城市轨道交通UPS电源整合应用方案

一、 前言
　　
　　城市轨道交通车站内包含众多的弱电设备系统，如通信、信号、综合监控、环境监控、办公自动化、门禁、自动售检票、火灾自动报警、屏蔽门、应急照明、变电所综合自动化等这些系统负责地铁车站的旅客运输环境监控、信息传递和乘客导引等，属于重要或特别重要的一级负荷，需要可靠性很高的电源．以保证供电质量和供电连续性。
　　
　　在以往的轨道交通工程中．车站各弱电系统分别配置自己的电源系统，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。在运营维护中，各系统基本没有专业的电源维护人员，造成实质上的电源系统维护少或维护不当的状况导致蓄电池容量降低，不能达到备用时间要求。国内地铁曾发生由于蓄电池的原因，造成行车中断的情况。
　　
　　随着电力电子设备制造工艺和应用技术的发展，大容量电源系统和先进控制技术在通信和电力系统中成熟使用，为轨道交通工程中实现对各个弱电电源系统的整合提供了有利条件。在中国已有的地铁工程中，如北京地铁机场线工程中已经就车站弱电系统电源整合进行了初步尝试。
　　
　　二、 客户需求
　　
　　（一）整合原则及需求
　　
　　对各电源系统的蓄电池、装置进行硬件整合和集中布置，便于电源系统的统一维护与管理。通过集中布置减少设备用房面积，降低车站土建工程造价。通过硬件整合减少设备重复配置．实现资源共享节省设备投资。
　　
　　1、地铁中各弱电系统对电源的可靠性要求很高,电源断电时会造成地铁停运甚至人身伤害,带来不可估计的损失，因此各车站电源整合系统分别设置两套电源装置（含整流器、逆变器、蓄电池）、负载同步控制器、智能控制单元等。
　　2、电源及蓄电池设置。设置两套电源装置，在工程实施工程中，具体收集每一个设备的用电需求资料，并由此计算出较精确的容量。为确保能够长期安全可靠的运行，推荐UPS的最大负载量一般为60％～80％UPS的额定输出功率。根据相关工程经验，典型地铁车站各弱电系统的负载总量一般约为90kVA左右，所以每套UPS的容量可选120kVA。
　　3、负载同步控制器。当两路UPS电源不同步时，在转换过程中可能造成负载电压的扰动、接通时电流过大而停机。如要在电源不同步时可靠地转换．则必须增长间断时间（一般为15ms）。这样将对负载非常不利（计算机负载电源间断时间不大于8-10ms）。
　　4、智能控制单元。智能控制单元负责控制管理UPS电源装置蓄电池，对UPS电源整合系统监控信息上传。
　　5、机房整体设计应体现“绿色机房、科技机房”的特点，响应国家“节能减排”政策的号召，利用先进技术及设计理念整体提高系统节能指标。
　　
　　（二）各弱电系统负载类型及需求分析
　　
　　1、通信系统。负载类型：传输、无线、公务电话、专用电话、闭路电视、广播、时钟等子系统的计算机网络通讯设备电源要求能连续供应AC220V电源。
　　2、信号系统。负载类型：信号系统旅客信息系统等计算机、网络设备．控制设备；电源要求：能连续供应AC380/220V电源。
　　3、整合监控系统（含环境监控、门禁）。负载类型：计算机、网络设备，环境监控和门禁控制设备；电源要求：连续供应AC220V电源。
　　4、自动售检票系统（AFC）。负载类型计算机、网络设备，AFC终端设备．电源要求：能连续供应AC220V电源。
　　5、办公自动化系统。负载类型：计算机、网络设备：电源要求能连续供应AC220V电源。
　　6、屏蔽门系统。负载类型屏蔽门控制、驱动设备等电源要求：控制设备需连续供应AC220V控制电源驱动设备需要DC110V驱动电源。
　　7、火灾自动报警系统。负载类型．计算机网络设备、报警控制器等电源要求需连续供应AC220V电源。
　　8、变电所直流辅助电源。负载类型:装置电源、控制电源、电机电源，电源要求能连续供应DC220V电源。
　　9、车站应急照明系统。负载类型．包括疏散照明和备用照明，电源要求能连续供应AC220V电源。
　　
　　三、 供电方案建议
　　
　　根据上述客户需求，我公司提供由DeltaHIFT高智能容错UPS所组成的双总线供电系统。
　　
　　1、 UPS选型：
　　考虑到机房负载情况，以及对可靠性的要求，因此建议采用DeltaHIFT高智能容错120KVAUPS两台，组成双总线供电系统。
　　
　　该型号产品的物理尺寸：520×910×1695（W×D×H）重量：230Kg
　　
　　另外针对系统对同步控制的要求，普通的双总线系统会在两台UPS之间增加外置同步控制器，不但额外增加了成本，最关键的是增加的外置同步控制器会成为系统的单点故障点，因此会大大的降低系统的可靠性。而台达HIFT系列UPS内置了同步控制功能，这样系统就避免了同步控制器成为系统的单点故障，同时又降低了系统成本。
　　
　　2、 供电系统选择：
　　鉴于系统的重要性及高可靠性要求。所以选择DeltaHIFT高智能容错UPS系统——内部采用模块化结构，组成模块N+X冗余结构，因此系统供电可靠性要远远高于普通UPS所组成的双总线供电系统。
　　
　　3、 蓄电池容量选择：
　　系统后备放电30分钟。
　　蓄电池型号：DCF126-12/20012V200Ah蓄电池
　　蓄电池数量：40颗（一组）
　　
　　UPS电源整合系统分别从降压所0.4V两段母线引进一路AC380V电源作为两套UPS装置的输入电源。
　　
　　正常工作时，两套UPS装置冗余并机运行．共同分担其负载电流向各用电系统提供AC380/220V不问断电源每台UPS单机容量能满足系统总容量要求。并设置智能控制单元，负责按设定的时间依次切除各种负荷。
　　
　　屏蔽门系统、变电所辅助电源应急照明由各个系统独立设置后备电源，不纳入电源整合范围。
　　
　　方案系统图：

方案配置清单：

四、 方案优势分析
　　
　　随着企业对可用性的要求越来越高，为机房或数据中心配置采用容错技术的供电系统的必要性则突显出来。所谓容错，就是采用冗余的资源，使UPS系统具有容忍故障的能力，即在发生故障的情况下，仍能确保系统的逆变输出，为由服务器和存储等关键设备构成的网络系统提供洁净稳定的电源。
　　
　　 HIFT（High-IntelligentFault-Tolerance）------海福系列，即是Delta公司最新推出的高智能容错UPS，它的显着优势和带给客户的价值包括但不限于：

　　◆ 系统可靠性高
　　
　　系统可靠性计算公式：
   

 

　　
　　HIFTUPS模块2+1冗余系统可靠性：
     R₍₂₊₁₎ ={1-[1-R]²}³=0.9997　
　　HIFTUPS模块1+2冗余系统可靠性：
　　R₍₁₊₂₎ ={1-[1-R]³}¹=0.999999
　　供电方案 75%带载量 50%带载量 方案比较

　　HIFTUPS组成的N+X冗余供电系统，系统的实际负载量占设备容量的大小与系统的可靠度息息相关，实际负载量越低，系统冗余度越高，系统可靠度也就越高。这恰恰是普通UPS所无法比拟的。
　　
　　 系统可用性高
　　
　　可用性是衡量系统提供持续服务的能力。
   

 

　　
　　HIFTUPS采用模块N+X冗余技术，可在线热插拔故障模块，MTTR可视为0

　　不同供电方案可用性比较（MTBF以20万小时为例）

    HIFTUPS可降低“再发生故障”500－1000

 

    随需扩容
　　
　　快速变化的业务要求企业机房和数据中心具备灵活性（Agility）。当更多的IT应用强调动态结构时，支撑这些应用的UPS供电系统是必须提前一步到位，还是可以根据需要灵活配置？
　　
　　 传统UPS客户，在规划时必须满足未来可预见的最大负荷功率要求。比如，现在负载总容量虽然只有20kVA，但因将来可能会增长到60kVA，客户在初始配置时通常都会直接采购功率为达到100kVA的UPS，以避免未来因升级困难而导致的容量不足。
　　
　　 HIFT（海福）UPS因采用模块化结构，可以在20kVA到480kVA的宽广范围内，以20kVA为单位来随时随需在线扩容，客户不再需要仅是为未来的可能性而提前投入大笔费用。（见下图）

 

　　HIFT（海福）UPS的这种灵活性，即允许配置容量最贴近实际需求容量的能力，不仅降低了UPS的初始购置成本，更减少了配套设备（如空调）的配置与能耗支出，有效防止了基础设施超前超大规模设计导致的不必要开支。
　　
　　 高效节能——降低运营成本
　　
　　绿色节能不仅是企业对社会的责任，更与企业运营成本息息相关。
　　
　　通常带载越少，UPS效率越差。而HIFT（海福）UPS，即使带载只有额定容量的15%，整机效率亦超过90%；当带载达到27%时，效率就已高达94%。效率在百分比上的每一小步提升，能耗支出的节省都是一大步。
　　
　　HIFTUPS效率曲线图
　　
　　效益分析：

　　UPS一年耗电量：

　　空调制冷成本（以空调的EER(能效比)为3.3来计算）：

　　
　　根据上述计算，采用HIFTUPS与普通UPS相比较，仅从电费这一项上来计算，每年两台80KVA的HIFTUPS每年节省的电费=（15540+4535）度×1.8元×2=72270元。
　　
    小配件大管理
　　
　　HIFT（海福）UPS，加上SNMP卡和环境监测模块，即可对机房的动力环境，包括温度、湿度、火、烟雾、漏水、以及门禁，进行全面的监控和管理。

 

    五、 结论
　　
　　综上可知，城市轨道交通中弱电系统的UPS电源整合是适应轨道交通快速发展而出现的它对合理配置电源资源起到了较大的作用，提高了轨道交通弱电系统的经济性、安全性，并减小了维护量。随着轨道交通的快速发展，UPS整合电源必将得到快速发展和广泛应用。