天然氣輸氣場站UPS配置的改進

姚 剛 宋建法

（陜西省天然氣股份有限公司 西安）

一、使用現狀

公司現通用于各天然氣輸氣場站UPS配置的一般模式為：一臺大功率三相UPS后串機聯接一臺單相通信UPS和一臺單相自控UPS的串聯冗余供電系統，這種電源的設置模式如圖1所示。這種主機--從機串聯冗余配置，有不合理之處。

圖1 現UPS供電系統的配置示意圖

（1）負載嚴重不平衡，主控UPS輸入電源為三相交流電源，而其所帶“負載”主要為一臺小容量的自控UPS（大多為2 kV·A）和一臺更小容量的單相通信UPS（大多為 1 kV·A），這樣就造成大功率三相主控UPS的輸出一相懸空（只在電動執行機構運轉時為三相輸出），長期這樣使用會影響UPS的使用質量和壽命。也有個別天然氣輸氣場站在主控UPS后還帶載部分電動執行機構。由于UPS的逆變器向負載輸出的為方波電源而不是正弦波電源，所以合理的帶載應該是電阻性負載或開關性電源負載，而不適合帶電感性儲磁負載（電機類），因為如果有電感性負載的出現，會導致在出現方波電源脈沖波形的上升沿或下降沿的尖峰電壓干擾，使峰值電壓急劇增大而有可能引發設備損壞，所以，電感性負載電動執行機構嚴格的說來不能加載在UPS的輸出端，而通信UPS前端的穩壓電源也是鐵芯電感線圈結構的穩壓器，同樣不適合于帶載在主控UPS的輸出端。

以西安分公司為例，各站主控UPS的配置情況：（主控UPS容量為15～30 kV·A不等，原配臨潼、渭南輸氣站為15 kV·A；銅川、西安輸氣站為30 kV·A，其中銅川，西安輸氣站為同型號同廠家的2臺30 kV·A進口ABB型主控UPS分別于2003年在遠遠不到使用壽命的情況下損壞，而后西安輸氣站又于2006年4月重新配置臺達牌30 kV·A主控UPS，使用至2009年7月又損壞，接二連三地未到使用壽命周期而過早損壞，足以說明這種配置的不合理性，從西安站主控UPS的更換周期和損壞情況看，這種配置的損壞率是比較高的，也能說明不均衡帶載和引入電感性負載對UPS壽命的影響。

（2）容量配置很不合理，高額費用購置的大功率UPS幾乎閑置。用一臺大容量的UPS（15～30 kV·A），帶載2臺加起來總容量不到10 kV·A的小UPS，其所帶負載大部分僅為一臺1 kV·A的單相通信UPS 和一臺 2 kV·A，3 kV·A，7 kV·A不等的單相自控UPS，負荷率不到10%是極大的資源浪費。

（3）可靠性較低，這種串聯冗余設計在實際生產使用中很不科學合理，不便于維修和應急使用，從圖1很容易看出，自控UPS的輸出是DC機柜的唯一供電途徑，如有意外故障造成供電中斷，PLC及所有儀表都會瞬間失電，可以導致整個DC柜失電而黑屏，而前端的主控UPS又無法跨過自控UPS來直接給DC柜供電，缺乏保護措施，這對工藝及貿易就會產生很大的影響。還有，在生產中需要維修、維護時，輸氣系統在運行，供電中斷就會導致無法計量和自控系統因失去信號而觸發部分執行機構誤動作情況。所以，遇到這種情況，即使維修、維護時間很短，也要匯報調度，協調下游停氣，然后機柜下電處理，非常不方便。

（4）這種串聯冗余設計不利于電瓶正常工作，由于長期處于空載運行狀態中的從機（通新、自控）的蓄電池一直處于“浮充”充電狀態，幾乎沒有深度放電的機會，市電停電時，首先主控UPS切入電池逆變供電狀態，自控，通信UPS的電池依然在只充不放的狀態，常造成從機蓄電池壽命明顯縮短或容量大大低于標稱值，即使操作規程中有定期放電，但是自控供電關系重大，一般不會達到深度放電的要求，（深度放電有電池耗盡，輸出瞬間斷電的因素），所以從機自控UPS幾乎一直處在"浮充淺放"的狀態維持，這樣使用壽命減少已是不爭的事實，如西安站自控UPS的電池，與主控UPS電池是同一期安裝的，在主控電池完好的情況下，自控UPS蓄電池已然耗干殆盡。

二、改造后的模式及優越性能和預期效果

如果改進為“1+1”型UPS并聯聯機冗余供電設置，如圖2所示，改造后，取消大功率主控UPS,而采用2臺相同的自控UPS的并聯聯機對DC柜供電來取代原供電結構中的一大帶兩小的串聯配置，同時將通信UPS前端的穩壓電源輸入直接從配電柜引入，雖然通信UPS減少了一次串機聯接，但絲毫不影響其使用效果。電動執行機構的電源也直接從配電柜引入，無需從UPS后端引入，避免了UPS帶載電機類感性負載，使UPS的配載更加合理規范，對自控系統的可靠性和安全系數大大提高，也更加方便維護。

在實際使用中，串聯聯機冗余系統的主控UPS的作用非常微弱，改造后用2臺相同的自控UPS的并聯聯機對DC柜供電來取代原供電結構中的一大帶兩小的串聯配置，對自控系統帶來很大的方便，在運行中，如果一臺自控UPS出現故障的情況下，另一臺仍的逆變仍然保持穩定的輸出而不會跳變到旁路（市電直供）上或中斷輸出，大大提高了對DC機柜供電的可靠性。同時也有效的避免了維修切換中的斷點問題。不論從成本還是可靠性而言，都比大拖小的串聯結構合理。采用這種“1+1”型UPS并聯聯機冗余系統設置的結構優點如下。

（1）鎖相同步調節，為了確保UPS電源能安全可靠的進行市電--逆變器間的正確切換操作，并機中的邏輯控制電路對2臺(或多臺）并機UPS間的相位差進行微調，使之趨向于零（目前已可實現2臺UPS間的相位差控制在0.2°甚至更?。膽媒嵌瓤矗C間的環流幾乎為零。

圖2 改造后UPS并聯冗余設置示意圖

（2）均流調節，并機邏輯控制電路可以實現2臺UPS均擔負載，通過動態微調2臺UPS的輸出電壓，使2臺機器的均流不平衡度控制在很小范圍內（一般在1.5%～5%，當均流不平衡度超過8%的時候，只能作為控制水平較低的被動式并聯聯機結構使用，即可當作雙機一備一用模式）根據目前的UPS生產水平，很容易達到5%以下。

（3）選擇性脫機“跳閘”功能，在一臺UPS出現故障的情況下，并機邏輯控制電路會自動關閉出故障的UPS的逆變器，使發生故障的UPS脫離系統運行，同時也阻斷導通該臺UPS的旁路開關，并發出報警。而另一臺UPS則繼續向負載供電，這時供電UPS輸出端的階躍電流時從50%的負載電流增長到100%的負載電流，對UPS的逆變器沖擊較小。而主從系統中，從機的階躍電流將是從0增長到100%的負載電流，對逆變器沖擊比較強。

（4）擴容功能，用2臺相同功率的UPS并機系統，必要時將UPS的輸出功率擴大一倍，例如，用2臺7 kV·A的“1+1”并機系統，輸出功率可以擴容到14 kV·A，這樣的冗余供電系統有很好的靈活性。

綜上所述，可以選擇相同額定功率的同型號UPS來構成具有容錯功能的雙機并接UPS供電系統，構成“1+1”并機冗余配置供電系統。既提高供電系統的可靠性，又可以節省設置大功率主控UPS的大量費用，也方便在維修中雙機切換供電而不必臨時下電及相關的工藝操作。比串聯冗余設計，是非常經濟和可靠的UPS供電配置系統，應加以推廣和采用。