城市轨道交通通信系统UPS电源可用性提升方案研究

丁称发

1 现状研究

早期轨道交通通信、信号、综合监控等弱电系统的UPS电源通常为各自独立设计，其中通信配置的UPS电源容量较小，一般在10～30 kVA左右。相对而言，大容量的UPS主机在元器件选型、安全保护程序设计、主控板卡和风扇冗余等方面比中小容量UPS主机做得更完善，可靠性更高。理论上，小容量UPS的MTBF（平均无故障工作时间）值约为4万～14万h，中容量UPS的MTBF值约为13万～22万h，大容量UPS的MTBF值约为20万～40万h［1-2］，因受使用环境、元器件老化等因素影响，其实际值远小于理论值。为提高UPS电源的可用性和维护效率，节约UPS电源用房面积［3］，目前普遍采用整合各弱电系统UPS电源的做法［4］，如深圳地铁、广州地铁和成都地铁，目前普遍采用配置公共的综合UPS电源，同时为通信、综合监控、自动售检票、安防、FAS、BAS或信号等弱电系统供电。综合UPS电源整合项目调研情况见表1。深圳地铁采用的传统综合UPS电路原理见图1。

图1 传统综合UPS电路原理

表1 综合UPS整合范围调查

整合各弱电专业的UPS电源后，带来的效果是显著的。各专业可以共享备用容量，提高UPS电源的负载率，降低变压器的轻载损耗，同时可以提高运维效率。但是，把所有弱电系统的配电放在一套UPS电源里，一旦其中某一个部件出故障，承担的风险也随之加大。近几年，随着地铁装备国产化水平的提高，由UPS电源故障引起的地铁停运事故也逐步增多［5］，国产UPS电源设计水平、开关元件的质量、控制逻辑与国际一线品牌还存在一定差距。以下分析UPS电源的常见故障类型及原因，通过改进设计提高UPS电源的可用性。

2 故障原因分析

1）双电源自动转换开关容易造成单点故障

双电源自动转换开关（ATSE）是一台技术含量较高的部件，其质量的好坏，直接影响输出端的配电安全。因ATSE质量问题引起的停电事故已不在少数。当下一级ATSE断路器与负载断路器之间的保护电流设定值不匹配时，负载短路，断路器未能起到保护ATSE的作用，负载短路冲击电流容易加速ATSE损坏。

2）UPS主机单电源输入降低了UPS电源的可用性

有些UPS主机采用单电源输入，UPS主输入与静态旁路输入共用输入源［6］，一旦出现逆变器故障或电容漏液短路时，短路冲击电流导致上级保护断路器跳闸，而使UPS无法转换静态旁路供电，导致负载断电。30 kVA以上的UPS，一般具备独立的主路输入和静态旁路输入，即使没有也可在招标阶段提出单独增加静态旁路输入的需求。有些UPS主机在出厂时，默认把静态旁路输入和主输入短接，安装时可拆除短接条改成双电源输入。

3）UPS主机无法快速隔离自身故障

在UPS主机出现严重故障时，如逆变器短路、滤波电容漏液、击穿等，UPS控制板无法跟踪静态旁路的相位、频率和电压，为保证负载不失电，控制逻辑会强制内部的静态转换开关（STS）切换到静态旁路供电。STS切换主要是利用2路双向可控硅（SCR）来控制电路通断的。根据可控硅的特性可知，控制电路可以实时控制SCR开启，却无法实时关闭，SCR必须在电流过零点后才能关闭。正常情况下，UPS主机实时跟踪静态旁路电源的相位、幅值和频率，并保持主路输出与静态旁路电源同幅、同相和同频，STS在“先断后通”的控制原则下，可以在5～10 ms内实现主路电源和静态旁路电源间的切换。当UPS主机逆变输出部分出现短路瞬间，主路逆变电源已失步，STS瞬间接通静态旁路电源，却无法与主路快速分离，静态旁路电源经STS反向注入逆变器输出电路，造成包括逆变桥臂、母线电容等器件的二次短路，这种反灌是不受控的，容易引起逆变桥臂、母线电容的爆炸。巨大短路电流，不仅造成UPS负载失电，而且造成UPS主机故障范围扩大，损失进一步加大。图2是以三相电中的一相为例说明UPS内部静态开关在正常与特定故障场景下的切换过程。

图2 UPS静态开关切换场景

3 改进建议

3.1 可用性定义

GB/T 2900.13—2008/IEC 60050（191）：1990将可用性（Availability）定义为，在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在给定的条件下，在给定的时刻或时间区间内处于能完成要求的功能状态的能力。它是产品可靠性、维修性和维修保障性的综合反映。可用性的计算式为

由式（1）可知，要想提高UPS电源的可用性，就必须减少故障次数或故障修复时间。

3.2 双UPS并机方案

双UPS并机方案已在不少城市的轨道交通项目中使用。2台同品牌、同型号的UPS通过并机线同步，实现2台UPS输出同幅、同相，共担负载。双UPS并机方案系统示意见图3。当一台UPS主机出现故障时，自动关闭故障UPS主机的输出，由另一台UPS承担负载供电，双UPS并机方案可以实现在负载不断电的情况下对故障UPS检修。然而在某些情况下，一台UPS故障会拉垮另一台UPS，双UPS并机方案只能在UPS主机发生一般性故障时实现冗余备份［7-8］。故双UPS并机方案电源的可用性提高并不明显，相对于单UPS方案99.985 379%的可用性而言［1］，仅提高了0.000 7个百分点。根据《铁路信号源系统设备：第6部分：不间断电源（UPS）及蓄电池组》（TB/T 1528.6—2018），在UPS电源整合了信号系统设备供电时仍无法满足信号电源99.999 5%的可用性要求。

图3 双UPS并机方案系统示意

3.3 双UPS双母线方案

利用重要设备双电源冗余的特点，配置2套完全独立的UPS主机、配电母线和开关元件，每一套电源分别向负载设备供电，2路电源在各设备内部低压直流侧并联。当2套UPS电源均正常工作时，负载设备的双电源均衡输出，共担设备用电；若一台UPS故障，不影响另一台UPS输出，由用电设备的另一个电源模块担负起设备的所有用电。为保证在单台UPS设备下电检修时仍然保证负载能获得2路不同的电源供电，在2路UPS电源之外，设置2路维修旁路。双UPS双母线系统示意见图4。对于少数只有单电源但又比较重要的设备，可采用单相小容量STS静态开关在负载端进行双电源切换［9］，用较低的成本实现双电源供电。

图4 双UPS双母线系统示意

考虑到地铁供电质量比较高，UPS电源2路输入电源同时出故障的概率非常低，甚至可以取消UPS输入端的双电源转换开关ATSE，改用断路器可靠性更高，而且节约工程投资。

在2套UPS电源带载单电源用电设备配平时，失去2路市电后，2台UPS的后备电池放电速度基本相同。从节约工程投资角度出发，每一台UPS主机配置的电池数量可按式（2）计算，约为单台UPS方案所需蓄电池总数的60%［10］。

式中：n为蓄电池总台数；P为负载总功率，单位kW；h为UPS后备时间，单位h；η为UPS逆变器效率；K1为电池老化系数，取值0.8～0.85；K2为不平衡系数，建议取值1.1～1.3；W为所选电池型号对应UPS后备时间放电功率。若各专业后备时间不同，应分别计算。

双UPS双母线方案相对于传统的方案，2套系统是并联关系，不增加故障节点，可以大幅度提高UPS电源的可用性，从市电引入，开关元件、UPS设备及配电箱输出均相互独立，任何一点故障，均可由另一套电源供电，维持负载始终不断电，理论上可用性达到99.999 997%［1］，完全满足信号系统用电的需求。在设备运营日常检修时，可切断任意一套UPS的电源，对UPS主机或开关进行除尘、维修，不仅保证了运维人员的安全，而且不必再等运营结束后检修，大幅度提高了运维效率。该方案被大多数银行、大型数据中心、民航和广电所采用，但是造价相对较高，相对于单UPS方案成本提高约10%。

3.4 UPS负载容量统计建议

地铁弱电综合UPS所带负载基本恒定，后期大幅增加负载的概率非常低。设计单位普遍以设备标称额定功率统计UPS负载功率，并据此配置后备蓄电池的容量，导致工程中UPS实际负载率特别低，普遍只有20%～25%，后备蓄电池放电测试时需4～5 h才能把存储的电量放完，远大于地铁设计规范对通信后备供电时间的要求。深圳地铁2、3、5、6号线车站UPS负载情况抽样统计见图5，其中福保站1和福保站2为同一座车站2套并机UPS主机的负载数据。

图5 车站综合UPS电源负载抽样统计

电子设备负载标称额定功率与实际工作功率相差比较大。特别是IT类设备，标称额定功率是指在满配CPU、硬盘、板卡或其他硬件处于最强运算能力时的耗电需求。但实际工程中，计算机类设备满配硬件的概率极低，CPU计算及存储也不是持续高负荷运行。在计算IT设备实际用电功率时，可引入配置系数C，同时利用系数K，通过C和K修正IT设备的实际功率。重点根据GPU显卡、物理CPU和硬盘配置数量确定C的取值，参考值0.7～1.0。K根据计算量大小确定，地铁工程参考值为0.6～0.85，UPS容量为经过修正后的负载功率之和的1.2倍。为耐受电子设备通电时电容充电的瞬时大电流，各终端用电回路配电开关的容量应按设备最大功率选型。

4 结论

1）通过增加1台UPS主机和回路开关，实现双路电源在终端设备内通过直流并联，减少双电源之间的切换，充分发挥IT设备双电源冗余的作用，提高UPS电源的可用性，确保地铁通信、信号等设备配电的安全。

2）通过精准计算UPS负载的功率，合理配置UPS的容量和后备蓄电池数量，不仅节约工程投资，还能提高UPS电源的工作效率，降低空调给UPS设备散热的能耗，达到节能降耗的目的。