雙總線冗余UPS在石油化工企業中的應用

盧丙仕

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

石油化工企業大部分區域為易燃易爆環境，為保障人身和財產安全，在供電系統(市電)電源突然中斷后，應保證安全停車，避免引起爆炸、火災、中毒、人員傷亡和關鍵設備損壞；或事故一旦發生，應能及時處理，防止事故擴大，保護關鍵設備，搶救及撤離工作人員等。為確保完成上述工藝流程控制方案，石油化工企業的儀表及控制系統應采用不間斷電源UPS供電[1]。

隨著大型石油化工項目數量增多和規模擴大，中國對石油化工項目的安全、環保及人身健康的要求也更加嚴格，UPS的可用性對儀表及控制系統愈發重要，甚至可以說UPS是儀表及控制系統正常運行的基礎，在工程設計中，現場機柜室、中心控制室等儀表及控制系統設備集中的建筑物內均設置專用的UPS室。

由于受長期運行習慣和供應商片面宣傳等因素的影響，石油化工企業中正在運行的UPS的配置(包括冗余方案)有多種，很有必要從UPS的構成、工作原理、冗余方式等多方面考慮，綜合研究適合石油化工企業儀表及控制系統特點的高可用性UPS供電系統接線方式。

1 UPS構成及工作原理

根據國際電工委員會標準IEC62040-3： 1999Methodofspecifyingtheperformanceandtestrequirements[2]，基于UPS輸出電壓和輸出頻率與UPS輸入電源參數的關系，將UPS分為后備式、互動式、雙變換式三類，其中雙變換式UPS的性能級別最高[3]，即不論市電是否正常，雙變換式UPS的逆變器均能輸出連續、穩定，單相220 V或三相380/220 V 50 Hz的正弦波交流電壓。

目前石油化工企業中，應用最多的就是雙變換式UPS，本文基于該類型UPS展開研究。

1.1 雙變換式UPS構成

雙變換式UPS主要由整流器、蓄電池組、逆變器、旁路設備以及切換開關等組件構成，形成主機交流市電輸入回路、直流應急電源輸入回路以及旁路交流市電輸入回路，根據實際運行工況需要，該類型UPS可運行于正常交流供電模式、直流供電模式和旁路交流供電模式[4]，因此雙變換式UPS構成完全滿足GB 50052—2009《供配電系統設計規范》[5]有關一級負荷中特別重要負荷的供電要求。

1)整流器主要作用是將市電的交流電能轉換為直流電能，為逆變器和蓄電池組提供直流電能，其性能的優劣直接影響該類型UPS的輸入指標。為了抑制諧波、隔離市電過電壓等對逆變器可靠運行的影響，工頻整流設備輸入側均設置輸入隔離變壓器[6]。

2)蓄電池組是一種直流儲能裝置，屬于應急電源。它可以為逆變器提供一定后備時間電能，石油化工企業一般要求為30 min[1]。在市電正常時，由整流器為其提供電能并轉換為化學能進行存儲；在市電中斷后，蓄電池組將化學能再轉換為電能提供給逆變器；蓄電池組充、放電過程是可逆的，可以反復多次充放電。

3)逆變器是雙變換式UPS的核心，主要作用是將整流后的直流電能或蓄電池組釋放的直流電能轉換為電壓和頻率都比較穩定的交流電能，其性能的優劣直接影響UPS的輸出性能指標。具有旁路輸入的雙變換式UPS，還應配置鎖相同步控制電路，在旁路交流電源正常時，逆變器輸出電壓的頻率和相位保持與旁路輸出交流電壓同步；若旁路輸出交流電壓的頻率和相位超過逆變器容差允許值時，同步控制回路自動關閉，逆變器將按其自身預設的基本頻率運行，直到旁路輸出交流電壓恢復至逆變器容差允許范圍內時，再與其保持同步。目前，雙變換式UPS中廣泛采用正弦脈寬調制(SPWM)逆變器，逆變器中的功率開關大多采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。為了確保該類型UPS供電系統能實現TN-S接地方式，逆變器輸出側均配置輸出隔離變壓器[1， 6]。

4)旁路設備是為提高雙變換式UPS短時過載能力和檢修維護而設置的重要輔助設備。因為該類型UPS逆變器采用電子器件，過載能力較低，目前UPS主機的最大輸出電流一般為其額定電流的3倍[7]，當該類型UPS供電系統出現短時過載或短路故障時，UPS輸出將由逆變器不間斷地轉換到旁路，這樣既保護了UPS逆變器不會因過載而損壞，又保證了UPS不間斷連續供電。旁路設備主要由輸入隔離變壓器、自耦調壓器組成[6]，其中數控交流穩壓器自動跟蹤逆變器的輸出電壓，隨時調整交流旁路輸出電壓幅值，確保與逆變器輸出電壓幅值相差無幾，以便隨時滿足無擾動切換要求。

5)切換開關。切換開關包括： 逆變器輸出靜態開關、自動旁路靜態開關和手動維修旁路開關。靜態開關為無觸點開關，由晶閘管開關器件組成，可以實現交流電源的不間斷切換，一般要求總的切換時間不大于5 ms[1]；維修旁路開關為手動電磁機械開關，具有隔離功能，主要作用是在UPS主機維修或測試時，可以幫助實現該類型UPS電源無擾動切換至維修旁路電源，為安全退出UPS主機提供便利條件。

帶旁路雙變換式UPS單機系統接線如圖1 所示。

圖1 帶旁路雙變換式UPS單機系統接線示意

1.2 雙變換式UPS工作原理

當雙變換式UPS運行于正常交流供電模式，市電正常(即滿足輸入電源指標)時，由整流器/逆變器組合向負載供電，同時整流器還負責給蓄電池組充電。為保證逆變器與旁路不間斷切換，逆變器輸出電壓與旁路輸出電壓保持鎖相同步。

當雙變換式UPS運行于蓄電池組供電模式，在市電異常(即不滿足輸入電源指標)或整流器故障時，整流器自動關閉，此時由蓄電池組釋放直流電能，再經逆變器轉換為交流電提供給負載。在蓄電池組供電時間內，逆變器能始終處于工作狀態，確保該類型UPS不間斷供電。

當雙變換式UPS運行于旁路交流供電模式，旁路是該類型UPS的重要組成部分之一，在下列兩種工況下，該類型UPS處于旁路運行：

1)一旦逆變器短時過載或出現故障，機內的檢測控制電路控制靜態開關，將用電負荷由逆變器供電轉換為由旁路供電；當逆變器恢復正常后，靜態開關又動作，將用電負荷轉換為由逆變器供電。由于逆變器與旁路市電鎖相同步，因此，靜態開關可以實現安全、平穩的不間斷切換。

2)維修或測試時，為了安全操作，首先采用人工控制旁路的靜態開關，進入旁路交流供電模式，再將維修旁路開關閉合(等電位合閘)，由維修旁路直接向負載供電，便于雙變換式UPS主機與市電隔離，切換可保證在該類型UPS檢修或測試時對負載的不間斷供電。

2 雙變換式UPS冗余方式的比較

2.1 雙變換式UPS冗余的必要性

從雙變換式UPS單機構成和系統接線圖不難看出，該類型UPS是由成千上萬個電子器件、功率器件和散熱器件及其他電氣裝置組成的功率電子設備。隨著科技的發展，該類型UPS單機的各項指標均獲得很大提高，已具有較高的供電質量和可靠性，其中平均故障間隔時間(MTBF)已升至不小于5.0×104h[7]。不論MTBF如何大，仍是一個有限值，不可能達到無限大，不論UPS單機有幾路電源輸入，單機輸出就一路，這就存在單點瓶頸故障隱患，如靜態轉換開關故障而無法實現電源切換等。由于該類型UPS本體元器件的老化失效或維保人員的誤操作等因素的存在，單靠提高單機的可靠性，是無法滿足實際需求的。根據多年的運行經驗，采用多臺雙變換式UPS單機的冗余連接，可使該類型UPS供電的可靠性得到很大提高，目前行之有效的冗余方式有串聯冗余、并聯冗余和雙總線冗余[6]。

2.2 雙機串聯冗余

任何具有旁路設備的雙變換式UPS單機都可以進行串聯冗余連接，只要主機的旁路接入從機的輸出即可。在正常情況下，由主機向負載供電，從機處于空載狀態；當主機故障時，從機投入運行，接替主機繼續向負載供電；只有從機過載或從機逆變器故障時，才啟用從機的旁路開關，轉為旁路市電供電。該類冗余方式適合單電源輸入負載設備供電。

2.3 雙機并聯冗余

雙機并聯冗余工作方式相當于計算機的并行工作原理，其中1套單機設置為導航UPS，其輸出電壓的頻率和相位與其旁路市電輸出電壓同步，另1套單機輸出電壓的頻率和相位優先與導航UPS逆變器輸出電壓同步。正常工作時，2套雙變換式UPS各帶50%負荷同時要求UPS單機負載率不大于50%，當其中1套單機故障時，另外1套單機能帶上全部負荷，繼續獨立運行。并聯冗余雙變換式UPS單機必須具有并聯控制功能，即控制多套該類型UPS單機輸出電壓保持并聯同步，為此要求各UPS單機同品牌、同規格、同容量。該類冗余方式適合單電源輸入負載設備供電。雙機并聯冗余雙變換式UPS接線如圖2所示。

圖2 雙機并聯冗余雙變換式UPS接線示意

2.4 雙總線冗余

雙總線冗余接線方式中，2套雙變換式UPS單機不需要配置并聯控制功能，單機之間無電氣聯系，是兩個相對獨立的交流電源。正常工作時該類型UPS單機負載率均不大于50%，在任1套單機故障時，僅跳開故障UPS單機和相應配電回路，不會影響另1套UPS單機和相應配電回路的正常運行，該類冗余方式特別適合雙電源輸入負載設備供電。雙總線冗余雙變換式UPS接線如圖3所示。

圖3 雙總線冗余雙變換式UPS接線示意

2.5 三種冗余方式的比較

雙機串聯冗余和雙機并聯冗余不僅提高了雙變換式UPS本身的MTBF，還降低了該類型UPS供電系統由于自身原因的故障率，但并沒有消除該類型UPS供電系統的單點瓶頸故障隱患，如靜態轉換開關故障、公共配電母線故障等。雙總線冗余方式在該類型UPS供電系統的電源輸入端至電源輸出端均采用容錯配置，徹底消除了單點瓶頸故障隱患。三種雙機冗余雙變換式UPS綜合性能比較見表1所列。

表1 三種雙機冗余雙變換式UPS綜合性能比較

3 高可用性雙總線冗余雙變換式UPS接線的配置

雙變換式UPS可靠性是指UPS硬件系統多長時間不會發生故障的概率，其目標值是無窮大，由于技術和經濟合理性制約，可靠性很難達到最大值；雙變換式UPS可用性指的是在規定時間內UPS正常供電概率的百分數，其目標值是100%。在可靠性一定的條件下，盡量減小或降低可維修項的平均修復時間(MTTR)，就能提高可用性，如果MTTR為0，可用性就可達100%[8]。

基于上述綜合考慮，首先應充分利用雙變換式UPS硬件，包括單電源輸入負載前端的自動轉換系統的智能化，自動檢測運行中的UPS供電系統各環節狀態，及時發現、診斷和處理UPS的故障，盡量減少因故障或檢修而造成的可維修項的MTTR，提高該類型UPS的可用性。

目前，石油化工企業儀表及控制系統的用電負載主要為雙電源輸入負載，還有少量單電源輸入負載。根據上述雙變換式UPS冗余方式的比較結果可知，雙總線冗余雙變換式UPS是儀表及控制系統最佳供電系統。為了滿足所有類型儀表及控制系統不間斷運行的需要，在實際應用中，不僅要保證雙變換式UPS輸出端的電源可用性，還要保證需要冗余供電的單電源輸入負載端的電源可用性。

高可用性雙總線冗余雙變換式UPS供電系統如圖4所示。

圖4 雙總線冗余雙變換式UPS供電系統示意

該供電系統接線配置必須考慮如下三個環節：

1)市電雙重化電源。雙重化的市電可引自一個變電所的兩段母線，這兩段母線及其上級電源分列運行，即具有獨立運行特性[5-6]， 兩段母線經母聯分段柜中的自動切換裝置(ATS)互為備用；為確保雙總線雙變換式UPS供電系統輸出端電壓參數基本同步，2套雙變換式UPS的主機電源應均引自同一段配電母線，兩路旁路電源應均引自另一段配電母線。

2)UPS雙總線冗余配置。為確保需要冗余供電的單電源輸入負載前端自動轉換系統的不間斷切換，即雙總線UPS供電系統兩路輸出電源電壓的頻率、相位及電壓幅值要求基本一致性，要求兩套雙總線冗余的UPS單機的配置完全相同。

3)儀表配電雙總線冗余。對于雙電源輸入負載，應采用基本雙總線[7]接線形式配電，即采用雙路電源供電，每路電源均接自雙總線UPS供電系統的2個配電柜；對于單電源輸入負載，可根據負載特點區分對待： 非必須采用冗余供電的單電源輸入負載可均衡接自任何一個雙變換式UPS配電回路；具有互備功能的多個單電源輸入負載，如操作站應采用從該類型UPS1和UPS2交叉供電的方式，操作站1從雙變換式UPS1供電，操作站2從雙變換式UPS2供電；必須采用冗余供電的單電源輸入負載，應采用待機冗余雙總線[7]接線形式配電，即在這類負載的前端增設自動轉換系統，切換時間不大于5 ms，將雙總線雙變換式UPS供電系統的雙路電源轉換成單路電源，再向單電源輸入負載提供高質量單路電源。由于這種轉換系統接近負載，是供電系統末端，且轉換功率較小，萬一發生故障，影響范圍也僅限于轉換系統后的負載，不會影響其他負載。

4 結束語

通過闡述雙變換式UPS構成、工作原理及冗余方式的選擇，對比雙機串聯冗余、雙機并聯冗余、雙總線冗余三種冗余雙變換式UPS綜合性能特點，體現了雙總線冗余雙變換式UPS供電系統接線簡單、可用性高的特點，是石油化工企業儀表及控制系統的優選供電方案。