两年为周期更换计算，每次更换需要32320元，与分散式成本相仿。

综上，通过UPS分散式供电与集中式供电的成本对比，可知集中式供电的采购成本比分散式节约了16%，维护成本比分散式节约了89%。

4 结论

通过对UPS采用 “1+1”并机冗余供电方案为AFC系统供电，该方案可提高系统的可靠性、可用度，且具有可维修性、可维护性和可扩展性，在技术上是可行的；通过成本分析可知，虽然UPS分散式供电与“1+1”并机冗余供电两种配置方式的前期投资成本差别不明显，但是由于集中式UPS能够降低故障率，大大节约维护成本；另外有助于统一UPS电源、蓄电池、备品备件的品牌型号，便于维护管理，提高维修质量和效率。在成本角度考虑采用集中式UPS为AFC系统供电是较合算的。

UPS整合的目的是优化配置、集中利用、减少投资、统一维护管理和降低运营维护成本。地铁弱电系统采用集中式UPS可以解决系统分设UPS带来的运营维护管理的不便，实现对UPS的远程监控及维护，降低用电量，达到节能的目标。目前国内部分城市已在进行弱电系统UPS电源整合的尝试，城市轨道交通领域资源整合是发展趋势。

【参考文献】

[1]郑旭日.UPS整合系统在城市轨道交通中的应用[J].中国高新技术企业，2010（21）.

[2]黄绍毅.UPS供电系统可靠性的计算分析[J].电气传动自动化，2005，27（5）.

[3]赵美君.地铁车站弱电系统集中UPS供电分析[J].电源技术应用，2007，10（7）.

[责任编辑：王伟平]