淺談儀表及控制系統供電的現狀及發展趨勢

李莉，劉秀琴

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島266061）

在石油化工生產裝置中，由于儀表及控制系統的不間斷電源（UPS）發生故障，導致生產裝置非計劃停產的事故時有發生。例如：某公司空分裝置UPS原設計，無自動旁路功能，因市電及蓄電池發生故障造成裝置停產；橡膠裝置的UPS主電源、旁路電源的開關帶漏電保護，漏電保護誤動作導致電池放完電后，造成DCS斷電，裝置停產；鍋爐裝置UPS的零線直接作為UPS輸出的零線，自動化儀表系統將零線接地，應用中線路上又出現了一點接地，造成短路，裝置停產；苯乙烯裝置聯鎖用的電磁閥電源由UPS提供，電力系統電壓波動使電磁閥動作，造成裝置停產［1］。隨著石油化工裝置大型化、一體化、智能化、清潔化及精細化的發展，工藝過程越來越復雜，自動化、信息化程度將越來越高，控制系統的規模越來越大，從而對儀表及控制系統供電設計的可靠性要求越來越高。

根據SH／T 3082—2003《石油化工儀表供電設計規范》［2］及SH 3038—2000《石油化工企業生產裝置電力設計技術規范》［3］，儀表及控制系統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、人身傷害事故和重大經濟損失，需要設置UPS。

1 UPS系統

在石油化工生產裝置中，儀表及控制系統供電電源通常使用靜止型UPS，按工作方式可分為在線式（online）和后備式（offline）兩種。在線式UPS輸出的是與市電網完全隔離的純凈的正弦波電源，大幅改善了供電的品質，保護了負載安全有效的工作；后備式UPS對市電品質基本沒有改變［4］。石油化工生產裝置中儀表及控制系統使用在線式UPS。

UPS運行方式通常有如下幾種方案：單機方式、二機串接方式、二機并接方式、一路UPS和一路市電方式、二路UPS（或一路UPS和一路市電分別供給DCS的二組電源模塊）方式。

此外，隨著技術進步、元器件的更新換代，生產工藝及操作不斷精細化，UPS系統不斷出現更新、更可靠的結構，例如：“N＋X”型UPS冗余供電方式、“2 N”UPS輸出結構等，使整個UPS供電系統具有容錯能力，其穩定性、可用性、可維護性都取得了較大的進步，為儀表及控制系統的可靠供電提供了更有力的保證。

2 儀表及控制系統的供電

2.1 過去的供電方式

過去生產裝置通常采用單UPS系統供電，如圖1所示。如某石化公司在應用此種供電方案時，存在電源切換擾動、退出UPS進行維修時發生燒壞儀表穩壓電源且損傷UPS本身的事故［5］。

圖1 單UPS供電方案

單UPS系統供電方式存在以下主要問題［6］：

1）UPS供電系統的故障大多數發生在UPS主回路、交流旁路和維修手動旁路相互切換時，故障的發生有隨機性。

2）蓄電池組故障引起UPS故障。

3）存在瓶頸故障點，當靜態開關發生故障時將中斷UPS系統對負載的供電。

由于此種供電模式造成石油化工裝置非計劃停車的事例舉不勝舉，因而此種設計方案現在已被摒棄。

2.2 現階段的供電方式

現階段，設計中常用的儀表及控制系統供電方案如下：

1）中心控制室的儀表及控制系統，采用2套UPS供電方案，如圖2所示。

圖2 2套UPS供電方案

2）重要生產裝置、聯合生產裝置機柜室的儀表及控制系統，采用2套UPS供電方案，如圖2所示［7］。

3）小型生產裝置（UPS容量小于10kVA）和公用工程機柜室的控制系統，采用1套UPS加1套穩壓電源的供電方案，如圖3所示。

圖3 1套UPS加1套穩壓電源供電方案

以上設計方案可隨工程項目的具體情況進行調整。如小型油庫工程項目工藝流程及控制方案簡單，控制方案以單回路指示、報警為主，無串級、選擇等復雜控制回路，無多變量、多參數聯鎖控制，加之規模小、設備少，控制系統監測點數少，因而其中心控制室的儀表及控制系統可采用1套UPS系統加1套穩壓電源的供電方案。

筆者在項目設計中曾應用過這兩種設計方案，據了解現場供電穩定。其中，1套UPS加1套穩壓電源供電的方案如圖4所示。通常，儀表總配電柜由自控專業負責設計，采購過程中一般由DCS（或SCADA等）供貨商成套提供。

圖4 供電設計方案案例

2.3 未來的供電方式

隨著石油化工企業原油處理能力的提高及自動化、信息化的快速發展，未來的中心控制室具有以下特征：集成化、智能化、模塊化的基礎設施；IT資源共享的信息服務平臺；能達到安全、可靠、高效的操作運行；對過程對象、資源及環境的監控虛擬化、可視化；系統可擴展性好，軟、硬件維護簡便，數據備份安全性高；能取得最大化的能源效率和最小化的環境影響［8］。因此，中心控制室會成為數字化信息處理中心，控制系統、信息系統、大屏幕系統等各種系統聚集于此，需要UPS供電的設備越來越多，UPS容量越來越大。

目前，為了提高UPS的可靠性，主要采用主從結構的“1＋1”并聯方式，文中2.2節所述的2套UPS供電方案就是采用此種方式。雖然該種方式在一定程度上提高了供電可靠性，但是不便于離線維護、擴容，同時也存在設備利用不充分、缺乏靈活性等方面的缺陷，并且大容量UPS價格高昂，占地空間大。

隨著 UPS技術的發展，“N＋X”［9］型功率均分冗余模塊化整機冗余UPS技術不斷成熟，其技術的設計思想是：將單臺UPS作為單個獨立的模塊，各自在工作時可以自動均流；單臺出現故障時，可以在不停機的狀態下熱插拔故障UPS模塊；輸出功率在一定范圍內可以任意擴展。“N＋X”通常指系統中N＋X臺UPS單機（或模塊）并聯運行，當最大X臺單機（或模塊）發生故障時，系統仍能夠正常運行，可實現系統級的容錯功能。如果中心控制室的UPS容量為100kVA，若采用“1＋1”冗余UPS方案，此時，相當于有100kVA的UPS備用，會產生“大馬拉小車”的問題，既不經濟又不節能；若采用“5＋2”冗余UPS方案（相當于選用7臺20kVA并聯UPS系統），當負載為75%時，可以容許有2臺UPS發生故障，當負載為50%時，可以容許3臺UPS發生故障。

由于“N＋X”型UPS的最大特點是可以“熱插拔”，即在不妨礙正常供電的前提下可以帶電插拔UPS模塊（包括功率模塊、電池模塊、電路模塊等）以進行更換或擴容，一方面提高了供電的可靠性，另一方面給維護人員帶來了方便。因此，“N＋X”型UPS供電方式在石油化工裝置中擁有廣闊的應用前景。

隨著高頻鏈結構、全數字化控制方案在UPS系統中的應用，UPS系統正向著模塊化、智能化、綠色化方向發展，“穩定容錯、綠色節能”［10］的UPS供電系統會是將來的發展趨勢。

3 結束語

穩定可靠的供電系統是石油化工生產裝置安全穩定運行的基礎，如何為儀表及控制系統設計安全可靠的供電系統是石油化工自控設計中重要的一環，設計者應給予足夠的重視。

［1］李楨.自動化儀表系統供電方案的改進［J］.石油化工自動化，2008，44（06）：72－74.

［2］周懋忠，呂明倫，劉一笑，等.SH／T 3082—2003石油化工儀表供電設計規范［S］.北京：中國石化出版社，2004.

［3］陳增柱，趙永明，曾云成，等.SH 3038—2000石油化工企業生產裝置電力設計技術規范［S］.北京：中國石化出版社，2001.

［4］劉少慧.淺析UPS不間斷電源的原理及維護［J］.福建電腦，2011（04）：59－60.

［5］張大鵬.煉油化工企業UPS配電系統配置方案的研究［J］.石油化工自動化，2006，42（05）：21－22.

［6］吳國良.生產裝置過程控制儀表電源供電系統（UPS）管理的幾點見解［J］.自動化博覽，2010（05）：50－54.

［7］白新莊.石化裝置儀表控制系統供電的可靠性設計［J］.石油化工自動化，2006，42（04）：24－26.

［8］林融.過程自動化技術在石化工業中的應用趨勢與戰略思考［J］.石油化工自動化，2011，47（04）：1－7.

［9］趙如灼.模塊化UPS可以實現“N＋X”并聯冗余［J］.電氣應用，2013（15）：25－26.

［10］劉立賢.關于UPS雙總線供電系統的冗余和容錯設計［C］∥2012年中國通信能源會議論文集.北京：中國通信學會通信電源委員會，2012：85－93.

［11］任泓.提高儀表供電系統可靠性設計方法的探析［J］.當代化工，2009（01）：72－74.