浅谈轨道交通系统的不间断电源(UPS)应用需求

刘魁，孙洪卓

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.北京鼎汉技术股份有限公司，北京 100070)

浅谈轨道交通系统的不间断电源(UPS)应用需求

刘魁1，孙洪卓2

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.北京鼎汉技术股份有限公司，北京 100070)

因轨道交通不间断电源系统的故障问题而导致的轨道交通线路降级运营(临时停车、增大发车间隔等)的事故屡见不鲜，严重影响公共交通运行安全及社会秩序。本文阐述了轨道交通不间断电源(UPS)的使用环境和多年来发现的问题，结合各种类型UPS的产品与技术特性，对实际使用与现行标准进行汇总分析，指出了轨道交通对UPS的特殊要求。

轨道交通；不间断电源(UPS)；工频机；高频机；工业UPS；商业UPS

轨道交通行业的不间断电源(UPS)作为终端设备安全供电的末级保障，本文结合轨道交通UPS的多年的应用情况进行总结，从UPS的行业需求、产品要求、技术性能(不限于GB/T 7260.1—2008～ GB/T 7260.4—2008《不间断电源设备》，YD/T 1095—2008《通信用不间断电源》[1])等角度，立足高可靠性UPS应用抛砖引玉，为轨道交通安全运营加以铺垫。

1 行业需求

根据行业要求与负载特性，UPS供电方案是提升系统可靠性与可用度的重要角度。各城市地铁对不间断电源(UPS)的供电方案不尽相同，但从供电方式上常见的有分散式供电和集中式供电(整合)两种方式；而国铁中则以分散式供电方案为主。关于轨道交通各子系统方案与容量统计，详见表1。

表1 轨道交通各子系统方案与容量统计

序号系统分类地铁的UPS方案与容量国铁的UPS方案与容量1信号系统(信号系统计算机、网路设备、控制设备等)集中站：20～60kVA非集中站：5～10kVACTC：200～300kVA站点：30～60kVA中继站：10～20kVA2通信系统地铁(传输、无线、公务电话、专用电话、视频监控、广播、时钟、集中告警、乘客信息系统等)：20～40kVAUPS：1～5kVA通信多采用-48VDC高频开关电源3自动售检票系统站点集中式供电：20～40kVA旅服系统(集中式)：10～20kVA4火灾报警系统5kVA—5综合监控系统(计算机网络、环境与设备监控系统、门禁系统等)20～30kVA环境监控系统：一般不单独设计UPS6运营控制中心、调度中心控制中心：30～200kVA运营指挥中心：100～300kVA国铁列车调度指挥系统(CTC)：200～300kVA调度所：最大500kVA

注：表格中为主要系统需求，地铁各子系统分类以GB 50157—2013《地铁设计规范》[2]为参照

2 轨道交通行业对UPS产品的要求

2.1 物理环境

物理环境是UPS等电气设备适用性的关键因素，除国内存在较大的南北方气候差异外，轨道交通具有比商用数据中心机房更苛刻的物理环境(电网、温度、湿度、震动、气压等)要求。

(1)应用于轨道交通的UPS应注意的物理环境造成的问题

轨道交通在线路建设期，机房内无温度控制装置，UPS主机极易被腐蚀，在正式运营初期出现UPS故障频发的问题。故此，要求在建设期恶劣环境下避免使用UPS为负载供电，同时要求应用于线路上的UPS应从产品角度：“具备独立的风道、全三防处理等设计”，以适应物理环境。

轨道交通运营电源机房中存在大量的导电金属粉尘(能谱分析图可能存在硅、钙、铝、铁、镁等)。导电粉尘是致使标准UPS主机移植到轨道交通环境后出现水土不服故障频发的重要根源。

(2)从现行的行业标准角度看，轨道交通UPS可以通过标准控制来达成产品可靠性

中铁检验认证中心CRCC产品认证实施细则特定要求-国铁信号电源屏(智能)[3]要求信号电源系统内设备UPS除了应符合恒定湿热试验外，还须符合GB/T2423.4—2008《电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验Db》规定的6周期(40 ℃，95%RH)的交变湿热(试验Db)试验，以满足高温、高湿的使用要求。

在地铁，设计要求往往出现“UPS应采用工业级产品”。然而，并无标准能够直接界定出“何为工业级UPS”。故在国内轨道交通所使用的主机多为标准商用数据中心场合开发的产品，并不适合恶劣环境的工业领域”。如果真正需要约束采用“适应恶劣环境的UPS”，最好的方式是采用国标GB/T 4943.1—2011《信息技术设备》或GB/T 72511—2005《低压成套开关设备和控制设备:第一部分:型式试验和部分型式试验成套设备》中规定的“污染等级3”(爬电距离、绝缘间隙与电压之间的关系)来描述需求更为贴切。然而，轨道交通目前主流UPS制造商供货的产品，均为符合较低标准的“污染等级2”要求。

综上，既有各轨道交通使用中的UPS多数“不能完全满足”上述的物理环境要求。

2.2 电网环境

在现今的地铁、国铁的电源子系统等的供电均采用独立的变压器，设计双电源切换装置，输入电压、频率的稳定性较好。但在早期的普速国铁、或地方铁路的电网却大相径庭，沿途车站牵引电受机车运营影响极大。例：某早期普速国铁货运专线用UPS经常故障，而后测试发现，在列车经过时UPS的输入电压谐波总畸变率最大时超过40%。表2为某普速国铁现场UPS输入市电测试数据。

表2 普速国铁某站点现场UPS输入市电测试数据

分类I路(贯通电)II路(牵引电)输入电压224V224V/225V输入电压波形畸变率(THDU)3%10 8/16 9%

从表2中可以看出，早期的普速国铁供电I路(市电)具备较好的电网环境，但UPS需要适应在II路(牵引电)供电的使用要求。

UPS需要适应恶劣的电网环境，具备较宽的主路电压输入范围以及外界高谐波的电网环境，在电网任何突变的情况下均能良好的工作。

2.3 负载环境

轨道交通涉及的各个子系统的负载繁多，UPS实际带载率极低。

(1)实际工况下多数仅有30%以下的UPS带载率。因此，在轨道交通中的UPS都不能达到高效节能的效果。采用可控硅整流加输入谐波滤波器的UPS在低负载率的情况下，需要避免因谐波滤波器的过补偿而造成UPS输入侧无功电流过大而导致线缆发热、断路器误动作的问题。

(2)轨道交通各专业之间通过隔离变压器进行物理隔离，单个隔离变压器启动瞬间会对UPS造成10倍甚至几十倍的励磁电流冲击(额定标称220V/10A的变压器启动会在ms时间内产生瞬态200A的冲击电流)。因轨道交通存在隔离变压器与冲击性负载，为此从安全角度上考虑需UPS设计加以一定的容量冗余。并结合适当子系统的集中化供电方式设计，会使得供电系统的可靠性大幅提升。

2.4 UPS系统方案需求

UPS系统方案的设计需以安全、可靠为准绳。在实际工程中，UPS的设计方案并未完全按照GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》的A或B级机房的相关要求进行设计，而是根据业主对可靠性的要求以及各子系统差异化的需求选择单台UPS(单机)、多台UPS(并机、双母线等)的设计方案。目前在轨道交通各系统UPS的应用方案如表3。

表3 轨道交通系统UPS供电方案概览

序号分类系统方案1地铁信号截止2016年1月，除了上海、无锡、苏州等为两台双机系统方案，其他地区多为单台UPS系统方案。但2015年12月后倾向于两台双机系统的区域不断增加2地铁通信分散方案或集中供电。早期为分散单机较多，2009年后双机并机集中供电方案成为趋势，但单台UPS系统方案仍被采用3地铁控制中心包含单台UPS和2N并机的方案，其中两台并机占据大多数4客专信号系统两台并机系统5普铁信号电源早期一般无UPS。如有，单台UPS或两台并机系统不统一6国铁调度所多数采用双母线系统2×(N+X)方案

2.5 UPS技术要求

结合大量实际应用及实际物理环境、电网环境、负载环境等因素，总结轨道交通对于UPS产品技术的需求如下(包括不限于)：

2.5.1 工频机和高频机的选择

同UPS行业标准(没有工频机和高频机的区分)，在轨道交通对于“工频机和高频机” 的字样很少出现在招标文件里。大家更多关注的是UPS采用的“整流方式”是高频(IGBT、MOSFET等方式)，还是SCR可控硅(6P、12P)、UPS输出端是否设计了内置输出隔离变压器、UPS是否是高功率密度(模块化或模块化结构)、电池支持方式与数量配置等问题，但基本不会提及UPS内部最高的工作电压(母线电压)。

对于轨道交通行业的共识是“安全可靠是衡量需求的最基本的硬性标准”。结合目前UPS的设计，轨道交通更适用于高可靠性的工频机。

2.5.2 隔离变压器需求

工频机UPS内置的隔离变压器作用为逆变器输出变压、主路逆变器与主路输出有效隔离的作用。输出隔离变压器选型直接影响到系统参数，常见的有△/Y型变压器、△/Z型变压器。两种不同的隔离变压器对比如表4所示。

在各厂家标准品设计中，△/Z型变压器虽然具备更好的可靠性，但多数厂家考虑成本与体积因数而将△/Y型变压器作为标配，△/Z型变压器作为选配。

各个厂家标准UPS的零线基本不是隔离的，如需要实现真正意义上的系统隔离，需要增加输入隔离变压器及旁路隔离变压器来予以完善。

2.5.3 节能环保需求

在UPS电源系统设计上如何挖潜降耗,降低用电量大的系统设备能耗，制定用能、节能标准效率也是建设绿色轨道交通的一个必要的出发点。

无输出隔离变压器的高频机采用高功率密度设计，节能是最主要的优点之一。而可控硅整流的工频机效率低于无输出隔离变压器的高频机，但工频机在可靠性上略胜一筹。结合轨道交通的节能要求，需要UPS在低负载率、高可靠性的前提下，进行效率优化以提高节能效果。

电磁兼容是UPS技术认证不可或缺的一部分。轨道交通的EMC建议采用GB 7260.2—2009《电磁兼容性(EMC)要求》(BS EN 62040-2-2006 Uninterruptible power systems (UPS))中的要求，电源端子骚扰电压、辐射骚扰场强应满足C3类工业标准，其他均按A类要求执行。

2.5.4 维护性需求

UPS的重量多达数百千克，标准主机需要充分考虑并柜安装的需求，需要做到全正面维护或前后维护，不能接受侧面维护。

表4 UPS内输出隔离变压器对比

序号参数△/Y型变压器△/Z型变压器1输出隔离变压器功能变压、隔离变压、隔离2原理图△/Y型变压器原理图△/Z型变压器原理图3不平衡负载短期的100%不平衡带载△/Z型变压器具有不平衡负载的自动均分功能，确保“变压器副边”的负载不平衡到了“变压器原边”会分配到三相，100%不平衡带载可长期可靠稳定运行。4负载不平衡时的相位精度<3°<1°5不平衡时的稳压精度<1%(100%线性负载)<12%(100%非线性负载)<1%(100%线性负载)<3%(100%非线性负载)6体积小大7成本低高

UPS的维护性存在的误区之一评估各厂家主机标称的MTBF(平均故障间隔时间)与MTTR(平均恢复前时间)等设计参数，但多数机型计算的都是在标准工况下而计算出来的“虚值(仅做参考值)”。任何电子精密设备都需要优质的维护保养、及时维修更换低寿命元器件与易损件才能得以保证。

维护UPS是很少轨道交通运营业主能够独立完成的，即便是有模块化设计或模块化结构也是如此。这就要求设备供货商或制造商有专业的素养，及时的响应、开放核心升级技术、惠民的服务价格来为用户排忧解难。

2.5.5 其他UPS专属需求

◆时钟统一：UPS会出现时间偏移，上位机的时间统一可满足综合监控、集中告警系统的管理需求。

◆较小的UPS启动冲击电流：UPS在主路启动过程中会产生极大的冲击电流，该电流会导致输入断路器误动作。但如UPS采用软启动则会有效避免冲击电流的产生，使得配电断路器的设计容量更为合理。

◆反接保护：主路或旁路、电池组的反接保护，避免误操作而造成设备故障。

◆电池检测：检测蓄电池断路器或蓄电池组间任意连线断开时告警，保障UPS具备充足的后备时间。

◆监控单元：大屏幕监控，可设置开机参数、便于UPS运营维护。

◆低烟、无卤、阻燃(功率线缆与电路板等)：打破UPS电源行业的标准品设计，保障人身、财产安全。

◆工业型断路器：避免误动作等故障事件发生，需满足工业型断路器GB14048.2—2008《低压开关设备和控制设备》(IEC 60947-2-2013 low-voltage switchgear and controlgear-part 2: circuit-breakers)设计标准。

◆自动、维修旁路：无论UPS主机容量，有效保障不间断供电。

◆防鼠、防蛇：避免施工期、运营期UPS主机电源的故障。

◆电池可调设计：蓄电池组内电池数量灵活设置。

3 小结与展望

近年来国内外UPS品牌和厂商数量大幅增长，在国内就有上百个UPS主机品牌。真正拥有自主开发能力、掌握核心技术的厂家、品牌屈指可数。伴随着数据中心行业、石油石化、电力等工业行业的特殊应用场合需求的巨大增加，出现了高频模块化商业数据中心用UPS与工业用UPS两个极端的发展趋势。

按既有UPS的行业内定义，作者认为：综合技术及商务因素，对于轨道交通UPS的需求更适合的UPS主机应采用全三防、带内置隔离变压器、环境适应能力强的“专属UPS主机”。而非传统的商业UPS或石油石化、电力行业设计的工业UPS主机。UPS是一个仍需精细化挖掘的产品，本文以客户高安全、高可靠为前提的角度出发，为促进轨道交通乃至整个UPS行业的继续发展加以铺垫。

[1] YD/T1095—2008，通信用不间断电源—UPS [S].

[2] GB50157—2013，地铁设计规范 [S].

[3] 中铁检验认证中心(CRCC). 中铁认函〔2012〕284号 CRCC产品认证实施细则特定要求-国铁信号电源屏(智能)V1.0 [S].

Application Requirements of UPS in Rail Transit System

LIU Kui1, SUN Hongzhuo2

(1.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd，Wuhan430063，China；2.BeijingDinghanTechnologyCo.,Ltd，Beijing100070,China)

A failure of uninterruptible power system that causes rail transit line downgrade operations (temporary stop increasing departure interval, etc) has happened more than once in rail transit system, severely affecting not only the safty of public transport system but also social order.This article describes the environment of uninterrupted power systems(UPS)in rail transit, and the problems found in the courses of utilization over many years. The advantages and disadvantages of various types of UPS are analyzed on rail transit system, and requirements for special UPS in rail transit environment are proposed on the basis of a summary on both what required by standard and that in-service.

rail transit; uninterruptible power systems (UPS); transformer-base UPS; transformer-less UPS; industrial UPS; business UPS

2016-03-14；

2016-05-09

刘魁(1985—)，男，湖南省人，工程师，具有多年从事轨道交通通信系统的设计经验，熟悉轨道交通UPS的技术需求和方案设计、制造商背景及产品技术特性与应用情况等。

2095-1671(2016)03-0154-05

TM92

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