UPS原理及在石化生产装置的应用

　【摘要】
不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply）广泛应用于通讯、电力、银行、石油化工等大量使用计算机的行业，本文通过多年应用实践，介绍UPS系统单机运、主从热备份、双机并机冗余几种方式和优缺点，以此提高UPS应用水平，减少事故。
  
【关键词】
UPS  单机  热备份冗余   冗余并机

　　随着石油化工行业仪表大量采用DCS控制系统，这些大型装置操作的自动化水平越来越高，出现事故后损失也越来越大。因此，对DCS电源的要求也越来越高。目前，大部分DCS采用UPS供电，提高UPS供电的可靠性，是对我们提出的一大课题。本文旨在通过三相在线串联式UPS在我厂生产装置应用的过程，介绍不同接线方式UPS对可靠性的影响。

一、三相在线串联式单机UPS系统基本组成和工作原理：
　　在线串联式UPS一方面是一种备用电源。它在电网断电或电压波动出现时，能够不间断的为负荷提供电源；同时另一方面它还具有电源净化功能。能够将诸如：电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变以及噪声电压等过滤掉，保护所带负荷正常工作。一套在线串联式UPS系统基本组成由整流器、逆变器、蓄电池组和静态自动旁路和手动旁路开关五大部分组成。UPS一次系统图如图1：

图1
　　各部分工作原理及功能：
　　1、自动静态旁路开关
　　自动静态旁路开关是由可控硅等电力电子元件组成。从原理上讲它相当于一个单刀双置的开关。静态自动旁路在控制上保证逆变器和旁路电源之间自动切换特点是“先合后断”，以此保证向负荷供电不间断。
　　正常运行状态，静态开关投合在逆变器侧。当逆变器故障或输出过载自动静态旁路开关投合在旁路交流电源侧由市电供电，逆变器故障UPS会发出报警信号，如果是由输出过载引起，则过载消失后，自动静态旁路开关重新切回逆变器侧。当负载短路时，保护电路就会很快关断逆变器，这时自动静态也不会转换到市电，短路消失后逆变器会重新自动启动，恢复供电。UPS正常运行的跟随特性（即旁路锁相）是：如果旁路电源电压、频率和相位在容限范围内，则UPS输出电源的电压、频率将跟随旁路电源（市电）而变化，这时也允许手动进行逆变器和旁路供电方式互相切换；如果旁路电源电压、频率在容限范围之外，UPS自动转由蓄电池组工作，输出电源将以UPS自身设定标准电压、频率运行。因此，UPS对电源适应范围的容限是衡量UPS系统可靠性的重要指标，一般设备指标电压在额定值的+（10~15）%，频率在额定值的+（5~10）%。
　　2、手动旁路：手动旁路是接于旁路电源和逆变器输出之间的开关，它可以隔离逆变器输出和自动旁路，作为UPS维修和测试时不间断负载供电的设备。UPS一些机型如梅兰日兰已经做在了机器内部，有些机型需另加这一回路。需要注意的是：只有UPS工作在“静态旁路电源侧”才能手动合“手动旁路” 开关。
　　3、整流器：将不稳定的三相交流市电电源整成直流的设备。整流后主要作为逆变器电源，同时提供给电池组作为浮充或均充电源。
　　4、逆变器：将整流器或蓄电池送过来的直流逆变为SPWM波形的交流电在经滤波、变压等环节变成高质量的三相交流电源输出。
　　5、蓄电池组：蓄电池组是UPS系统的关键，平时由整流器整流的直流浮充工作。当交流输入失电或电网电源质量超标，将自动由蓄电池组提供直流电源经逆变后不间断送向负载。因此，蓄电池组性能的好坏直接影响UPS发挥作用。

二、单机UPS系统在我厂的应用及问题对策
　　我厂从1993年随着DMT装置仪表改型为DCS系统时，配套引进了一台梅兰日兰公司的EPS2000型UPS开始，到目前为止共使用过梅兰日兰EPS200、GALAXY  PW、SIEMENS S系列、POWERWARE 9315等10多台不同品牌和型号的UPS，主要给装置仪表、火警等重要工业负荷供电。在使用过程中也曾发生多次故障，进行过多次改进。

1）故障统计
　　对我厂UPS使用中故障统计见下表：



2）故障原因分析及对策：
　　从上表可以看出，电池故障是UPS故障的主要原因。由于其他几项都可以依靠UPS完善的报警系统和日常巡检来及时发现和处理。因此，电池一直是UPS维护的重点内容。
　　中小容量的UPS系统采用的电池大部分单体为12V铅酸免维护电池（大容量电池为2V），一套UPS系统按照机型由35—46块不等的单体电池串联组成，每一块电池的性能好坏将影响整组电池发挥作用。因此对整个电池组来说，随着运行时间的增加，容量最小电池将决定着整组电池的容量。
　　正常运行时对铅酸免维护电池应该做到以下几点：
！）即可能使电池处于环境温度保持在20℃--25℃。
！！）定期（3个月—半年）对电池进行活化治疗性放电，即用20时放电率放至10.8V，然后充足电再用。
　　因此，在电池使用方面应克服“免维护”就是不用维护的误区，运行期间也需要定期对电池放电维护。

3）单机UPS系统在我厂的应用改进。
　　单机系统UPS使用的关键在蓄电池维护上，维护的好就能在关键时刻发挥作用。多年来，我们都是通过每半年通过 “将UPS切到旁路电源供电后，利用假负载对电池进行测试和活化放电”的方法维护电池。以此，延长UPS可靠运行时间,保证在出现电网晃电时为装置DCS系统提供了可靠不间断供电保证。

4）单机UPS系统存在问题
　　在UPS放电维护期间，由于负荷是通过手动旁路（市电）电源供电，因此，存在以下问题：
！）负荷电压与旁路电源电压相同，不能保证指标合格。
！！）负荷不受保护。万一旁路电源波动或停电，负荷将受到重大影响，特别是DCS等重要负荷出现掉电，间接造成生产装置停车其经济损失巨大。
！！！）由于定期放电，特别是电池使用寿命末期，仍不能保证电池在关键时刻发挥作用。
　　根据以上问题，我们认为单机系统在大型工业装置中使用不是完备方案。

三、热备份冗余系统在我厂的应用
　　单机系统的缺点是我们改进的动力。我厂DMT装置有两台梅兰日兰的EPS2000机型的UPS分别做为“仪表DCS 电源（30KVA）”和 “同步机励磁电源（10KVA）”，并且均为单机系统。在1996年大修期间，我们根据DMT装置这两台单机系统在同一工作地点的特点，考虑到EPS2000不具备冗余并机的特点，经过技术经济分析，新上了一台梅兰日兰GALAXY  PW  30KVA机器，实现了热备份冗余系统。其系统图如图2：

图2
　　利用一台后备机的输出接于两台主机的旁路电源侧，保证主机的旁路电源也是通过备台UPS供电，经过改造后，在对每台机器的蓄电池维护时，只需将本台机器手动切换到维修旁路，就可以对退出运行的UPS进行维护。由于3台UPS有3组电池，不但提高了外部电源故障时的后备电池的供电时间，也减少了电池故障给负荷造成供电中断的概率。解决了单台UPS系统的缺点。经过改造，在这套装置因UPS问题造成装置停车的问题基本得到解决。
　　笔者认为：热备份冗余UPS系统是实现对重要负载提高供电电源可靠性改造的较好的方案之一，这种配置适用于强调电源高可靠性和高可用性负载。有关资料显示：如果单机的可用度为100%，热备份冗余UPS系统的可用度提高为284%，因此，是不同机型或不具备并机能力机型提高可靠性的最好的解决方案。在现有单机型基础上，实现只需购置一台设备，就能达到目的，能够降低采购费用，减少资金浪费，是较经济的方案。
　　热备份冗余UPS系统虽然是不同机型或不具备并机能力机型提高可靠性的最好的解决方案，但不是UPS应用最好的方案，它存在如下缺点：
！）正常运行状态，一台主UPS在工作，另一台备机UPS只提供主UPS旁路电压，不提供电流，所以备机设备能力不能充分发挥。
！！）负载侧短路或过负荷是不可避免的，一般情况下，旁路电源的过载能力比逆变器过载能力大。虽然，增加了一台UPS，但是，它接在主机的旁路电源侧，在负载短路或过负荷时，最终还会出现由主机逆变器侧到旁路侧再到备机旁路侧的自动切换，因此，增加一台UPS没能达到提高系统的过载的能力。

四、冗余并机技术在我厂的应用
1）冗余并机技术接线方式及优缺点。
　　随着UPS技术发展，目前，UPS并机技术得到了应用，有的机型不但可以实现2台直接并机，甚至4台或7台UPS的增容并机。2台UPS冗余并机的接线方式如下（图3）：

图3

2台UPS冗余并机的优点是：
！）  提高了系统的过载能力：是单台UPS过载能力的2倍。
   ！！） 由于2台或多台UPS同时带负荷，使机器利用率得到提高。
   ！！！）为负荷增加后，UPS增容带来方便。当负荷增加时，只需增加一台或几台同容量的UPS并联即可，实现模块化增容并联，不用整个推倒整体从新选择大容量设备。
   ！v) 冗余并机UPS操作简单、维护方便。
　　并机时应注意的问题是：1）要选用的机器必须具备并机能力，机器为同一品牌同一容量。2）2台UPS同时带负荷，平均分担相等负荷，这时要求负荷功率小于或等于单台UPS的额定功率，当一台UPS故障，另一台UPS能继续供全部负荷，这种方式也叫1/2冗余度并机。

2）我厂新区UPS应用解决方案。
我厂在20万吨聚酯新区，BPX装置采用了美国爱克赛POWERWARE  9315机型（380V三相），PTA装置采用意大利CONVEREX FIM 40S（单相220V）机型分别向两套装置仪表DCS系统供电，在装置建成中交时，我们就作为问题向上级部门请示要求并机，2002年作为装置急需解决的33项问题之一，在大修中实现了并机。由于两套装置采用联合控制室，考虑经济性，再加上美国爱克赛POWERWARE  9315机型（380V三相），在技术上采用无线并机不用并机控制板，因此，我们采用BPX装置UPS并机，而PTA装置UPS利用BPX装置的并机作后备，采用热备份冗余方式，减少了一台UPS，仅需要采购一台UPS，将两套装置UPS作成了一个较大的系统。其系统结构图（图4）：

图4
　　由于PTA装置UPS在旁路电源上由隔离变压器，较好的解决了两装置电源混接的问题。通过上述改造，新区装置DCS电源得到了保证，也为UPS维护提供了方便。

作者：
天津石化公司化工保运站   周立宏
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