城市轨道交通通信系统UPS电源可用性提升方案研究.pdf

2023 年 10 月第 59 卷 第 10 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationOctober 2023Vol.59 No.10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摘 要：轨道交通通信专业不间断电源（UPS），整合了调度语音通信、信号车地无线通信、防灾与报警、机电设备控制、票务等多个业务系统的电源供应。通过对深圳地铁既有线路通信UPS电源故障进行跟踪调查，深入分析各种故障原因以及不同UPS电源工程设计的优缺点，借鉴民航、大型数据中心等UPS电源的设计经验，探索改进地铁通信UPS电源工程设计方案。利用通信、信号等重要系统终端负载双电源冗余的特点，采用双UPS、双母线设计，双路独立的UPS电源在负载设备侧通过直流并联，提升UPS电源的可用性，达到容错的目的。该通信UPS电源可用性提升方案使UPS电源的任意一个节点故障时，均不影响负载的正常电源供应，实现在负载不断电的情况下对故障设备的安全检修，提高UPS电源的维护效率。关键词：不间断电源；可用性；双母线；故障分析；负载容量中图分类号：TM642+.4；U283.2 文献标识码：A Research on Improving the Availability of UPS Power Supply of Communication System in Urban Rail TransitDING ChengfaAbstract：Uninterruptable power supply(UPS)for communication system of urban transit integrates the power supplies of multiple business systems such as dispatching voice communication,vehicle-ground wireless communication of signal system,disaster prevention and alarm,mechanical and electrical equipment control,ticketing,ect.Through the tracking and investigation of UPS power supply faults of existing lines of Shenzhen Metro,in-depth analysis of various fault causes and the advantages and disadvantages of various UPS power engineering design plans in the industry,learning from the design experience of UPS power supply such as civil aviation and large data centers,the engineering design of UPS power supply for metro communication is explored and improved.Taking advantage of the redundancy characteristics of dual power supply for DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-10.23165扫码浏览下载丁称发：深圳市市政设计研究院有限公司 工程师 518000 广东深圳基金项目：深圳市地铁集团有限公司（STJS-DT412A-ZX005/2022）收稿日期：2023-06-19引用格式：丁称发.城市轨道交通通信系统UPS电源可用性提升方案研究J.铁道通信信号,2023,59(10):57-62.Citation：DING Chengfa.Research on Improving the Availability of UPS Power Supply of Communication System in Urban Rail TransitJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(10):57-62.57铁道通信信号 2023年第59卷第10期terminal loads of important systems such as communication and signal,the design of double UPS and double bus bar are adopted,and the dual independent UPS power supply is connected in parallel through the load equipment at DC side,which can improve the availability of UPS power supply remarkably,so as to achieve the purpose of fault tolerance.When any node of the UPS power supply fails,it will not affect the normal power supply of the load and realize the safe maintenance of the faulty equipment under the condition of uninterrupted operation of load,improving the maintenance efficiency of the UPS power supply.Key words：Uninterruptible Power Supply（UPS）；Availability；Dual bus bar；Fault analysis；Load capacity1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 1030 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h1-2，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。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。表1综合UPS整合范围调查城市深圳深圳深圳深圳成都成都成都广州广州线路1号线2、5、6、7、8、9、10、11、12、14、16、20号线3号线五期工程各线路一期及二期线路5、6、8、9、17、18号线8号线二期、17号线二期、19号线二期、10号线三期、18号线三期,13、27、30号线、资阳线十二五之前的线路及十二五期间的部分线路7、9、13、18、22号线首段开通年份2004201020222010在建201020172020在建199720182017是否整合UPS否是是是否是是否是综合UPS整合范围各专业独立设置专用通信、综合监控、安防、乘客信息、自动售检票专用通信、综合监控、安防、乘客信息、自动售检票、信号专用通信、综合监控、安防、乘客信息、自动售检票、警用通信、非集中站信号各专业独立设置专用通信、综合监控、安防、乘客信息、自动售检票专用通信、综合监控、安防、乘客信息、自动售检票各专业独立设置或小范围整合专用通信、综合监控、安防、乘客信息、自动售检票、警用通信标准站综合UPS容量/kVA/100160120120/120120/10058Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 20232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 510 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。3改进建议3.1可用性定义GB/T 2900.132008/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。可用性的计算式为可用性=平均故障间隔时间平均故障间隔时间+平均修复时间（1）由式（1）可知，要想提高 UPS 电源的可用通信ATSE自动售检票综合安防综合监控通信直流电源分时下电控制直流负载监控双电源切换箱维修旁路市电输入1市电输入2UPS主机UPS输出配电柜-48 V直流电源图1 传统综合UPS电路原理59铁道通信信号 2023年第59卷第10期性，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 1528.62018），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。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；0 210 ms010 ms6 ms主旁关开UPS主（逆变）输出-UPS静态旁路输出-2UUUUTT0010 ms主旁开关UPS主（逆变）输出2UPS静态旁路输出(a)正常切换 -UUUUTT(b)特定故障切换图2 UPS静态开关切换场景通信ATSE自动售检票通信直流电源分时下电控制直流负载UPS输出配电柜监控双电源切换箱UPS主机1维修旁路监控UPS主机2同步线市电输入1市电输入2LTE-M1LTE-M2-48 V直流电源图3 双UPS并机方案系统示意60Railway Signalling&Communication Vol.59 No.10 2023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。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。n=PhK22WK1（2）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；为UPS逆变器效率；K1为电池老化系数，取值0.80.85；K2为不平衡系数，建议取值 1.11.3；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%。3.4UPS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45 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。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分时下电控制UPS 输出配电柜监控输入开关箱监控直流负载输入开关箱市电输入1市电输入2维修旁路1UPS主机1维修旁路2UPS主机2通信电源1通信电源2通信1通信2自动售检票1自动售检票2LTE-M1LTE-M2综合监控1综合监控2-48 V直流电源UPS输出1UPS输出2UPS输出1UPS输出2双电源设备STS静态开关重要的单电源设备图4 双UPS双母线系统示意61铁道通信信号 2023年第59卷第10期能力时的耗电需求。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0.71.0。K根据计算量大小确定，地铁工程参考值为 0.60.85，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。参考文献1 王凯.数据中心机房UPS供电模式可靠性分析J.智能建筑与智慧城市,2020(12):37-39.WANG Kai.Reliability Analysis of UPS Power Supply Mode in Data Center Computer Rooms J.Intelligent Buildings and Smart Cities,2020(12):37-39.2 王艳,冯敏,徐慧珍.UPS供电系统的可靠性分析及维护J.电子世界,2018(18):135-136.WANG Yan,FENG Min,XU Huizhen.Reliability Analysis and Maintenance of UPS Power Supply System J.Electronic World,2018(18):135-136.3 伍维瑾.城市轨道交通车站电源整合方案探讨J.电气化铁道,2020,31(S1):205-208.WU Weijin.Discussion on the Power Integration Scheme for Urban Rail Transit StationsJ.Electrified Railways,2020,31(S1):205-208.4 冯伟.地铁车站弱电系统UPS集中供电分析J.铁道通信信号,2010,46(6):75-77.FENG Wei.Analysis of UPS Centralized Power Supply for Weak Current Systems in Subway stations J.Railway 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