長輸油氣管道控制系統供電電源的設計及改進

摘 要：結合國家、行業的標準規范要求和行業管理規定，提出了長輸油氣管道SCADA系統供電電源常用的多級冗余設計方案，包括供電設備的選擇、供電方式的確定，并且根據工程實踐經驗和負載重要性和特性，提出一種控制系統供電按照UPS電源和普通電源分開設計的改進方法。

關鍵詞：長輸油氣管道 SCADA UPS 供電

中圖分類號：TM623.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0127-02

隨著自動化技術的發展和控制水平的提高，目前長輸油氣管道大多采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，實現全線的數據采集與監視控制。SCADA系統完成輸油生產過程數據采集、監視控制和安全聯鎖保護，是目前油氣儲運生產過程調度指揮和控制的核心平臺，其供電電源的穩定可靠是SCADA系統安全運行的必要基礎。本文介紹SCADA系統供電電源的常用設計方案，提出系統供電電源按照用電等級分別設置的改進方案。

1 SCADA系統供電電源等級確定

SCADA系統供電包括儀表及控制系統的供電和儀表輔助設施的供電。儀表及控制系統供電范圍包括：PLC（可編程序控制器）、現場儀表、服務器、工作站、通信設備、火災報警控制系統和可燃氣體和毒性氣體報警系統；儀表輔助設施的供電范圍包括：機柜照明、機柜通風風扇、機柜和操作臺的外接備用電源。按照《供配電系統設計規范》（GB50052-2009）的規定，儀表及控制系統供電屬于一級負荷中特別重要負荷，這類負荷當供電中斷時，為確保安全停工及處理事故，不致造成設備損壞和人身傷害事故，不致造成重大經濟損失，需要穩定可靠的后備電源系統。儀表輔助設施的供電屬于三級負荷，這類負荷在供電中斷時，對生產過程影響較小，不會造成設備損壞，也不會對過程控制產生影響。因此，儀表及控制系統的供電一般采用不間斷供電裝置（UPS），UPS電源既可以防止突然斷電對生產過程控制的影響，也可以消除普通電源上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質量。

2 UPS主要技術指標

UPS是一種包含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，具有穩壓穩頻輸出的功能的電源設備。主要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態開關等幾部分組成。UPS按工作原理分成后備式、在線式與在線互動式三大類，考慮到SCADA系統連續穩定運行對電源的要求，一般采用在線式UPS作為主供電設備，能夠持續零中斷地輸出純凈正弦波交流電，解決電源尖峰、浪涌、頻率漂移等問題。

UPS電源的主要質量指標如下。

2.1 輸出交流電源

電壓：220 V±5%。

頻率：50 Hz±0.5 Hz。

波形失真率：小于5%。

2.2 輸出直流電源

電壓：24 V：24～28V可調。

紋波電壓：小于0.2%。

2.3 電源瞬斷時間：小于等于20 ms

2.4 瞬時電壓降：小于10%

2.5 后備電池

電池類型：宜采用密封免維護鉛酸電池。

后備供電時間：不小于2 h。

充電性能：2 h充電至額定容量的80%。

2.6 功率

按照儀表及控制設備耗電量總和的1.2～1.5倍考慮。

需要特別說明的是，按照《石油化工儀表供電設計規范》（SH/T3082-2003）要求，UPS 電池的后備時間為15～30 min即可，而《輸油管道設計規范》（GB50253-2003）明確輸油站自動化控制系統等特別重要負荷供電采用UPS電池后備時間不少于2 h，是在參照《35～110 kV無人值班變電所設計規程》相關內容，結合部分輸油站地處偏僻，周邊依托條件差的基礎上提出的。

3 SCADA系統電源的配電方式

按照《石油化工儀表供電設計規范》（SH/T3082-2003）和《中國石化生產裝置過程控制儀表電源供電系統技術管理規定》（中國石化生[2011]157號）要求，儀表及控制系統的供電電源應按照雙電源設計，即一路由UPS饋出，一路由低壓母線饋出。在遵照標準規范的前提下，結合工程實踐經驗，為保證UPS進線安全可靠，防止因電纜線路及低壓電氣設備故障而造成UPS供電輸入意外中斷，UPS進線按照兩路設計，兩路電源均取自變電所不同低壓母排，供電方式見圖1。

從圖1可見，SCADA系統正常情況下由UPS供電，在UPS設備故障時由變電所直接供電。該系統的設計考慮多級冗余，一是UPS進線冗余設置，二是在線式UPS本身具有旁路功能，即正常情況下一路經濾波整流直接輸出，故障情況下另一路由后備電池經逆變器后輸出，三是一路變電所低壓電作為UPS的備用。以上供電系統多級冗余設計時需設置STS靜態切換開關。

STS（Static Transfer Switch）靜態切換開關具有電源二選一自動切換功能，正常工作狀態下，在主電源處于正常的電壓范圍內，負載一直連接于主電源；在主電源發生故障時，負載自動切換到備用電源。在主電源恢復正常后，負載又自動切換到主電源。STS靜態轉換開關采用先斷后通的切換方式，確保兩路電的轉換過程中用電設備不斷電，從而能夠正常連續工作。其最高轉換時間可以達到5 mS，滿足PLC等控制設備數據采集輪詢周期不大于20 mS的要求，確保控制系統數據不丟失，運行不中斷，控制不失效。

4 SCADA系統供電電源改進方案

SCADA系統供電設計時一般由UPS電源為儀表及控制系統和儀表輔助設施統一供電，即將UPS電源的輸出回路引入相應的機柜和計算機操作臺，機柜內部供電回路分配多由系統集成商完成，一般是將UPS的輸出經分流后接斷路器，分送到各個機柜，再由各機柜分別送給各負載。

根據用電負荷的重要性，結合SCADA系統的技術特點和運行環境的狀況分析，儀表及控制系統供電是SCADA系統供電的關鍵和核心，其對供電電源都有苛刻的要求，既要求電源24小時不間斷，同時要保證電源電壓穩定，無尖峰、浪涌、頻率漂移等問題。儀表輔助設施的供電相比來說并無太多要求，普通電源即可滿足，且目前輸油站和油庫大多為雙電源供電，電源質量較好。次外，控制室環境依托條件也較好：機房和控制室均設置有事故應急照明系統，因此在電源故障時機柜和控制室照明可以利用室內應急照明燈；機房通風良好，空氣清潔，因此機柜風扇可以短時間中斷運行；外接備用電源只是控制系統安裝調試時用，供電中斷對系統運行不產生影響。由此可見，儀表輔助設施的供電短時間的中斷，不會對控制系統產生影響。因此，儀表輔助設施可以單獨采用普通電源供電。

綜合以上分析，SCADA系統的供電可以分為兩類配置：UPS供電電源和普通電源，即儀表及控制系統供電采用UPS電源，儀表輔助設施的供電采用普通電源（供電方式如圖2所示）。

電源分別設置具有以下優點：一是避免電扇和電燈這些感性負載和阻性負載等易發生短路、斷路的用電設備對儀表及控制系統的主電源的污染，保證關鍵儀表和控制設備的用電安全；二是防止在設備安裝及系統調試階段，因管理不善或人員繁雜，各種大功率施工設備對UPS電源沖擊或過載的影響；三是降低UPS電源的功率需求，節省投資。

5 結語

SCADA系統是長輸油氣管道生產調度指揮的核心，其供電系統的安全可靠對系統穩定運行起到基礎支撐作用。儀表及控制系統供電采用采用不間斷電源供電，并且采用雙電源配電方式，儀表輔助設施的供電采用普通電源，此設計方案既保證了SCADA系統的供電可靠性，又增強供電系統的安全性。

參考文獻

[1]劉宏斌.輸油管道工程設計/石油和化工工程設計工作手冊[M].東營：中國石油大學出版社，2010：798-802.

[2]SH/T3082-2003，石油化工儀表供電設計規范[S].