刘 芽 李致兴 刘占英 张振义 楚 研

(1.呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司 内蒙古 呼和浩特 010000；2.中铁第一勘察设计集团有限公司 陕西 西安 710000)

0 引言

早期建设的城市轨道交通工程中，为保证设备的可靠运行，各弱电系统一般都单独设置后备电源，这种设置方法在实际的运营中逐渐显现出很多问题，例如电源维护工作量大，资源利用率低，投资高，设备分散造成的管理难度增大等。近年来，新建设的线路开始对电源进行集中整合，但每个城市整合方式各有不同，没有形成统一标准。

呼和浩特地铁1号线车辆电源整合方案主要为各车站、停车场、车辆段、信号楼和控制中心的专用通信系统、门禁系统、公安通信系统、信号系统、综合监控系统、环境与设备监控系统、火灾自动报警系统、自动售检票系统、安防系统设备提供高质量、高可靠性的电源供应，保证在主电源故障(中断或发生超限波动)的情况下，系统设备在规定的时间内仍能正常工作，等待主电源恢复正常。

1 设备电源分析

设备电源整合前，先确定各车站、停车场、车辆段、信号楼和控制中心的整合范围，并对其负荷进行分类，然后选择合适的整合设置方式。

1.1 整合范围

车站、停车场、车辆段整合范围：信号系统、专用通信系统、公安通信系统、综合监控系统(ISCS)、自动售检票系统(AFC)、乘客信息(PIS)、门禁(ACS)、环境与设备监控系统(BAS)、火灾自动报警(FAS)等。

控制中心整合范围：云平台、专用通信系统、综合监控系统、自动售检票系统等。

1.2 负荷等级

根据GB 50157—2013《地铁设计规范》中对负荷等级进行规定[1]：

(1) 一级负荷中特别重要的负荷：专用通信系统、信号系统、环境与设备监控系统、火灾自动报警系统。

(2) 一级负荷：公安通信系统、综合监控系统、自动售检票系统、门禁。

(3) 二级负荷：乘客信息系统。

2 电源整合方案对比

传统不间断电源供电设备，主要有UPS(不间断电源)和高压直流方案两种，两者对比如表1所示。

根据对呼和浩特市云计算基地的参观，以及对高压直流设备的调研可知，高压直流设备主要用于数据中心的服务器及存储设备供电。而地铁弱电系统，具有设备种类繁杂、设置分散、专业性强的特点。根据近期调研，目前大部分地铁系统设备供电需求适配于UPS设备，为220 V交流电，不支持高压直流供电，所以选择采用UPS形式供电[2]。

表1 不间断电源对比

3 UPS设置方案

3.1 控制中心UPS设置方案

根据呼和浩特市地铁线网规划，所有线路共用一个控制中心，采用全新的云平台弱电系统设计方案。随着后期线路的不断接入，弱电系统用电量还有很大的提升需求。考虑到控制中心弱电设备用电，出于提升用电效率，提高运维管理水平的需求，采用集中UPS配置方式。因此控制中心综合楼UPS容量应具备良好的扩展性、安全性及可靠性。

基于以上分析，在当前应用场景下，UPS设置方案选择采用模块化并机方案，如遇到故障，故障UPS模块自动退出系统，由其他功率模块来承担负载。基于冗余并机技术，设备可确保电源的最高可用性。针对控制中心设计方案，采用UPS多个主机并联，满足用电需求，可根据后期线路用电量需求进行扩容。由于控制中心的重要性，UPS需具备冗余功能，模块化布置UPS可采用N+X配置，N

考虑到系统的稳定性，每组均模块化布置UPS，并机数量控制在5台左右。后期线路接入引起的供电需求扩容，可依模块化并机原则，将UPS分为多组来进行配置。例如：根据设备及技术调研，估算1条线弱电设备在控制中心对用电量的需求为1 500 kVA，若一次建设两条线路，则总用电量为3 000 kVA。则可考虑配置8台单机容量为500 kVA，总容量4 000 kVA，采用模块化配置，每4台为一组，每组容量为2 000 kVA，配置方式为3主1备(热备)[4]。后续建设可根据用电量继续设置并机。

综上所述，呼和浩特地铁1号线车辆控制中心采用模块化布置UPS，如图1所示。每台UPS具备部分负载能力，单组电池方案，UPS均分电池，低压配电双路输入，通过ATS切换至一路，供给各台UPS及维修旁路，每台UPS输出一路，汇流至母线，经配电后，供2路同源电给各系统。

图1 控制中心电源整合系统示意图

3.2 车站、停车场、车辆段UPS设置方案

各车站、停车场、车辆段UPS设置分散，单个UPS负载较小，均属于一次建设，无须考虑扩容的需求。因此，各车站、信号楼、停车列检库、停车场、综合楼均分散设置UPS。

方案1： 每座车站设置2台UPS，每台UPS均可具备全部负载能力，单组电池方案，2组UPS均分电池，低压配电双路输入，通过自动转换开关电器(ATS)切换至一路，供给2台UPS及维修旁路，每台UPS输出一路母线，经配电后，供2路同源电给各系统[5]。以120 kVA为例，如图2所示。

方案2：每座车站分别设置2套UPS电源整合系统；一套为一级负荷中特别重要的负荷供电，另一套为非特别重要的负荷供电。

一级负荷中特别重要负荷的整合范围：信号系统、专用通信系统、环境与设备监控系统、火灾自动报警系统；在各车站整合UPS电源室设置双机双蓄电池组，每台UPS装置配置1组蓄电池，每组蓄电池容量按系统容量的50%考虑，每台UPS容量均具备为全部负载供电的能力，2台UPS主机均分蓄电池，正常运行情况下，每台UPS为50%负载供电，1台UPS主机故障时，剩余1台UPS主机仍可为全部负载供电。

其他负荷整合范围：综合监控、门禁系统、公安通信系统、自动售检票、乘客信息显示系统。在各车站整合UPS电源室设置单机单电池组，按系统容量的100%考虑。以电源整合系统1(80 kVA)、电源整合系统2(40 kVA)为例，如图3和图4所示。

图2 方案1电源整合系统示意图

图3 方案2中特别重要负荷电源整合系统示意图

图4 方案2中其他负荷电源整合系统示意图

从标准规范、投资、占地、运维和电池数量5个方面对方案1和方案2进行优劣对比，并绘制表格(见表2)。其中GB 50157—2013《地铁设计规范》规定“一级负荷中特别重要的负荷，应增设应急电源，并严禁其他负荷接入。”

表2 方案1和方案2对比

通过表2的对比，2种整合方式在投资、占地、运维、电池数量等方面，均无较大差距，而分成2组整合方式，符合规范要求。

因此，呼和浩特地铁1号线各车站、停车场、车辆段采用分组整合方案，每座车站分别设置2套UPS电源整合系统；一套为一级负荷中特别重要的负荷供电(专用通信系统、信号系统、环境与设备监控系统、火灾自动报警系统)，另一套为非特别重要的负荷供电(公安通信系统、综合监控系统、自动售检票系统、门禁系统)。

4 结束语

上文所采用的整合方案在工程实施中应用效果良好，有效解决了弱电系统电源维护工作量大、资源利用率低、投资高、设备分散造成的管理难度增大等缺点，还提高了轨道交通弱电系统的经济性、安全性。随着控制技术的不断发展，弱电系统的电源整合必将得到广泛应用。