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台达UPS在地铁弱电系统中的应用方案

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  • 更新日期:2014-09-19 11:48
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详细介绍
台达UPS在地铁弱电系统中的应用方案
一、地铁弱电系统的电源需求
  屏蔽门驱动电机、变电所直流操作以及部分通信设备分别用到DC110V、DC220V和DC-48V电源,一般由专门的直流电源独立供电。应急照明一般为交流感应式的负载,分布在整个车站范围内,点多面广,多采用EPS供电。剩余的通信、信号、电力监控、环境与设备监控、门禁、火灾报警、自动售检票、乘客信息、屏蔽门网络控制等系统均为计算机和网络设备等容性负载,需要AC380/220V电源,最适合采用UPS系统进行供电。
  地铁弱电系统应用在地铁的车站、车辆段、停车场、控制中心等场所,包括通信、信号、综合监控(电力监控PSCADA、环境与设备监控BAS、火灾自动报警FAS、门禁ACS)、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS、屏蔽门、变电所直流操作、应急照明等部分,系统一般由计算机、网络设备及自动化控制设备组成,用电为一级负荷,因此需要高可靠性的后备电源进行不间断供电,以保证供电质量和供电连续性。
  由于地铁运营环境及其设备的特殊性,一般要求提供电源的UPS系统满足下列要求:
  1.可靠性强,能适应地下运行环境,以确保车站各弱电系统设备全天候、稳定、可靠地运行;
  2.绿色环保,避免污染电力环境及自然环境;
  3.安全性高,保护全面,不易造成人为设备故障,不会威胁人身安全;
  4.便于近、远端管理,有标准的通讯接口及开放的通讯协议;
  5.尽量采用集中式供电,综合利用各种资源。目前,轨道交通UPS电源整合是一个发展趋势,全国各地地铁新建线路都在进行UPS整合工作,因为这样更有利于资源的综合利用,更有利于设备的专业化维护与管理,同时也有利于节省机房使用面积。
  下表是某地铁线路弱电系统中适合UPS集中供电的负载情况,它在地铁行业中具有一定的代表性:
  二、系统方案选择
  根据地铁应用环境对UPS系统的具体要求,我们选用由台达NT系列UPS(12P)、中达电通DCF126系列蓄电池和中达电通智能配电柜组成的双电源输入、双母线架构、共享电池组、负载分时供电的集中供电组合方案。
  该方案的系统示意图如下:
  系统中的两台UPS容量相等,互为备份,彼此通过两根相互冗余的通讯线相连,使它们的相位始终同步,确保后面的STS切换顺畅。
  该系统有下列特性符合地铁应用环境的需求:
  1.可靠性强,适应地下运行环境。如:UPS耐温、湿度范围宽,抗外界干扰能力强,输入电源的电压和频率范围宽,输出电力品质高,全桥逆变加隔离变压器对负载适应性强,内部重要线路冗余备份,容错能力强,单机MTBF高达30万小时等。而双母线架构对负载又有了双重保障。
  2.UPS低谐波,高效率,低辐射,低噪音等特性体现了绿色环保、对电力环境及自然环境污染少的特性。
  3.UPS符合CE、TUV、IEC等安全标准,具有过温、过载、短路、误操作、电池漏夜等保护功能,并且有近、远端的紧急关机功能,安全可靠,不易造成人为设备故障和人身安全威胁。
  4.UPS配备大型中/英文图形化LCD显示,以及RS232、RS485、20选6的智能干接点以及供选购的SNMP、MODBUS卡等,并有开放的通讯协议提供,便于近、远端监控管理。对于本方案可将UPS监控纳入综合监控系统(ISCS),与综合监控系统FEP接口,实现对电源的统一监控管理。
  5.本方案在每个站点配置一台大功率的UPS集中供电,可使负载综合利用电力资源。同时,共享电池组和分时供电的方式也是综合利用资源的一个具体体现。
  中达电通股份有限公司是台达集团在中国大陆地区的控股子公司,成立于1992年,总部设在上海浦东。主要为中国最具成长潜力的通信、交通、金融、工厂及其它自动化市场提供安全可靠、方便周到的一站式服务。其主要产品和服务包括动力系统、宽带数据、机电自动化、视讯设备四个方面。本方案所涉及的UPS、蓄电池和配电柜是动力系统中的产品。
  三、UPS容量选择
  由UPS集中供电的负载情况表可知,车站、车辆段、停车场和控制中心的负载量依次为:126KVA、103KVA、74KVA和126KVA。这些负载都是电脑性的,输入功率因数一般为0.7,小于UPS的输出功率因数0.8,选择UPS容量时应当按VA值来计算。为了确保UPS长期安全可靠地运行,负载量一般设定在UPS额定容量的60%~80%。所以车站、车辆段、停车场和控制中心应分别配置160KVA、160KVA、100KVA和160KVA的UPS,它们的负载量最大能达到单台UPS的78%、64%、74%和78%,符合系统可靠性的要求。
  四、电池配置计算
  本方案采用UPS共享电池组方案,并且市电停掉后要分时供电给负载。以车站为例:有40KVA的负载后备2小时,46KVA的负载后备1小时,40KVA的负载后备0.5小时。其负载-时间坐标图如下:
  基于电池的放电特性,若采用分时间段(竖直分)计算法,结果会比实际的配置偏大;若采用分功率段(水平分)计算法,结果会比实际的配置偏小。这里采用分功率段(水平分)计算法计算,然后再将结果进行修正。计算过程如下:
  P(W)电池提供总功率P(VA)负载标称容量(VA)
  Pf负载输入功率因数ηUPS逆变转换效率
  Pnc每只电池需要提供的功率nUPS配置的电池数量
  N单颗电池的cell数
  P(W)={P(VA)×Pf}/η
  Pnc=P(W)/(n×N)
  1.40KVA2小时:
  P(VA)=40KVA负载输入功率因数Pf≈0.7
  逆变器效率η=0.95n=29
  N=6
  P(W)={P(VA)×Pf}/η
  ={40000×0.7}/0.95
  =29473.68(W)
  Pnc=P(W)/(n×N)
  =29473.68/(29×6)
  =169.39(W)
  根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出2小时放电时间,1.75V截止电压下,DCF126-12/100型号的电池能提供68.4W的功率,169.39/68.4=2.48组.
  2.46KVA1小时:
  P(VA)=46KVA负载输入功率因数Pf≈0.7
  逆变器效率η=0.95n=29
  N=6
  P(W)={P(VA)×Pf}/η
  ={46000×0.7}/0.95
  =33894.74(W)
  Pnc=P(W)/(n×N)
  =33894.74/(29×6)
  =194.80(W)
  根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出1小时放电时间,1.75V截止电压下,DCF126-12/100型号的电池能提供112.2W的功率,194.80/112.2=1.74组.
  3.40KVA0.5小时:
  P(VA)=40KVA负载输入功率因数Pf≈0.7
  逆变器效率η=0.95n=29
  N=6
  P(W)={P(VA)×Pf}/η
  ={40000×0.7}/0.95
  =29473.68(W)
  Pnc=P(W)/(n×N)
  =29473.68/(29×6)
  =169.39(W)
  根据中达电通电池的恒功率放电特性表可得出0.5小时放电时间,1.75V截止电压下,DCF126-12/100型号的电池能提供181.3W的功率,169.39/181.3=0.93组.
  2.48+1.74+0.93=5.15(组)
  由于这种计算方法得出的结果会比实际的配置略有偏小,所以取6组应当足以满足负载的后备时间需求。
  同样可以计算出车辆段UPS系统需配置中达电通DCF12612/100型号的电池4组;停车场UPS系统需配置中达电通DCF12612/100型号的电池3组;控制中心UPS系统需配置中达电通DCF12612/100型号的电池6组;
  五、供电运行方式与逻辑关系
  结合方案的系统示意图可以了解系统的供电运行方式与逻辑关系。
  1.正常供电运行方式
  两路主电源为两台UPS供电,主电源1接UPS1的主输入,主电源2接UPS2的主输入,两台UPS的旁路同时接到主电源1或者主电源2上(不同的站点可以不同)。两台UPS同时输出到各个负荷侧的STS开关,通过设置STS开关状态,实现大约各带一半负载。这样能确保两路电源上的负载量基本均分,当两台UPS都运行于旁路状态时,相位仍然同步,STS转换不受影响。
  UPS1和UPS2同时为电池组充电,充电电流各占50%。为了日后维修和保养方便,每台UPS和每组电池都装有自己的连接开关。
  2.UPS故障运行方式
  a.UPS2故障,则通过STS将所有的负载切换到UPS1,然后维修UPS2,修复后再恢复原带载运行方式;
  b.UPS1故障,则通过STS将所有的负载切换到UPS2,然后维修UPS1,修复后再恢复原带载运行方式;
  c.两台UPS都故障,则通过两台UPS的静态旁路供电给负载。此时,可以将两台UPS打到维修旁路或者轮流关闭进行维修,修复后再转为原带载运行方式。
  3.电池组故障运行方式
  电池组分为3—6组并联,若发现电池故障或者报警,维修人员切除故障的电池分组,进行维修维护工作,修复后再将电池分组重新投入运行。
 
 
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