地铁行业UPS供电系统解决方案

 1 城市地铁通信系统概况

    近年来城市轨道交通行业发展迅猛，国内各大城市陆续建设城市地铁，地铁已经是一些大中型城市不可缺少的交通工具。地铁系统中通信系统是地铁工程运营指挥、企业管理、服务乘客和传递各种信息的网络平台。系统应具有先进性、开放性、可靠性、易扩充性、组网灵活性等特点，能传递语音、数据、图像等各种信息的综合业务数字通信网。通信系统在正常情况下应能保证列车安全高效运营，为乘客提供高质量的出行服务，在异常情况下能迅速转变为供防灾求援和事故处理的指挥通信系统。通信系统的重要性决定了通信系统供电设备的可靠性成为重中之重。由于市电电网中接有各种各样的负载，对电网造成了干扰和污染，恶化了供电质量，影响了负载设备的正常运行，导致服务器的数据丢失等问题的产生，给用户造成了不可估计的损失。UPS供电系统的建设目的，是通过UPS供电系统给机房内用电设备提供高质量、不间断电源，来保证用电设备正常工作。UPS不间断电源系统可以解决数据机房电源断电、电压尖峰、电压浪涌、频率漂移、谐波干扰、过欠压、电压波动及噪声电压等由市电电源质量差对前端设备造成的危害。

    一般地铁工程通信系统由以下13个子系统组成：

    ⑴传输系统；
    ⑵专用无线通信系统；
    ⑶公务电话系统；
    ⑷专用电话系统；
    ⑸广播系统；
    ⑹电视监视系统；
    ⑺时钟系统；
    ⑻旅客向导系统；
    ⑼综合布线系统；
    ⑽电源系统；
    ⑾公用传输系统；
    ⑿公用移动通信引入系统；
    ⒀公安、消防无线引入系统。

    2 地铁工程电源子系统概述

    为了保证通信设备在主电源中断或波动情况下，通信各子系统仍能可靠地工作，地铁通信系统中电源子系统将承担全线范围内所有控制中心、车站、车辆段通信设备的供电。因此对供电系统要求有极高的可靠性，要有连续不断的、高效、安全、可靠的电力供应以保证负载运行。

    地铁工程电源子系统在控制中心、各车站、车辆段的通信设备室及电池室内分别设置UPS电源设备，免维护电池。控制中心、各车站、车辆段均采用在线式UPS，UPS系统只提供交流220V电源，通信各子系统如采用其它方式电源，由通信各子系统自配的整流装置产生。

    控制中心、各车站、车辆段的通信设备室均设有电源监控设备，其通信机房的环境参数、电源供应情况、电源设备的运行状态及故障告警信息将通过传输系统送到控制中心统一监测。

    电源子系统需要的设备有UPS、蓄电池组、动力环境监控系统，交流配电屏、双路电源切换屏、交流配电屏等设备组成。

    在世界能源和经济危机突显的今天，国家在积极倡导企业节能减排，绿色、节能、环保这些以前人们不太重视的词汇现在已经深入人心，国内很多城市的地铁工程也将打造一条绿色的城市轨道交通系统的目标进行建设。

[page]    3 如何打造地铁的绿色电源系统

    地铁电源系统一般包括UPS、蓄电池、动力环境集中监控，防雷箱，双路电源切换屏、输入输出配电屏等设备组成。

    通信电源系统为不间断电源系统，一般由强电引入两路交流380V电源至双路电源切换配电屏，按一级负荷供电给在线式UPS系统。

    UPS系统提供交流380V电源至通信机房交流配电屏，交流配电屏分配各220V分路至通信机房设备，并提供380V支路至公用传输机房交流配电屏。

    控制中心、各车站、车辆段的通信机房均设有监控设备，将通信机房的环境参数、电源供应情况、运行状态及故障告警信息将通过传输系统送到控制中心统一监控。

    电源系统中最核心的设备就是UPS，可以说绿色电源系统的主要因素也就是UPS。那么，UPS具备哪些功能才能称得上是绿色呢？UPS又有哪些绿色的功能适合在地铁电源系统中使用呢？

    3.1宽广输入电压范围

    UPS的输入电压范围代表了UPS适应电网的能力，同时电压范围宽广也有着降低用户投资成本，节能环保的作用。用户在对UPS供电系统的投资中，蓄电池往往占有很大的比例，例如地铁电源系统大多为要求后备延时时间在（2~4）个小时，这样在系统中就需要投入大量的蓄电池。UPS宽广的输入电压范围可以有效的减少电池的充放电次数，延长电池使用寿命，达到节能环保，节省投资的效果。特别是在电网波动较大的环境下，该功能发挥的作用越大。

    3.2高整机效率

    地铁的用电量非常大，每年花在电上的费用是非常巨大的，另外，耗电量大也不能符合国家对企业节能减排的要求，所以在选用用电设备时，效率尤为重要，效率的高低是决定设备每年的耗电量有多少的最主要的一项参数，各UPS厂家也在苦心研究如何更高的提升UPS的整机效率以达到节能的效果，以80KVA的UPS为例，大多数设备的效率为92%左右，如果效率可以提升2%，一年可节省约11212度电，这还未算效率提升后设备无功损耗降低，减少发热，空调节省的电。所以在地铁电源系统在选用UPS时，效率是非常重要的一项参数。

    3.3高输入功率因数、低输入谐波电流

    绿色的UPS一定要有高输入功率因数，低谐波电流。高输入功率因数，可以使UPS对市电的利用率提高，减小无功损耗，达到节能的效果。谐波电流低，可以减小UPS对电网的污染，达到环保的功能。同时，提高输入功率因数及降低输入电流谐波失真还可以减小UPS输入端的线缆，保险，空开等容量，减少发电机匹配的容量，降低用户的投资成本等等。早期投入使用的UPS电源都是采用硅整流形式，内置输出隔离变压器，行业内称为工频机，而工频机的输入功率因数较低，一般在0.75~0.85左右，谐波电流一般都在20%~30%左右，如果想改善这些参数就需要采取一些措施如下：

    ⑴ 6脉冲+无源滤波器： PF>0.9，ITHD<10%；
    ⑵ 12脉冲+无源滤波器： PF>0.95，ITHD<5%；
    ⑶ 有源滤波器： PF>0.95，ITHD<5%；
    ⑷ 混合滤波器： PF>0.99，ITHD<3%。

[page]    从上述可以看出，增加不同的设备可以使输入功率因数和谐波电流达到不同等级的效果，但增加滤波器这样的设备同样要要有大量的投资，要占用机房空间以及还要增加设备的自身耗电。由于提升这些参数需要增加大量的投资往往让用户望而却步。

    那么，还有其它的解决UPS输入功率因数和谐波电流的问题的方法吗？当然，最好的解决方法就是选用采用高功率三相PFC架构设计的UPS，这种UPS无须外加滤波器就可以使用输入功率因数提升至≥0.99，谐波电流降至3%以下，当然这种架构的UPS也会越来越受到广大用户的青睐。

    3.4 智能风扇变速功能

    UPS的散热基本是靠风扇来完成，如果风扇出现故障或者转速不够，UPS的运行就会出现问题。大多厂商的UPS都全部将风扇的转速设置为快速，而UPS供电系统中，大多数的带载比例都在60%~70%，并机系统中带载比例会更少，会在30%~40%左右，这样，如果风扇如果长年都是全速运转，不但会浪费很多电能，也会降低风扇的使用寿命。UPS具备智能风扇变速功能是指风扇具有多段转速自动控制，UPS的控制系统可以根据负载的实际大小和环境温度来控制风扇的转速，来达到节能的效果，也能有效的延长风扇使用寿命。

    3.5 体积小、重量轻

    地铁的电源系统机房大多都在地铁下，地铁工程在土建施工时需要有大量的投入。在地下每多挖一平米的空间要投入非常高昂的投入，包括人力、物力和能源都会有很大的消耗。因此，动力机房空间也非常有限，需要更合理的利用。所以，在选用设备时在保证设备质量的基础上最好能选择体积小、重量轻的设备，以便节省机房使用空间。

    3.6 ECO模式运行

    ECO模式又称经济模式。UPS在正常运行时处于静态旁路状态，在市电波动超出可用范围或市电断电情况出现时，由蓄电池供电。

    通过对机房电网进行评估，在电网情况较好的区域可采用ECO模式，采用此摸式可使UPS的效率提高到97.5%。以400kVA UPS为例：UPS额定容量：400kVA(输出功率因数：0.8)；整机效率：93%；经济模式效率：97.5%。

    ⑴若以80%负载使用经济模式，则可以减少12.7kW功率损耗；
    ⑵一年可节省电费=12.7×365×24=111,252 kWh (约11.12万度电)。

    另外，由于UPS效率的提高及发热量的减少，亦可节省机房空调设备的用电量及电费。ECO模式目前国内很少有使用，原因是工作时市电直接供给负载使用，因此失去了UPS对负载的保护功能，另外市电由旁路切换至蓄电池供电时一般会有（1~4）ms的切换时间。所以在要求高可靠度的地铁工程中，此项功能不会使用。

    3.7 设备符合RoHs标准

    要求UPS具有緑色环保功能，其本身也应该符合绿色环保的要求，所以在选用UPS时，要看生产厂商是否通过了RoHs标准。

[page]    4 台达C系列UPS的特色功能

    ⑴高输入功率因数(PF>0.99)，总谐波电流低(iTHD<3%)，达到洁净电力与节省能源的效益。
    ⑵可1+1并联使用，无须外加并联控制卡，达到扩充容量或是提升可靠度。
    ⑶模块化设计，可依据现况设置并保留未来的扩充性，达到经济效益最大化。
    ⑷宽广的输入电源范围，可减少电池放电几率，适用各种恶劣的电力环境。
    ⑸整流器有软启动设计，可使发电机供电得到平滑的电力转移。
    ⑹使用高频脉宽调变逆流器及IGBT组件，使UPS具有高性能特性。
    ⑺符合RoHs标准。
    ⑻远程(REPO)与近端(EPO)紧急断电：可于紧急状态下，以面板按键或远程遥控开关，将输出立即切断，防止危险扩大。
    ⑼智慧风速控制。
    ⑽标准配备有多种接口：两组SNMP插槽、RS232、外部电池温度和状态接点输出入接口，适用于各类型计算机通讯。
    ⑾利用微处理器技术执行自我侦测和LCD讯息显示，并可依实际的需求设定相关的参数。
    ⑿内建SRAM可以储存多达500笔数据，提供详细的运转状态信息，作为管理分析使用。
    ⒀有手动维护和静态两种旁路开关回路，提供维护时的备用电源。
    ⒁双重辅助电源，与双重静态旁路供给电路的控制回路，达到双重保护、高可靠特性。
    ⒂逆流器(Inverter)自动回复：
      ①UPS的逆流器在低电池电压关机后交流电源恢复时，可自动再启动；
      ②当超载状况消除，可由静态旁路自动转回逆流器输出；
      ③当过温状况消除，可由静态旁路自动转回逆流器输出。
    ⒃在长时间备用模式操作下，可将警告声关闭，而指示灯仍然维持亮灯。
    ⒄可另外增加外部电池组，以延长备用模式的运转时间。
    (18) 当UPS在旁路模式操作下，可自动侦测旁路电压，若输入电压超出限定范围外，将关闭输出以保护电气设备。

[page]    5 台达UPS的性能及技术特点

    全系列在线式台达UPS都是真正双变换在线式UPS，市电与电池供电为“零”秒不间断供电转换，具有供电纯净、效率高、热损耗小、噪音低、体积小、寿命长等特点。

    ⑴采用DSP数字控制技术

    用户只需要购买相应的功率模块，即可实现“N+X”的故障冗余及升级扩容。

    任何一个模块出现故障，都可自动脱离系统，确保系统正常运行。台达UPS的模块化设计不仅模块实现冗余，内部的辅助电源，PCB板也实现冗余。真正实现各功能模块独立，损坏任何一个功能模块都互不干扰。大大提高系统的可靠度、可用性。

    ⑵1+1并联冗余且无须外加并联卡

    台达采用独特的模块化UPS并机技术，无须外加并联卡或并机柜，可使模块化UPS实现惊人的160kVA总容量。模块化并机与一般模块化扩容是不一样的，一般的模块化UPS可安装多个模块，容量也较大，但主控制板、逻辑电路、静态旁路都没有备份，一旦这些部件出现问题，就会引起宕机。而采用并机则可以双重冗余，实现真正的模块、主控制板冗余，可靠性更高。

    ⑶高功率因数(>0.99) 、低输入电流谐波(<3%)

    台达C系列UPS采用专利的IGBT整流技术，使UPS减少了对电网的谐波污染，成为“绿色电源”的典范。同时可以减小UPS输入端的线缆、保险、空开等容量，减少发电机匹配的容量，降低用户的投资成本。不须增加额外的滤波器，而增加UPS的损耗。

    ⑷先进的电池管理专家技术

    针对UPS系统的重要组成部分电池，需要倍加呵护与管理，确保市电中断时能持续提供高质量电源。C系列UPS采用先进的电池管理专家技术，可使电池时刻都在维护人员及UPS的智慧管理当中。

    电池管理的主要内容如下：

    ①具有均充/浮充自动转换充电模式，均充模式可以消除各个电池单元端电压的不平衡度，缩短电池的充电时间。消除长时间浮充引起的电池极板间的钝化现象。

    ②具有电池定期排程在线安全测试功能，无须任何监控软件，在面板上即可操作完成。测试时整流器不关闭，负载没有任何断电风险。

    ③具有自动测试电池容量和实时电池后备时间显示功能，让用户更精确掌控关闭哪些不重要负载，保护核心负载。

    ④可根据负载的大小来调整电池的低压关机电压。

    ⑤充电电流/电池安时数/更换电池时间等均可以在面板上调整。

    ⑸宽广的输入电压

    输入电压的范围（-25%~+20%），70%负载时输入电压的范围达到（-30%~+35%），适应供电环境恶劣的大部分地区使用，降低电池的放电次数及损耗，延长电池使用寿命。

    ⑹输出电压稳定度高

    输出电压静态调整率小于1%，0~100%负载急变时输出电压动态调整率小于5%。100%不平衡负载下，相电压差小于1%，电压相位移小于2度。

    ⑺标准配置手动维护旁路开关（MBS） 

    降低平均修护时间（MTTR），维修效益最高。

    ⑻智慧风速控制

    多段式冷却风扇速度控制，改善系统可靠度、效率、噪音及提高风扇使用寿命。

    ⑼友善接口LCD智能显示

    大型LCD显示画面，提供用户简易方便的操作管理及维护指示，采用熟悉的菜单式管理，轻松学会操作。显示画面的主要内容为：全中文LCD显示画面。

    ⑽尺寸小、友善重量轻、散热佳

    Power Density功率密度表现为相同架构UPS，体积尺寸最小，重量最轻。散热以计算机仿真辅助分析及设计为最佳。

    ⑾符合RoHs标准

    公司一直以节能、环保爱地球为主理念，在緑色引领世界的今日，通过全面导入无铅制程，高度重视绿色环保，我公司产品不仅完全符合欧盟RoHs环保要求，更有部分指标优于欧盟标准。

    台达C系列UPS将整机效率大幅提高至94%以上，且风扇可根据负载及温度进行多段调速，输入电流谐波小，减少线缆的损耗，减少输入空开容量等，从细节能够更好的满足客户的省电需求，同时响应国家节能降耗的号召。

    ⑿具有标配紧急停机(EPO)功能

    标准配置紧急关机按钮，可远程/近端控制UPS，一旦有紧急事故发生，可以立即切断输入、输出、电池等开关，使UPS完全孤立出来，可以减少事故(特别是因电引起的火灾)进一步扩大。

    6 总结

    本文分析的内容是针对地铁通信系统内的电源子系统。通信系统的电源子系统为地铁工程中使用UPS数量最大的系统，同时还有其它系统也有UPS使用需求。在信号系统，AFC系统以及BAS系统及屏蔽门等系统中都有不同容量的UPS需求，不同城市的地铁工程电源系统的应用都有所差异，主要还是要看设计单位对整体系统的规划和设计。

    轨道交通的快速发展无疑缓解了城市交通的压力，促进发展的同时也代表了一个城市的形象。地铁作为一个大规模的公共交通工具，对系统安全性的要求非常高。中达电通以为用户打造一条稳固的交直流供电系统为宗旨，凭借多年为各行业提供一体化的动力整合方案，在电源行业为用户从认知到合作再到信赖已经走过16年的历程，电源设备以质量精良为用户所接受。公司有多年为地铁行业服务的经验，凭借动力整体整合方案和多项目绿色节能于一身的高质量UPS电源，已经为地铁行业打造了多条坚固的供电系统，其中包括上海地铁、北京地铁、南京地铁、杭州地铁、沈阳地铁、成都地铁及广州地铁等多条线路。公司也会一如既往的不断提升设备质量，提升设备技术水准，使产品的技术走在世界前列，更好的服务于用户。■