轨道交通UPS集中供电系统的RAMS研究

别碧勇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

1.1 RAMS及在轨道交通领域的应用

RAMS是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可维护性(Maintainability)和安全性(Safely)的缩写[1]。RAMS概念源于20世纪70年代,用于对大型复杂项目的管理,最早应用于核电、军工、民航等领域,目前在国外轨道交通行业也取得了广泛应用,在国内北京地铁4号线、上海地铁10号线等已率先引入RAMS管理,国内很多新建的轨道交通工程也准备采用RAMS进行安全性和可靠性管理。

英国标准协会(BSI)1999年颁布了EN 50126《铁路应用——可靠性、可用性、维修性和安全性的规范和验证》,成为欧洲各国轨道运营商和供货商广为采用的RAMS管理标准,也是目前轨道交通行业实施RAMS管理的基础[2]。RAMS体系既适用于轨道交通工程整个项目,也适用于项目分解后的某个具体系统,例如本文要展开研究的轨道交通UPS集中供电系统。

1.2 轨道交通UPS集中供电系统

轨道交通是大型复杂系统工程,其机电系统包括通信、信号、综合监控、自动售检票、设备与环境监控、火灾报警等专业应用系统。早期这些机电系统不间断电源(UPS)按照专业分散配置,各系统不论耗电量大小,均配置一套UPS电源设备,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。随着近些年大容量的UPS技术的快速发展,轨道交通建设逐渐采用对通信、信号、综合监控等系统进行UPS集中供电方式,即采用UPS集中供电系统。上海地铁7号线、北京地铁9号线、天津地铁2号线、苏州地铁1号线等项目目前已经或正在实施UPS集中供电系统。

UPS集中供电系统主要由几个部分组成：交流不间断电源设备(UPS)、交流配电屏、高频开关电源、蓄电池及电源监控模块。这个新诞生的系统也面临以下问题：一方面UPS集中供电系统服务于众多机电控制系统,风险也集中了,对其安全性、可用性要求也就提高了；另一方面,该系统工程实施中涉及到的接口众多,目前该产品市场成熟度还不高,很难由一家供货商提供全套产品和服务,存在模块选型匹配、接口协调等问题。

因此,非常有必要对该系统引入RAMS管理,对其可靠性、可用性、可维护性及安全性进行定性和定量分析,研究其方案设计、设备配置、运行管理等全生命周期中存在的风险因素及应对策略。

2 UPS集中供电系统的RAMS设计

2.1 UPS系统可用性和可靠性指标

可靠性是指系统在规定的条件下、在规定的时间内,完成规定功能的能力,通常用平均无故障工作时间 MTBF(Mean Time Between Failure)来衡量。根据UPS系统的基本需求,综合考虑系统各设备的可靠性,以及轨道交通运营需求,系统整体可靠性指标MTBF应大于10万h。

可用性是指在给定的瞬间或在给定的时间间隔内,处于某种状态的产品在给定条件下执行所要求功能的能力。通常用可用度来衡量。可用度=系统运行时间/(系统运行时间+系统停机时间)×100%。即可用度=MTBF/(MTBF+MTTR)×100%。提高系统可用性的基本方式就是延长MTBF,缩短MTTR。根据UPS系统的基本需求,属于具有故障自动恢复能力的可用性,其可用性指标应达到99.9%。

2.2 UPS系统的可用性和可靠性设计

提高UPS系统可用性和可靠性可以从UPS系统运行保护方式、容量冗余配置、后备蓄电池及优化、输入输出保障等方面入手。

(1)UPS运行保护方式

为确保系统供电可靠性,可采用UPS并机冗余的运行方式,实践证明,随着位于UPS冗余系统中的UPS单机的数量增加,整个UPS并机系统的可靠性是不断下降的(表1)。轨道交通建议采用1+1并机冗余方案。

表1 并机系统可靠性比较

注：UPS单机MTBF取为1。

(2)UPS容量的冗余考虑

UPS容量根据负荷量计算确定,为增加系统的可靠性,同时延长UPS使用寿命,一般建议负荷量占UPS输出功率的60%～70%为宜,同时要考虑UPS的输出功率因数。一般计算公式如下

式中Se——UPS设计容量；

n——安全系数,取1.2～1.5；

m——余量系数,取1.15～1.2；

P——所有专业功率和；

Pi——第i个专业功率。

(3)后备蓄电池配置与优化

后备蓄电池是UPS电源系统的重要组成部分,能将电能转化成化学能存储。正常情况下,供给负载的电源是外供交流电源经UPS整流、逆变后输出的220/380 V交流电源,同时给蓄电池充电；当外供交流电源故障时,蓄电池放电,将化学能转化成电能。它是决定整个电源系统可用性的重要因素。

后备电池容量配置主要由负载大小、环境温度、电池放电率等因素决定,具体计算方法如下

式中C——蓄电池容量；

IL——负载工作电流；

T——后备时间；

α——温度系数；

t——工作温度；

K——蓄电池放电效率,一般取值0.5～1,与放电时间有关。

其中,后备时间是关键参数。一般取值方法有3种：简单的取最大值、算术平均值、加权平均计算法。加权平均计算法可以采用如下公式初步估算

T=(P1×T1+P2×T2+…+Pi×Ti)/

(P1+P2+…+Pi)

式中Pi——专业i的用电量；

Ti——专业i的后备时间。

以某轨道交通工程为例,根据表2的数据,采用加权平均计算方法,得T=0.8 h,比简单取最大值方法电池容量配置核减约60%。而后备蓄电池的造价占到整个电源系统成本的近一半,在满足系统可用性要求情况下,节省了投资。

表2 普通车站各专业的用电需求

2.3 UPS系统的安全性分析

提高UPS系统安全性主要从潜在风险的过程控制上入手。

潜在风险包括方案设计上的缺陷、环境安全风险、设备安全风险、使用与管理不当等方面。其中,方案设计方面已在前述章节中详细讨论,这里从环境、设备自身、使用管理等方面分析潜在的风险及应对措施[3]。具体分析见表3。

表3 风险要素分析与控制措施

2.4 UPS系统的可维护性分析

提高UPS系统可维修性可以从设备功能、维修机构设置和维修方案等层面入手。

(1)设备的可维修性

UPS设备配置上采用1+1并机冗余,另外内置维修旁路,维护可以转到维修旁路,单机的维修或扩容均不会对负载产生影响。

在监控中心设置UPS电源集中监控系统,对在各个车站、停车场、车辆段、控制中心的UPS设备等进行远端遥控、遥测、遥信和监控。故障发生时,监控中心应有可闻、可视告警信号(灯亮、铃响),并对故障进行定位。UPS电源系统重要板卡的告警,在告警显示上设置专门具体的提示,以便维护人员能迅速判定故障,进行处理。

建立专家数据库：应在监控系统软件内存贮各种可能的故障信息,并针对每一种故障给出多种维修和应急处理预案,还应具备自动处理功能,包括整流器和逆变器的开/关、转旁路、将故障UPS从并机系统中隔离等。

(2)维修机构设置

通常UPS系统不单独设置维修车间,纳入在综合维修基地设置的通号车间或供电车间,下辖一个或多个维修工区,按线路平均分布在邻近车站上,负责所辖范围各站UPS设备维护及日常巡检。

(3)维修方式

UPS设备维护建议采用日常维护、定期检修、巡检等方式,即对涉及日常运行的UPS设备,实行预防维修方式,以现场检修为主,车间检修为辅。其中对蓄电池的巡检与例行检查是重要内容之一,主要内容见表4。

3 UPS系统RAMS实施建议

(1)制定UPS系统RAMS规划

从项目开始制定系统RAMS规划,贯穿生命周期,且关注过程控制。RAMS是过程控制的思维,其关注的焦点在过程而非结果,通过建立一套完整的体系对系统性能及效果进行规范,对实现的过程及方法做系统性的规定,同时强调项目全生命周期过程控制(图1)[4]。

表4 维修检测方式

图1 系统安全生命周期流程

(2)RAMS实施需多方参与、分工协作

UPS系统的生命周期涉及到业主、设计单位、集成商、供货商等多家单位,各方在不同阶段对RAMS的管理有不同的责任和任务。要成功推行RAMS,各方必须互相配合、且对RAMS管理达成共识。

(3)经济性与安全性的平衡

RAMS管理中引入了目前英国铁路安全管理中普遍应用的“低至合理可忍受程度原则”,即ALARP(As Low As Reasonable Practicable)原则,如图2所示[5]。

图2 ALARP原则示意

基于图2,在城市轨道交通的安全管理中涉及到3类风险。

第1类：足够大的风险(图2中“不可接受区”)。这些风险是不允许的,不能以任何理由认为其是合理的。如果风险的等级不能降低至此界限以下,则不能进行此项目。

第2类：足够小的风险(图2中“广阔的可接受区”)。可忽略这些风险,即不需要采用任何方式或方法去减低它,当然必须将该区域的风险始终保持在该等级水平上。

第3类：介于第1、2类之间的风险(图2中“ALARP”区)。必须采取可行的、合理成本下的方法将其降到可以接受的最低程度；同时,必须对风险降低而花费的代价评估,在风险和代价之间进行平衡。例如UPS集中供电系统设计中,没必要在后备蓄电池上盲目追加额外投资,因为这样的投入与所获得的改进不成比例。

4 结语

综上所述,从UPS系统方案设计、设备配置选型、项目管理、运营维护等各方面,探讨了UPS集中供电系统的RAMS引入方法、控制目标及实施细则。提到的各项措施如果在工程建设过程中予以落实,不仅能提高UPS系统的RAMS指标,而且结合工程经验初步估算,在满足UPS系统可靠性、可用性、可维护性和安全性保障的前提下,可节省一次建设成本30%以上,降低运营成本10%以上(减少备品备件损耗和运营维护工作量),经济效益也相当可观。

[1]EN50126—1999 Railway applications: the specification and demonstration of reliability,availability,maintainability and safety[S]. British Standards Institution, 1999.

[2]陈 蕾.城市轨道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市轨道交通,2007(5):4-5．

[3]崔建乐.地铁通信电源系统的安全控制[J].都市快轨交通,2008(4):78-79．

[4]汪元辉.安全系统工程[M].天津：天津大学出版社,1999．

[5]陈 蕾.城市轨道交通引入RAMS管理的必要性[J].城市轨道交通,2007(5):4-5．