地铁综合监控系统供电优化设计

国电南京自动化股份有限公司 秦成虎 陈铭晖

南京地铁7号线是南京首条按GOA4标准设计的无人驾驶线路。首次在工程建设过程中引入第三方安全评估，对系统的可用性、可靠性、可维护性和安全性（RAMS）都有着严格的要求。作为系统运营监控核心的综合监控系统，其供电系统的RAMS指标直接影响到整个地铁线网的安全运行。为保证综合监控系统的可靠、安全运行，通常要配备不间断电源设备（UPS）。目前地铁的UPS配置有两种趋势，一种是按用电设备所承担的专业功能来进行划分，采取中、小功率的UPS电源分散供电模式设计；一种是采用一套大功率UPS系统向车站或中心的所有弱电系统负载提供UPS电源的集中供电方式[1-2]。

虽然UPS电源集中供电系统采用冗余UPS技术、具有更高的可靠性，但由于电池相对集中，对电池管理提出更高的要求，导致电源的风险过于集中。虽然供电系统出现问题的概率降低了，但万一出现电源系统故障时对地铁系统的运营影响却增大许多。所以目前UPS电源分散供电方案还广泛地应用于地铁弱电系统的供电设计中。

1 电源系统方案

为保证综合监控系统设备稳定、可靠地连续运行，在车站和中心分别设置独立的综合监控供电系统。供电系统主要由交流双电源切换装置、隔离变压器、UPS及蓄电池和电源监控系统组成。设备房低压变压器输出的两路独立交流供电引至双电源切换装置，切换后的交流电源引入隔离变压器、然后接入UPS，UPS输出到负载设备。设计中采用双电源切换、UPS冗余等技术，提高电源系统的可靠性、可用性（图1）。

图1 电源系统方案

1.1 双电源自动切换装置

从设备房低压变压器引出两路独立电源接到双电源自动切换装置输入端，用于在工作电源故障的紧急情况下将负载电路从工作电源自动转换到备用电源。双电源切换装置的集成控制器实时检测被监测输入电源（两路）的工作状况，如监测到工作的输入电源发生故障（如欠压、失压、断相等）且备用电源工作正常时，则控制器发出切换指令，转换开关将负载工作电源切换到备用电源，以保证负荷不间断运行。为防止双电源自动切换装置故障影响系统运营，为双电源切换装置设计了供电旁路断路器，即Q1和Q4。

1.2 隔离变压器

考虑到牵引变压器和列车供电接触网的影响，交流供电系统中的多次谐波及电磁干扰相对严重，有时甚至会导致电网中性线的电压波动，从而影响UPS系统的安全运行。在UPS的输入端设置隔离变压器，不仅可隔离外部线网对UPS系统的影响，还可为UPS系统构成新的中性点，形成一个相对独立的供电系统，从而提高系统供电的安全性。另外，由于UPS自身也是一个电磁干扰源，为防止本系统的UPS对外部电源的影响，增加隔离变压器也可降低综合监控系统电源输入端的传导发射干扰。

1.3 UPS电源

在本系统中，采取双UPS并机运行的模式（图2）。本系统的两台UPS系统在并机运行时，不需实时采集对方系统的电流、电压、频率和相位等参数就能实现系统同步，并在运行系统间实现负载电流的均匀分配。每个并联工作的UPS系统只需控制自己的输出电压、电流、频率及相位即可实现输出同步、负载均衡及故障UPS快速脱机等功能。

图2 UPS并机运行

并机运行的两台UPS系统同步跟踪交流旁路电源的频率和相位，由于并机运行的UPS的旁路电源是同一电源，因此每台UPS的逆变器输出的电压、频率和相位等参数近似相同，此时UPS系统还可小幅度地快速调整输出电源的相位，减小两个UPS系统输出的差异，以使得可能出现在UPS并机系统中的各台UPS间的“环流”尽可能地减小，理想情况下环流为零。为提高调节精度，在该并机系统中采用“高频度小步长”的调控方法，它在1秒内对UPS的逆变器执行3000次同步跟踪调节。当UPS间出现相位差时即会产生环流，通过各自的电流监测电路，当某台UPS检测到电流增大时其CPU会控制输出电源的相位向相反方向移动，减少环流，反复多次直到找到一个最小的电流值点，即同相点。

正常情况下并机运行的UPS系统输出电源具有同电压、同频率和同相位的特性，并均分负载。当负载突然变大时会引起UPS输出电流加大(ΔI＞0)，输出电压降低(ΔV＜0)，此时电压及电流的变化值之乘积为负值(ΔI×ΔV＜0)。当负载减小时会引起UPS输出电流减小(ΔI＜0)、输出电压升高(ΔV＞0)，电压及电流的变化值之乘积为负值(ΔI×ΔV＜0)。当其中一台UPS出现故障时，该UPS输出电压在升高或降低的同时反而会引起它的输出电流同样升高或降低，即ΔI×ΔV＞0。因此可以将ΔI×ΔV的正负作为判据判断UPS系统是否正常工作。利用这一判据，当系统中某一台UPS单机发生故障时，发生故障的UPS可自动诊断出故障并脱离系统退出运行。全部负载由性能依然正常的UPS并联承担。由于每台UPS的容量都按1倍安全余量设计，单台UPS供电系统也可一直维持系统连续工作，直到故障UPS修复并恢复多机并联运行状态。

2 可维护性设计

可维护性作为RAMS中的一项指标，关系到系统维修时间、可用率及维护人员的工作量。可维护性是指在不影响供电系统其他部分正常运行情况下，对供电系统中的问题设备、部件进行维护、维修或更换等操作，消除缺陷、恢复系统的工作能力。提高系统的可维护性包括缩短故障情况下设备的维修时间和减少设备维修频率两个方面。前者需在设计时考虑各部件功能的相对独立性，后者则需在设计时为设备提供有效、可靠的检测措施，及时发现系统中的问题，开始预防性的维护或维修。

模块化设计：在系统设计时，基于模块化设计思想提高系统的可维护性。本供电系统由配电柜、隔离变压器柜、UPS柜和电池柜组成。为方便系统检修和维护在系统中配置必要的隔离设备，当个别部件故障后，在不影响电源系统工作的前提下将故障部件进行隔离，使其具备维修条件并进行修复，当修复完成后再恢复到运行状态。如图1中的Q6、Q7和Q8所示，当隔离变压器故障时可先断开Q6和Q7，UPS系统进入电池供电模式，然后合上Q8使系统接入外部电源，此时系统可正常工作且隔离变压器已从系统中解列，满足维修的条件，从而节省维修准备的时间。

电池监控系统：为便于对UPS系统进行远程监控和集中管理，本系统将UPS系统的监控信息接入综合监控系统（图3），在控制中心实时监控UPS的工作模式、温度、电流、电压等参数信息，控制UPS模式切换等，同时接收UPS系统的告警信息，系统维护人员根据相关的告警信息，及时制定应对处理策略[3]。另外由于UPS连续不间断地工作，蓄电池长期处于充电状态、电池活性变差，容易出现故障。为此需监控蓄电池单体的电压、内阻、极柱温度、单体纹波电流、纹波电压等数据，运维人员可及时了解蓄电池的工作状态。在该系统中，通过单体电池监测模块实现单节电池电压的实时监控，如电池电压高于电压平均值则对电池进行放电、如电池电压低于平均值则对电池进行充电以达到主动均衡的目的。采集到的单节电池信息会被电池管理主控模块接收并转发给综合监控系统，在综合监控系统中对电池的状态进行集中监测。

图3 电池监测系统

3 系统RAMS分析

FTA（Fault Tree Analysis，事故树分析法）是系统RAMS分析中的常用的定量或定性分析方法之一，故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，用来表示故障事件产生的原因及其逻辑关系的逻辑树图[4]。利用FTA进行UPS供电系统可靠性评估有助于发现系统设计中的可靠性、安全性的薄弱环节，为系统设计提供指导和验证。故障树的计算结果取决于事件组合的失效概率和对系统整体建模[5]。为便于比较，在对图1进行FTA建模的同时，建立没有双电源自动切换装置及UPS冗余配置的供电系统的FTA模型（即去除故障树中的虚线框部分）并计算，对图1进行FTA建模（图4）。

图4 供电系统的故障树

结合相关设备的失效数据，通过对故障树进行分析计算，优化前、后的不可用度(Q)、MTBF(106h)、MTTR(h)分别为：3.065E -06/1E-14、0.1658/2.857E+07、0.5083/0.2857。从计算结果可知，经过优化的系统在系统不可用度、MTBF及MTTR等指标上都有较大的优化。

结论：地铁综合监控系统作为地铁工程弱电系统的一级负荷对供电质量要求很高，通过将RAMS技术应用到工程设计中，基于RAMS分析和优化设计的综合监控系统供电系统具有较高的可靠性、可用性和可维护性和安全性，满足全自动无人驾驶系统对综合监控系统的RAMS要求。