UPS供电方式方案

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。