轨道交通UPS集中供电系统的RAMS研究

轨道交通UPS集中供电系统的RAMS研究

别碧勇

【摘要】将RAMS概念引入到轨道交通UPS集中供电系统建设中,分析UPS系统项目全周期中影响其RAMS的关键因素和过程控制点,研究UPS系统从方案设计、设备配置选型到运营维护等不同阶段的RAMS保证方案,并结合工程经验提出了若干实施建议.

【期刊名称】《铁道标准设计》

【年(卷),期】2010(000)006

【总页数】4页(P113-116)

【关键词】轨道交通;UPS集中供电;可靠性;可用性;RAMS;过程控制

【作者】别碧勇

【作者单位】中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063

【正文语种】中文

【中图分类】U231+.8

1 概述

1.1 RAMS及在轨道交通领域的应用

RAMS是可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可维护性(Maintainability)

和安全性(Safely)的缩写[1]。RAMS概念源于20世纪70年代,用于对大型复杂项

目的管理,最早应用于核电、军工、民航等领域,目前在国外轨道交通行业也取得了

广泛应用,在国内北京地铁4号线、上海地铁10号线等已率先引入RAMS管理,国内很多新建的轨道交通工程也准备采用RAMS进行安全性和可靠性管理。

英国标准协会(BSI)1999年颁布了EN 50126《铁路应用——可靠性、可用性、维修性和安全性的规范和验证》,成为欧洲各国轨道运营商和供货商广为采用的RAMS管理标准,也是目前轨道交通行业实施RAMS管理的基础[2]。RAMS体系

既适用于轨道交通工程整个项目,也适用于项目分解后的某个具体系统,例如本文要

展开研究的轨道交通UPS集中供电系统。

1.2 轨道交通UPS集中供电系统

轨道交通是大型复杂系统工程,其机电系统包括通信、信号、综合监控、自动售检票、设备与环境监控、火灾报警等专业应用系统。早期这些机电系统不间断电源(UPS)按照专业分散配置,各系统不论耗电量大小,均配置一套UPS电源设备,暴露出故障多、管理分散、电池使用寿命低、建设和维护成本高等诸多问题。随着近些年大容量的UPS技术的快速发展,轨道交通建设逐渐采用对通信、信号、综合监控等系统进行UPS集中供电方式,即采用UPS集中供电系统。上海地铁7号线、北京

地铁9号线、天津地铁2号线、苏州地铁1号线等项目目前已经或正在实施UPS

集中供电系统。

UPS集中供电系统主要由几个部分组成：交流不间断电源设备(UPS)、交流配电屏、高频开关电源、蓄电池及电源监控模块。这个新诞生的系统也面临以下问题：一方面UPS集中供电系统服务于众多机电控制系统,风险也集中了,对其安全性、可用性要求也就提高了；另一方面,该系统工程实施中涉及到的接口众多,目前该产品市场

成熟度还不高,很难由一家供货商提供全套产品和服务,存在模块选型匹配、接口协

调等问题。

因此,非常有必要对该系统引入RAMS管理,对其可靠性、可用性、可维护性及安全性进行定性和定量分析,研究其方案设计、设备配置、运行管理等全生命周期中存

在的风险因素及应对策略。

2 UPS集中供电系统的RAMS设计

2.1 UPS系统可用性和可靠性指标

可靠性是指系统在规定的条件下、在规定的时间内,完成规定功能的能力,通常用平均无故障工作时间 MTBF(Mean Time Between Failure)来衡量。根据UPS系统的基本需求,综合考虑系统各设备的可靠性,以及轨道交通运营需求,系统整体可靠性指标MTBF应大于10万h。

可用性是指在给定的瞬间或在给定的时间间隔内,处于某种状态的产品在给定条件下执行所要求功能的能力。通常用可用度来衡量。可用度=系统运行时间/(系统运行时间+系统停机时间)×100%。即可用度=MTBF/(MTBF+MTTR)×100%。提高系统可用性的基本方式就是延长MTBF,缩短MTTR。根据UPS系统的基本需求,属于具有故障自动恢复能力的可用性,其可用性指标应达到99.9%。

2.2 UPS系统的可用性和可靠性设计

提高UPS系统可用性和可靠性可以从UPS系统运行保护方式、容量冗余配置、后备蓄电池及优化、输入输出保障等方面入手。

(1)UPS运行保护方式

为确保系统供电可靠性,可采用UPS并机冗余的运行方式,实践证明,随着位于UPS 冗余系统中的UPS单机的数量增加,整个UPS并机系统的可靠性是不断下降的(表1)。轨道交通建议采用1+1并机冗余方案。

表1 并机系统可靠性比较多机并机方案“1+1”并机“2+1”并机“3+1”并机“4+1”并机“5+1”并机“6+1”并机可靠性比值5541292114105

注：UPS单机MTBF取为1。

(2)UPS容量的冗余考虑

UPS容量根据负荷量计算确定,为增加系统的可靠性,同时延长UPS使用寿命,一般

建议负荷量占UPS输出功率的60%～70%为宜,同时要考虑UPS的输出功率因数。一般计算公式如下

式中 Se——UPS设计容量；

n——安全系数,取1.2～1.5；

m——余量系数,取1.15～1.2；

P——所有专业功率和；

Pi——第i个专业功率。

(3)后备蓄电池配置与优化

后备蓄电池是UPS电源系统的重要组成部分,能将电能转化成化学能存储。正常情况下,供给负载的电源是外供交流电源经UPS整流、逆变后输出的220/380 V交

流电源,同时给蓄电池充电；当外供交流电源故障时,蓄电池放电,将化学能转化成电能。它是决定整个电源系统可用性的重要因素。

后备电池容量配置主要由负载大小、环境温度、电池放电率等因素决定,具体计算

方法如下

式中 C——蓄电池容量；

IL——负载工作电流；

T——后备时间；

α——温度系数；

t——工作温度；

K——蓄电池放电效率,一般取值0.5～1,与放电时间有关。

其中,后备时间是关键参数。一般取值方法有3种：简单的取最大值、算术平均值、加权平均计算法。加权平均计算法可以采用如下公式初步估算