UPS 供电方式方案
2011 年 1 月 13 日某化工厂 160kVA双机冗余 UPS内部短路跳闸导致所带全部负载失电,下游部分装置停车,造成很大的经济损失。针对此次事故,为避免 UPS故障停机造成所带仪表、计算机、 DCS等设备失电影响生产,现对上述装置的 UPS供电方式及供电方案进行分析。研究改善目前的仪表 UPS供电系统,以减少因 UPS电源故障造成的控制系统和现场仪表失电停车。
一、上述装置 UPS电源现状
见附表 1:重要装置 UPS设备情况
二、UPS供电方案
1)方案一:双机冗余供电方案
UPS不间断电源的主要作用就是在系统电源故障情况下,仪表的控制系统、操作系统在 UPS电池组的后备时间内仍能处于正常工作状态。同时,当 UPS内部故障时,也可通过来自系统电源的旁路保证仪表设备的正常工作。根据石化行业实际生产情况,一些重要装置采用单机 UPS可靠性相对较低,不是所有 UPS内部故障均能可靠切换到旁路或电池供电,一旦单机 UPS出现严重的内部故障,将严重威胁装置的安全运行,使用双机 UPS可大大提高仪表电源可靠性。
采用“冗余”式运行方式,即两台 UPS之间通过并机板或并机线实现相互通讯,针对可能发生的各种故障,按机器内部的程序设置进行双机或单机切换,每台 UPS的额定容量能够满足长期带全部负荷的要求。其配置方式为: 1#UPS、2#UPS工作电源分别取自变电所 I 、II 段母线。旁路电源与
维修旁路电源取自变电所同一段母线,两台 UPS 共用一个旁
路电源。 1#、 2#工作电源经两台 UPS滤波、整流、逆变之后输出至配出柜的汇流母排,经空气开关由一条电缆送至仪表电
源
柜,两台 UPS均分负载
双机冗余 UPS运行方式:
1.外部电源及 UPS正常的情况下,两台 UPS整流—逆变运行,两台 UPS均分负载。
2.当 1#UPS工作电源故障后, 1#UPS转为蓄电池供电,2#UPS正常运行,由两台 UPS均分负载。
3.当两台 UPS工作电源均失电时,两台 UPS均转为蓄电池供电,均分负载。
4.当两台 UPS工作电源均失电,且两台 UPS电池组先后达到电压下限时, UPS转为旁路运行,由一个旁路电源供电。此时,若旁路电源故障或旁路回路电气元件故障,负载将失去电源。
2)方案二:双机非“冗余” UPS供电目前热电厂使用双机但相互独立的两台 UPS为仪表电源供电。其配置方式为:1#UPS工作电源取自变电所 I 段母线,旁路电源与维修旁路电源取自变电所对侧母线; 2#UPS工作电源取自变电所 II 段母线,旁路电源与维修旁路电源取自变电所对侧母线;两台UPS相互独立,不需并机板或通讯线。两台 UPS经两条回路分别输出至仪表电源柜中的两个电源模块。每台 UPS针对可能发生的各种故障,按 UPS内部的单机程序设置进行切换,每台 UPS的额定容量均满足长期带全部负荷的要求,供电方式见附图。
仪表分电盘
双机非“冗余” UPS运行方式:
1.外部电源及 UPS正常运行的情况下,两台 UPS整流—逆变运行,两台 UPS均分负载。
2.当 1#UPS工作电源失电时,转为蓄电池供电, 2#UPS 正常运行,两台 UPS均分负载。
3.当 1#UPS内部故障时, 1#UPS可切换至旁路运行;若旁路切换失败,转为 2#UPS带全部负载运行。
3)方案三:双机“冗余” UPS 供电,增加一路常规电源及 STS 装置
在方案一的基础上,增加一路常规电源及一套 STS装置,即“冗余” UPS电源及常规电源输出至 STS装置,由 STS输出至负载
STS
STS 工作原理: STS 的主回路由输入开关 CB1、CB2,互为冗余的 输出开关 CB3、CB3A ,旁路维修开关 CB4、 CB5以及由可控硅( SCR ) 构成的静态切换开关组成。 STS 静态转换开关是用来实现两路交流电 源之间进行不间断转换, 在一路输入电源发生故障或需要检修、 测试 时实现从一路电源到另一路电源之间不间断地转换, 同时禁止所接入 的两路电源之间产生回流。 当两路交流电源的幅度、 频率和相位差应 控制在一定小的范围内时, STS 的切换时间可以小于 5ms ;当两路交 流电源的幅度、频率和相位差超出所控制的范围内时, STS 的切换时 间可以小于 20ms ;为了确保正确运行,当 STS 内部出现故障时,设 备会保证其中一路继续输出为负载供电, 并严格禁止两路同时供电或 断电的现象发生。
此次方案增加 STS 装置,两路电源其中一路“冗余” UPS 电源为 优选源,另一路常规电源为备选源。当两路电源都正常的时候,冗余 UPS 电源一侧的静态开关接通, STS 将“冗余” UPS 电源提供给负载, 而备选源一侧的静态开关则随时冗余 UPS CB4 CB1 SCR2 常规电源 CB2 CB5
CB3
输
CB3A
SCR1
处于待命状态。当优选源出现异常,
静态切换开关将迅速地实现切换,将备选源提供给负载。
4)方案四:双机 UPS各带一半负载供电运行方式与方案二类似,其配置方式为: 1#UPS工作电源取自变电所 I 段母线,旁路电源与维修旁路电源取自变电所对侧母线; 2#UPS 工作电源取自变电所 II 段母线,旁路电源与维修旁路电源取自变电所对侧母线;两台 UPS相互独立,不需并机板或通讯线。两台 UPS经两条回路分别输出至仪表电源柜中的两个电源模块,每个仪表电源模块各带一半负载。每台 UPS针对可能发生的各种故障,按 UPS内部的单机程序设置进行切换。
双机 UPS各带一半负载运行方式:
1.在外部电源及 UPS正常运行的情况下,两台 UPS整流—逆变运行,两台 UPS各自承担其所带仪表电源模块的负载。
2.当 1#UPS工作电源故障时, 1#UPS 转为蓄电池组供电; 2#UPS 正常运行,两台 UPS各自承担其所带仪表电源模块的负载;当 1#UPS 蓄电池组达到电压下限时, 1#UPS自动转为旁路运行。
3.当 1#UPS内部故障时, 1#UPS切换至旁路运行;若旁路切换失败,1#UPS所带仪表电源模块的负载失电, 2 #UPS所带仪表电源模块的负载正常工作。
三、UPS方案特点对比
1)优缺点
1.方案一双机“冗余” UPS供电:优点:若一台 UPS内部故障,仪表电源将不受任何影响,由另外一台 UPS带全部
负载。
缺点: UPS操作相对单台 UPS复杂。 UPS冗余切换设计依靠通讯及软件控制,炼油厂曾发生冗余 UPS切换失败,两台 UPS跳闸事故。
由于输出至仪表 DCS机柜仅为一条供电电源,当任一台 UPS 输出回路短路或输出电缆故障时,将造成两台 UPS全部跳闸,供电中断,类似上述化工一厂事故。
2.方案二双机非“冗余” UPS供电:
优点:操作相对“冗余” UPS简单,不影响另一台 UPS运
行,仪表电源模块冗余,操作风险小。由于两台 UPS分布两
个地点,减少同一环境等外界因素带来的影响,并且分别采
用电缆连接至仪表 DCS机柜为其供电,若一台 UPS内部故障
或输出电缆故障导致停机, DCS电源模块采用冗余设计,无
故障的 UPS仍有输出,不影响正常的生产。
3.双机“冗余” UPS供电,增加一路常规电源及 STS装
置:优点:若“冗余” UPS故障失电,将由另一路常规备用
电源通过 STS装置自动切换,带全部负载,提高供电可靠性,
由于 UPS及常规电源来自于不同地点,切换正确能避免 UPS
馈出全停电事故的发生。
缺点:增加 STS装置在电气侧,投资较大。由于 STS容量
较大,设备复杂,增加较多切换环节,故障率也相应增加,
另 STS装置输出至仪表 DCS机柜仅为一条供电电源(一条电
缆),输出电缆或电源故障也将影响生产,未从根本解决
DCS等重要负载双电源问题。
4. 方案四:双机 UPS各带一半负载供电
优点:两台 UPS采用双回路为仪表 DCS机柜供电,若一
台 UPS内部故障或输出电缆故障导致停机,故障 UPS所带DCS电源模块的负载失电,无故障的 UPS所带 DCS电源模块的负载仍可正常运行, UPS故障对生产装置的影响减少一半。
缺点:任何两台 UPS中的任何一台 UPS发生故障断电后,必会对生产装置造成影响。
四、总结
通过三个方案的分析对比,在一般装置选用单机 UPS或方案一供电。对重要装置选用方案二供电,能够提高对仪表、计算机、 DCS等的供电可靠性。
由于部分 DCS系统投运较早,仪表电源部分负载不能增加电源模块实现 DCS电源冗余设计,在今后新建装置或新改造控制系统,应从设计阶段就确定双路独立 UPS供电,即方案二。供电、仪表整体考虑,逐步解决控制系统供电安全性较低的情况。