UPS在城市轨道交通中的应用

梁明晖

（西安市地下铁道有限责任公司，陕西 西安710016）

1 UPS概述

UPS是不间断电源（Uninterruptable Power System）的英文简称，是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要电气设备。UPS按工作原理可分成后备式、在线互动式和在线双转换式三大类，这三种类型的UPS工作方式各不相同，适用于不同的工作场合。目前，国内城市轨道交通领域普遍采用在线双转换式UPS电源。

在线双转换式UPS的工作原理是：在市电正常时，将市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电；在市电异常时，逆变器由蓄电池提供能量；逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。该类型的UPS具有较宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高等特点，因而特别适合对电源供应要求较高的系统或设备。在线双转换式UPS电源由整流模块（或整流器）、逆变器、静态开关、旁路开关、监控模块和蓄电池组等组成，其结构如图1所示。

图8 在线双转换式UPS电源结构图

2 城市轨道交通设备系统对UPS的应用要求

城市轨道交通中包含众多的设备系统，如通信、信号、综合监控、环境监控（BAS）、自动售检票、屏蔽门、门禁、火灾自动报警等，这些系统承担着旅客的安全运输、信息传递以及防灾减灾等重要任务，属于重要或特别重要的一级负荷。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。上述各系统多为由计算机、网络设备等构成的重要负载，需要AC380／220 V电源，最适合采用UPS系统进行供电。

由于城市轨道交通线路的运营环境及其设备系统的特殊性，一般要求提供电源的UPS满足下列要求：

（1）可靠性高，能适应较为封闭的运行环境，以确保各设备系统全天候、稳定、可靠的运行；

（2）安全性高，保护全面，不易造成人为设备故障，不会威胁；

（3）电源质量优，整机效率高，能源消耗少；

（4）绿色环保，避免污染电力环境及自然环境；

（5）便于近、远端管理，有标准的通讯接口及开放的通讯协议；

（6）尽量少占资源，节省安装空间。

除了上述的通用要求外，本文以地铁的设备系统为例，简要介绍它们对UPS的具体应用要求，如表1所示。

3 UPS电源供电方式

3.1 供电方式分析比较

UPS的供电方式可分为集中供电方式和分散供电方式两种，如表2所示。集中供电方式一般是指由单台大功率UPS或两台以上并联的中大功率UPS向车站所有设备系统提供高质量的电源。分散供电则是根据各设备系统的需要分别配备适合的中小功率UPS［1］。国内早期建设的轨道交通线路各设备系统较为独立，加之当时成熟应用的大功率UPS设备较少，所以多采用分散式供电方式。目前，随着大功率UPS设备及并机技术的日臻成熟，已有部分城市的新建线路采用UPS集中式供电，如深圳地铁三号线、北京地铁机场线等。这两种UPS供电方式相比较各有利弊，但集中式供电更有利于资源的综合利用，更有利于设备的专业化维护与管理，同时也有利于节省设备房使用面积，节省工程投资，所以目前整合轨道UPS电源已经成为一个发展趋势。

表1 地铁各设备系统对UPS的应用要求

表2 UPS集中供电与分散供电比较

3.2 集中供电方式

集中供电方式可以有多种实现方案，如单机集中供电、双机单总线集中供电、双机双总线集中供电、多机双总线集中供电等，集中供电方式的具体方案选择应该在线路初步方案设计时就完全确定，应综合考虑土建设计、各系统设计方案、运营维护、造价成本等方面。由于具体的集中供电方案有很多，本文无法一一详细介绍，故选择几种典型的方案加以分析。

3.2.1 双机单总线集中供电方案

该供电方案的拓扑结构如图2所示，由两台直接并联运行的UPS向所有负载供电，两台UPS均分负载。这种供电方案设备采购数量少，容量冗余大便于系统扩容，可靠性高于单机集中供电方案，但任何负载侧的故障都可能造成系统间的影响。

图2 双机单总线集中供电方案

3.2.2 双机双总线集中供电方案

该供电方案的拓扑结构如图3所示，由两台并联运行的UPS电源向所有负载供电，电源的输出端由STS控制向负载供电。这种供电方案下两台UPS工作相互独立，可以减少相互间的故障影响，可靠性非常高，但设备采购费用非常大。在建设成本允许的条件下，这种供电方案或较之更可靠更灵活的多机集中供电方案应该是将来城市轨道交通领域UPS供电发展的趋势。

图3 双机双总线集中供电方案

3.3 分散供电方式

3.3.1 单机分散供电方案

该供电方案的拓扑结构如图4所示，各系统分别由单台UPS向其负载供电，即各个系统都配置独立供电的UPS。这些UPS具有独立的监控系统，独立的蓄电池组，单台设备故障时只对所在系统产生影响。这种方式要求UPS电源的设备数量较多，运营后的维护检修工作量大。目前，西安地铁二号线各系统仍采用这种传统的供电方式。

图4 单机分散供电方案

3.3.2 双机分散供电方案

该供电方案的拓扑结构如图5所示，各系统分别由两台并联运行的UPS向其负载供电，两台UPS均分负载，互为备份。这种方式要求UPS电源的设备数量大，设备采购费用高，设备房面积要求大，但这种方式的可靠性较单机分散供电方式有很大提高。目前，有些城市新建地铁线路选择采用这种供电方案，如南京地铁二号线等。

4 UPS蓄电池容量计算方法

蓄电池容量（Ah）是指在标准环境温度下，蓄电池在给定时间内放电到终止电压时，可提供的恒定电流（A）与持续放电时间（h）的乘积［2］。蓄电池的配置容量理论上应等于或略大于系统的最大折算负荷容量。容量估算较低可能造成系统的紧急状态备电时间不能满足设计规范和实际需要；而容量估算过高则可能造成蓄电池采购费用上升，运营状态下充电功耗增大带来的能源浪费和维护成本的上升。因而采用较为准确的方法估算蓄电池的容量对于地铁建设和运营维护具有非常重要的意义。

图5 双机分散供电方案（ATS部分仅为示意）

对于UPS的蓄电池配置容量，可根据蓄电池产品手册中提供的恒功率放电资料表或者恒流放电曲线，通过恒功率法、电源法、恒流法以及估算法等计算方法来确定蓄电池的容量和数量。本文将以通信系统的UPS蓄电池为例，介绍两种应用广泛且相对准确的容量计算方法。

4.1 恒功率法（查表法）

这种方法首先计算在后备时间内，单体蓄电池中每个2 V的Cell至少应向UPS提供的功率，计算步骤为：

计算出Pnc后，可以在蓄电池产品手册中Umin所对应的恒功率放电参数表中，找出等于或者稍大于Pnc的功率值，这一功率值所对应的蓄电池型号应能满足UPS系统的备电时间要求。如果表3中所列的功率值均小于Pnc，则可以通过多组蓄电池并联的方式达到要求。

表3 恒功率法计算参数表

4.2 电源法

这种方法是国家原邮电部为通信行业蓄电池容量选择而规定的方法，详细说明请参阅《YDT5040－2005》标准文件，计算步骤为：

（1）计算出蓄电池组的最大放电电流

（2）计算出蓄电池组的最小容量

电源法计算参数如表4。上述两种计算方法各有侧重，恒功率法是UPS蓄电池容量计算的最常用方法。在UPS蓄电池运行环境稳定，且UPS负载长时间在额定容量80%以下运行时建议选用此方法。电源法则全面考虑UPS蓄电池在整个服役期间的性能状态，在蓄电池运行环境温度变化较大时，更能准确计算出蓄电池的容量。一般而言，同等条件下，电源法配置的容量要高于恒功率法30%以上。在实际应用中需要综合考虑铅酸蓄电池的使用条件、UPS所带负载情况以及应用场合来选择计算方法。

表4 电源法计算参数表

5 UPS使用和维护注意事项

UPS电源如果操作使用不当或维护不到位，可能造成设备损坏，导致系统失电等后果，严重影响运营安全，所以必须高度重视UPS的正确使用和日常维护。

（1）不能按照UPS的额定容量来使用UPS，长期满载或过度轻载都会影响UPS的使用寿命。

（2）不应频繁启动或关闭UPS电源，否则会引起启动失败。

（3）注意防雷击，保证UPS的有效屏蔽和良好接地。

（4）应注意UPS的使用环境变化，环境温度过高将极大地缩短蓄电池的使用寿命，温度和湿度对UPS主机本身的寿命也有很大影响。

（5）UPS主机应定期清洁保养，勿沾染灰尘，延长设备使用寿命。

（6）UPS进出风口要保持通畅，定期检查设备各连接线，并防止碰撞或松动以及潮湿。

（7）UPS初次使用或长期闲置后使用，应先对蓄电池进行长时间充电后再使用。

（8）不要使UPS长期处于浮充状态而不放电，长期处于浮充状态会造成蓄电池内阻增大或永久性损坏。

（9）尽量避免蓄电池的过放电，蓄电池放电亏损将可能导致蓄电池永久性损坏。

（10）平时维护保养时，应仔细查看蓄电池是否有变形、裂纹及漏液痕迹。

6 结束语

城市轨道交通领域中各设备系统多为一级负荷，要求供电质量较高，需要采用高可靠性的交流供电方案。各城市的新建线路一般从整体供电方案、土建结构、工程预算、技术成熟度、应用案例等多个方面综合评估，最终确定各系统的UPS供电方式并计算出相应的蓄电池配置容量。另外，UPS使用单位应重视UPS主机及蓄电池组在全寿命周期内的使用和维护，特别要关注系统验交前的设备管理和调试情况。

［1］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）：53.

［2］漆逢吉.通信电源［M］.北京：北京邮电大学出版社，2005.